Схема защиты усилителя мощности от перегрузок своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 04.10.2024

Обеспечение надежности работы радиоэлектронных схем является одной из важнейших задач практического использования компонентов радиоэлектронной аппаратуры. В отношении ОУ наиболее уязвимыми являются входные и выходные цепи, цепи питания.

Все эти цепи критичны к даже весьма непродолжительным перенапряжениям, которые могут возникать в результате грозовых и электростатических разрядов, переходных процессов, неисправностей по цепям питания и т. д. Вторым по значимости в плане вероятного повреждения ОУ представляются перегрузки по току или рассеиваемой мощности.

Защита входных цепей ОУ

При выборе схем защиты ОУ следует учитывать тот момент, что многие современные микросхемы уже имеют встроенную защиту, например, на случай короткого замыкания в нагрузке, от перегрева и т. п.

Конструкционные особенности исполнения и эксплуатации микросхем обычно указывают в технических паспортах и описаниях. В таких описаниях обязательно указывают предельно допустимые условия эксплуатации микросхем — по напряжению питания, потребляемому току, току нагрузки, предельному уровню входных напряжений и т. д. Современные микросхемы, учитывая опыт эксплуатации и статистику отказов, зачастую имеют встроенную систему защиты, например, от короткого замыкания в цепи нагрузки. Вместе с тем, многие подобные усовершенствования, повышая надежность устройств, могут заметно ухудшить их иные важнейшие эксплуатационные характеристики, особенно, быстродействие, работу в области повышенных частот.

Наиболее простой способ защиты входных цепей ОУ показан на рис. 5.1 и рис. 5.2. Он заключается в использовании диодного ограничителя, выполненного на основе встречно включенных высокочастотных диодов и резистора R1, который по совместительству входит в состав усилителя на ОУ и определяет его коэффициент передачи.

Напомню, что для кремниевых диодов ограничение наступает при величине напряжения, прикладываемого к диодам, превышающем 0,6—0,7В. При более низких напряжениях диоды можно практически исключить из эквивалентной схемы: их сопротивление утечки обычно намного превышает 1 МОм, а величина емкости не превышает долей — единиц пикофарад.

Для германиевых диодов порог шунтирующего действия проявляется при напряжениях свыше 0,25—0,3 В. При меньших напряжениях сопротивление утечки примерно на порядок ниже, чем для кремниевых диодов; емкостные свойства примерно сопоставимы.

Если есть необходимость повысить уровень входного сигнала, поступающего на вход ОУ без ограничения, для защиты можно использовать

Рис. 5.1. Схема диодного ограничителя предельного уровня входного напряжения

последовательную цепочку из нескольких германиевых и/или кремниевых диодов. Их напряжения арифметически суммируются; для обеспечения равномерности распределения падения напряжений параллельно каждому из диодов следует подключить резистор сопротивлением 0,5—2 МОм (все резисторы равного номинала).

Рис. 5.2. Вариант выполнения схемы ограничителя

Рис. 5.3. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием симметричного стабилитрона

Одним из вариантов защиты входных цепей ОУ является включение на его входе (симметричного) стабилитрона по схеме, представленной на рис. 5.3. В качестве симметричного стабилитрона можно использовать два (или более) встречно включенных однотипных стабилитрона. Заметным недостатком схем защиты с применение стабилитронов следует считать то, что стабилитроны, как элементы сугубо низкочастотные, имеющие выраженные значения емкостей переходов и их зависимость от приложенного напряжения, могут работать лишь в области весьма низких частот, как правило, до 1 кГц.

Для защиты входных цепей ОУ от перенапряжения можно использовать схему,

представленную на рис. 5.4. Под перенапряжением следует считать такое напряжение на входе, величина которого превышает напряжение питания микросхемы. Решить эту проблему несложно при использовании диодных цепочек VD1 и VD2, которые открываются и подключают вход к шине питания при напряжении на входе на доли вольта превышающем напряжение питания микросхемы.

Рис. 5.4. Схема диодной защиты входных цепей ОУ

Рис. 5.5. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием КМОП- коммутатора

Следующий вариант выполнения цепей защиты основан на использовании КМОП-коммутатора, управляемого входным сигналом (положительной полярности). В случае если напряжение на управляющем входе КМОП-коммутатора превысит уровень 0,6—0,7 от напряжения его питания, ключ коммутатора замкнется, обеспечив защиту входа ОУ.

Рис. 5.6. Вариант схемы защиты входа ОУ

В приведенной на рис. 5.5 схеме питание КМОП-коммутатора осуществляется непосредственно от входного сигнала: это напряжение в положительной полярности через диод VD2 заряжает накопительный конденсатор С1 и ограничивается стабилитроном VD1. Ввиду малого энергопотребления по цепям питания КМОП-коммутатора (доли миллиампера) конденсатор С1 образует импровизированный аналог источника питания микросхемы DA2.

Приведенная выше схема обеспечивает защиту входа ОУ при уровне входного напряжения, незначительно превышающего напряжение стабилизации стабилитрона VD1. Предполагается, что это напряжение меньше или равно напряжению питания микросхемы DA1. Обеспечить защиту по входному сигналу, уровень которого не может превышать напряжение питания ОУ (или на доли вольта превосходит его), можно при использовании схемного устройства, представленного на рис. 5.6.

Следующее техническое решение предусматривает корректную работу элемента защиты при двуполярном входном сигнале (рис. 5.7). Отмечу, что для повышения чувствительности схемы защиты для питания управляющего входа коммутатора можно использовать выпрямители- умножители входного сигнала. Можно также предусмотреть принудительное смещение начального положительного напряжения на управляющем входе КМОП-коммутатора.

Рис. 5.9. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием лавинного транзистора

Рис. 5.8. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием транзисторного ключа переменного тока

Рис. 5.7. Вариант схемы защиты входа ОУ

Стоит напомнить, что большинство КМОП-коммутаторов способно работать до частот, не превышающих 1МГц.

Точнее говоря, предельные возможности таких коммутаторов напрямую зависят от напряжения питания микросхемы коммутатора: чем выше это напряжение, тем выше частота коммутации. Диапазон же питающих напряжений КМОП-коммутаторов отечественного производства лежит в интервале 3—15 В. Соответствующая верхняя предельная частота коммутации может приближаться к 4—5 МГц (для современных моделей КМОП- коммутаторов).

Более быстродействующим элементом защиты являются транзисторные ключи, схема одного из вариантов выполнения которого приведена ниже (см. рис. 5.8). Как и в предшествующих случаях элементом, лимитирующим верхнюю частоту работы устройства, является наиболее низкочастотная деталь — стабилитрон VD5. В этой связи этот элемент целесообразно заменить транзисторным аналогом, варианты которого описаны в монографии [5.1].

Как вариант выполнения цепи защиты можно рассмотреть включенную во входную цепь ОУ мостовую диодную схему, в диагональ которой в инверсном виде включен биполярный

лавинный транзистор VT1 (рис. 5.9). Пробой такого транзистора обычно наблюдается при напряжениях порядка 8—10 В и более, в зависимости от типа транзистора, см. также [5.1].

Отмечу, что обычно лавинные транзисторы при подобном режиме включения работоспособны до частот не свыше 200 кГц. Их аналоги — динисторы обычно работают до частот не более 1 кГц.

Рис. 5.10. Схема диодной защиты входных цепей ОУ

Рис. 5.11. Схема защиты входных цепей ОУ стабилитронами

Рис. 5.12. Схема защиты входных цепей ОУ симметричным стабилитроном

Для того, чтобы ограничить предельное напряжение между входами ОУ, используют простейший диодный ограничитель, подключенный к входам ОУ (рис. 5.10). При малом напряжении сопротивление ограничителя на кремниевых диодах превышает десятки мегаом, зато при последующем росте этого напряжения (при напряжении свыше 0,6—0,7 В) экспоненциально снижается до сотен ом. Область предельных рабочих частот диодной защиты определяется свойствами как самого ОУ, так и типом используемых диодов (ориентировочно до 10 МГц, т. к. на более высоких частотах начинают сказываться емкостные свойства элементов схемы). Уровень ограничения можно ступенчато менять, используя цепочки последовательно включенных диодов.

Вариант схемы защиты входных цепей ОУ с использованием встречно включенных стабилитронов приведен на рис. 5.11. Кроме параллельного включения стабилитронов, рис. 5.11, возможно и их последовательное включение или использование симметричного стабилитрона, рис. 5.12. Применение стабилитронов позволяет заметно повысить напряжение защиты, однако сужает область рабочих частот устройства.

Защита ОУ по цепям питания

Простым способом защиты ОУ от перенапряжения по цепям питания является использование стабилитронов, рис. 5.13. Одновременно решаются задачи защиты, стабилизации напряжения питания, формирования искусственной средней точки. При неверной полярности подключения

Рис. 5.16. Схема ограничителя тока ОУ

на ОУ подается напряжение, равное прямому падению напряжения на стабилитронах, что не приводит к повреждению ОУ

Диодно-резистивная защита, рис. 5.14, спасает ОУ от неверной полярности подаваемого напряжения, однако не защищает его от перенапряжения.

Комбинированная защита ОУ по цепям питания, рис. 5.15, сочетает в себе достоинства ранее рассмотренных технических решений. В схеме использована параллельная диодная защита с использованием диода VD3: при неверной полярности поданного напряжения происходит короткое замыкание источника питания на диод VD3, после чего перегорает предохранитель FU1 и схема обесточивается.

Недостатки такого схемного решения также очевидны:

♦ необходимость использования мощного диода защиты VD3;

♦ возможность повреждения источника питания при использовании суррогатного предохранителя;

♦ необходимость замены предохранителя.

Впрочем, последние проблемы могут быть решены заменой одноразового плавкого предохранителя полупроводниковым многоразовым самовосстанавливающимся предохранителем [5.2].

Для ограничения тока, потребляемого ОУ, используют ограничители тока (генераторы стабильного тока), рис. 5.16.

Защита выходных цепей ОУ

Выходные цепи ОУ чаще всего повреждаются:

♦ или в результате перенапряжений, возникающих при работе ОУ на индуктивную нагрузку;

♦ или от короткого замыкания нагрузки.

Вариант защиты выходных цепей от импульсов непредусмотренной штатным режимом эксплуатации полярности приведен на рис. 5.17.

Рис. 5.18. Схема защиты выходных цепей ОУ с использованием стабилитрона

Рис. 5.7 7. Схема диодной защиты выходных цепей ОУ

Стабилитрон, подключенный параллельно сопротивлению нагрузки, ограничивает предельное напряжение выходного сигнала до уровня напряжения стабилизации, рис. 5.18.

Следует учесть, что частотная область применения такого способа защиты ограничена емкостными свойствами стабилитрона (до единиц килогерц).

Рис. 5.19. Схема ограничителя предельного тока нагрузки ОУ

Кроме того, в зависимости от величины выходного напряжения заметно изменяется и емкость стабилитрона. Это может дополнительно исказить усиливаемый сигнал, а при работе на индуктивную нагрузку вызвать резонансные процессы.

Ограничивают предельный ток нагрузки и, следовательно, защищает транзисторы выходных цепей ОУ от перегрузки ограничитель тока (генератор стабильного тока), рис. 5.19. Следует отметить, что многие современные ОУ имеют подобные цепи защиты непосредственно в составе микросхемы.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Схема этого блока защиты усилителя максимально простая, используется принцип компаратора. Подстроечниками устанавливается соответствующее напряжение (в соответствии с делителем и типом используемого термистора) - отдельно для левого и правого канала. Один из регуляторов используется для включения полного напряжения вентилятора, другой включает режим MUTE у TDA (в данном случае TDA 7250).

Схема блока защит УНЧ

Каждое состояние сигнализируется соответствующим светодиодом индивидуально для каждого канала (зелено-красный LED):

Зеленый - все работает и играет.
Красный - отключенный усилитель.
Синий - вентилятор работает.

Чтобы облегчить настройку схемы, предварительно измерим сопротивление термисторов и вместо них подключим обычные резисторы соответствующего значения. Данные термисторы в холодном состоянии имели около 5 кОм, поэтому для пороговых температур получено: для 50 C около 2 кОм и для 70 около 1,5 кОм.

Аналогичным образом если используются другие значения термистора следует также проверить, будут ли установленные (предполагаемые) параметры напряжения для соответствующих значений температуры находиться в пределах напряжения, которые должны быть установлены подстроечниками. Если нет - выберите делители постоянного напряжения - в этом случае вместо 4,3 кОм пришлось использовать 6,2 кОм (схема рассчитывалась для других температур чем те, которые решили установить).

Что касается самого вентилятора - можно обойтись без исполнительного транзистора с шунтирующим резистором, вентилятор будет работать в режиме включения / выключения в зависимости от температуры термистора.

В случае если надо улучшить условия охлаждения, выбираем резистор так, чтобы при низкой температуре вентилятор (вентиляторы) имел минимальное напряжение для обеспечения его запуска - значение резистора следует подбирать индивидуально в зависимости от вентилятора, значение выбирается для двух вентиляторов 12 В и 0,22 А каждый.

Однако, если намереваемся установить такую схему (присутствует резистор) в усилителе, то светодиод сигнализирующий о работе вентилятора будет гореть постоянно - иногда слабее, иногда ярче - что понятно.

Вы также можете применить эту систему к любому другому усилителю на микросхемах или даже к чему-то совершенно другому - вместо блокирующего входа TDA подключаем исполнительный транзистор, управляющий работой соответствующего реле, которое отключило бы выходы динамика.

В конечном итоге схема будет использоваться в проекте, предусматривающем использование одного вентилятора для охлаждения обоих радиаторов. Однако ничто не мешает вам использовать два или сколько вам надо кулеров - просто помните о текущей энергоэффективности источника питания и правильно продуманной циркуляции воздуха.

Микрофоны MEMS - новое качество в записи звука. Подробное описание технологии.

Что такое OLED, MiniLED и MicroLED телевизоры - краткий обзор и сравнение технологий.

Про использование технологии беспроводного питания различных устройств.

В каком направлении течет ток - от плюса к минусу или наоборот? Занимательная теория сути электричества.

Конструируя схему своего усилителя НЧ я заранее предусмотрел в нем блок защиты акустических систем. Для чего это нужно и что может навредить акустическим системам? - во первых хотелось избавиться от "щелчка" при подаче питания на усилитель.

При включении питания конденсаторы выпрямителя начинают заряжаться что в этот момент сказывается на УНЧ - на акустические системы кратковременно попадает постоянное напряжение. Чтобы избежать этого попадания нужна схема несложного реле времени, которое сделает задержку подключения акустических систем на 0,5-1 секунду.

Во вторых - с УНЧ может случиться всякое, например, от перегрузки может сгореть один из транзисторов в УНЧ и на колонки поступит постоянное напряжение достаточно большой величины, что может спалить НЧ динамическую головку или же вывести из строя часть фильтра ваших колонок. Чтобы исключить подобные инциденты нужна схема контролирующая напряжение на выходе УНЧ и в случае появления проблем отключающая акустические системы от УНЧ.

Принципиальная схема

Я рассмотрел множество схем для защиты АС, хотелось найти универсальный вариант и с минимумом электронных компонентов, из всех схем четко выделилась одна - нашел я ее в журнале РАДИО №5 за 1998 год, автор публикации: Ю. Залиский (г. Львов, Украина).

Кроме того что схема выполняет все пункты, о которых я упоминал выше, она построена с использованием всего двух транзисторов и обеспечивает надежную защиту акустических систем для двух каналов усилителя низкой частоты.

Рис.1. Схема устройства задержки включения и защиты акустических систем (АС).

Описание схемы и журнала

Далее я приведу дословное описание из журнала радио, там все изложено кратко и понятно.

Принципиальная схема устройства задержки включения и защиты АС показана на рисунке выше. Оно состоит из входного ФНЧ R1 R2C1, реле времени на транзисторе VT1 и элементах R1-R4, С1 и ключа на транзисторе VT2.

В момент включения питания конденсатор С1 начинает заряжаться через резисторы R1, R2. В течение времени его зарядки транзистор VT1 будет открыт, VT2 закрыт и ток через обмотку реле не потечет.

Резистор R3 устраняет влияние базового тока транзистора VT1 на зарядку конденсатора и увеличивает положительный порог срабатывания устройства защиты.

Когда конденсатор зарядится, напряжение на базе транзистора VT1 упадет и он закроется, а связанный с ним ключевой транзистор VT2 откроется и через обмотку реле К1 по течет ток.

Реле сработает, и его замкнувшиеся контакты К1.1 и К1.2 подключат громкоговорители к усилителю. Задержка включения равна примерно 4 с.

Если на каком-то из выходов усилителя появится постоянное напряжение положительной полярности, это приведет к частичной разрядке конденсатора С1, открыванию транзистора VT1 и закрыванию транзистора VT2. В результате ток через обмотку реле прекратится и его контакты отключат громкоговорители от усилителей.

Если же на выходах последних появится постоянное напряжение отрицательной полярности, то оно непосредственно через диод VD1 поступит на базу транзистора VT2, закроет его и таким образом обесточит реле К1, контакты К1.1, К1.2 которого разомкнутся и снова отключат громкоговорители от усилителя.

Диоды VD1-VD2 ограничивают максимальное отрицательное напряжение на базе входного транзистора VT1 на уровне 1,3 В. Хотя и в режиме защиты громкоговорителей, и в режиме задержки их включения конденсатор С1 заряжается через одни и те же цепи, время срабатывания защиты на порядок меньше, поскольку для этого конденсатор должен изменить свой потенциал всего на несколько вольт. Пороги срабатывания защиты составляют не более ±4 В.

Правильно изготовленное устройство начинает работать сразу и настройки не требует. Диоды можно применить любые кремниевые. Остальные элементы желательно применить те, которые указаны в схеме. Реле К1— РЭС-9, паспорт РС4.524.200 с сопротивлением обмотки примерно 400 Ом.

Подойдет и любое другое реле, срабатывающее при выбранном напряжении питания, но в этом случае нужно подобрать резистор R4, от которого зависит отрицательный порог срабатывания защиты.

Устройство работоспособно при изменении напряжения питания в пределах 20. 30 В. При другом напряжении питания нужно будет изменить сопротивление резистора R4.

Недостаток этого устройства — необходимость питания его от источника с пульсациями не более 1 В, иначе возможны ложные срабатывания.

Замечания по схеме

Теперь добавлю от себя: подтверждаю, для устройства действительно нужен хорошо стабилизированный источник питания иначе будут частые ложные срабатывания.

Для стабилизации я использовал схему стабилизатора с регулировкой напряжения на основе микросхемы КРЕН5 (7805) - в публикации про блок питания для моего УНЧ я о ней рассказал.

В зависимости от того какое напряжение питания схемы (20. 30В) придется подобрать реле с обмоткой рассчитанной на данное напряжение срабатывания, здесь главное надежное срабатывание и чтобы катушка не перегревалась от перенапряжения. У себя я нашел пачку РЭС-48 с разными паспортами, полистав справочник я выбрал те что мне подходят по напряжению.

К каждой схеме я добавил еще резистор R5 и вывод для подключения светодиода VD4, который будет сигнализировать о срабатывании защиты. Они подключены к коллектору и эмиттеру транзистора VT2.

Таким образом при срабатывании защиты транзистор VT2 закроется и напряжение через реле и резистор поступит на светодиод - что будет сигнализировать о срабатывании.

Также при включении схемы, пока работает реле времени, светодиод светится, а потом при переходе защиты в рабочий режим он гаснет. Получается простая индикация, которой вполне достаточно чтобы отследить состояние защиты.

Детали и настройка

Сопротивление гасящего резистора R5* (гасит ток, протекающий через светодиод) подбирается экспериментально. Для этого можно применить переменный резистор на 2-3кОм включенный вместо R5.

Выставляем ручку резистора в положение с максимальным сопротивлением, подаем на схему питание, а на ее вход - постоянное напряжение от другого блока питания, чтобы схема сработала и реле обесточилось.

Вращая ручку переменного резистора нужно добиться достаточно яркого свечения светодиода VD4 в момент когда транзистор VT2 закрыт и питание на светодиод идет через обмотку реле К1.

Потом этот резистор отпаиваем и измеряем его сопротивление, устанавливаем в схему постоянный резистор с таким же сопротивлением.

Еще один вариант - примерный расчет по формуле на основе закона Ома:

R_резистора = (U_питания - U_светодиода) / I_светодиода.

R - сопротивление, в Омах.
U - напряжение, в Вольтах,
I - ток, в Амперах.

Примем что питание схемы защиты у нас 22В, а рабочее напряжение светодиода - 2,5В с током 15мА:

R = (22В - 2,5В) / 0,015А = 1300 Ом.

Поскольку ток через светодиод в схеме будет протекать также через обмотку реле, то свечение будет менее ярким если бы вместо реле был просто проводник, но этого достаточно для индикации состояния. Важно чтобы ток через светодиод не превышал ток срабатывания/отпускания реле.

Печатные платы проектировал по старинке:

Рис. 2. Разводка печатной платы карандашом и расстановка компонентов.

В результате мною было изготовлено два экземпляра данного устройства (2+2 канала), вот что получилось:

Рис.3. Готовые устройства задержки включения и защиты акустических систем.

Теперь о том как нужно эту схему подключать к усилителю НЧ и акустическим колонкам:

Приступить к наладке схемы нужно обязательно с подключенным усилителем низкой частоты (УНЧ) и акустическими системами (АС)!

Конденсатор С1 заряжается через общий провод, ток с которого идет через АС и УНЧ, а потом через резисторы R1 и R2.

Без АС и УНЧ схема не заработает так как должна работать. Если к схеме не подключить ни АС, ни усилитель мощности, то конденсатор С1 будет очень долго заряжаться через цепочку: R3 + переход Б-Э транзистора VT1.

Испытать схему можно и без АС и без усилителя НЧ. Делается это так:

Вместо АС временно подключаем по резистору на 200-300 Ом (мощностью 2-5Вт)
К контактам, что подключаются к усилителю, также ставим такие же резисторы на 200-300 Ом.
Включаем схему, через несколько секунд должно щелкнуть реле (конденсатор С1 зарядился через резисторы которые мы подключили к входу вместо усилителя).
Подавая положительные и отрицательные постоянные напряжения 10-20В с внешнего блока питания на резисторы, которые подключены вместо усилителя НЧ, можно убедиться в работоспособности защиты от попадания постоянного напряжения на выходе усилителя, реле должно отключить резисторы, которые мы включили вместо АС.

Я разместил платки в корпусе усилителя как можно ближе к платам УМЗЧ и выходным клемам АС (на задней панели), это нужно чтобы максимально сократить длину соединительных проводников от УНЧ к защите и к клеммам для подключения АС.

В завершение

Вот и все что я хотел вам рассказать о системе защиты АС в моем усилителе Phoenix-P400. Данная схема защиты АС зарекомендовала себя очень хорошо и работает безотказно.

Защита также может срабатывать при значительных прыжках напряжения в сети 220В, поскольку идет помеха в цепях питания УНЧ и на его выходе - спаси и сохрани наши АС!

Акустические системы (АС) высококачественных звуковоспроизводящих комплексов и мультимедийных центров (домашних кинотеатров) — это дорогостоящие и достаточно уязвимые устройства, выход из строя которых чреват недешевым ремонтом. Причинами таких поломок чаще всего являются неисправности усилителя низкой частоты (УНЧ), в котором по какой-либо причине (нарушение правил эксплуатации, неправильное подключение, перегрев и пр.) высокое питающее напряжение оказывается на его выходе и беспрепятственно поступает непосредственно на динамики АС. Чтобы сберечь излучатели колонок от повреждений, изготовители УНЧ предусматривают специальные электронные узлы (схемы защиты акустических систем), контролирующие значение выходящего напряжения усилителя и при необходимости отключающие от него АС.

Схемы на транзисторах

Специалистами разработано большое количество самых различных электрических схем, более или менее эффективно защищающих громкоговорители звуковых колонок от повреждений. Большинство из них выполнены на микросхемах или транзисторах, а в качестве исполнительного механизма в этих схемах задействовано реле. Так, практически все широко известные варианты защиты АС с использованием транзисторов и реле разработаны на базе нескольких схем, детально описанных ниже.

питающее напряжение, В — от +27 до +65;
задержка подключения АС, сек — 2,0;
чувствительность к входному постоянному напряжению, В — ±1,5.

Электросхема Котова

Электрическая схема А. Котова популярна среди начинающих радиолюбителей за свою простоту и эффективность. Однако она не лишена некоторых недостатков:

В результате творческого переосмысления вышеизложенных технических решений многочисленными радиолюбителями были предложены достаточно оригинальные варианты защитных схем АС с использованием транзисторов и реле (перечислены ниже).

Электросхема на 4 транзисторах

Схема защиты и задержки включения на 4-х транзисторах обеспечивает отключение АС при появлении на выходе УНЧ высоких показателей постоянного напряжения разных полярностей, а также задерживает подключение динамиков АС при включении УНЧ, защищая их от так называемых щелчков питания.

Модернизированная электросхема

Модернизированная схема защиты АС отключает систему при подключении головных телефонов, а также защищает ее излучатели при повышении или понижении питающего напряжения на выходе УНЧ (в том числе и при его включении/выключении) до уровня предельно допускаемых значений.

Универсальная электросхема на 2 транзисторах

Универсальная схема защиты на двух транзисторах предохраняет громкоговорители АС от воздействия кратковременных бросков напряжения при включении УНЧ (задержка подключения АС не более, чем на 1 сек) и обеспечивает их защиту от перегрузки или появления на выходе усилителя высокого питающего напряжения разных полярностей.

Простая электросхема на 3 транзисторах

Другие варианты

Были разработаны и опробованы на практике и другие варианты, позволяющие, например, защитить динамики в случае появления на выходе УНЧ повышенного питающего напряжения разных полярностей, используя для этого резисторный оптрон. Также гарантированно обеспечит снижение уровня мощности, подаваемой на вход акустической системы при перегрузках УНЧ, дополнительное устройство, установленное между выходом усилителя и входом АС.

Использование микросхем

С появлением интегральных микросхем перед радиолюбителями открылись новые возможности, реализация которых привела к появлению оригинальных схем защиты АС. Примером наиболее подходящих микросхем являются 3 нижеприведенных типа.

На заметку! Существуют и другие варианты защиты громкоговорителей акустики, реализованные на базе транзисторов и интегральных микросхем. При этом все они используют для подключения/отключения звуковых колонок к выходу УНЧ электромеханические реле, контакты которых имеют большую нелинейность, что пагубно влияет на качество воспроизведения фонограмм.

Как уменьшить коэффициент нелинейных искажений в схемах защиты АС

Известно, что контактные группы электромеханических реле в схемах защиты акустических систем, с помощью которых осуществляется подключение/отключение последних к выходу УНЧ, значительно увеличивают коэффициент нелинейных искажений воспроизводимого аудиосигнала. Уменьшить нелинейные искажения, возникающие в системах защиты АС, можно различными способами, однако все они приводят к усложнению их электрических схем. Так, радиолюбители из Японии предложили защитить акустику от воздействия постоянного напряжения на выходе УНЧ путем устранения возможности его появления на входе последнего.

Интеграторы входного/выходного напряжения

На выходе современных усилителей достаточно часто используются интеграторы, которые следят как за выходным, так и за входным напряжением, компенсируя возникающие изменения смещением режимов работы входных каскадов. Компенсация обеспечивается включением контактов реле в цепь общей отрицательной обратной связи (ОООС) по переменному току. При этом даже в случаях, когда контакты реле разомкнуты, интегратор обеспечивает наличие обратной связи по постоянному току, что дает возможность УНЧ работать в штатном режиме.

На примере усилителя звука в авто, собранного на китайской микросхеме LM3886 видно, что и наличие интегратора необязательно. Ведь если громкоговорители не подключены, то цепь ОООС замыкается через резистор R1 и контакты реле К1.1. При этом источник тока на транзисторе Т1 выключен, и микросхема переведена в режим mute. А при подсоединении АС контакты К1.2 переключаются, и цепь ОООС замыкается через резистор R2. В результате источник тока включается, микросхема переводится в рабочий режим, а нелинейность контактных групп реле компенсируется за счет включения их в цепь ОООС.

На заметку! Для большей гарантии в схему введен конденсатор С2, емкость которого достаточна для того, чтобы задержать запуск микросхемы на 0,5-1 сек, что в свою очередь позволит обеспечить надежное срабатывание реле. В результате при включении УНЧ пользователь не услышит в динамиках ни щелчков, ни каких-либо других посторонних звуков.

Симисторные блоки

Радиолюбители, обладающие глубокими знаниями в радиотехнике и имеющие опыт самостоятельного конструирования звуковоспроизводящей аппаратуры класса Hi-End, могут попробовать уменьшить нелинейные искажения, вносимые узлами защиты АС, путем замены механических контактов в сильноточных цепях электронными ключами, собранными на основе оптотиристоров (симисторов). Однако схемы симисторных блоков защиты, одна из которых показана на рис. отличаются повышенной сложностью, а собранные узлы требуют тщательной настройки.

Сборка и настройка устройств защиты АС

Узлами, защищающими акустические колонки (включая активные двухполосные и трехполосные) от повреждений, вызванных нарушением рабочих режимов УНЧ, должна в обязательном порядке оснащаться как профессиональная, так и любительская звуковоспроизводящая аппаратура. Особенно это актуально в тех случаях, когда цена АС в несколько раз превышает стоимость УНЧ. Мощные высококачественные УНЧ заводского производства, как правило, включают в свой состав схемы защиты АС, а вот радиолюбителям, конструирующим и изготавливающим такую аппаратуру для собственного употребления, их приходится делать самостоятельно. При этом у них есть широкий выбор решений:

самостоятельно разработать электрическую схему и изготовить устройство, способное защитить АС от повреждений;
воспользоваться готовой электрической схемой из числа существующих и самостоятельно собрать устройство защиты АС;
купить один из имеющихся в розничной продаже КИТ-наборов, например, RadioKit K217 украинского производства или KIT DIV, привезенный из Китая, и без проблем самому оснастить свой УНЧ простейшим устройством защиты звуковых колонок.

Во всех случаях для радиолюбителя даже средней квалификации самостоятельно собрать устройство защиты особого труда не составит. Подробные описания технологических процессов разработки, изготовления и сборки печатных плат в домашних условиях легко найти в Интернете. Что касается настройки таких устройств, то, как правило, они начинают работать сразу и регулировки не требуют.

Важно! При внесении изменений в электрическую схему, связанных с применением других номиналов радиоэлементов, заменой микросхем и электромагнитных реле, необходимо убедиться в том, что такие параметры, как порог срабатывания реле, коэффициент нелинейных искажений аудиосигнала на выходе схемы защиты, задержка подключения звуковых колонок ко входу УНЧ и некоторые другие, должны оставаться неизменными.

Тестирование устройств защиты АС

То же самое можно сказать и о тестировании устройств защиты, которое проводят, используя вместо эквивалента нагрузки контрольные (маломощные) звуковые колонки, оснащенные самовосстанавливающимися предохранителями. При этом желательно имитировать появление постоянного напряжения на выходе усилителя, поочередно искусственно подавая на вход устройства защиты громкоговорителей соответствующее постоянное напряжение разной полярности. Не лишним будет также убедиться в отсутствии дребезга контактов реле, который при необходимости нужно будет устранить. Положительные результаты тестирования позволят сохранить имеющиеся звуковые колонки в целости и сохранности.

При включении питания конденсаторы выпрямителя начинают заряжаться что в этот момент сказывается на УНЧ — на акустические системы кратковременно попадает постоянное напряжение. Чтобы избежать этого попадания нужна схема несложного реле времени, которое сделает задержку подключения акустических систем на 0,5-1 секунду.

Во вторых — с УНЧ может случиться всякое, например, от перегрузки может сгореть один из транзисторов в УНЧ и на колонки поступит постоянное напряжение достаточно большой величины, что может спалить НЧ динамическую головку или же вывести из строя часть фильтра ваших колонок. Чтобы исключить подобные инциденты нужна схема контролирующая напряжение на выходе УНЧ и в случае появления проблем отключающая акустические системы от УНЧ.

Содержание / Contents

При появлении на выходе усилителя любого из каналов постоянного напряжения положительной полярности открывается транзистор VT1, который шунтирует цепь базы составного транзистора на общий провод. При этом ток через реле К1 уменьшается настолько, что оно отпускает контакты и отключает акустические системы от усилителя. Конденсатор С1 предотвращает срабатывание реле К1 от переменного напряжения выходного сигнала. В случае, если на выходе усилителя появится напряжение отрицательной полярности, оно поступит через делитель R6, R7 на базу составного транзистора, в результате реле К1 отпустит и отключит нагрузку от усилителя.

Случай появления на выходах усилителя равных по модулю двухполярных напряжений учтен выбором различных значений резисторов R1 и R2. Таким образом, акустическая система защищена от постоянного напряжения любой полярности на выходе усилителя.

Подобная схема защиты акустических систем проработала в одном из моих усилителей более двух десятков лет, и ни разу не подвела, хотя около половины указанного срока усилитель трудился на увеселительных мероприятиях.

Прототип защиты АС — схема А. Котова

На первый взгляд, есть широкий выбор схем, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что они имеют недостатки — много деталей, дефицитные детали, низкая чувствительность, необходимость настройки, работоспособность в узком диапазоне напряжений питания и т. п.
Наиболее подходящей оказалась .

Однако, и эта схема не лишена недостатков:

↑ Схема защиты акустических систем из зарубежной литературы

Еще одна простая схема защиты акустических систем приведена на рис. 2 [1]. Принцип действия мало отличается от предыдущей схемы.

Рис. 2. Простая схема защиты акустических систем

Задержка включения акустических систем определяется постоянной времени R1, C1. Время задержки:

где Uпор =2,1 В – сумма порогов открывания транзисторов VT1 и VT4 (составного); Uп =12 В – напряжение питания.

Двухполупериодный выпрямитель на диодах VD1, VD2 и транзисторах VT2, VT3 надежно шунтируют базу составного транзистора VT4 на корпус при появлении постоянной составляющей ±1,5 В на выходе любого канала УМЗЧ. Нижняя граница полосы пропускания низкочастотного фильтра составляет fн=1/[2πR7(R8)C2]≈0,3 Гц. В качестве реле используется РЭС22, исполнение (паспорт) РФ 4.500.129. Реле имеет четыре группы контактов, которые включены парами.

↑ Проверка функционирования защиты

может быть проведена автономно (рис. 7). Устройство подключают к вторичной обмотке трансформатора с напряжением 12…16 В, измеряют время задержки срабатывания реле после включения.

Рис. 7. Проверка функционирования платы

Также проверяют отключение реле путем подачи на сенсоры напряжения различной полярности (и в различных сочетаниях). Для испытания удобно взять две бывшие в употреблении батарейки АА или ААА напряжением чуть более 1,2 В. Для проверки факта срабатывания реле достаточно тестера в режиме прозвонки цепей.

↑ Режимы работы устройства по постоянному току

Режимы работы устройства по постоянному току представлены в таблице 1.

В качестве трансформатора Т1 я удачно применил ТПП242-127/220-50, шесть вторичных обмоток которого позволили легко получить напряжения в диапазоне от 12 В до 16 В.
При напряжении на клеммной колодке J5, равном 12 В, температура корпуса микросхемы IC1 находилась в диапазоне 30-32°С при температуре в помещении 24,5°С. Измерения температуры проведены с помощью инфракрасного термометра (рис. 8).

Рис. 8. Инфракрасный термометр Condtrol IR-T1 — востребованный прибор в лаборатории радиолюбителя

↑ Проблемы в комплектухой

Поначалу собранное из деталей набора устройство не заработало. Оказалась бракованной микросхема IC1 стабилизатора напряжения. Вместо положенных 12 В на выходе было 8,5 В, не отличающихся стабильностью. Микросхема вызвала недоверие еще до пайки, так как имела тонкую теплопроводящую пластину (0,6 мм) вместо стандартной 1,2 мм. После замены микросхемы устройство заработало, как положено.

↑ Универсальное устройство защиты акустических систем на микросхеме

Поскольку проект заявлен как усилитель звуковой частоты на микросхемах, предложено устройство защиты акустических систем на специализированной микросхеме μPC1237 (C1237A, NE7000, NTE7100), см. рис. 3.

Рис. 3. Универсальное устройство защиты акустических систем на специализированной микросхеме

Основные параметры:

Напряжение питания, В=
+25…60
Время задержки включения, с=
2,5
Порог срабатывания защиты, В=
более ±0,7
Выходной ток для питания реле, мА=
до 80
Схема защиты (рис. 3) обеспечивает безопасность акустических систем при появлении на выходах постоянного напряжения или инфранизких частот амплитудой более ±0,7 В. Проблема, связанная с появлением на выходах усилителя равных по модулю двухполярных напряжений, решена выбором отличающихся значений резисторов R1 и R2.

Интегрирующая цепь C4, R4 обеспечивает задержку подключения акустических систем при включении питания. Цепь VD1, R3, C3, к которой подведено переменное напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора, быстро отключает акустические системы при выключении питания. Эти меры направлены на предотвращение щелчков в акустических системах, вызванных переходными процессами в схеме усилителя.

Резистор R5 ограничивает ток электромагнитного реле К1. Параллельно обмотке реле включена цепь R7, HL1, служащая индикатором работы устройства защиты. Если применено электромагнитное реле с током более 80 мА, схему следует умощнить, установив ключ на p-n-p транзисторе КТ816Г или TIP32 (рис. 4).

Рис. 4. Умощнение выхода схемы защиты акустических систем

Схема защиты универсальна и может быть применена в других УМЗЧ. В двух таблицах внизу схемы рис. 3 указаны номиналы резисторов R3, R5 и R6, которые необходимо изменить в зависимости от напряжения питания Uп усилителя. На портале имеется похожая схема и подробное описание этого функционального узла [2]. Здесь возникли трудности. Скажу только, что все мои подопечные, реализующие этот проект, отметили, что микросхема редкая. Чтобы не терять время на ее поиски, я модернизировал схему защиты акустических систем из зарубежного журнала.

↑ Доработки схемы

Имеется пара недостатков принципиальной схемы, которые следует устранить.

↑ Избавляемся от полярных конденсаторов в ФНЧ

Полярные конденсаторы С3, С4 в фильтрах нижних частот. При возникновении неисправностей в УМЗЧ напряжение на них составляет ±0,6…0,7 В, поэтому конденсаторы С3, С4 должны быть неполярные.
Емкость конденсаторов может находиться в пределах 47…100 мкФ, а рабочее напряжение составлять 6,3 В и более. Кстати, на печатной плате предусмотрены SMD — площадки под керамические конденсаторы, например ЧИП 1210 100 мкФ 6,3 В X5R.

Но устройство работоспособно и с полярными конденсаторами. Почему?

Рассмотрим Вольт-амперную характеристику (ВАХ) алюминиевого оксидного конденсатора (рис. 4).

Рис. 4. ВАХ оксидного конденсатора 47 мкФ х 35 В

ВАХ конденсатора подобна характеристике полупроводникового диода. Имеются два участка, в которых токи утечки резко возрастают. Для положительного напряжения эта величина примерно в 1,6…1,8 раз больше рабочего напряжения конденсатора, а для отрицательного — в диапазоне от — 2 до — 4 В.

Последствия работы вблизи резкого возрастания токов утечки известны — деградация конденсатора. Резко увеличивается ESR, конденсатор превращается в резистор.

Разработчики кита считают, что ничего страшного в том, что на полярный конденсатор может подаваться отрицательное напряжение, нет, это же редкий случай, возникающий при неисправности УМЗЧ.

Мое мнение — надо ставить неполярный или керамический конденсатор.

↑ Шунтируем выход стабилизатора

Отсутствует конденсатор, шунтирующий выход стабилизатора напряжения IC1. Вполне достаточно установить керамический конденсатор емкость 0,1…1 мкФ.
Посмотрите осциллографом, что творится на выходе стабилизатора, не зашунтированного конденсатором, и всякие сомнения в его необязательности отпадут. Хотя справедливости ради нужно отметить, что устройство без конденсатора вполне работоспособно.

↑ Итоговая схема

Принципиальная схема модернизированной платы защиты акустики изображена на рис. 5.

Рис. 5. Схема модернизированного кита

Конденсатор С5 размещен в непосредственной близости от выводов микросхемы стабилизатора IC1.

Таким образом, кит должен быть дополнен следующими элементами.

Дополнительные детали кита:

C3, C4 — 47 мкФ х 16 В NPL или ЧИП 1210 100 мк 6,3 В X5R (вместо 100 мкФ х 35 В) — 2 шт., C5 — ЧИП 1206 0,1 мк 50 В X7R — 1 шт., Стойки DA3M05-5,5 с шайбой и винтом — 4 шт.

↑ Модернизированная схема устройства защиты акустических систем

Модернизированная схема устройства защиты акустических систем показана на рис. 5.

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Предлагаемое устройство может быть использовано как для настоящего проекта, так и для самостоятельного конструирования усилителей звуковых частот.

Достоинства:

• простота и надежность; • практически полное отсутствие ложных срабатываний; • универсальность применения.

• Отсутствует схема отключения акустических систем при пропадании питания. Этот недостаток был принесен в угоду простоте и надежности устройства.

В схеме защиты установлены пассивные инфразвуковые фильтры нижних частот второго порядка (соответственно C3, C5, R10, R12 и C4, C6, R11, R13) и сенсоры аварийного постоянного напряжения на выходе усилителя (VT2, VT4, VT6 и VT3, VT5, VT7). При напряжении любой полярности более 1,5 В открывается соответствующий ключ (VT2 или VT3 для положительной полярности постоянного напряжения и VT4, VT6 или VT5, VT7 – отрицательной). При аварии база составного транзистора VT8, управляющего последовательно включенными электромагнитным реле К1 и К2, через низкоомный антизвоновый резистор R5 надежно соединяется с общим проводом, размыкая соединение выходов акустических систем через контакты реле.

Интегрирующая цепь R1, C2 в базовой цепи транзистора VT1 обеспечивает задержку подключения акустических систем при включении питания (на время 1,8 с), тем самым предотвращается проникновение в акустическую систему помех, вызванных переходными процессами в усилителе. Схема защиты универсальна и может использоваться с другими УМЗЧ. В таблице, размещенной в правом верхнем углу схемы рис. 5 указаны номиналы R6, R7, которые необходимо изменить в соответствии с напряжением питания Uп усилителя.

Технические характеристики:

Напряжение питания, В=
+25…45
Время задержки включения, с=
1,8
Порог срабатывания защиты, В=
более ±1,5
Выходной ток для питания реле, мА=
до 100
Размеры печатной платы, мм=
75х75
Детали модернизированной схемы устройства защиты акустических систем.

Показать / Скрыть текст

VT1…VT3, VT6, VT7 – Транзистор BC546B (ТО-92) – 5 шт., VT4, VT5 – Транзистор BC556B – 2 шт., VT8 – Транзистор КТ972А – 1 шт., VD1 — Стабилитрон КС212Ж (BZX55C12, 12V/0,5W, корпус DO-35) – 1 шт., VD2 — Диод 1N4004 – 1 шт., K1, К2 — Реле электромеханическое (1C, 12VDC, 30mA, 400R) BS-115C-12A-12VDC – 2 шт., R1 — Рез.-0,25-220 кОм (красный, красный, желтый, золотистый) – 1 шт., R2 — Рез.-0,25-1 м (коричневый, черный, зеленый, золотистый) – 1 шт., R3, R4 — Рез.-0,25-11 кОм (коричневый, коричневый, оранжевый, золотистый) – 2 шт., R5 — Рез.-0,25-10 Ом (коричневый, черный, черный, золотистый) – 1 шт., R6 — Рез.-0,25-2,2 кОм (красный, красный, красный, золотистый) – 1 шт., R7 – Перемычка, R8…R11 — Рез.-0,25-22 кОм (красный, красный, оранжевый, золотистый) – 4 шт., R12, R13 — Рез.-1-22 кОм (красный, красный, оранжевый, золотистый) – 2 шт., C1, C2 — Конд.47/25V 0511 +105 °С – 2 шт., C3 – C6 — Конд.47/50V 1021 NPL (47/25V 1012 NPL) – 4 шт., Клеммник 2к шаг 5мм на плату TB-01A – 5 шт.

↑ Состав набора

Рис. 1. Состав кита
В состав кита входят:

• двухсторонняя печатная плата размером 65×40 мм, • микросхема 7812CT стабилизатора на напряжение 12 В, • шесть транзисторов SS8050, • выпрямительный диодный мост DB107, • диод 1N4148, • светодиод LED красный d=3 мм, • два электромагнитных реле SRU-12VDC-SL-C, • четыре оксидных конденсатора 100 мкФ х 35 В, • пять резисторов мощностью 0,25 Вт (6,8 кОм, 100 кОм, 15 кОм — 3 шт.), • пять двухконтактных клеммников 2 pin с расстоянием между выводами 5 мм. К набору прилагается недоинструкция, содержащая рисунок с размещением деталей и текст на простом и понятном китайском языке.

Читайте также: