Меню

Системы защиты усилителей мощности

Схема защиты акустических систем

В интернете сейчас представлено огромное количество различных усилителей звука, на любой вкус и цвет, под любые нужны. Как известно, даже самые надёжные усилители имеют свойство выходить из строя, например, из-за неправильных условий эксплуатации, перегрева или неправильного подключения. В этом случае велика вероятность того, что высокое питающее напряжение окажется на выходе усилителя, и, следовательно, беспрепятственно окажется прямо на динамиках акустической системы. Таким образом, вышедший из строя усилитель утягивает за собой «в мир иной» подключенную к нему акустическую систему, которая может стоить гораздо дороже самого усилителя. Именно поэтому крайне рекомендуется подключать усилитель к колонкам через специальную плату, которая называется защитой акустических систем.

Схема

Один из вариантов такой защиты показан на схеме выше. Работает защита следующим образом: сигнал с выхода усилителя подаётся на вход IN, а колонки подключаются к выходу OUT. Минус усилителя соединяется с минусом схемы защиты и идёт к колонкам напрямую. В обычном состоянии, когда усилитель работает и на плату защиты поступает питание реле Rel 1 замыкает вход платы на выход и сигнал идёт напрямую с усилителя на колонки. Но как только на входе появляется постоянное напряжение хотя бы 2-3 вольта, защита срабатывает, реле отключается, тем самым отключая усилитель от колонок. Схема не критична к номиналам резисторов и допускает разброс. Транзистор Т1 можно ставить 2N5551, 2N5833, BC547, КТ3102 или любой другой маломощный npn транзистор. Т2 обязательно должен быть составным с большим коэффициентом усиления, например, BDX53 или КТ829Г. Светодиод на схеме служит для индикации состояния реле. Когда он горит реле включено, сигнал идёт напрямую с усилителя на колонки. Помимо защиты от постоянного напряжения, схема обеспечивает задержку подключения акустической системы. После подачи напряжения питания реле включается не сразу, а через 2-3 секунды, это нужно для того, чтобы избежать щелчков в колонках при включении усилителя. Напряжение питания схемы 12 вольт. Реле можно применить любое с напряжением питания обмотки 12 вольт и максимальным током через контакты хотя бы 10 ампер. Кнопка с фиксацией S1 выводится на проводах, она нужна для принудительного отключения реле, на всякий случай. Если это не требуется, можно просто замкнуть дорожки на печатной плате.

Сборка устройства

Усилители, чаще всего, рассчитаны на два канала, левый и правый, поэтому схему защиты нужно повторить дважды для каждого канала. Для удобства плата разведена так, что на ней уже предусмотрена сборка сразу двух одинаковых схем. Печатная плата изготавливается методом ЛУТ, её размеры составляют 100 х 35 мм.

После сверления отверстий дорожки желательно залудить. Теперь можно приступать к запаиванию деталей. Особое внимание следует уделить цоколёвке транзисторов, очень важно не перепутать её и впаять транзисторы нужной стороной. Как обычно, сначала запаиваются мелкие детали – резисторы, диоды, конденсаторы, а уже затем транзисторы, клеммники, и в самую последнюю очередь массивные реле. Для подключения всех проводов можно использовать клеммники, места для которых предусмотрены на плате. После завершения пайки нужно смыть остатки флюса с дорожек, проверить правильность монтажа.

Испытания защиты

Теперь, когда плата полностью готова, можно приступать к испытаниям. Подаём питание на схему (12 вольт), спустя две секунды одновременно должны щёлкнуть реле и включиться светодиоды. Теперь берём какой-нибудь источник постоянного напряжения, например, батарейку, и подключаем её между минусом схемы и входом. Реле должно сразу же выключиться. Убираем батарейку – реле вновь включается. Можно подключить батарейку, поменяв её полярность, схема срабатывает независимо от того, какой полярности напряжение появится на её входе. Те же самые манипуляции проделываем со второй схемой, расположенной на этой же плате. Порог срабатывания защиты составляет примерно 2 вольта. Теперь, когда плата защиты протестирована, можно подключать её к усилителю и не бояться, что динамики в дорогостоящих колонках испортятся из-за поломки усилителя. Удачной сборки.

Источник

Зачем нужна защита в усилителе?

Решил разобраться с тем, зачем защищают выход на усилителе на самом деле. С позиций практики, маректинга и юриспруденции.

Все мы слышали, что в усилителях часто стоит модуль защиты, он усложняет схемотехнику, причем порой основательно вмешиваясь аж двумя, а то и тремя транзисторами в тракт усилиения полезного сигнала, т.е. музыки. Причем чем бюджетнее усиитель тем активнее туда данное вмешательство происходит. И зачем же это нужно? Давайте разбираться!

Изначально известно, что защита в усилителях срабатывает в четырех случаях:

1. Короткое замыкание на выходе УНЧ,

2. Сила тока превывшающая установленный порог на выходе УНЧ(или его потреблении — данный вариант на системах подороже),

3. Постоянное напряжение на выходе УНЧ,

4. Постоянное напряжение на входе УНЧ.

Первый пункт-то и натолкнул меня на размышения по данной теме, а часто ли у меня дома замыкает выход в усилителе? И как вообще такое может быть? Ответ на данный момент один — ни разу не было! Но чисто теоретически такое случиться может: робот пылесос например вирус словит и кабель засосет так что из колонки вырвет а потом на свой корпус намотает пока концы не замкнет; или вариант ребенок изучающий все и вся посредством канцелярской скрепки, что-нить гениальное сообразит.

Но тут меня дернула мысль в стиле «злостный маркетолог» — ну и что будет? Правильно! Ему ведь выгодно. Пользователь понесет аппарат или в фирменный ремонт, или за новым пойдет. Так и зачем же тогда защита от этой ситуации? Можно конечно предоположить, что производитель автомобилей например Форд придет к Сони и скажет «ребят при сгорании ваших усилков люди покупают ваши усилки снова а денег на новый авто у них от этого меньше, а так как я у вас один из самых крупных клиентов то давайте-ка вы туда защиту вставите а то я к Филипсу уйду». Но если даже такое предположить, то все равно не стыкуется, в дорогом ламповом Хай Энде защиты нет, а в бюджетном сегменте она самая навороченная. А ведь в этом сегменте аудитория в первую очередь покупает машину а уже потом об усилителе думает. Что-то не сходится. И тут я вдруг подумал, что есть страны где юридическая машина настолько сурова, что владелец бюджетного усилителя в случае если тот загорится даже адвоката искать не будет — они ему сами телефон оборвут с готовностью работать за проценты от суммы «выигрыша». И тут ведь получается, что чем бюджетнее усилитель тем сильнее его владелец может быть заинтересован в недосмотре за ребенком или с робота-пылесоса на какой сайт с бесплатными приложениями про боулинг зайти.

Читайте также:  Значение полной мощности источника

Вот и получается, что производитель работая заодно и на те рынки делает технику с повышенной защитой от такого инцидента.

Но хорошо. С первым пунктом разобрались. А что с остальными?

С постоянным напряжением на входе пожалуй отнесем к инцидентам первого пункта. С одной поправкой если на усилитель что-то случайно пролить, то внутри него может произойти замыкание которой приведет к похожей ситуации. Но тут вроде как явно не гарантийный случай будет. У производителя на тех рынках тоже юристы с экспетрами имеются.

Третий случай как мы знаем из некоторых статей на данном сайте, написанных солидным авторами, физически невозможен. На выходных каскадах усилителей всегда есть некоторое напряжение и оно отсекается выходным конденсатором а то и трансформатором. Но пролить кофе на усилитель все таки можно. Но это опять не гарантийный случай.

А что же у нас со вторым пунктом? Он-то тут самый интересный и он-то и призван обеспечить максимум безопасности. Дело в том, что людям помимо простого прслушивавния музыки иногда еще хочется включить погромче, позвать гостей, и пойти на улицу баркюшничиать. При этом аппарат оказывается в не зоны визуального конроля, а ароматический контроль так вообще временно отключен. Так еще и гости с хозяевами слегка на веселе, и если даже и увидят что усилитель помимо все прочего показывает синее плямя, то в панике могут запросто забыть его из розетки выдернуть прежде чем начать его поливать подручными средствами для розжига костров и каминов или еще чем хорошо проводящим электричество от внутренностей УНЧ к ногам окружающих. И тут уже как с подушками безопасности. Принудительная защита в т.ч. и виновника инцидента.

Но почему такое шоу может случится оттого, что владелец решил включить музыку погромче? Дело в том, что в этот момент начнут нагреваться катушки на динамиках в колонках. А когда они как следует нагреются они начнут неспеша перегреваться. Неспешный перегрев плох тем, что он приводит не резкому сгоранию проводника как в лампочке, а к плавному его нагреву до температуры ниже сгорания провода но выше чем выдерживает его изоляция. Было бы наоборот так и проблемы бы никакой не было. Но вот в этом режиме сопротивление катушки может может резко понизиться, что приведет к тому, что через усилитель потечет повышенный ток, он начнет искажать сигнал(чего разуместя никто на веселе не заметит) и активно греться, причем активнее чем это способна выдержать плата на которой он собран. А она кстати сделана из спресованной ткани и некоторой специальной смолы. Само название ТЕКСТОЛИТ содержит в себе текстильный корень. И вот когда плата загорается. Вот тогда-то все и начинается. И чтобы именно вероятность этого шоу понизить ставится защита. При этом становится очевидным, что аудиофильский сетап в этом режиме никто гонять не будет. Владелец который может его себе его позволить заодно прикупит для барбекюшных дел что-нить бюджетное, чтобы не жалко было на всю громкость навалить.

Вот и получается что а аудиофильских решениях защиты нет потому, что:

1. Никто не гоняет их на пределе громкости, мощности и терморежима,

2. Она портит звук,

3. Разумный компромисс гласит что без нее лучше звук, а риски изначально минимальны.

В бюджетных же решениях все с точностю до наоборот: звук не так принципиален, да и подпортить чуток «маректолог право имеет», а вот риски устроить пожар за который потом платить страховой по недвижимости, в странах с суровой юридической системой, которая по совместительству тот же самый банк, что и кредиты населению выдает, который как и Форд давить на Сони ресурсы сбыта имеет.

Защита в усилителе нужна в первую очередь не для того, чтобы спасти колонки от поломки внутри усилителя, а для того, чтобы прослушивание музыки на повышенной громкости не привело к поломкам последствием которых будет возгорание усилителя. Но т.к. возгарания все таки случаются, то правильнее говорить вместо «не привело», миинимизировало риски возгорания усилителя при эксплуатации его на повышенной громокости. Ну и заодно, минимизировать случаи полива горящего усилителя, водой из жезеленой кастрюли нетрезвым владельцем.

Источник



Полный усилитель на микросхемах. Часть 3. Устройство защиты акустических систем. Схема соединений функциональных блоков усилителя

Схема защиты акустических систем усилителя «Бриг-001»

На рис. 1 показана проверенная временем схема защиты акустических систем от постоянного смещения усилителя «Бриг-001». Вход схемы защиты присоединен к выходу усилителя мощности, а выход усилителя соединяется с нормально разомкнутыми контактами реле К1. После подачи питания на схему защиты, через некоторое время, определяемое постоянной времени R6, C2, составная пара транзисторов VT2, VT3 открываются, реле К1 срабатывает, и своими контактами соединяет выход усилителя с акустическими системами. Задержка включения позволяет устранить переходные процессы в усилителе в момент включения, воспринимаемые как неприятные на слух хлопки, разрушительные для акустических систем.

Читайте также:  Импульсный усилитель мощности для ком

Рис. 1. Схема защиты акустических систем усилителя «Бриг-001»

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.

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:
t≈R1C1Uпор/Uп=1,8 с,
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.

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.

Модернизированная схема устройства защиты акустических систем

Схема, представленная на рис. 2 проста и надежна, проверена во многих конструкциях, но смущают два момента:
• транзисторы VT2, VT3 обнаружителя постоянного напряжения на выходе усилителя работают в режиме с «висячей» базой;
• схема может подвести при возникновении на выходах неисправного стереофонического УМЗЧ равных по модулю двухполярных напряжений.
Решение проблемы заимствовано из модуля защиты акустических систем 20 — ваттного усилителя класса «А», опубликованного в английском журнале «Everyday Practical Electronics» [3].

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

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.

Недостатки:
• 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.

Читайте также:  Связь м333 переключение мощности

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.
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.

Сборка устройства защиты акустических систем

Перед началом сборки подготовьте радиодетали согласно представленному выше перечню элементов.

После окончания сборки не торопитесь включать устройство, а займитесь проверкой монтажа в соответствии со схемой (рис. 6). При этом особое внимание обратите на отсутствие перемычек между токоведущими дорожками, холодных паек (недостаточное пропаивание контакта элемента с печатной платой). Если таковые имеются, удалите их с помощью паяльника. Проверьте правильность установки полярных электролитических конденсаторов, транзисторов, диода и стабилитрона.
Внешний вид устройства защиты акустических систем, собранного племянником Алексеем, показан в аннотации статьи. У меня работает промежуточный вариант устройства защиты с реле РЭС22.

Налаживание

Собранное из исправных деталей устройство защиты акустических систем не требует налаживания, следует лишь убедиться в правильности его функционирования. Для этого устройство подключают к источнику питания, измеряют время задержки включения и проверяют срабатывание устройства при подаче на сенсоры постоянного напряжения различной полярности.

Собираем все в кучу

Схема соединения блоков усилителя показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема соединений блоков УМЗЧ

Для монтажа понадобятся следующие расходные материалы:

Для обрезки и снятия изоляции с проводов (кабелей) лучше воспользоваться специальным инструментом (рис. 9).

Рис. 9. Клещи для зачистки провода и обжима наконечников – помощник при монтаже усилителя

Включаем!

Первое включение всегда показательно. Включаю усилитель, слышен щелчок сработавших реле устройства защиты, дальше тишина. Хотя все узлы «гонял» по отдельности, еще раз измеряю напряжения питания и нули на выходах: все в порядке.
Отвлекаюсь на дела и только через полчаса начинаю прослушивание. Звучит усилитель хорошо, отдавая в нагрузку сопротивлением 6 Ом около 20 Вт.
Работает чисто и прозрачно, доставляя удовольствие от прослушивания. Однако не следует забывать, что усилитель на LM1875 представляет собой систему начального уровня (лучшее из простого) и есть куда расти и развиваться.

Еще раз напомню, что вместо LM1875 можно применить и другие микросхемы, указанные в табл. 1 первой части статьи; при этом напряжение питания двухполярного источника должно составлять ±22 В для TDA2050, ±16 В для TDA2030, TDA2040 и ±12 В для TDA2006.

Настоятельно советую повторить этот проект всем желающим, чтобы приобрести опыт и построить неплохой усилитель для радиокомплекса. Не случайно девизом проекта я выбрал слоган «Не мечтай, действуй!»

Файлы

Схемы и печатные платы можно взять тут:

Упомянутые источники

1. Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой частоты. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 352 с (с. 167, 168).
2. μPC1237, NTE7100 — универсальное устройство защиты акустических систем
3. Swain G., Smith P. 20W Class-A Amplifier Pt. 3. Universal Speaker Protection and Muting Module. – Everyday Practical Electronics, 2008, №12, p. 21 — 27.

Дополнения

[24-06-2015] Как подключить устройство защиты (рис. 5) к мостовому УМЗЧ?
Александр (Allroy) не только задал вопрос, но и испытал предложенное решение на практике, за что ему большое спасибо.

На рисунке схематично показано подключение двух мостовых усилителей, питаемых от двухполярного источника, к устройству защиты АС.

Выводы 2, 3, 6 и 7 устройства защиты АС оставляем свободными.
Выход 1-1 (2-1) мостового УМЗЧ 1 (УМЗЧ 2) соединяем с выводом 4 (8) устройства защиты АС.
Вывод 1 (5) устройства защиты АС соединяем с соответствующей клеммой для подключения АС.
Другую клемму для подключения АС соединяем с выходом 1-2 (2-2) мостового УМЗЧ.

Между выходом 1-2 (2-2) мостового УМЗЧ и конденсатором С5 (С6) устройства защиты АС включаем дополнительный резистор, сопротивление которого не должно быть равно сопротивлению резистора R12 (R13).
Выберем сопротивление дополнительного резистора, например, 18 кОм (см. описание схемы защиты усилителя «Бриг», рис. 1).

Источник