AIYIMA Opóźnione załączanie i zabezpieczenie zestawów głośnikowych (uPC1237)

Wraz z rozwojem techniki audio oraz wzrostem mocy wyjściowych wzmacniaczy a także samych zestawów głośnikowych pojawił się problem występowania stanów nieustalonych. W przypadku wzmacniaczy lampowych ów problem nie występował ze względu na samą konstrukcję która zawierała transformator głośnikowy skutecznie oddzielający prąd stały od głośnika/ów a także "miękki" start lamp (stosunkowo długie nagrzewanie katod powodujące płynny wzrost prądu anodowego). Problem zaczął pojawiać się wraz z rozwojem techniki tranzystorowej i większych mocach. W przypadku wzmacniaczy małej mocy poniżej kilku-kilkunastu wat jest w zasadzie pomijalny. Stan nieustalony wzmacniacza powstaje po włączeniu zasilania a główną jego przyczyną są duże pojemności w układzie. Objawia się charakterystycznym "puknięciem" w głośnikach. O ile we wzmacniaczach małej mocy które są zasilane pojedyńczym napięciem i posiadają na wyjściu kondensatory separujące składową stałą nie jest to niebezpieczne to już w przypadku "poważniejszego" sprzętu gdzie zasilanie jest symetryczne a moce sięgają >30-100W czy więcej (np. wzmacniacze estradowe 500W - 2,5kW/4-8Ω) stanowi to dość poważny i kosztowny problem. Jednymi z najważniejszych funkcji jakie powinien zapewniać układ zabezpieczający głośniki powinno być opóźnione załączenie ich do wyjścia wzmacniacza (kilka sekund po podaniu zasilania) oraz detekcja prądu stałego na wyjściu i natychmiastowe odłączenie.
Opóźnione załączenie pomaga w ominięciu stanów nieustalonych, a detekcja prądu stałego zabezpiecza głośniki w przypadku uszkodzenia stopnia mocy co może skutkować spaleniem głośników często o wiele droższych niż sam wzmacniacz. Najprostszym zabezpieczeniem przed DC na wyjściu wzmacniacza jest zwykły bezpiecznik topikowy, ma on jednak taką wadę że może zadziałać w wyniku dużego wysterowania czy też podłączenia zestawów o niższej niż projektowana impedancji (np. 8Ω a podłączone 4Ω). Zabezpieczenie w postaci bezpiecznika często było spotykane w krajowym sprzęcie audio (Unitra, Diora) choć bywały i rozwiązania bardziej skomplikowane używające przekaźników. Jedne z takich zaawansowanych zabezpieczeń które zobaczyłem blisko ćwierć wieku temu było we wzmacniaczu PW9010 chyba w wersji eksportowej (już nie pamiętam), poniżej fragment schematu z zaznaczonym w żółtej obwódce układem;



Oczywiście samo rozwiązanie układowe zależało od projektanta i zależnie od producenta różniło się funkcjonalnością i wykonaniem. Układ ze schematu powyżej zapewniał opóźnione załączanie (po włączeniu zasilania) oraz natychmiastowe odłączanie (po wyłączeniu) zestawów głośnikowych a także detekcję DC w obu kanałach. Jednym z ciekawych układów zabezpieczeń jest układ scalony µPC1237 firmy NEC specjalnie do takiego celu skonstruowany. Układ ma naprawdę dość dużo funkcji i dlatego zaprezentuję gotowy moduł go wykorzystujący.

Moduł na znanym portalu kosztuje kilkadziesiąt zł i prawdę mówiąc nie wiem czy cena elementów nie przewyższa jego ceny Moduł jest fabrycznie zapakowany w torebkę antystatyczną;



Wewnątrz oprócz samego modułu jest jeszcze zestaw plastikowych tulejek dystansowych wraz z wkrętami które ułatwią montaż w docelowym miejscu;



Wymiary modułu to ~ 77x51mm a wysokość została zdeterminowana radiatorem stabilizatora napięcia oraz przekaźnikami;



Budowa modułu jest dość prosta gdyż wszystkie funkcje poza zasilaniem spełnia µPC1237, wyprowadzono przyłącza wyjścia wzmacniacza i głośnikowe oraz złącze zasilania ARK. Producent zaleca zasilanie ~12-18VAC, za stabilizację napięcia zasilania odpowiada stabilizator liniowy LM7812 umieszczony na niewielkim profilowanym radiatorze. Do załączania głośników służą dwa przekaźniki o prądzie styków 10A i cewkach 12VDC (oddzielne dla każdego kanału). Umieszczone są też dwie czerwone diody LED do których funkcji jeszcze wrócę. Wróćmy do µPC1237 i sprawdźmy jakie funkcje oferuje (w/g datasheet);

• Praca w szerokim zakresie napięcia zasilania (typowo Vcc=25-60V)
• Praca z pojedyńczym napięciem zasilającym
• Wbudowany bufor/driver cewki przekaźnika/ów o prądzie max=80mA
• Detekcja DC na wyjściu wzmacniacza o polaryzacji dodatniej jak i ujemnej na tym samym pinie
• Detekcja AC do szybkiego odłączenia obciążenia (głośników)
• Opóźnione załączanie (czas dobierany przez dobór zewnętrznych elementów RC)
• Dwa tryby resetu (Auto i do wyłączenia zasilania)
• Możliwość detekcji przeciążenia wzmacniacza

Poniżej schemat blokowy oraz typowa aplikacja;







Układ jest dedykowany do wzmacniaczy zasilanych napięciem symetrycznym zbudowanych w technice tranzystorowej lub w oparciu o scalone wzmacniacze mocy. Aby wykorzystać zabezpieczenie przeciążeniowe musimy mieć dostęp do rezystorów emiterowych wzmacniacza mocy co wyklucza większość scalonych wzmacniaczy. Poniżej przykład wykorzystania tej funkcji;




Wymaga to trochę większej rozbudowy układu i wymagałoby drobnych modyfikacji modułu. Moduł oferuje poniższe funkcje;

• Napięcie zasilające (deklarowane przez producenta) 12-18VAC
• Opóźnione załączanie głośników (w prezentowanym egzemplarzu opóźnienie wynosi ~ 4s )
• Szybkie rozłączenie (po zaniku AC)
• Detekcja DC na wyjściu wzmacniacza (bardzo szybka, kilkanaście ms)
• Funkcja Autoreset (po "po zniknięciu" DC na wyjściu wzmacniacza układ po ~ 4s ponownie załącza głośniki)



Z napięcia 15VAC którym zasiliłem moduł pobór prądu wynosił ~ 7mA a po włączeniu przekaźników wzrósł do ~50mA (pobór przez cewki). Wyjaśniły się też funkcje diod LED; jedna sygnalizuje zasilanie a druga włączenie przekaźników. Nie dysponuję aktualnie żadnym wzmacniaczem na którym mógłbym przetestować działanie modułu tak że testy odbywały się "na stole". Mocno zaskoczyła mnie czułość układu na napięcie stałe, wystąpienie tego napięcia na wyjściu wzmacniacza symulowałem podając napięcie przez rezystor 10kΩ z zasilacza laboratoryjnego. Czułość jest bardzo duża i w prezentowanym egzemplarzu wynosi około ±150mVDC, oczywiście typowy sygnał muzyczny nie spowoduje zadziałania zabezpieczenia za to przy dużym przesterowaniu może wywołać uruchomienie. Większość nowoczesnych scalonych wzmacniaczy mocy jest wyposażona w funkcję Mute dla stanów nieustalonych jednak z zabezpieczeniem przed DC bywa różnie, a zwłaszcza w przypadku układów pracujących w połączeniu mostkowym (H-Bridged) z pojedyńczym zasilaniem. Być może udałoby się zaadoptować moduł do pracy z wzmacniaczami pracującymi w klasie D lecz mogłoby to być problematyczne. Chcąc wykorzystać również zabezpieczenie przeciążeniowe zmuszeni będziemy do modyfikacji modułu i tu szkoda że projektant takiej opcji nie przewidział, na pewno by się przydała. Mogę polecić ten moduł "budowniczym" wzmacniaczy lub osobom chcącym doposażyć posiadany sprzęt.

ArturAVS wrote:

Stan nieustalony wzmacniacza powstaje po włączeniu zasilania a główną jego przyczyną są duże pojemności w układzie. Objawia się charakterystycznym "puknięciem" w głośnikach.

A "puknięciu" podczas wyciągnięcia wtyczki AC układ zapobiega?

acctr wrote:

A "puknięciu" podczas wyciągnięcia wtyczki AC układ zapobiega?

Z poniższego:

ArturAVS wrote:

Szybkie rozłączenie (po zaniku AC)

wynika że zapobiega...
Gwoli uzupełnienia: Napięcie do zasilania układu zabezpieczającego - jak ten moduł np.brane jest przeważnie albo z dodatkowego uzwojenia na głównym transformatorze, albo z dodatkowego transformatora podłączonego uzwojeniem pierwotnym równolegle do głównego, albo - o ile zasilanie wzmacniacza na to pozwala - z zasilania głównego (oczywiście PRZED mostkiem prostownika).

Dodano po 6 [minuty]:

Co do samego modułu - bardzo przydatna rzecz, zwłaszcza we wzmacniaczach DiY, wymaga jedynie poprawnego podłączenia. Trochę niepokoi mnie tylko (moim zdaniem nieco za duża) czułość na napięcie DC - 150mV. Dość trudno uzyskać w konstrukcjach amatorskich mniej a nawet niektóre fabryczne wzmacniacze mogą mieć i 300mV.
Mam jeszcze pytanie - dość dużym problemem (w konstrukcjach DiY) jest zabezpieczenie przed zbyt wysoką temperaturą tranzystorów mocy - rozumiem, że producent modułu nie przewidział takiego zabezpieczenia, ale czy sam uPC1237 pozwala na jej dodanie?

398216 Usunięty wrote:

Dość trudno uzyskać w konstrukcjach amatorskich mniej a nawet niektóre fabryczne wzmacniacze mogą mieć i 300mV.

Moja własnoręczna konstrukcja która 20 lat temu zastąpiła fabryczną hybrydę STK miała +/- 20mV. W nocie katalogowej jest podany sposób obliczania histerezy.

398216 Usunięty wrote:

Mam jeszcze pytanie - dość dużym problemem (w konstrukcjach DiY) jest zabezpieczenie przed zbyt wysoką temperaturą tranzystorów mocy - rozumiem, że producent modułu nie przewidział takiego zabezpieczenia, ale czy sam uPC1237 pozwala na jej dodanie?

Producent w DS o takim zabezpieczeniu nie wspomina, jednak myślę że zrobienie tego byłoby proste.

acctr wrote:

A "puknięciu" podczas wyciągnięcia wtyczki AC układ zapobiega?

Oczywiście.

398216 Usunięty wrote:

Trochę niepokoi mnie tylko (moim zdaniem nieco za duża) czułość na napięcie DC - 150mV. Dość trudno uzyskać w konstrukcjach amatorskich mniej a nawet niektóre fabryczne wzmacniacze mogą mieć i 300mV.

Cześć. W moim module (podobnym, tylko z jednym przekaźnikiem dwutorowym) był taki sam problem zbyt wysokiej czułości, co objawiało się (szczególnie przy filmach) zadziałaniem zabezpieczenia. Problemem był zły dobór rezystorów przy nóżce 2 scalaka. Wg specyfikacji i obliczeń powinny tam być minimum 56k a producent wstawił tam jak leci 10k. Po wymianie na prawidłowe czułość wyniosła trochę powyżej 1V co wg mnie jest w sam raz, nie spowoduje wyzwolenia zabezpieczenia przy większym "depnięciu" basem a z drugiej strony 1V nie zdąży uszkodzić cewki głośnika niskotonowego.

ArturAVS wrote:

398216 Usunięty napisał:
Dość trudno uzyskać w konstrukcjach amatorskich mniej a nawet niektóre fabryczne wzmacniacze mogą mieć i 300mV.

Moja własnoręczna konstrukcja która 20 lat temu zastąpiła fabryczną hybrydę STK miała +/- 20mV.

I miałeś fart i STK - czyli praktycznie cały wzmacniacz złożony - wystarczy podłączyć sygnał wejściowy zasilanie i głośnik... Ale czy podłączysz tam moduł z artykułu? Na pewno nie bez pewnych trudności (chociaż były hybrydy będące jedynie sterownikiem tranzystorów mocy - w takich problemu by nie było).

szpila wrote:

Problemem był zły dobór rezystorów przy nóżce 2 scalaka. Wg specyfikacji i obliczeń powinny tam być minimum 56k a producent wstawił tam jak leci 10k. Po wymianie na prawidłowe czułość wyniosła trochę powyżej 1V co wg mnie jest w sam raz, nie spowoduje wyzwolenia zabezpieczenia przy większym "depnięciu" basem a z drugiej strony 1V nie zdąży uszkodzić cewki głośnika niskotonowego.

Dokładnie tak. Kiedyś spędziłem pół godziny śledząc nad układem zabezpieczeń we wzmacniaczu estradowym (mało znana polska firma PST), który z niewiadomego powodu (hehehe... potem już znanego) potrafił się wyłączać podczas dyskotek (czasy gdy DJ'e grali z singli...). Powodem była zbyt duża czułość układu zabezpieczeń (co prawda robiony był ten układ "na piechotę", ale zasada działania i realizowane funkcje takie same). Kluczowym elementem w rozwiązaniu problemu było właśnie granie z gramofonów - jeden z nich miał spore "dudnienia" bardzo niskiej częstotliwości spowodowane scentrowaną ośką talerza. Normalnie nie było tego słychać, ale wzmacniacz przenosił tak niskie częstotliwości a zabezpieczenie wykrywało je jako zbyt duże napięcie stałe na wyjściu. Pomny tego zagrożenia w swoich konstrukcjach próg zadziałania zabezpieczeń przed DC na wyjściu ustawiałem właśnie na 1V.

ArturAVS wrote:

Być może udałoby się zaadoptować moduł do pracy z wzmacniaczami pracującymi w klasie D lecz mogłoby to być problematyczne.

Pytam poważnie. Dlaczego moduł ma nie współpracować z klasą D?

Opóźnione załączanie kolumn i zabezpieczenie przed napięciem stałym na wyjściu będą działać. Zabezpieczenia nadprądowego nie użyjesz, bo w klasie D nie masz rezystorów emiterowych.

398216 Usunięty wrote:

Mam jeszcze pytanie - dość dużym problemem (w konstrukcjach DiY) jest zabezpieczenie przed zbyt wysoką temperaturą tranzystorów mocy - rozumiem, że producent modułu nie przewidział takiego zabezpieczenia, ale czy sam uPC1237 pozwala na jej dodanie?

Nie widać mozaiki ścieżek ale jest to niezwykle proste do realizacji nawet na tym module, wystarczy użyć termostatu bimetalicznego na odpowiednią temperaturę i połączyć przez ten termostat pin 4 układu scalonego do zasilania. Po osiągnięciu temperatury termostat rozwiera styk i jeśli na pinie 4 zabraknie napięcia to momentalnie układ odłącza kolumny, gdy to napięcie się pojawi po ostygnięciu to moduł znów załączy kolumny. Nawet bez modyfikacji płytki i kombinowania z pinem 4 można zrealizować skuteczne zabezpieczenie termiczne bo przez ten termostat można podłączyć zasilanie modułu i zadziała równie skutecznie. Są też takie termostaty w obudowie TO-220 więc wystarczy jeden otwór oraz troszkę pasty termoprzewodzącej.

W załączeniu schemat segmentu wzmacniacza SONY, gdzie uPC1237 (swego czasu bardzo popularny układ) współpracuje z czujnikiem LM35DZ, kontrolując temperaturę radiatora wzmacniacza na STK (str.5)
V.

Można i tak, ja tylko opisałem najprostsze i skuteczne zabezpieczenie termiczne. Bimetal jest łatwo dostępny na różne temperatury nie ma problemów kupić na 60°C czy większe temperatury. Amatorom większy problem sprawi dobór odpowiedniego bimetalu by wzmacniacz się za często nie wyłączał ani też nie przegrzał. Tego typu moduły są kierowane głównie do ludzi którzy umieją tylko składać moduły i mają wzmacniacz, ci którzy umieją więcej to już sobie zrobią płytkę krojoną pod ich potrzeby.

stxy wrote:

Pytam poważnie. Dlaczego moduł ma nie współpracować z klasą D?

Jeżeli sam stopień końcowy takiego wzmacniacza będzie zasilany w sposób symetryczny to teoretycznie powinno działać. Na pewno nie będzie współpracował z tanimi wzmacniaczami np. TDA7498 zasilanymi niesymetrycznie (zabezpieczenie przed DC oraz przeciążeniowe, opóźnione załączanie można zrealizować).

gps79 wrote:

Opóźnione załączanie kolumn i zabezpieczenie przed napięciem stałym na wyjściu będą działać.

Tylko w przypadku jak wyżej opisałem.

Należy dodać że nie będzie działać ze wzmacniaczem mostkowanym nawet w klasie AB. Szczerze mówiąc nie wiem jak robi się takie zabespieczenie.

2konrafal1993 wrote:

Należy dodać że nie będzie działać ze wzmacniaczem mostkowanym nawet w klasie AB.

Jeśli jest zasilany symetrycznie to jak najbardziej będzie działać, po prostu układ traktuje wzmacniacz w mostku jako wzmacniacz stereo (dwa kanały) i w przypadku wystąpienia na którymkolwiek wyjściu DC odłączy głośniki.

Podobny moduł na uPC1237 uchronił głośniki, gdy wzmacniacz na (prawdopodobnie) chińskim LM1875 postanowił eksplodować, zwierając przy tym wyjście głośnikowe do plusa zasilania - oprócz głośnego huku i "magicznego dymu" żadnych większych uszkodzeń.