Устройства защиты громкоговорителей

Приведённое устройство предназначено для задержки подключения громкоговорителей на время переходных процессов в УМЗЧ при включении питания и отключении их при появлении на его выходе постоянного напряжения любой полярности.

Принципиальная схема устройства приведена на рис.1. Оно состоит из диодного распределителя (VD1 – VD6) и электронного реле на транзисторах VT1 – VT4. К выходам каналов УМЗЧ оно подключается вместе с громкоговортелями через контакты реле К1. Цепи R1C1, R2C2 предотвращают срабатывание устройства на колебания звуковой частоты. При необходимости число контролируемых каналов можно увеличить простым подключением соответствующего числа дополнительных цепей, аналогичных цепи R1C1VD1VD2, и применением электромагнитного реле с большим числом контактных групп.

Постоянное напряжение на выходе УМЗЧ, при котором срабатывает устройство защиты , определяется напряжением стабилизации стабилитрона VD7 и связано с ним соотношением

При включении питания (источником напряжения может быть блок питания УМЗЧ) начинает заряжаться (через резистор R9) конденсатор С3, поэтому транзистор VT4 закрыт и реле К1 обесточено. По мере зарядки напряжение на конденсаторе растёт, транзистор VT4 начинает открываться и через некоторое время (примерно 3с) его эмиттерный ток возрастает на столько, что реле К1 срабатывает и подключает громкоговорители к выходу УМЗЧ.

Транзисторы VT1 – VT3 в исходном состоянии также закрыты. При появлении на выходе любого из каналов напряжения любой полярности, превышающее указанное выше значение , открывается транзистор VT2, а вслед за ним VT1, VT3. В результате конденсатор С3 разряжается через участок эмиттер-коллектор транзистора VT3 и резистор R8, транзистор VT4 закрывается и реле К1 отключает громкоговорители и вход устройства от выхода УМЗЧ. Транзистор VT1, осуществляющий положительную обратную связь в каскаде на транзисторе VT2, играет роль “защёлки”, поддерживая последний в открытом состоянии и после отключения устройства от выхода УМЗЧ: не будь его, после пропадания напряжения на входе и закрывания транзистора VT2, VT3 вновь началась бы зарядка конденсатора С3 и по истечении времени зарядки громкоговорители снова подключились бы к УМЗЧ.

В устройстве применено реле РЭС-9 (паспорт РС4.524.200). Транзисторы КТ603б (VT3,VT4) могут быть заменены на КТ315г.

Для питания устройства используется источник питания 20В. При большом напряжении из-за обратных токов коллекторов возможно самопроизвольное открывание транзисторов VT1,VT2. Чтобы этого не случилось, необходимо уменьшить сопротивление резисторов R5, R6. Если же напряжение питание больше 30 В, в устойстве следует использовать транзисторы с допустимым напряжением коллектор-эмиттер не менее .

При снижении напряжения (заменой стабилитрона Д814а) необходимо позаботится о том, чтобы амплитуда переменного напряжения нижших частот на выходах фильтров R1C1, R2C2 не достигала значений, вызывающих отключение громкоговорителей. Сделать это не трудно - достаточно увеличить постоянные времени названых цепей (например увеличить С1, С2).

Большими возможностями обладает устройство защиты рис.2. Оно предохраняет громкоговорители от бросков выходного напряжения как при включении, так и при выключении питания, при неисправности УМЗЧ и в моменты вероятного отказа последнего - при понижении или полном исчезновении одного или обоих напряжений питания, а также при превышении ими предельно допустимых значении (это может иметь место при питании от стабилизированных источников) и, наконец, отключает их при подсоединении головных стерео телефонов. Питается устройство от того же двуполяного источника, что и выходные каскады УМЗЧ.

В момент включения питания начинает заряжаться конденсатор С3, поэтому транзистор VT2 открыт, VT3 закрыт, реле К1 обесточено и громкоговорители отключены. Как только напряжение на конденсаторе достигает значения ( - напряжение стабилизации стабилитрона VD9), состояния указанных транзисторов изменяются на обратные, срабатывает реле К1 и громкоговоритель подключаются к выходам каналов УМЗЧ. Время задержки подключения , формула справедлива при условии . При указанных на схеме номиналах элементов .

Напряжение стабилизации стабилитрона VD11 выбрано из условия . При понижении напряжении любого источника питания на величину, большую чем , транзистор VT3 закрывается и реле К1 отключает громкоговорители от УМЗЧ.

Стабилитроны VD7 и VD9 в цепях баз соответственно транзисторов VT1, VT2 одинаковы и выбраны с учётом следующего. Как видно из схемы, для того, чтобы открылся транзистор VT2 (а следовательно, закрылся транзистор VT3 и отпустило реле К1), напряжение питания должно удовлетворять условию , где и - соответственно напряжение и минимальный ток стабилизации стабилитрона VD9. Отсюда . При указанных на схеме номиналах и типах деталей , а это значит, что при устройство отключит громкоговорители, если отрицательное напряжение питания возрастёт (по отношению к номинальному) на 2,8 В.

Транзистор VT1 открывается по цепи VD1 - R5 - VD7, идентичной цепи VD6 - R7 - VD9. Это приводит к открыванию транзистора VT2 и закрыванию транзистора VT3, т.е. к отключению громкоговорителей при увеличении на 8 В напряжения питания положительной полярности.

В случае появления на выходе УМЗЧ постоянного положительного напряжения транзистор VT2 открывается током протекающим через резистор R3 (или R4), VD4 (VD5) и цепь R7VD9. Условие его открывания в этом случае выглядит так: . Если же напряжение на выходе УМЗЧ имеет отрицательную полярность, по цепи R3 (R4) - VD2 (VD3) - R5 - VD7 открывает транзистор VT1.

Для подключения стереотелефонов служит розетка ХS1, с которой механически связан выключатель SA1. При установке вилки стереотелефонов в розетку контакты выключателя размыкаются, реле К1 отпускает и громкоговорители отключаются от УМЗЧ. То же происходит и при выключении питания УМЗЧ кнопкой SB1 (А1 - источник питания). Поскольку коллекторная цепь транзистора VT3 и цепь сетевого питания разрываются практически одновременно, громкоговорители отключаются до начала переходного процесса и щелчок не прослушивается.

В устройстве применено реле РЭС-22 (паспорт РФ-4.500.130). Неполярные оксидные конденсаторы С1, С2 - К50-6. Транзистор КТ815В можно заменить любым другим с допустимым напряжением коллектор - эмиттер более 50 В и максимальным током коллектора ни менее значения (- сопротивление обмотки реле К1). Вместо стабилитронов КС527А можно использовать КС482А, КС510А, КС512А, КС175Ж, КС182Ж, КС191Ж и т.п., соединив нужное число приборов для получения напряжения стабилизации, выбранного приведённым формулам. Диоды VD1 - VD6, VD8, VD10, VD12 - любые кремниевые маломощные с обратным напряжением более 50 В.

Оригинальные устройства защиты громкоговорителей (рис.3) питается напряжением сигнала звуковой частоты, что позволяет встроить его в громкоговоритель. Устройство отключает последний при перегрузке по мощности, а также в случае появления на выходе УМЗЧ постоянного напряжения любой полярности. В схеме использованы громкоговорители мощностью 10 Вт и электрическим сопротивлением 4 Ом.

В исходном состоянии реле К1 обесточено и сигнал ЗЧ (звуковой частоты) с выхода усилителя поступает через контакты К1.1 на громкоговоритель. Одновременно он выпрямляет мостом VD1 - VD4, и его постоянная составляющая через нормально замкнутые контакты К1.2 подводится к пороговому устройству, выполненному на транзисторе VT1 и микросхеме DA1. Пока напряжение входного сигнала не превышает порога срабатывания, транзистор закрыт и напряжение на выводе 12 микросхемы DA1 равно напряжению стабилизации стабилитрона VD6, что больше напряжения образцового источника микросхемы, которое может находиться в пределах 1,5 ...3 В. (Стабилитрон VD6 предотвращает пробой эмиттерного перехода транзистора дифферинциального каскада микросхемы обратным напряжением).

В момент, когда входной сигнал достигает уровня срабатывания устройства (напряжение на движке подстроечного резистора R5 - около 1,5 В), транзистор VТ1 открывается и напряжение на выводе 12 микросхемы DA1 становится меньше образцового. В результате открывается регулирующий транзистор микросхемы, срабатывает реле К1 и громкоговоритель отключается от УМЗЧ, а обмотка реле подключается непосредственно к выходу выпрямительного моста VD1 - VD4. При уменьшении выпрямленного напряжения до напряжения опускания реле устройство возвращается в исходное состояние.

Аналогично ведёт себя устройство и при появлении на выходе УМЗЧ постоянного напряжения.

Порог срабатывания устанавливают подсроечным резистором R6. Конденсатор С3 предотвращает срабатывание устройства при кратковременном превышении сигналом порога срабатывания. Минимальное напряжение сигнала, при котором устройство работоспособно, определяется напряжением срабатывания реле. В случае использывания реле РЭС-47 (паспорт РФ4.500.407-04) и деталей с указанными на схеме номиналами оно не превышает 5 В. Стабилитрон VD8 ограничивает напряжение на обмотке реле.

При отсутствии микросхемы К142ЕН1А можно применить К142ЕН1, К142ЕН2 с любым буквенным индексом. Диоды КД522Б можно заменить любым другим с обратным напряжением более 40 В, прямым током не менее 100 мА и максимальной частотой (КД51А, диодные сборки серии К542 и т.п.), стабистор КС107А - любым кремниевым диодом, транзистор КТ3412Б - любым маломощным кремниевым транзистором структуры n-p-n с допустимым напряжением коллектор - эмиттер не менее 40 В. При изготовлении устройства для защиты громкоговорителей мощных звуковоспроизводящих устройств следует использовать диоды КД204А - КД204В, КД212А, КД212Б, КД213А, КД213Б и т.п., заменить реле РЭС-47 другим, с контактами, допускающими коммутацию больших токов, а если необходимо, и "умощнить" микросхему DA1 внешних транзисторов для обеспечения необходимого тока через обмотку реле.

Может случиться, что в момент срабатывания устройства будет возникать дребезг контактов реле. Предотвратить его можно, включив конденсатор ёмкостью 10...20 мкФ между выводами 16 и 8 микросхемы DA1 или резистор сопротивлением 1 кОм между её выводом 13 и базой транзистора VT1 (создав, таким образом, положительную обратную связь).

ОПТРОНННАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ АС

Предлагаемое устройство (рис.4) обеспечивает защиту акусических систем (АС) от повреждения при появлении на выходах стереофонического усилителя постоянного напряжения положительной или отрицательной полярности.

Функции исполнительного элемента защиты выполняет резисторный оптрон U1. Работает он следующим образом. При появлении отрицательного или положительного постоянного напряжения на любом из выходных усилителей звуковой частоты (УЗЧ) через опрон начинает протекать входной ток и сопротивление его резистора резко уменьшается. Как только величила постоянного напряжения достигнет 3-4 В (взависимости от экземпляра оптрона), сопротивление это становится столь малым, что транзисторы VT1, VT2 закрываются, обмотка реле К1 обесточиваются и его контакты К1.1, К1.2 отключают АС от УЗЧ.

Стабилитроны VD1, VD2 ограничивают входной ток оптрона величиной 18 мА. Поскольку для стабилитронов Д815А допускается разброс напряжения стабилизации 15%, необходимо подобрать такие экземпляры, чтобы напряжение прикладываемое к светоизлучателю оптрона не превышало 5,5 В.

Дроссели L1, L2 ограничивают переменную составляющую входного тока оптрона до величины исключающей возможность срабатывания защиты. Они выполнены на магнитопроводах ШЛ12*12 и содержат по 1200 витков провода ПЭЛ-0,23. активное сопротивление каждого дросселя 36 Ом.

За счёт большого времени зарядки конденсатора С1 через резистор R1 обеспечивается задержка открывания транзисторов VT1, VT2, срабатывания реле К1 и подключения АС к усилителю. В результате переходных процессов, возникащие в усилителе после его включения, затухают раньше, чем устройство подключит АС, поэтому щелчок в них не прослушивается. При включении питания усилителя выключателем 8В1 контакты 1 и 4 последнего замыкаются, вызывая мгновенное закрывание транзисторов VT1, VT2. Естественно АС открывается от усилителя до начала в нём переходных процессов и щелчок в громкоговорителе также не будет слышен.

Устройство защиты АС питается от 2-хполярного источника питания усилителя мощности. При выборе элементов VT1, VT2, C1, R2, K1 следует учитывать величину напряжения источника.

В изготовленном автором экземпляре использовано реле РСМ-1, паспорт Ю-171.81.37. Можно применить и другое подходящее по напряжению и току срабатывания (он не должен превышать 100 мА) реле. При использовании реле РЭС-9, РЭС-22 устройство защиты можно дополнить системой сигнализации его срабатывания.(рис.5)

Описанное устройство разрабатывалось для конкретного усилителя с напряжением питания равным плюс-минус 15 В. В этом случае при появлении на одном из выходов усилителя максимальнное напряжение, тепловая мощность, выделяемая на дросселях L1 или L2, не превышает 3 Вт, что исключает его значительный перегрев за время в течении которого может быть сделан вывод о неисправности усилителя мощности (УМ) и принято решение о его выключении.

При более высоком напряжении питания и отсутствии гарантий своевременного обнаружения момента срабатывания устройства защиты его можно собрать по несколько изменённой схеме (рис.6). В этом случае в момент срабатывания системы защиты питание усилителя мощности отключается. Светоизлучатель оптрона контактами К1.3 реле К1 подключается к источнику питания усилителя, что позволяет удерживать устройство защиты в режиме "Авария". Кроме того, при отсутствии одного из напряжений 2-хполярного источника питания устройство защиты не подключает к нему УМ и отключает его, если одно из этих напряжений исчезнет. Загорание светодиодов сигнализирует о неисправности в усилителе или источнике питания.

В устройстве, собранном по схеме рис.3, реле К1 должно иметь 4 группы контактов на перелючение (РЭС-22, паспорт РФ4.500.130).

Следует отметить, что такая схема системы защиты функции предотвращения щелчков в АС утрачивает.

На рис.7 представлена схема устройства защиты АС, отключает усилитель от питающей сети. Для включения усилителя нужно нажать кнопку SB1. При этом напряжение питания поступит на устройство защиты, срабатывает реле К1 и его контакты заблокируют кнопку SB1 так, что при её отпускании УМ остаётся подключенным к источнику питания. Для отключения усилителя необходимо нажать кнопку SB2. Принцип этого устройства аналогичен описанному выше. Он срабатывает и отключает усилитель от сети при появлении постоянного напряжения на одном из его выходов или пропадании напряжения питания.

Кнопки SB1, SB2 без фиксации в нажатом положении КМ21, КМД2-1, а реле К1-РЭС-32, паспорт РФ 4.500.335-02 (или РЭС-22, паспорт РФ 4.500.130).

ПАССИВНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ.

Наиболее распространённый способ защиты акустических систем от опасного перенапряжения - их отключение от источника сигнала с помощью электромагнитного реле. Однако в АС высокого класса применять его нецелесообразно из-за нелинейных искажений, вносимых в воспроизводимый сигнал. Дело в том, что контакты реле имеют собственное активное сопротивление, которое в новых изделиях колеблется от0,1 (в лучшем случае) до 0,5 Ом. В результате при прохождении через них электрического тока значительной величины на них рассеивается большая тепловая мощность. Это вызывает окисление металла, из которого изготовлены контакты, что само по себе уже является источником искажений. Кроме того, в процессе эксплуатации реле окисление увеличивается и сопротивление контактов может возрасти до1 Ома и более, что соизмеримо с сопротивлением самих АС и способно уменьшить их отдачу.

В другом варианте защиты АС при появлении на них опасного перенапряжения выходы УМЗЧ подключается к общему проводу с помощью тиристора до момента срабатывания плавкого предохранителя в цепи питания выходного каскада. Однако и этот способ имеет существенные недостатки, так как представляет определённую опасность для самого УМЗЧ и связан с необходимостью замены предохранителей.

В ряде зарубежных АС используется поликристалические элементы, специально разработанные для защиты ВЧ и СЧ головок, но они вносят в сигнал ещё большие искажения и также не могут быть использованы в АС высокого класса.

Предложенное устройство пассивной защиты громкоговорителей представляет собой мощный диодный симметричный ограничитель сигнала звуковой частоты (рис. 8). Выполнен он в виде 2-хполюсника, включаемого паралельно защищаемой цепи: либо АС в целом, либо какую-то из её излучателей, например, ВЧ или СЧ головке. В последнем случае его устанавливают непосредственно в АС, а в первом он может быть размещён и на выходе УМЗЧ, и в самой АС.

Устройство работает следующим образом. При появлении на его выводах напряжения, превышающего установленный порог ограничения, диоды соответствующей ветви открываются и через них начинает протекать ток. На диодах рассеивается определённая тепловая мощность, а сигнал, поступающий на АС или излучатель, мягко ограничивается по напряжению и соответсвенно по мощности. При уменьшнии поступающего на АС напряжения ниже порога срабатывания устройство оно отключается. В ждущем режиме устройство защиты на звуковую частоту не влият, поскольку в этом случае диоды обеих ветвей закрыты, а их результирующая ёмкость ничтожно мала.

В устройстве следует применять мощные выпрямительные диоды с высокой перегрузочной способностью, повышенной максимальной рабочей частотой и небольшой собственной ёмкостью. из наиболее распространённых можно порекомендовать КД213 с любым буквенным индексом, а также КД2994, КД2995, КД2998, кд2999. Эти диоды допускают протекание постоянного тока 10..30 А и более в зависимости от типа, а максимальный импульсный ток через них может достигать 100 А. Без теплоотвода каждый диод способен рассеять электрическую мощность около 1 Вт, что соответствует току порядка 1 А. При установке на простейшие пластинчатые теплоотводы мощность, рассеиваемая каждым диодом, может быть увеличена до 20 Вт. На рис.9 показана возможная конструкция защитного устройств с использованием пластинчатых теплоотводов.

Из особенностей работы устройства защиты необходимо учитывать следующее.

В момент открывания диодов через них протекает небольшой ток. При этом для открывания каждого из диодов необходимо напряжение 0,6...0,7 В в зависимости от его типа. При дальнейшем увеличении напряжения на гнёздах устройства защиты растёт проходящий ток и соответственно увеличивается падение напряжения на переходах диодов. Величина его может составлять до 1..1,4 В в диапазоне токов до 10...30 А.

Расчёт устройства защиты сводится к определению типа диодов и их числа в каждой ветви. Для этого необходимо определить порог ограничения по мощности и напряжению. Предположим, что мы хотим защитить от перегрузки динамическую головку с номинальной мощностью 10 Вт и нормальным сопротивлением 8 Ом. При этом целесообразно определить напряжение на уровне мощности порядка 8 Вт. Тогда через головку должен протекать ток равный 1 А при подводимом напряжении 8 В. Определяем число диодов в каждой ветви по простейшей формуле:______, где__- пороговое напряжение открывания диода, а __ - напряжение ограничения. При использовании Диодов КД213 с пороговым напряжением 0,6 В число диодов в каждой ветви составляет примерно 13. Всего для 2-х ветвей 26 диодов.

Технические характеристики такой системы защиты будут весьма высеки. Порог срабатывания составляет 8 В. Максимальный уровень ограничения мощности на защищаемой цепи при токе через диоды 10 А - около 30 Вт. Начальная мощность, поглощаемая системой защиты, составляет примерно 4+4 Вт, максимальная при токе 10 А и использовании теплоотвода - до 130 Вт.

При выборе диодов предпочтительнее те из них, которые допускают максимальные токи 20...30 А при падении напряжения на них 1 В. К ним относятся: КД2994. Они значительно дороже, чем КД213, но имеют существенно лучшие для наших целей характеристики. Так, пороговое напряжение у них выше и составляет около 0,7 В, а падение напряжение при токе 20 А составляет всего1,1 В. Кроме того, их корпус более удобен для монтажа на печатной плате и крепления теплоотвода.

При использовании в вышеприведённом расчёте КД2994 (вместо КД213) их число в ветвях уменьшится с 13 до11, что от части компенсирует высокую стоимость. Характеристика устройства защиты будет гораздо более пологой: при токе через диоды 10 А уровень ограничения мощности на защищаемой цепи составит уже не 30, а только 12 Вт. При этом система защиты будет поглощать мощность порядка 100+100 Вт.

Применение описанной схемы в тракте звуковоспроизведения высокой верности, особенно если выходной каскад УМЗЧ работает в чистом классе А, позволяет полностью избавится от искажений, вносимых обычными устройствами защиты. Наиболее целесообразно использовать предложенную систему для защиты относительно маломощных АС и излучателей. Однако при наличии соответствующих средств и свободного места в АС её можно рекомендовать и для защиты НЧ излучателей. Правда, при этом нужно будет увеличить число параллельно включенных диодных ветвей. Так, при включении в параллель 2-х одинаковых диодных ветвей поглощаемая системой защита мощность увеличивается в 2 раза.

УСТРОЙСТВО ЗАДЕРЖКИ ВКЛЮЧЕНИЯ

И ЗАЩИТЫ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ.

Принципиальная схема этого устройства показана на рисунке 10. Оно состоит из входного ФНЧ R1R2С1, реле времени на транзисторе VT1 и элементах R1 - R4, С1 и ключа на транзисторе VT2. В момент включения питания конденсатор С1 начинается заряжаться через резисторы R1, R2. В течении времени его зарядки транзистор VT1 будет открыт, VT2 закрыт и ток через обмотку реле не потечёт. 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 упадёт и он закроется, а связанный с ним ключевой транзистор VT2 откроется и через обмотку реле К1 потечёт ток. Реле сработает, и его замкнувшиеся контакты К1.1 и К1.2 подключат громкоговорители к усиилтелю. Задержка включения равна примерно 4 с.

Если на каком-то из выходов усилителя появится постоянное напряжение положительной полярности, это приведёт 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. Диод 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. Подойдёт 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.