В настоящее время любой современный усилитель мощности звуковых частот (УМЗЧ) содержит в своем составе систему защиты выходного каскада (ВК) от перегрузки по току на случай короткого замыкания в нагрузке (КЗ) или низкого сопротивления акустической системы (АС). Эта же система защищает АС от постоянного напряжения на выходе УМЗЧ и колебаний инфразвуковых частот. Кроме того, в высококачественных УМЗЧ предусматривается задержка подключения АС к выходу УМЗЧ (на длительность переходных процессов), необходимая для защиты АС от щелчков при включении, а также автоматическое отключение УМЗЧ от питающей сети в случае какой-либо неисправности.
Одним из самых простых и часто встречающихся способов защиты АС от постоянной составляющей на выходе УМЗЧ является включение последовательно с АС плавкого предохранителя. При наличии постоянного напряжения на выходе УМЗЧ через гальванически связанную с выходом УМЗЧ звуковую катушку динамической головки (ДГ), чаще всего низкочастотную, протекает постоянный ток. Если ток оказывается достаточным для перегорания предохранителя, то АС отсоединяется от УМЗЧ. Однако такой простой способ, конечно же. не оптимальный, так как до сгорания предохранителя АС некоторое время оказывается под постоянным напряжением. Для сокращения времени срабатывания номинальный ток предохранителя должен быть раза в три меньше тока, пережигающего его, и в несколько раз меньше предельного тока, который способна выдержать АС.

Система защиты УМЗЧ

На первый взгляд, здесь нет особых проблем, так как в случае пробоя одного из транзисторов выходного каскада УМЗЧ на выходе окажется напряжение, близкое к напряжению питания ВК. Так, при напряжении 32 В ток через АС с номинальным сопротивлением 4 Ом будет около 8 А. и 2-амперный предохранитель успешно выполнит свою задачу. А что если на выходе окажется вовсе не 32 В. а. скажем, 7 В? В этом случае 2-амперный предохранитель не отключит АС от УМЗЧ, и звуковая катушка ДГ будет постепенно разогреваться, что может привести к выходу ее из строя. Кроме того, защита АС при помощи плавких предохранителей обладает тепловыми, гармоническими и интермодуляционными искажениями, которые ухудшают качественные показатели всего УМЗЧ [1]. Эти искажения могут быть минимизированы путем использования предохранителей с большим номинальным током, но тогда защита становится неэффективной. Кроме того, такой способ не обеспечивает защиту АС от инфразвуковых колебаний, которые могут повредить диффузоры ДГ.
Другим способом защиты АС является применение специальных электронных схем, которые быстро определяют наличие на выходе УМЗЧ постоянного напряжения или колебаний инфразвуковых частот и отключают АС. Однако может случиться так, что при выходе из строя ВК (когда система защиты АС записывается от того же источника питания, что и ВК) из-за "просадки-напряжения питания система защиты АС не сработает но от этого недостатка можно избавиться, использовав отдельный источник питания для системы защиты.
Что касается защиты ВК от перегрузки по току, то здесь возможны те же два способа: плавкие предохранители и электронные схемы. Однако попытки защитить полупроводниковые приборы плавкими предохранителями бесполезны: типовой полупроводник выйдет из строя от перегрузки по току задолго до того, как расплавится предохранитель, надежную защиту от перегрузки способны обеспечить топько быстродействующие электронные схемы.
Но из всего сказанного выше не следует, что нужно забыть о плавких предохранителях. Плавкие предохранители желательны в цепи вторичной обмотки силового трансформатора с целью защиты от перегрева при замыкании в мостовом выпрямителе. Обязательными являются сетевые предохранители. Сетевые и вторичные предохранители должны быть с задержкой срабатывания (slow), чтобы они не перегорали при бросках тока, обусловленных зарядкой накопительных конденсаторов и пусковым током трансформатора при включении питания.
Следует также упомянуть и о борьбе с пусковыми токами УМЗЧ. С этой целью в мощных УМЗЧ все чаще применяются системы плавного пуска (СПП, Soft Start). Назначение плавного пуска состоит в том, чтобы уменьшить пусковой ток, продлить срок службы контактов сетевого выключателя и исключить ненужное выгорание сетевых предохранителей.
В усилителях средней мощности СПП можно реализовать на основе резистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). включенного последовательно с первичной обмоткой сетевого трансформатора. При включении усилителя по мере нагревания термистора его сопротивление в течение нескольких десятых долей секунды снижается от первоначального, относительно большого, значения практически до нуля, ограничивая тем самым скачок тока. Преимуществом такого решения является использование всего одного дополнительного элемента. В то же время, основной недостаток схемы СПП на основе NTC-резистора заключается в медленном остывании терморезистора после выключения УМЗЧ. Поэтому при последующем включении усилителя сразу после выключения NTC-резистор не успевает остыть, и скачок тока сглаживается лишь частично.
В промышленной и радиолюбительской аппаратуре широкое распространение получили каскады ограничения тока, в которых для борьбы со скачком тока последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включается мощный резистор. Через некоторое время этот резистор шунтируется контактами реле [2J. В этом случае недостаток схемы с NTC-резистором отсутствует, однако сложность схемы гашения скачка тока повышается, как и ее стоимость. Для предупреждения больших переходных процессов индуктивного характера, которые возникают при подключении трансформатора к питающей сети, параллельно первичной обмотке трансформатора или контактам сетевого выключателя ставится цепь из последовательно соединенных резистора и конденсатора [3, 4].
Система защиты УМЗЧ, схема которой изображена на рис.1, построена с учетом упомянутых выше замечаний. В отличие от схемы защиты из [5], она более проста. Система защиты запитывается от отдельного источника питания (ИП), выполненного на элементах Т1, VD19, С13. Этот же ИП выполняет роль источника дежурного напряжения (12 В), которое необходимо для питания схемы включения (DD2, К1, SB1 и пр.), позволяющей включать/выключать УМЗЧ нажатием всего одной кнопки без фиксации. За счет этого появляется возможность управлять состоянием усилителя подачей на вывод 1 вилки ХР5 одиночного импульса, например, от системы дистанционного управления.
При включении устройства в сеть дежурное напряжение +12 В с выхода выпрямителя VD19, С13 подается на D-триггер DD2, который при помощи цепочки С11-Н19 устанввпи-вается в "О". Этому состоянию соответствует напряжение около +12 В на выводе 2, поддерживающее транзистор VT7 в закрытом состоянии. Следовательно, напряжение на обмотке репе К1 равно нулю, контакты К1.1 и К1.2 разомкнуты, а УМЗЧ обесточен. При кратковременном нажатии на кнопку SB1 на выводе 3 DD2 формируется короткий импульс, изменяющий состояние DD2 ("0й на выводе 2 DD2). Транзистор VT7 открывается и коммутирует реле К1, контакты реле замыкаются и подключают УМЗЧ к сети. Параллельно контактам репеК1.1 иК1.2 включены цепочки R21-C15 и R22-C16. гасящие переходные процессы, возникающие при включении силового трансформатора.
При подаче питания на схему плавного пуска (R20, СЮ, VD16, VT6, К2, VD17, R23...R25) происходит медленный заряд (примерно 0,5...1 с) конденсатора СЮ. Как только напряжение на СЮ становится достаточным для открывания VT6, срабатывает реле К2 и своими контактами nшунтирует составной мощный резистор R23. ..R25. служащий для гашения броска тока при включении УМЗЧ.
Одновременно напряжение +12 В подается на остальные узлы схемы. На элементах R3. R4, С1. С2, VT1, VT3 (R5, R6, СЗ, С4. VT2, VT4) собран двухпороговый компаратор, на элементах R3, С1, R4, С2 (R5, СЗ. R6. С4) — фильтр инфранизких частот. Пороговые напряжения составляют примерно +0.65 В и -0,65 В. С этими пороговыми значениями сравнивается постоянная составляющая или напряжение инфразвуковых колебаний на выходе УМЗЧ. При превышении порогового уровня отпирается один из транзисторов, в результате чего конденсатор С6 разряжается.
Конденсатор С6 разряжается и в случае срабатывания токовой защиты ВК (VD1...VD8. R7...R10, VU1, VU2). Порог срабатывания токовой защиты можно регулировать изменением сопротивления R7 (R9). При указанных номиналах токовая защита срабатывает при напряжении между контактами 1.2 — 3, 4 ХРЗ (ХР4) около 6 В, что соответствует току 6 А (если в цепи эмиттеров или истоков транзисторов ВК установлены резисторы 0,47 Ом). Чтобы исключить срабатывание токовой защиты на пиках сигнала, она обладает некоторой инерционностью.
Поскольку в момент включения из-за переходных процессов в УМЗЧ на выходе может появляться постоянная составляющая с уровнем, превышающем пороговое значение (0,65 В), необходимо заблокировать работу системы отключения усилителя от питающей сети (DD1.1, DD1.2, DD1.4). Для этого предусмотрена цепочка R14-C8. Пока напряжение на С8 не достигнет уровня "1" (около 4 с), работа схемы отключения заблокирована. В случае, когда длительность переходных процессов при включении УМЗЧ превышает 4 с, постоянную времени R14-C8 следует увеличить.
Акустическая система подключается к выходу УМЗЧ с задержкой примерно Юс, чего достаточно для полного окончания переходных процессов в УМЗЧ. Время задержки определяется постоянной времени цепи R12-C7. АС отключается от УМЗЧ в случаях, если срабатывает токовая защита ВК или постоянная составляющая на выходе УМЗЧ превышает пороговое значение.

М.ШУШНОВ, г.Новосибирск.
E-mail: pinkfloyd@front.ru