Назначение
Одним из важнейших узлов УМЗЧ, позволяя безопасно и комфортно его использовать, является наличие встроенной защиты. Защитные функции в УМЗЧ используются для отключения акустических систем (АС) в случае аварии – постоянной составляющей в выходном каскаде, задержки подключения акустики для протекания переходных процессов при включении в сеть (во избежания неприятных щелчков), плавной подачи питания (soft start) на вторичные цепи, позволяющей уменьшить пусковую нагрузку, тем самым экономя ресурс электронных компонентов и применить для этого малогабаритный выключатель.
В этой публикации рассмотрим универсальную конструкцию, которая может быть встроена в УМЗЧ в качестве отдельного блока защит и соединена с функциональной схемой усилителя монтажными проводами.
Предлагаемая схема включается в разрыв первичной обмотки сетевого трансформатора (на схеме условно показан как Т1) и также в разрыв между выходами каналов УМ и АС (на схеме – AMP1, BA1, AMP2, BA2).
Для питания блока защит требуется двухполярный источник напряжением ±15 В. Это может быть стабилизатор, который используется уже в УМЗЧ для питания предварительных каскадов, или же отдельный источник (на схеме условно показан как PWR).
В цепи силовой коммутации (первичная обмотка Т1) применены электронные ключи (ЭК) на симисторах и диодный мост, с целью повышения надежности схемы и исключения контактной коммутации (на реле) в сильноточных цепях. Причем вся коммутация осуществляется в моменты перехода сетевого напряжения через «нуль».
В цепях подключения АС используется 12-ти вольтовое мощное реле, общее для двух каналов усилителя.
Чувствительность схемы блока защит к постоянному напряжению на выходе УМ составляет от 200 мВ любой полярности. Время отключения зависит от величины этого постоянного напряжения – при 200 мВ – примерно 5 с, а уже при 1 В – практически мгновенно – около 150 мс.
Время, его длительность, когда на сетевой трансформатор питающее переменное напряжения подается через токоограничительные цепи оставляет около 1…1,5 с, которого вполне достаточно для зарядки высокоёмких электролитов в БП УМЗЧ и исключения большого броска тока через них.
Этот же временной промежуток, ещё с некоторой задержкой, используется для подключения АС к выходу УМ, для протекания возможных переходных процессов в схеме, и тем самым исключая неприятные «щелчки» в динамических головках.
Вся схема построена на широко распространённых электронных компонентах и, при достаточно низкой стоимости всей сборки, позволяет предотвратить порчу АС в случае «аварии» и повысить надежность работы самого УМ (цепей питания).
Схема электрическая
Напряжение на первичной обмотке сетевого трансформатора Т1 изменяется в зависимости от сопротивления в цепи диодного моста VD1, т.е. зависит от состояния ЭК.
Для реализации защиты по плавному включению формируются два сигнала: сначала для открывания симистора VS1, а цепь которого включен токоограничительный резистор (R4, R6), а затем для симистора VS2.
После подачи сетевого напряжения через выключатель SA1 на стабилитроне VD4 формируется пульсирующее напряжение с амплитудой, соответствующей его напряжению стабилизации (11 В), которое через резистор R5 начинает заряжать конденсатор С2. Это пульсирующее напряжение также поступает через диод VD6 на накопительный конденсатор С4, где формируется напряжение питания с малыми пульсациями для каскадов на транзисторах VT1…VT3.
При превышении напряжения на конденсаторе С2. равного пороговому напряжению полевого транзистора VT1, он отпирается и через излучающий диод в оптосимисторе DA1 начинает протекать ток, что приводит к открыванию его симистора и выработке сигнала управления на открывание симистора VS1.
При этом сетевое напряжение поступает на первичную обмотку сетевого трансформатора, а ток через диодный мост VD1 ограничен резисторами R4 и R6.
Во время зарядки электролитических конденсаторов в источнике питания УМЗЧ ограниченным током, напряжение на них плавно возрастает от нуля примерно до 90 % напряжения, необходимого для нормальной работы всех каскадов усилителя. К этому моменту через транзистор VT2 заряжается конденсатор С5 (с постоянной времени R18C4), превышающей время переходного процесса в цепи питания УМЗЧ, полевой транзистор VT3 отпирается, и через излучающие диоды в оптронах DA3 (с симистором) и DA4 (с составным транзистором) начинает протекать ток.
Это вызывает формирование сигнала управления для открывания симистора VS2, шунтирующего ограничительные резисторы R4 и R6. В результате напряжение сетевого питания поступает на первичную обмотку сетевого трансформатора без ограничения тока, и на конденсаторах фильтра источника питания УМЗЧ напряжение возрастает до номинального, обеспечивающего рабочий режим работы усилителя. При этом открывание транзистора в оптроне DA4 создаёт условия для формирования сигнала управления узлом защиты, подключающим АС к усилителю.
Отпирание транзистора в оптроне DA4 приводит также к открыванию транзистора VT4 и включению реле К1, подключающего АС к УМ, но только при условии отсутствия сигнала блокировки от компаратора на DA2, анализирующего наличие постоянной составляющей напряжения на выходе УМЗЧ.
Эта защита одновременно действующая в отношении двух каналов УМЗЧ, состоит из ФНЧ R7C3 и двухпорогового компаратора на двух ОУ микросхемы DA2. На входе ФНЧ есть дополнительный ограничитель входного напряжения на уровне 0,5…0,7 В на диодах VD3, VD5. Это позволяет значительно уменьшить постоянную времени R7C3 и отказаться от использования оксидных конденсаторов.
Срабатывание любого из компараторов в аварийной ситуации или при переходном процессе установления рабочих режимов в каскадах УМЗЧ (появлению постоянной составляющей на выходе) приводит к появлению на соответствующем его выходе напряжении отрицательной полярности (-15 В). Это напряжение является закрывающим для транзистора VT4, что в результате приводит к отключению реле, а значит, и к отключению АС от выходов УМЗЧ.
Конструкция, детали и наладка
Печатная плата для схемы приведена ниже.
Выбор суммарного сопротивлении резисторов R4 и R6, а также их мощности, зависит от амплитуды импульса тока, потребляемого от сети в момент её подключения к первичной обмотке сетевого трансформатора. Целесообразно производить расчёт сопротивления исходя из максимального значения потребляемого тока от питающей сети, при максимальной выходной мощности и одновременной работе двух каналов УМЗЧ.
Например, если значение потребляемого ограничено 3 А, то ориентировочное сопротивление может быть определено как отношение напряжения питающей сети к току (230/3).
При выборе его мощности следует учитывать её особенности: первая – она кратковременная (несколько периодов сетевого напряжения), но достаточно большая в момент включения, и вторая – она относительно длительная, но небольшая, до момента шунтирования резисторов.
Первая из них предъявляет высокие требования к возможности выдерживания значительных кратковременных перегрузок по мощности при сохранении надёжности работы. При второй из них представляется возможным произвести оценку с достаточной точностью необходимой мощности, так как она является суммой мощности, потребляемой сетевым трансформатором в режиме холостого хода, и мощности, потребляемой УМЗЧ при отсутствии звукового сигнала на выходе.
Если обратиться к вышеприведённому примеру с потребляемым током 3 А, то практически эта суммарная мощность обычно не превышает 5…8 Вт, и поэтому можно ограничиться, с небольшим запасом, мощностью 10 Вт, используя проволочные резисторы, например, SQP или иные подобные.
В качестве оптосимисторов могут быть использованы также и МОС3063, в качестве ЭК – симисторы ВТ137-600. Микросхему ОУ DA2 можно заменить другой с большим входным сопротивлением (с входным каскадом на полевых транзисторах).