V dnešnej dobe nie je problém urobiť kvalitný výkonný nízko frekvenčný (NF) zosilňovač či už v triede A, B, AB, D... Problematickou sa môže stať situácia, ak dôjde k prierazu koncových tranzistorov vo výkonovom stupni. V takom prípade sa na výstupe zosilňovača objaví plné napájacie napätie, ktoré má obyčajne za následok prepálenie kmitacej cievky reproduktora - jeho zničenie. Keďže reproduktorová sústava nie je lacnou záležitosťou (najmä tá kvalitnejšia) je vhodné, aby NF zosilňovač obsahoval ochranu pred jednosmerným (DC) napätím na výstupe. Tento problém rieši nasledovný obvod, ktorého konštrukciu vám predstavujem. Koncepcia obvodu je z dielne p. Douglasa SELFA.

Poruchové stavy a nežiaduce deje v NF zosilňovači

Pri zapínaní, prevádzke a poruche NF zosilňovača vznikajú súčasne rôzne nežiaduce javy, ktoré môžu byť nebezpečné a niekedy aj zdravie ohrozujúce a daný problém nie je vhodné zanedbávať.

1. Prvým nežiaducim javom je „lupnutie“ reproduktorov pri zapnutí NF zosilňovača. Lupnutie je spôsobené nabíjaním všetkých kondenzátorov po zapnutí zosilňovača. Obvodmi vtedy tečie maximálny prúd a k jeho normalizácii a ustáleniu pracovných bodov jednotlivých stupňov zosilňovača dôjde až o niekoľko sekúnd – v závislosti na veľkosti/kapacite kondenzátorov. Tento nepríjemný zvuk je možné potlačiť/odstrániť oneskoreným pripojením záťaže/reproduktorov k výstupu zosilňovača. K tomuto účelu sa najčastejšie používa dostatočne dimenzované relé.
2. K podobnému javu dochádza aj pri vypnutí NF zosilňovača. Filtračné kondenzátory v zdroji zosilňovača zostávajú nabité ešte nejakú dobu a NF zosilňovač je schopný určitú dobu fungovať. So znižujúcim sa napätím na filtračných kondenzátoroch dochádza k znižovaniu výstupného výkonu, čo je sprevádzané značným skreslením (chrčaním) reprodukovanej hudby. Preto je vhodné, aby boli reproduktory odpojené od zosilňovača po jeho vypnutí skôr ako dôjde k poklesu napájacieho napätia. Vzhľadom na životnosť kontaktov použitého relé je vhodné aby k odpojeniu reproduktorov došlo pri čo možno najnižšej úrovni výstupného signálu. U profesionálnych zariadení je toto vyriešené buď odpojením vstupu pomocným signálovým relé alebo elektronicky pomocou tranzistoru JFET.
3. Ďalším faktorom majúcim vplyv na prevádzku NF zosilňovača je jeho oteplenie. Ak sa bude zosilňovač značne zahrievať (veľký stratový výkon, poddimenzovaný chladič, nedostatočná cirkulácia vzduchu, vysoká okolitá teplota vzduchu, zaseknutý chladiaci ventilátor, príliš nízka impedancia záťaže a pod.) dôjde k prehriatiu chladiča, čo následne spôsobí deštrukciu PN prechodu koncových tranzistorov. Vysoká povrchová teplota chladiča je nebezpečná aj na dotyk a môže spôsobiť popáleniny.
4. Najdôležitejším dôvodom použitia ochrany pred DC napätím je ochrana samotných reproduktorov/reproduktorových sústav. Ako som už spomínal, ich cena nie je väčšinou zanedbateľná, veľakrát dokonca prevyšuje cenu použitého zosilňovača. Je preto vhodné detekovať DC napätie na výstupe NF zosilňovača a v prípade jeho poruchy odpojiť reproduktory v čo najkratšom čase.

Doska plošných spojov

Všetky spomínané stavy a možné problémy vyhodnocuje obvod Speaker Protect. Záťaž (reproduktory/reproduktorové sústavy) pripojuje k zosilňovaču s oneskorením cca 5-6 sekúnd. Ďalej umožňuje okamžité odpojenie reproduktorov pri vypnutí zosilňovača, odpojenie záťaže v prípade jeho poruchy (prítomnosť DC napätia na výstupe zosilňovača) a ponúka možnosť pripojiť na Jumper JP1 bimetalový rozpínací tepelný spínač. Ten, kto sa rozhodne vynechať tepelnú ochranu, použije na Jumper skratovaciu prepojku. Jumper JP2 ponúka možnosť indikácie poruchového stavu. Ak je všetko v poriadku, tak sa na Jumperi JP2 nachádza 24VDC, Ak z nejakého dôvodu relé nezopne (DC na výstupe NF zosilňovaču, tepelná ochrana) tak je na Jupmpri JP2 0V. Tento stav je možné spracovať v externých zariadeniach (doplnkové ochrany, displej, indikácia...)

Na celej DPS sa nachádzajú dva prepoje. Oba sú uspôsobené tak, aby sa dali osadiť 0R rezistorom (viď foto) – zachovať tak estetický vzhľad DPS. Modul ochrán sa prichytáva pomocou štyroch distančných stĺpikov v každom rohu. Vďaka veľkým izolačným vzdialenostiam od prívodu 230VAC je možné použiť kovové distančné stĺpiky no odporúčam použiť plastové. DPS má nepájivú masku a servisný popis. Zospodu DPS sa nachádza jediná SMD súčiastka a tou je D9. Je možné použiť viaceré veľkosti puzdra. DPS s touto možnosťou počíta. Vďaka malým a kompaktným rozmerom modulu DC ochrán by nemal byť problém s jeho vstavaním do NF zosilňovača. Rozmer DPS je 100x50mm. V prípade stereo alebo dualmono zosilňovača je potrebné použiť dva takéto moduly. Modul ochrán vznikol prednostne pre použitie v zosilňovačoch konštruovaných ako dualmono, no nič nebráni v použití dvoch modulov v NF zosilňovači, ktorý má iba jeden spoločný zdroj pre oba kanály.

Popis funkcie zapojenia

Modul ochrán je univerzálny a dá sa použiť pre akýkoľvek NF zosilňovač do výkonu cca 500W (pre väčšie výkony odporúčam použiť relé s väčšou zaťažiteľnosťou kontaktov). Má samostatné napájanie, ktoré je galvanicky oddelené a tak nezanáša do zapojenia zemné slučky a modul nie je závislý na žiadnom napájaní v NF zosilňovači.

Napájacie napätie modulu je 230VAC a privádza sa na konektor X2. Tento konektor je v prevedení Wago s roztečou 10mm. Tento typ konektoru poskytuje jednoduché pripojenie a odpojenie prívodných vodičov. Vodič je držaný pevne a nehrozí jeho samovoľné vytiahnutie. Konektor navyše poskytuje ochranu pred dotykom živej časti. Kto chce trošku ušetriť môže použiť konektory typu Fast-On 6,3x0,8mm (priame do DPS). Dúfam, že nemusím pripomínať v tomto prípade plastovú izoláciu na prívodných konektoroch a ochranu pred dotykovým napätím živých častí. Napájacie napätie ďalej postupuje cez poistku F4. Na tomto mieste som použil polymérovú poistku . Okruh sa uzatvára na primárnej strane napájacieho transformátora TR1 v prevedení do DPS. Tieto transformátory sa vyrábajú v skratuvzdornom a nehorľavom prevedení. Sekundárne vinutie má 2x15VAC/2VA. Na sekundárnej strane sa ďalej nachádza poistka F1. Na tomto mieste je použitá pomalá poistka s hodnotou 315mA a v prevedení TR5. Za poistkou nasleduje usmerňovací mostík B1 v prevedení DIL4. O filtráciu napájacieho napätia sa starajú C5 a C6, ktorých hodnota môže byť od 220uF do 1000uF minimálne na 35V, pretože transformátor má väčšie napätie naprázdno. Zapojenie mi fungovalo spoľahlivo aj s transformátormom 2x12VAC/2VA. Pri zaťažení bolo na relé 21V a pri takomto napätí relé ešte spoľahlivo spína.

Časové oneskorenie zabezpečuje pomalé nebíjanie kondenzátoru C4 cez odporový delič R7 a R8. Keď dosiahne napätie na C4 takú veľkosť aby sa otvoril T4, ten uzemní bázu T5, čo spôsobí jeho otvorenie a následné pritiahnutie relé a pripojenie záťaže s oneskorením (odstránenie nežiaducich „lupancov“). T5 je v puzdre TO126. Na tomto mieste som použil BD140, ale je možné použiť ľubovoľný tranzistor typu PNP s takým istým pinoutom a podobnými parametrami. Jumper JP1 slúži na pripojenie bimetalového tepelného spínaču s funkciou rozopínania kontaktov, ktoré je možné bežne zakúpiť v SOS, TME alebo Avelmak-u. Dióda D9 (v prevedení SMD 0603 alebo 1206) slúži na ochranu tranzistora pred špičkami opačnej polarity vznikajúcimi pri odpájaní indukčnej záťaže a nachádza sa na DPS zo strany spojov.

DC napätie na výstupe NF zosilňovača je snímané pomocou R4 a „bipolárneho kondenzátoru“ zloženého s C2 a C3. Striedavý NF signál je týmto členom vyskratovaný. Ak sa však na výstupe objaví kladné napätie, C2 sa nabije a to spôsobí otvorenie tranzistoru T2, ktorý uzemní bázu T4 cez D7, T2 kolektor-emitor, PN prechod T3 emitor-báza cez D6 o zem, čo spôsobí odpadnutie relé a dôjde k odpojeniu reproduktorov. Ak sa na výstupe objaví záporné napätie, nabije sa C3, T3 sa otvorí a pripojí emitor T2 o mínus napájací pól, čo spôsobí jeho otvorenie, lebo báza je vďaka D5 pripojená o zem a v tomto okamihu sa stáva kladnejšia ako emitor, dej sa zopakuje a relé odpadne.

Obvod navyše sleduje AC zložku na sekundári transformátora. Ak je AC zložka prítomná, pokračuje cez R1, ktorý slúži na obmedzenie prúdu cez D1, ktorá prepustí iba kladné polvlny, do kondenzátoru C1. Ten sa nabije a cez R2 sa otvorí T1. Ak AC zložka zanikne (vypnutie zosilňovača), C1 sa rýchlo vybije prechodom báza-emitor, T1 sa uzavrie a kladné napätie sa dostane na vstup, ktorý kontroluje prítomnosť DC. Obvod tento stav vyhodnotí ako poruchový a dôjde k okamžitému odpojeniu relé a súčasne sa vybije aj časovací kondenzátor C4. Pri opätovnom zapnutí sa tak musí C4 znovu nabiť. Takto je zaručené, že čas potrebný na zapnutie zosilňovača bude vždy rovnaký aj pri jeho rýchlom vypnutí a zapnutí.

Vstupný signál (výstup z NF zosilňovača) sa privádza na konektor X1-4 a X1-3. Výstup sa pripojí na X1-2 a X1-1. Na mieste tohto konektora je možné použiť Wago s roztečou 5mm, konektory ARK500 s roztečou 5mm alebo faston konektor (priamy do DPS) 6,3x0,8mm.

Relé je použité s cievkou na 24VDC a má buď 1x16A alebo 2x8A kontakty. Dá sa použiť relé s prepínacími alebo spínacími kontaktmi.

Pri práci treba byť opatrný. Pracujete s 230VAC na primárnej strane. Autor nezodpovedá za škody spôsobené neodbornou manipuláciou (odpálené cestičky na DPS, zlé inštalácia....). Autor nezodpovedá za úraz elektrickým prúdom pri neodbornej manipulácii !!!

Osadenie dosky plošného spoja

Osadenie DPS "TOP"

Osadenie DPS "Bottom"

Zoznam komponentov

Realizácia

Autor konštrukcie : Radoslav Maduda