Блок защиты акустической системы

Это одна из старых «придумок» сделанных для себя и во многом «под себя»,но метод работы может быть интересен, и применён для решения сходных задач.

Все началось с того, что захотелось построить 4-х канальный усилитель, да не простой, а «золотой». Золотым он стал, когда стоимость его изготовления перевалила за стоимость двух добротных амфитоновских усилителей, которые можно было бы купить на рынке в Ждановичах. Было затрачено много времени, сил и средств. Время ушло на получение опыта о грамотной разводке цепей питания усилителя, разводке самого усилителя.

Это одна из старых «придумок» сделанных для себя и во многом «под себя», но метод работы может быть интересен, и применён для решения сходных задач.

 Пролог

Все началось с того, что захотелось построить 4-х канальный усилитель, да не простой, а «золотой». Золотым он стал, когда стоимость его изготовления перевалила за стоимость двух добротных амфитоновских усилителей, которые можно было бы купить на рынке в Ждановичах. Было затрачено много времени, сил и средств. Время ушло на получение опыта о грамотной разводке цепей питания усилителя, разводке самого усилителя.

Если есть желание повторить мой путь, советую делать так:

  • — методом «тыка» развести плату усилителя;
  • — собрать ее и подключить к плохо разведенному блоку питания;
  • — оценить хреновое звучание и «50-ти герцовый» шум;
  • — почитать разные книжки и желательно большой талмуд Хилла;
  • — грамотно развести плату усилителя;
  • — включив, заметить уменьшение шума;
  • — почитать еще книжек;
  • — грамотно развести плату блока питания и соединить все усилители из одной точки;
  • — опять же заметить улучшение – кажется, что уже идеал;
  • — но, останавливаться рано, нужно еще чуть-чуть почитать;
  • — разделить силовые и сигнальные провода, экранировать трансформатор и т.д.;
  • — и, о чудо, получаем не Hi-end, но и не «китайский» Hi-Fi.

На весь этот «опыт» было потрачено около 6 месяцев…

 Непосредственно к теме

 Одним из блоков усилителя является блок защиты акустической системы. Так или иначе, она присутствует во всех усилителях ЗЧ. Вариантов исполнения защит так же несколько:

  • — отдельная плата;
  • — совмещённая с платой усилителя;
  • — встроенная в микросхему УМЗЧ.

И если первые две диссонанса не вызывают, то последний вариант это как поручить Винни-Пуху следить за медом – при нарушении режима работы микросхемы и (или) её физическом повреждении нет никаких гарантий что сработает защита размещённая на одном кристалле с почившим усилителем.

А для чего собственно нужен этот самый  «Блок защиты АС»? Казалось бы, можно и без него, но рассмотрим следующие ситуации:

1. При включении усилителя, на его выходе (колонке, динамиках и т.д.) начинается твориться какая-то фигня называемая переходным процессом, проявляется он как ощутимые щелчки, хлопки, свист и прочие эффекты в динамиках акустической системы. Время переходного процесса зависит от различных факторов, но суть в том, что на это время нужно отключить нагрузку от усилителя.

2. При отключении питания, происходит обратный процесс (так же переходной). Задача та же – отключить динамик, до того как начнут разряжаться ёмкости блока питания, создавая перекосы питающего напряжения.

3. Усилитель решил, что он достаточно пожил и ему пора на покой, но одному уходить как-то скучно и тут он вспоминает про друга – акустическую систему. «Захватить» её с собой он может следующим образом: подает на свой выход постоянное напряжение от блока питания через пробитый транзистор выходного каскада.

Например, колонка «Радиотехника» S-30 имеет внутреннее активное сопротивление 3 Ома и ещё 0.6 Ом добавляют соединительные провода. При питании усилителя от ±24В и пробое одного транзистора, на выход, через колонку (провода, фильтр, динамики) будет протекать ток 24/3.6=6,6 Ампер. Соответственно мощность, выделяемая на этом «элементе» составит 24*6.6=160Вт. Эта мощность будет выделяться в виде тепла на всех перечисленных элементах. Большую часть «возьмёт» на себя катушка динамика и начнёт соревноваться в скорости сгорания с предохранителем блока питания усилителя. По известному закону, она опередит его, спася собой ценный предохранитель.

4. Для «вызова соседей» на один выход усилителя подключаются 4 колонки вместо одной – усилитель начинает испытывать перегрузку по току со временем приводящей к перегреву и выходу из строя выходных транзисторов. Далее ситуация номер 3.

Как вариант, допустим, что вы захотели послушать, как звучит согнутый гвоздь «подключенный» молотком на выход усилителя. Конденсаторы блока питания, имея емкость в 20 и более мФ, захотят показать, как быстро они умеют разряжаться. А вот выходные транзисторы усилителя кратковременные импульсы тока в 50-200 Ампер выдерживают, только будучи сгоревшими.

5. Есть еще один момент — перекос питающих напряжений. Применив жадность и купив для блока питания один новый конденсатор, а второй найдя в «шуфлядке», получаем через некоторое время одно постоянное напряжение (допустим «+») и пульсации плохо отфильтрованной синусоиды («-»). Тут усилитель расстроится и начнет «фонить» и возможно выдавать на выход небольшую постоянную составляющую.

6. Например, в жаркий летний день, включенный по плешку усилитель начало освещать Солнце. Через какое-то время наступает перегрев и последующая авария.

Ситуаций немного, но половина из них приводят к аварии и последующим манипуляциям с паяльником и кошельком.

Что бы отрабатывать все вышеперечисленные аварийные ситуации, между усилителем и акустической системой нужно установить устройство защиты с примерно следующей структурной схемой:

PIC_1

Рис. 1 Структурная схема полной защиты АС

Как видите, даже структурная схема довольно сложная. Не каждый производитель может позволить себе устанавливать защиту, по сложности сравнимую с самим усилителем. По этому, защиту реализовывают частично.

 А почему не использовать то, что уже есть, или зачем придумывать велосипед?

Действительно, в сети достаточно много схем защиты АС. Вот ссылки на достаточно хорошие, на мой взгляд, схемы защиты АС:

http://sites.google.com/site/nikkov/home/audio/usilitel-nikitina-na-n-kanalnyh-polevikah

http://radiokot.ru/lab/analog/03/

http://www.electromir.net/Shems/11/4/Shema_26.htm

Большинство из найденных схем просты, но есть и достаточно сложные, некоторые частично интегрируются в усилитель. Начав разбирать поочерёдно все схемы, я разложил их «по стопкам»:

— простые – 1-2 функции защиты;

— средние – функции подходящие, но возникали вопросы по комплектации, параметрам и настройке;

— сложные – все функции, но сложность применения, габариты и т.д.

В общем ситуация похожа на магазин — ботинок пруд пруди, а нужных нет!

Что было в начале

Первый вариант схемы защиты АС решала 1, 2, 3, 5 задачи. Но мне не нравилась идеология её построения – 12В питание, 561 логика и интеграторы для включения-выключения, компараторы, делители и фильтры для сравнения напряжения на 2-х выходах усилителя, стабилизаторы +/-12В для их питания – в общем, деталей много, схема сложная, разводка «с проводками». Работая в тепле около года (плата прикреплена к радиатору усилителя) вздулись два конденсатора. Может быть, она и осталась бы работать дальше, но новый «звуковой» трансформатор, с «неподходящими» напряжениями не оставлял ей шансов.

Было решено сделать простую схему защиты, используя старые реле (что бы хоть как-то сэкономить). Сидел, кумекал, как сделать просто и надёжно… Получилось так, что на столе лежали маленькие 8-миногие микроконтроллеры от другого проекта. И проскочила мысль…

Возможно, кто-то разумно возразит, что использование микроконтроллер в такой «ответственной» цепи недопустимо. Но прикинем все плюсы и минусы

Варианты повреждения блока защиты:

— повреждение микроконтроллера –> тут уж ничего не попишешь;

— «зависание» микроконтроллера –> используется сторожевой таймер, со сбросом, плюс программа написана почти «линейно»: не используются прерывания, ветвлений минимум.

Эти пункты, будем считать минусами. Но есть и существенные плюсы:

— минимум деталей;

— распространенные детали;

— простая настройка, скорее даже проверка;

— стабильность параметров;

— функциональность устройства защиты (об этом чуть ниже);

— «безпаечное» изменение параметров – изменение констант в программе;

— при небольшой доработке схемы, возможность работать с напряжениями питания  от 5 до 18В – при чуть более сложной доработке и при более высоких напряжениях.

И к тому же, микроконтроллеры применяют для решения гораздо более ответственных задач.

Метод измерения сигнала

Расчёт и моделирование показало, что, в идеале, схема отработает постоянную составляющую на входе в ~0.5В, при том, что, максимальное входное напряжение будет иметь амплитуду в 50В:

PIC_2

Рис. 2 Делитель напряжения и сигналы на его входе и выходе

Схема действительно может отработать такое малое напряжение, но только если входной сигнал, точнее его переменная составляющая, будет равна нулю. Но входной сигнал переменный, причем его амплитуда и частота случайны, соответственно момент перехода сигнала через нуль можно только угадать.

Выделить эти 0.5В из сигнала можно проинтегрировав его по времени, или, по другому просуммировав его значения. Т.е. производим аналого-цифровое преобразование сигнала, полученные отсчеты суммируем и сравниваем со значением, при котором постоянная составляющая равна нулю:

PIC_3

Рис. 3 Рисунок поясняющий принцип измерения сигнала

Приведенный выше рисунок показывает, принцип реализации измерения постоянной составляющей (хотя правильнее будет сказать определение отклонения от нормы):

— АЦП через произвольные промежутки времени;

— добавляем новое значение к сумме измеренных ранее;

— через определённое кол-во измерений сумму сравниваем с пороговым значением.

Конечно, этот метод измерения имеет минус – требуется время для того что бы произвести некоторое количество измерений и соответственно время реакции блока в наихудшем случае может составить почти 2 периода измерений.

PIC_4

Рис. 4 График поясняющий задержку срабатывая защиты

Допустим, произошла не фатальная авария (смотри пункт 5 из списка аварий) и постоянная составляющая на выходе составила 2 Вольта. Так как авария произошла в середине-конце 1 периода, её влияние на сумму измерений в 1 периоде будет не существенно. Т.е. в  первый период, АС не будет отключена от усилителя. Второй период измерений отработает эту аварию и АС будет отключена. Глубокая отладка программы с ручным вводом значений, показала следующее:

— время срабатывания при постоянной составляющей в 2В – максимум 3.3 секунды;

— время срабатывания при постоянной составляющей в 50В – максимум 1.65 секунды.

А стоило оно того?

Разработанный блок защиты отработал уже достаточно много времени. Нареканий на его работу нет. Когда писал эту статью, пришлось разобрать усилитель, что бы сфотографировать блок – всё было в том же виде как при первой установке. Теперь немного информации о блоке.

Функции блока защиты:

— задержка включения АС при подаче питания;

— определение постоянной составляющей в выходном сигнале усилителя перед включением АС и в процессе его работы;

— при обнаружении постоянной составляющей в выходном сигнале усилителя, отключение АС и индикация аварийного канала;

— отключение АС при отключении питания усилителя.

Принцип работы:

— после подачи питания, микроконтроллер отсчитывает 3 секунды (в это время горит красный светодиод);

— после этого блок переходит в режим измерения постоянной составляющей – красный и зелёный светодиоды моргают.

— при отсутствии постоянной составляющей, блок переходит в рабочий режим – постоянно горит зелёный светодиод (с момента подачи питания прошло 5 секунд);

— при наличии на входе 1 постоянного напряжения превышающего 2 В, постоянно горит красный и мигает зелёный светодиод;

— при наличии на входе 2 постоянного напряжения превышающего 2 В, постоянно горит зелёный и мигает красный светодиод

— время периода определения постоянной составляющей 1.65секунды;

— при отсутствии напряжения сети (меандр или постоянное напряжение на выводе GP3) более 60мС, реле отключается и мигает красный светодиод (по возобновлению питания реле повторно не включится).

Технические характеристики:

Табл. 1

Напряжение питания 12В
Ток потребления:- режим измерения;- рабочий режим; 20мА85мА
Максимальное постоянное напряжение на входе ±2В
Время измерения постоянной составляющей 1.65сек.
Максимальное время реакции (при 2В) 3.3сек.
Максимальное время реакции (при 50В) 1.65сек.
Задержка включения реле при подаче питания 5сек.
Задержка отключения реле при отключении питания 60мсек.
Входное сопротивление ≈10кОм

Сборка

 Схема устройства защиты АС, приведена на рисунке 1214:

PIC_5

Рис. 5 Схема блока защиты АС

Назначение элементов:

— С1, С2, VD3, VD4 – умножитель напряжения, при питании меньше 12В;

— DA1, С3, C4, C5, C6, VD1 — выпрямитель и стабилизатор питания;

— R1, VD2, VD6 – схема выделения меандра сети;

— R3, R5, R6 (R7, R8, R9) – делители напряжения.

Применённые элементы и возможные замены:

— VD1, VD2, VD3, VD4, VD8 – выпрямительный диод типа RS1 (>100В, 1А);

— VD6 – BAS32L (1N4148);

— VD5, VD7 – светодиод выводной, диаметром 3мм;

— все резисторы желательно SMD1206 с точностью 1% (SMD 0805 (кроме R3, R7));

— конденсаторы C4, C6, C7 – керамические, SMD0805, все по 0.1мкФ;

— стабилизатор напряжения DA1 — 78L05 (5В, корпус SOT-89);

— микросхема DD1 — PIC12F675-I/P;

— транзистор VT1 — BC847 (можно полевой в корпусе SOT-23).

Рисунок печатной платы, так же довольно простой. Его можно ещё более упростить, выкинув светодиоды и умножитель напряжения :

PIC_6

Рис. 6 Топология печатной платы

Реле было приклеено на плату и припаяно проводами сечением 1.5мм2, к контактным площадкам слева и справа от него:

PIC_7

Рис. 7 Внешний вид собранного блока защиты АС

Настройка блока довольно проста:

— первым делом проверяем напряжение питания микросхемы и питания реле;

— поверяем наличие меандра (или постоянного напряжения на выводе GP3);

— при закороченных на общий провод входах блока защиты, проверяем напряжение на выводах 5 и 7 микроконтроллера – должно быть 2.37В и должен гореть зелёный светодиод;

— при любом отсоединённом входе, на выводе 5 (или 7) должно быть 2,5В, отключиться реле, гореть один (красный/зелёный) и мигать другой цвет.

Нарисованный на схеме умножитель напряжения (С1, С2, VD3, VD4) установлен по следующей причине: трансформатор, который мне удалось купить, был с выходными напряжениями 5, 2х30 и 42В, при том он был с магнитным экранированием обмоток. Вот и пришлось выкрутиться, установив умножитель, что бы получить надёжные 12В (из 5В) для включения реле. Если с напряжениями всё в порядке, вместо конденсатора C1 запаиваем перемычку, диод VD3 не устанавливаем и получаем однополупериодный выпрямитель. На рисунке 343 показан блок с данными доработками.

PIC_8

Рис. 8 Вид на сторону пайки блока защиты

Схема подключения блока защиты к усилителю:

PIC_9

Рис. 9 Структурная схема подключения блока защиты к усилителю

PIC_10

Рис. 10 Внутренности усилителя ранее бывшего «Амфитоном»

Прилагаемые файлы:

Схема в формате PCAD2006, плата в формате SPL3.0, прошивка для микроконтроллера PIC12F675 — AC_Protect.
Так как уже есть новая версия блока защиты, то рекомендую обратиться к этой статье (в ее конце есть файлы для повторения).

Комментариев: 18 на “Блок защиты акустической системы

  1. Здраствуйте. Собрал, прошил МК- неработает- напряжения на 5;7 ноге — 2,38в., на 4 -4,0в. постоянно светится красный светодиод и больше ничего. Помогите, в чем может быть причина.

  2. Отличная статья, хочу приспособить Вашу разработку в защиту динамика сабвуфера, соответственно имеется один каналл, что нету у Вас случайно прошивки на один каналл, или мне входа коротнуть между собой?

  3. Добрый день!!!
    SOS….SOS…..SOS…….
    Долго искал что то приличное для защиты АС, то что здесь увидел — понравилось,
    но при повторении возникли вопросы?
    НЕ РАБОТАЕТ……… recourse
    А именно-при проверке напряжений на выводах МК (выв. 7 и 5) напряжение 2,31В.
    Если отсоединяем 0, напряжение становится 2,44В. Но при этом на выв. 6 упорно держится 0В.
    Мне кажется что не правильно програмируем МК или ошибка в прошивке.
    Подскажите пожалуйста!!!!
    P.S. Похоже те-же проблемы что и у Игоря.
    С уважением!!!

  4. Web — Напряжение повысить можно. Для этого применяем стабилизатор напряжения DA1 с большим входным напряжением и в другом корпусе (например TO220). А так же транзистор VT1 с большим допустимым Uкэ.

    Владимир — Первым делом прошиваем контроллер правильно — он или программируется или не! Повторяю биты конфигурации:
    _INTRC_OSC_NOCLKOUT
    _WDT_ON
    _PWRTE_ON
    _BODEN_ON
    _MCLRE_OFF
    _CP_OFF
    _CPD_OFF

    Еще раз проверяем правильность схемы.
    Далее 2.31В — может быть из-за применения 5% резисторов — я указал на применение 1%.

    Проверьте наличие сигнала на выводе 4 DD1.

  5. Привет нашёл в схеме с платой несоответствие.
    1.в базе транзистора стоит резистор на 1ком на плате на 4,7ком
    2.диод BAS32L на схеме подключается к +12 вольт а на плате к +5 вольт

  6. По хорошему, биты конфигурации уже находятся в файле прошивки. Например PicProg считывает эти биты.

    Но раз уж возник вопрос, то пожалуйста:
    _INTRC_OSC_NOCLKOUT
    _WDT_ON
    _PWRTE_ON
    _BODEN_ON
    _MCLRE_OFF
    _CP_OFF
    _CPD_OFF

  7. Александр, так не получится, 6 каналов — 3 блока защиты.

    Игорь, перечитайте процесс настройки. Если горит красный — это индикатор аварии.

    Alex71, я их не продаю. Попробуйте сделать сами, это не сложно. Если требуется один канал, то резистор R3 или R7 подсоедините к 0В — контроллер будет считать что с этим входом все нормально.

  8. Собираюсь сделать себе такую защиту. Очень понравилась схема.Что интересно- в интернете почти нет аналогов, хотя мп сейчас суют на каждом углу.
    Вопрос несколько в другой плоскости. Внимательно рассмотрел на картинке весь агрегат.Софстарта нет. Параметры БП известны. Вопрос к Автору: при таких параметрах можно софстарт не городить?? Очень нужно знать с практической точки зрения, а не по теории.

    1. Софтстарт блока питания? Если так то никаких проблем быть не должно — главное что бы не было перекоса между плечами питающих напряжений. Если же они будут, то схема отключит нагрузку пока не закончится переходный процесс.

  9. Дошли руки, собираю. Печатку пришлось перепахать — хочу впаянное реле и клеммы для АС прямо на плате. Однако внимательно присмотревшись заметил, что на фото платы (сторона пайки) печатка не совсем такая как прилагается к статье! Допустим вариации в умножителе, а куда дорожка под реле ведет?

Ответить