Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения

Схема защиты АС с применением резисторнорго оптрона

Предлагаемое устройство (рис.4)

Рис. 4. Принципиальная схема защиты акустических систем с применением резисторнорго оптрона.

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 величина постоянного напряжения достигнет 3-4 В (в зависимости 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, возникающие 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)

Рис. 5. Схема дополнения устройства защиты АС световой сигнализацией.

Описанное устройство разрабатывалось для конкретного усилителя с напряжением питания равным плюс-минус 15 В. В этом случае при появлении на одном из выходов усилителя максимальное 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.

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

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)

. 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

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

. отличаются повышенной сложностью, а собранные узлы требуют тщательной настройки.

Защита блока питания от перегрузки

В большинстве простых блоков, реализована защита блока питания от перегрузки только по превышению максимального тока нагрузки. Подобная электронная защита, главным образом, предназначается для самого блока питания, а не для подключенной к нему нагрузки.

Для надежного функционирования, как блока питания, так и подсоединенного к нему электронного устройства, желательно иметь возможность изменения порога срабатывания защиты по току в больших пределах, причем при срабатывании защиты подключенная нагрузка должна быть обесточена.

Приведенная в данной статье схема является еще одним вариантом лабораторного блока питания, позволяющая производить плавную регулировку всех перечисленных выше параметров.

Схема защиты акустических систем усилителя «Бриг-001»

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.

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.

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.

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

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.

Электросхема УНЧ «Бриг-001»

Электрическая схема, аналогичная используемой в высококачественном УНЧ «Бриг-001» отличается от оригинала только типом транзисторов, из-за чего в ней были изменены некоторые номиналы. Технико-эксплуатационные характеристики данной схемы:

• 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:

• рабочий режим с «оторванной базой»;
• протекание всего потребляемого тока через светодиод;
• неизменная величина питающего напряжения;
• невозможность быстрого отключения АС от усилителя.

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

Простая электросхема защиты АС на трех транзисторах отключает громкоговоритель при появлении постоянного тока на выходе УНЧ (схема разрабатывалась для УНЧ «Ланзар»).

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.

Применённые детали и настройка

Герметичные реле обычно меньше по размерам, поэтому легко устанавливаются с минимальными доработками печатной платы. Поскольку я расположил реле и зажимы с винтовыми клеммами достаточно плотно, при повторении платы надо убедиться в идентичности размеров зажимов, в противном случае чуть-чуть подкорректировать печатную плату. Можно обойтись без зажимов, это даже надежнее, но неудобно, особенно при настройке макетов усилителей.

При отсутствии ошибок в монтаже и исправных деталях, схема начинает работать сразу
, надо только рассчитать резистор ограничения тока через обмотку реле.Например, питание +18 В, реле на 12 В сопротивлением 280 Ом. Рабочий ток реле 12 В/280 Ом = 43 мА.Погасить надо 18В − 12В − 2В (падение напряжения на открытом TL431) = 4 Вольта.4 В / 43 мА = 100 Ом. Мощность резистора 43 мА х 4 В = 170 мВт, т. е. нужен резистор от 0,25 Вт и выше. На плате этот резистор «стоит», это сделано, чтобы можно было ставить резисторы разных габаритов и с запасом по мощности до 2 Вт.

Все диоды, кроме шунтирующего обмотку реле, практически любые маломощные, надо только не забыть, что маркировка полоской на корпусе диодов КД522 и других советских, обратная импортной маркировке.

При проблемах в работе, в первую очередь надо проверить правильность установки деталей, особенно диодов, транзисторов и TL431. Затем проверить качество паек (у меня плохо паялись выводы диодов), для этого надо хорошо промыть плату и осмотреть пайки с лупой (или с хорошим глазом).Затем проверить режимы по постоянному току, напряжения на базах транзисторов должны соответствовать указанным на схеме ± 0,1 В.

Поскольку среди начинающих любителей есть страсть к гигантомании и усилителям мощностью в сотни Ватт и с напряжением питания усилителей порядка ± 50 В, надо помнить, что чем больше мощность усилителя, тем большие токи протекают через контакты реле, при высоких напряжениях возрастает вероятность возникновения дуги между разомкнутыми контактами реле.

В этом случае на данной плате может быть установлено любое реле с одной группой контактов, это реле будет промежуточным и управлять другим, более мощным реле с контактами, рассчитанными на бОльший ток и с увеличенным расстоянием между разомкнутыми контактами. К этому мощному реле можно будет подвести провода бОльшего сечения.

Универсальность данного узла защиты со «своим» питанием и в том, что его можно подключить к выходам мостового (как правило, повышенной мощности) усилителя. Общий провод соединяют не с общим проводом усилителя, а с одним выходом усилителя, а один вход узла защиты со вторым выходом мостового усилителя.

При установке узла защиты в готовую конструкцию, надобность в отдельном блоке питания отпадает (для обычного, не мостового усилителя).

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 с. 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.

Внешняя защита от статического электричества

Как показывает практика, главным разрушающим фактором, помимо мощных помех, являются электростатические разряды. Они возникают при сближении разнозаряженных элементов. Например, при подключении/отключении устройств или при прикосновениях. Известно, что человек в кожаной обуви при ходьбе генерирует электрическое напряжение 25 кВ. Очевидно, что в промышленной и автомобильной технике вращающиеся и трущиеся части механизмов создают колоссальные статические заряды. Статика приводит к катастрофическим для электроники последствиям. Пробой затворов транзисторов, деградация полупроводников и даже разрушение контактных соединений — вот лишь часть возможных повреждений.

Надежным и доступным способом защиты от электростатики являются защитные диоды. Компания Maxim Integrated выпускает широкий спектр дискретных элементов защиты (таблица 6).

Таблица 6. Защитные диодные сборки Maxim

MAX3202/3/4/6 соответствуют уровню защиты от следующих уровней разрядов: ±15 кВ (Human Body Model), ±8 кВ (IEC 61000-4-2, Contact Discharge), ±15 кВ (IEC 61000-4-2, Air-Gap Discharge). Применяются для высокоскоростных интерфейсов (таблица 5).

MAX3205/7/8 предназначены для защиты высокоскоростных дифференциальных интерфейсов. Имеют расширенный диапазон рабочих температур -40…125°С. Уровень защиты соответствует: ±15 кВ (Human Body Model), ±8 кВ (IEC 61000-4-2, Contact Discharge), ±15 кВ (IEC 61000-4-2, Air-Gap Discharge).

Схема улучшенной защиты для АС

Большими возможностями обладает устройство защиты рис.2.

Рис. 2. Принципиальная схема защиты акустических систем от бросков выходного напряжения, питается от источника питания УМЗЧ.

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:

Приведенная формула справедлива при условии: .

Время задержки 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 , где — — 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.

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:

1. самостоятельно разработать электрическую схему и изготовить устройство, способное защитить АС от повреждений;
2. воспользоваться готовой электрической схемой из числа существующих и самостоятельно собрать устройство защиты АС;
3. 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