V dnešnej dobe nie je problém urobiť kvalitný výkonový 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 riešiť.

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 prechodov 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.
5. A v neposlednom rade to môže byť komfort ovládania - teda indikácia poruchových stavov opticky.

Doska plošných spojov (DPS)

Všetky spomínané stavy a možné problémy vyhodnocuje modul Speaker Protect V2.0. 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 JP1 skratovaciu prepojku. Verzia V2.0 je doplnená o možnosť indikácie poruchového stavu. Paralelne k cievkam relé je pripojený Jumper JP2. Na tomto Jumpri je v prípade poruchy 0V a v prípade bezporuchového stavu cca 24VDC. To sa dá využiť na prípadnú komunikáciu s periférnymi zariadeniami (iné ochrany, displej, procesor) a dostaneme tak možnosť indikácie poruchového stavu. JP2 sa nesmie skratovať skratovacou prepojkou. Ostáva rozpojený. Iba ten, kto sa rozhodne použiť komunikáciu s periférnym zariadením odoberá 24V z tohto konektora. V prípade galvanického oddelania signálu sa použije optočlen. DPS má hrúbku 2mm, vďaka čomu je pevnejšia a neprehýba sa pri zasúvaní konektorov. Hrúbka plátovania medi je 70um. Vďaka hrubšej vrstve medi je DPS viac výkonovo (najmä prúdovo) zaťažiteľná.

Na celej DPS sa nachádza šesť prepojov. Štyri sú uspôsobené tak, aby sa dali realizovať 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 (odporúčam aj napriek tomu plastové, čert nikdy nespí). DPS má nepájivú masku a servisný popis. Zospodu DPS sa nachádza sedem SMD súčiastok a to 6 x dióda 1N4148 a 1 x dióda 1N4007. 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 110x55mm. Modul ochrán vznikol prednostne pre použitie v zosilňovačoch konštruovaných so spoločným napájaním (teda jeden transformátor napája oba kanály NF zosilňovača). V prípade dualmono konštrukcie odporúčam použiť Speaker Protect V1.1 (pre viac informácii ma kontaktujte prostredníctvom fóra).

Popis funkcie

Modul ochrán je univerzálny a dá sa použiť pre akýkoľvek NF zosilňovač do výkonu cca 400-500W (pre väčšie výkony odporúčam použiť relé s väčšou prúdovou 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 vďaka čomu pracuje samostatne. K správnej funkcii a zabráneniu zemných slučiek je potrebné pripojiť tento modul ochrán pomocou konektoru Faston (označený ako PGND) na napájaciu zem NF zosilňovača. V ideálnom prípade by to mal byť stred filtračných kondenzátorov na zdroji – tzv. Starpoint. Tým sa prepoja zeme, čo je potrebné pre správnu činnosť obvodu a súčasne sa nezanesú zemné slučky do zosilňovača.

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 so živou časťou zariadenia. Kto chce trošku ušetriť môže použiť konektory typu Faston 6,3x0,8mm (priame do DPS). Dúfam, že nemusím pripomínať v tomto prípade plastovú izoláciu (kryt) na prívodných konektoroch a ochranu pred dotykovým napätím so živými časťami zariadenia.

Napájacie napätie ďalej postupuje cez poistku F4. Na tomto mieste som použil polymérovú poistku typu LX005-V2. 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 2x15-18VAC/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 100uF do 1000uF minimálne na 35V, pretože transformátor má naprázdno vyššie napätie. Zapojenie mi fungovalo spoľahlivo aj s transformátormom 2x12VAC/2VA. Pri zaťažení bolo na relé 21 až 23VDC a pri takomto napätí relé ešte spoľahlivo spína. Z tohto pohľadu sa ako najvhodnejší transformátor javí so sekundárnym vinutím 2X18VAC/2VA.

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 spínača s funkciou rozopínania kontaktov, ktoré je možné bežne zakúpiť v SOS, TME alebo Avelmak-u. Dióda D9 (v prevedení SMD) 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 kondenzátora“ zloženého z 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 tranzistora 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. Druhý kanál funguje rovnako, ale na snímanie DC napätia na výstupe slúži RC člen R12 a C7+C8.

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 kondenzátora 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 opätovnom zapnutí.

Vstupný signál (výstup z NF zosilňovača) sa privádza na konektor X1-2 ľavý kanál, X1-1 zem ľavého kanála, na konektor X3-1 pravý kanál, X3-2 zem pravého kanála. Na konektore X4-1 je výstup ľavého kanála, X4-2 je zem ľavého kanála, X4-3 zem pravého kanála a na konektore X4-4 je výstup pravého kanála. Na tomto mieste je možné osadiť jak radové svorkovnice typu ARK500 s roztečou 5mm tak aj konektory Faston 6,3x0,8mm. V ideálnom prípade bude mínusová reproduktorová svorka pripojená priamo k stredu filtračných kondenzátorov v zdroji. Ten, kto bude ťahať zem z NF zosilňovača, môže túto zem priviesť aj do konektorov X1-1 pre ľavý kanál a X3-1 pre pravý kanál. Výstupný signál z NF zosilňovača je možné ťahať spolu so zemou v skrútenom páre a potom následne v páre ťahať z modulu bez toho, aby došlo k zemným slučkám. Táto zem nie je nikde spojená a na DPS má skôr estetickú funkčnosť. Relé sú použité s cievkou na 12VDC a sú zapojené do série. Vďaka tomu zopínajú obe relé súčastne. Relé má kontakty dimenzované na 1x16A. Dá sa použiť relé s prepínacími alebo iba spínacími kontaktmi. Ako ideálne riešenie odporúčam relé značky Finder alebo Omron.

Pri práci treba byť opatrný. Pracujete s napätím 230VAC na primárnej strane. Autor nezodpovedá za škody spôsobené neodbornou manipuláciou (odpálené cestičky na DPS, zlá inštalácia, úraz el. prúdom....)!

Osadenie DPS

Zoznam súčiastok

Realizácia

Autor konštrukcie : Radoslav Maduda

Kúpiť stavebnicu v e-shope

Kúpiť v hotový modul

Become a Patron!