Устройства защиты акустических систем

СОДЕРЖАНИЕ:

 

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ  АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ АС

2.1 ОПТРОННАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ АС

2.2 ПАССИВНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ

2.3 УСТРОЙСТВО ЗАДЕРЖКИ ВКЛЮЧЕНИЯ И ЗАЩИТЫ       ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ.

3. ВЫБОР МЕТОДА

4. ВЫБОР КОМПОНЕНТОВ

5. ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОВЙСТВА ЗАЩИТЫ АС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим – усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества. По мере внедрения усилителей в различные устройства, встала задача защиты этих устройств от перегрузки.

В частности, в жизни нередки такие ситуации, когда по тем или иным причинам акустические системы подключают к усилителям звуковой частоты, мощность которых превышает предельно допустимую для системы, что, с одной стороны, нередко позволяет получить лучшее качество звучания, увеличить динамический диапазон, с другой - увеличивает риск повреждения динамических головок из-за перегрузки. Особенно это актуально при использовании АС на школьных, студенческих, молодежных вечеринках, где нередко акустика подключается к первому попавшемуся работоспособному усилителю, который «помощнее». Чтобы предотвратить повреждение АС при поступлении на нее мощности, превышающей номинальную, ее надо оснастить узлом защиты от перегрузки, встроенным в АС и не требующем дополнительного источника питания.

 

 

 

 

 

 

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В последние годы, как в любительских, так и в промышленных звуковоспроизводящих устройствах наметилась тенденция к использованию для усиления мощности усилителей постоянного тока с двуполярным питанием и непосредственной связью с нагрузкой. Наряду с известными преимуществами традиционных (с разделительным конденсатором на выходе), такие усилители имеют существенный недостаток — при неисправностях в самом усилителе или источнике питания через нагрузку течёт постоянный ток. По этой причине неотъемлемой частью высококачественных усилителей мощности с непосредственной связью с нагрузкой стали электронные устройства защиты, отключающие громкоговорители при появлении на выходе постоянного напряжения, превышающего заданный пороговый уровень. Нередко на устройство защиты возлагают и функции реле времени, задерживающего подключение громкоговорителей на несколько секунд после подачи питания. Этим достигается устранение громкого щелчка в громкоговорителях, являющегося следствием переходных процессов в усилителе. Следует, однако, отметить, что многие из известных устройств защиты громкоговорителей не лишены недостатков. Так, чаще всего в них используется один компаратор, а сигналы с выходов каналов стерео усилителя подводятся к нему через развязывающие цепи из резисторов или диодов. Очевидно, нельзя исключить ситуацию, при которой постоянные напряжения на выходах каналов имеют разную полярность и такие значения, что суммарный сигнал на входе компаратора соответствует нормальной работе усилителя. Такой случай, вообще говоря, маловероятен, но его, по-видимому, тоже надо учитывать при разработке защитного устройства. К недостаткам широко распространённых устройств следует отнести необходимость питания от отдельного источника и применения в реле времени конденсаторов сравнительно большой ёмкости.

 

 

2. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ АС

Для примера рассмотрим некоторые схемы защиты АС.

 

2.1 ОПТРОННАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ АС

Устройство (рис. 2.1) обеспечивает защиту акустических 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 оптрон 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 ПЭЛ1—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 отрывается от усилителя до начала в нём переходных процессов и щелчок в громкоговорителе также не будет слышен.

Рис. 2.1. Предлагаемое устройство

 

2.2 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 поликристаллические 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 (Рис. 2.2.) пассивной защиты громкоговорителей представляет собой мощный диодный симметричный ограничитель сигнала звуковой частоты.

Рис. 2.2. Ограничитель

Выполнен он в виде 2-хполюсника, включаемого параллельно защищаемой цепи: либо АС в целом, либо какой-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 соответственно по мощности. При уменьшении поступающего на АС напряжения ниже порога срабатывания устройство отключается. В ждущем режиме устройство защиты на звуковую частоту не влияет, поскольку в этом случае диоды обеих ветвей закрыты, а их результирующая ёмкость ничтожно мала.

2.3 УСТРОЙСТВО ЗАДЕРЖКИ ВКЛЮЧЕНИЯ И ЗАЩИТЫ       ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ.

Практически все современные УМЗЧ имеют двухполярное напряжение питания, позволяющее подключать к выходу усилителя нагрузку без разделительного конденсатора.  Такая структура имеет один существенный недостаток – возможность появления на выходе УМЗЧ, в случае его неисправности, постоянного напряжения и, следовательно, выхода из строя дорогостоящей динамической головки (акустической системы). Это обстоятельство вызывает необходимость использования  специальных защитных устройств, отключающих нагрузку при появлении на выходе усилителя постоянного напряжения.

Кроме того, известно, что при включении питания возникает громкий щелчок, вызванный переходными процессами в усилителе, и способный вывести динамическую головку из строя. Чтобы устранить это явление, необходимо подключать нагрузку к выходу УМЗЧ с некоторой задержкой, достаточной для завершения всех переходных процессов (обычно 1 … 3 секунды). Так же, при отключении питания усилителя нагрузка должна отключиться до того момента, как разрядятся сглаживающие конденсаторы в источнике питания, в противном случае вновь появится громкий щелчок. Данные функции обычно возлагают на устройство защиты АС.

Анализ функциональных возможностей как простых так и более сложных устройств задержки включения и защиты громкоговорителей показывает, что при их реализации нет необходимости делать два канала защиты, поскольку аварийное состояние одного из каналов должно исключать возможность эксплуатации усилителя вообще. Отпадает и надобность в индикаторах срабатывания защиты, так как их функции могут выполнять сами громкоговорители. С учётом этих обстоятельств автору удалось существенно упростить устройство защиты громкоговорителей.

Принципиальная схема этого устройства показана на рисунке 2.3. Оно состоит из входного ФНЧ R1 R2 C1, 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 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 упадет, 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 усилителю. Задержка включения равна примерно 4 с.

Рис.2.3 Устройство задержки включения

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. 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.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ВЫБОР МЕТОДА

Схема устройства защиты акустических систем

Устройство (Рис 3.1.), предназначенное для предотвращения повреждения АС при поступлении на нее мощности, превышающей номинальную. АС надо оснастить узлом защиты от перегрузки, встроенным в неё и не требующем дополнительного источника питания. Принципиальная схема такого устройства, рассчитанного на защиту АС мощностью 10...35 Вт, представлена ниже.

Рис 3.1. Схема устройства защиты акустических систем

Кроме отключения АС при перегрузке это устройство также защищает ее динамические головки от повреждения в случае выхода из строя транзисторов усилителя и появления на его выходе постоянного напряжения. Устройство подключается к выходу усилителя мощности звуковой частоты.

 

 

 

 

 

 

4. ВЫБОР ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ

В устройстве использованы постоянные резисторы МЛТ, Cl-4, C2-23 или импортные аналоги. Подстроечный резистор R3 желательно использовать в закрытом корпусе, например, СП4-1, СПЗ-16в, СП5-16А, СПЗ-19а, СП4-3. После настройки поворотную ось резистора следует закрепить каплей краски. Конденсатор С1 пленочный полиэтилентерефталатный К73-17, К73-9 или аналогичный. С4 - керамический К10-17, КМ-5, оксидные конденсаторы - К50-35 или импортные аналоги.

Конденсатор СЗ можно составить из двух по 470 мкФ (это предусмотрено на печатной плате). При необходимости, конденсатор С6 также следует использовать на рабочее напряжение 100 В. В случае, если устройство будет применено с усилителями, имеющими напряжение питания выходных каскадов более ±50 В, оксидные конденсаторы должны быть на напряжение 160 В, мощность и сопротивление резисторов Rl, R2, R9 также нужно увеличить. Конденсаторы СЗ, С6 устанавливают параллельно печатной плате и дополнительно закрепляют на ней проволочными хомутиками.

Диодный мост можно заменить аналогичным маломощным, например, DB103-DB107, RB153-RB157 или составить из четырех выпрямительных диодов с рабочим напряжением не менее 100 В. Вместо КД243А можно установить любые из серий КД243, КД247, КД208, КД105, 1N4002-1N4007. Стабилитрон 1N4738A можно заменить на КС175А, КС175Ж, КС126К, светодиод - на любой другой.    Вместо тринистора КУ112А можно применить КУ 112 AM в корпусе ТО-92. Полевой n-канальный транзистор IRF9540 в этой конструкции может работать без теплоотвода. Его максимальное напряжение сток-исток 100 В, отечественный аналог - КП785А. Вместо этого транзистора можно использовать IRF9634, КП796А, имеющие UCH МАХ > 250 В. Вместо КТ315А можно применить любой из серий КТ312, КТ315, SS9014. Реле К1 - РЭК-29, паспорт ДУЩ4.501.56. Сопротивление обмотки этого реле около 950 Ом, устойчивое переключение контактов происходит при напряжении 15 В, минимальное напряжение удержания - 7 В.

Реле этого типа использовалось в модулях ДУ отечественных телевизоров УСЦТ. При замене следует учитывать тот факт, что контакты этого реле должны коммутировать значительный ток.