Miernik temperatury cewki głośnika wysoko-tonowego
Wstęp, zastosowanie
Jako konstruktor zwrotnic głośnikowych często stawiałem sobie pytanie, jak dużo jest w stanie wytrzymać głośnik wysoko-tonowy, i jak bardzo jego wytrzymałość zależy od rodzaju filtracji czy samej częstotliwości podziału. Nie raz spaliłem taki głośnik i myślę, że Wy też
Dlatego na pewno zainteresuje was niespotykany miernik podający rzeczywistą temperaturę cewki głośnika podczas jego pracy!
Jak to działa
Nie da się zmierzyć temperatury cewki głośnika żadnym zwykłym miernikiem temperatury. Po prostu nie ma jak do niej dotrzeć sondą. Zasada działania miernika polega na pomiarze zmian rezystancji cewki pod wpływem temperatury. Można by pomyśleć, że są one pomijalnie małe jednak wcale tak nie jest. Współczynnik termiczny dla drutu miedzianego wynosi + 0,0039, co znaczy, ze wzrost temperatury o około 250 stopni spowoduje aż dwukrotny wzrost jej rezystancji!! Zamiast głośnika 4 Ohmowego stanie się on 8 Ohmowy! Można się spytać, jakim cudem głośnik może się tak nagrzać? Otóż nowoczesne cewki dzisiejszych głośników mogą rozgrzewać się do temperatur bliskich 200 stopni Celsjusza a temperatura samego głośnika może sięgać 100 stopni. To właśnie dzięki temu głośniki staja się coraz mocniejsze.
Budowa
Samo zmierzenie rezystancji cewki nie jest trudne, wystarczy dobry miernik a jej temperaturę można obliczyć ze wzorów. Jednak w budowie urządzenia chodziło o mierzenie temperatury podczas pracy. Dlatego miernik ma specyficzną budowę. Na głośniku podczas pracy występuje napięcie zmienne ze wzmacniacza. Dla dużych mocy może ono sięgać nawet +/- 100 V! Dlatego człon pomiarowy to precyzyjne źródło prądowe zasilane z ustawianego wysokiego napięcia o wartości do 100 V, uzyskanego z przetwornicy. Dzięki temu źródło to zapewnia stabilny prąd przy zmianach napięcia wejściowego w zakresie +/-100 V. Aby uzyskać szeroki i jednorodny zakres pomiarowy sterowane jest cyfrowo (10 bitów). Po przepuszczeniu prądu przez cewkę uzyskujemy niewielkie napięcie pomiarowe odpowiadające rezystancji cewki. Jest ono odseparowane od sygnału ze wzmacniacza kondensatorem sprzęgającym. Usunięcie wysokoamplitudowej składowej zmiennej sygnału audio dokonywane jest w stromym, biernym filtrze dolnoprzepustowym. Następnie podlega 25 krotnemu wzmocnieniu. Konieczne było użycie wzmacniacza rail to rail o niskim napięciu offsetu. Zerowanie dokonywane jest PR-kiem, wprowadza on niewielki offset aby stopień wyjściowy wszedł w liniowy zakres pracy (> 50 mV), dalej jest on usuwany cyfrowo. Dodatkowo w układzie znalazł się pomiar temperatury głośnika za pomocą zwykłego termistora oraz wyjście szeregowe do rejestracji zmian temperatur. Wszelkimi pomiarami i obliczeniami zajmuje się procesor Atmega8, prezentując wyniki na wyświetlaczu LCD 2 x 16. Układ jest dość skomplikowany, a jego oprogramowanie zajęło cały Flash a nie wszystko zmieściłem. Dlatego szczegółowy opis budowy i działania programu byłby dość rozbudowany.
Obsługa
Miernik posiada wejście sygnału ze wzmacniacza oraz wyjście do głośnika oraz dodatkowe wejście do podłączenia termistora NTC mierzącego temperaturę obudowy głośnika. Po włączeniu możemy skompensować wpływ rezystancji przewodów połączeniowych głośnika. Następnie ustawiamy rezystancje cewki głośnika dla temperatury 25 stopni Celsjusza. W praktyce nie musimy znać tego parametru. Jeśli głośnik ma temperaturę pokojowa wystarczy jak ustawimy rezystancje cewki na taką wartość, która da nam wynik jej temperatury taki sam jak temperatury otoczenia. Dodatkowo musimy wpisać współczynnik termiczny drutu nawojowego. Dla miedzi jest to + 0,0039, ale może być inny i jeśli go nie znamy, pozostaje nam skalibrowanie przez „utopienie” głośnika w gotującej wodzie. Podłączając teraz sygnał audio zaobserwujemy, jak zmienia się rezystancja cewki i jej temperatura. Możliwe jest ustawienie cyklicznego wysyłania tych danych przez port szeregowy. Umożliwi to rejestrację i analizę szybkości wzrostu temperatury a także osiągniecie jej maksimum czy określenie punktu uszkodzenia głośnika. Przed samym spaleniem cewki głośnik zaczyna znacząco zniekształcać. Zmiana rezystancji pod wpływem temperatury wpływa też na filtry zwrotnicy przesuwając ich częstotliwość czy zmieniając dobroć. Są to cenne informacje dla profesjonalnego konstruktora.
Trik pomiarowy
Urządzenie z założenia mierzy rezystancje cewek głośników od jej nominalnej wartości w temperaturze 25 stopni Celsjusza do podwojenia rezystancji (ok. 275stopni dla miedzi współczynnik termiczny +0,0039). Głośniki maja typową impedancje znamionową 4, 6 lub 8 Ohm jednak estradowe często 16 Ohm. Jednak sama ich cewka ma rezystancje niższą. Dlatego założony zakres pomiarowy to 3 do 32 Ohm. Przy 10 bitowym przetworniku dałoby to mizerną rozdzielczość pomiarowa rzędu 0,032 Ohma. Dla głośnika 16 Ohmowego akceptowalną ale dla 4 Ohmowego już niestety nie. Z tego względu użyłem sterowanego źródła prądowego (PWM). Jego prąd jest tak ustawiany aby w temperaturze 25 stopni Celsjusza napięcie pomiarowe na ADC było równe połowie maksymalnego. Dzięki temu na podwojenie rezystancji cewki zawsze zostaje rozdzielczość 9bitów czyli około 500. Miedź osiągnie to przy wzroście temperatury o 250 stopni. Zatem uzyskamy rzeczywistą rozdzielczość pomiarową równą 0,5 stopnia Celsjusza (500/250). I to bez względu na rezystancje mierzonej cewki. Oczywiście przy mniejszym współczynniku termicznym rozdzielczość spadnie. Dopuszczalne jest ustawienie go od +0,002 co da zadawalającą rozdzielczość około 1 stopnia. Przy wartości +0,006 rozdzielczość nawet wzrośnie ale wtedy nie uda się zmierzenie maksymalnej temperatury. Skupiłem się tu na miedzi, nawet nie znam dokładnych współczynników termicznych innego rodzaju drutów nawojowych. Zakres współczynnika termicznego +0,002 do +0,006 ustaliłem na oko.
Dokładność pomiarowa
Praktyczne testy z topieniem cewki głośnika w gotującej wodzie wykazały dokładność na poziomie 1 – 2 stopni Celsjusza. A sam przyrząd przeszedł pomyślnie testy praktyczne wykazując swoją przydatność. Skupię się jednak na dokładności pomiaru samej rezystancji. Specyficzna budowa wymagała dość dużego skomplikowania układowego, przez co wpływ na dokładność pomiaru ma szereg czynników. Podstawowy to wzmacniacz pomiarowy o wzmocnieniu 25 razy czyli jego dokładność. Kolejny to napięcie referencyjne przetwornika ADC. W tym przypadku napięcie zasilania 5V. Jednak najbardziej kłopotliwe jest źródło prądowe. Sterowane jest z wyjścia PWM procesora, sygnał po odfiltrowaniu jest dwukrotnie zamieniany na prąd aby przesunąć go na wysokie napięcie. Samo źródło jest dość precyzyjnie kalibrowane PR-kiem. Do tego celu wystarczy pomiar rezystora referencyjnego o wartości kilku ohmów. Jednak układy przesuwania i PWM wprowadzają zauważalną nieliniowość. Zapanowanie nad nią bez precyzyjnej aparatury pomiarowej jest niemożliwe. Dlatego baaaardzoooo przydałby mi się miernik będący nagroda w konkursie
Parametry miernika
Zakres rezystancji cewek: 3 – 16 ohm (max 2xRe)
Zakres współczynnika termicznego: + 0,002 do + 0,006
Zakres pomiaru temperatury cewki: +/- 250 stopni
(typowo: 20 – 250 stopni Celsjusza, ujemne temperatury mogą zostać obliczone w wyniku niewłaściwych ustawień - są one wyświetlane aby ułatwić korektę)
Zakres pomiaru temperatury przez termistor: 15 – 100 stopni Celsjusza
Cool? Ranking DIY
