Схемы защиты громкоговорителей акустических систем

Акустические системы (АС) высококачественных звуковоспроизводящих комплексов и мультимедийных центров (домашних кинотеатров) — это дорогостоящие и достаточно уязвимые устройства, выход из строя которых чреват недешевым ремонтом. Причинами таких поломок чаще всего являются неисправности усилителя низкой частоты (УНЧ), в котором по какой-либо причине (нарушение правил эксплуатации, неправильное подключение, перегрев и пр.) высокое питающее напряжение оказывается на его выходе и беспрепятственно поступает непосредственно на динамики АС. Чтобы сберечь излучатели колонок от повреждений, изготовители УНЧ предусматривают специальные электронные узлы (схемы защиты акустических систем), контролирующие значение выходящего напряжения усилителя и при необходимости отключающие от него АС.

Схемы на транзисторах

Специалистами разработано большое количество самых различных электрических схем, более или менее эффективно защищающих громкоговорители звуковых колонок от повреждений. Большинство из них выполнены на микросхемах или транзисторах, а в качестве исполнительного механизма в этих схемах задействовано реле. Так, практически все широко известные варианты защиты АС с использованием транзисторов и реле разработаны на базе нескольких схем, детально описанных ниже.

Электросхема УНЧ «Бриг-001»

Электрическая схема, аналогичная используемой в высококачественном УНЧ «Бриг-001» отличается от оригинала только типом транзисторов, из-за чего в ней были изменены некоторые номиналы. Технико-эксплуатационные характеристики данной схемы:

• питающее напряжение, В — от +27 до +65;
• задержка подключения АС, сек — 2,0;
• чувствительность к входному постоянному напряжению, В — ±1,5.

Электросхема Котова

Электрическая схема А. Котова популярна среди начинающих радиолюбителей за свою простоту и эффективность. Однако она не лишена некоторых недостатков:

• рабочий режим с «оторванной базой»;
• протекание всего потребляемого тока через светодиод;
• неизменная величина питающего напряжения;
• невозможность быстрого отключения АС от усилителя.

В результате творческого переосмысления вышеизложенных технических решений многочисленными радиолюбителями были предложены достаточно оригинальные варианты защитных схем АС с использованием транзисторов и реле (перечислены ниже).

Электросхема на 4 транзисторах

Схема  защиты и задержки включения на 4-х транзисторах обеспечивает отключение АС при появлении на выходе УНЧ высоких показателей постоянного напряжения разных полярностей, а также задерживает подключение динамиков АС при включении УНЧ, защищая их от так называемых щелчков питания.

Модернизированная электросхема

Модернизированная схема защиты АС отключает систему при подключении головных телефонов, а также защищает ее излучатели при повышении или понижении питающего напряжения на выходе УНЧ (в том числе и при его включении/выключении) до уровня предельно допускаемых значений.

Универсальная электросхема на 2 транзисторах

Универсальная схема защиты на двух транзисторах предохраняет громкоговорители АС от воздействия кратковременных бросков напряжения при включении УНЧ (задержка подключения АС не более, чем на 1 сек) и обеспечивает их защиту от перегрузки или появления на выходе усилителя высокого питающего напряжения разных полярностей.

Простая электросхема на 3 транзисторах

Простая электросхема защиты АС на трех транзисторах отключает громкоговоритель при появлении постоянного тока на выходе УНЧ (схема разрабатывалась для УНЧ «Ланзар»).

Другие варианты

Были разработаны и опробованы на практике и другие варианты, позволяющие, например, защитить динамики в случае появления на выходе УНЧ повышенного питающего напряжения разных полярностей, используя для этого резисторный оптрон. Также гарантированно обеспечит снижение уровня мощности, подаваемой на вход акустической системы при перегрузках УНЧ, дополнительное устройство, установленное между выходом усилителя и входом АС.

Использование микросхем

С появлением интегральных микросхем перед радиолюбителями открылись новые возможности, реализация которых привела к появлению оригинальных схем защиты АС.  Примером наиболее подходящих микросхем являются 3 нижеприведенных типа.

1. Тип LM339 (счетверенный компаратор) защищает громкоговорители как от бросков напряжения, так и от высоких показателей постоянного выходного напряжения УНЧ. Такие микросхемы обеспечивают необходимую задержку включения звуковых колонок .
2. К142ЕН1 дают возможность запитать схему защиты АС непосредственно от сигнала звуковой частоты. Благодаря данной микросхеме отключение динамиков происходит при перегрузке и/или появлении на выходе УНЧ напряжения разных полярностей.
3. UPC1237HA  является оптимальным вариантом, подразумевающим защиту «все в одном», а именно: наличие режима mute, защиты от постоянного напряжения на выходе, термозащиты, задержки включения и даже отключения выхода в случае выключения УНЧ тумблером. В последнем варианте усилитель сразу выключится, а не будет продолжать работать от конденсаторов блока питания.

Как уменьшить коэффициент нелинейных искажений в схемах защиты АС

Известно, что контактные группы электромеханических реле в схемах защиты акустических систем, с помощью которых осуществляется подключение/отключение последних к выходу УНЧ, значительно увеличивают коэффициент нелинейных искажений воспроизводимого аудиосигнала. Уменьшить нелинейные искажения, возникающие в системах защиты АС, можно различными способами, однако все они приводят к усложнению их электрических схем. Так, радиолюбители из Японии предложили защитить акустику от воздействия постоянного напряжения на выходе УНЧ путем устранения возможности его появления на входе последнего.

Интеграторы входного/выходного напряжения

На выходе современных усилителей достаточно часто используются интеграторы, которые следят как за выходным, так и за входным напряжением, компенсируя возникающие изменения смещением режимов работы входных каскадов. Компенсация обеспечивается включением контактов реле в цепь общей отрицательной обратной связи (ОООС) по переменному току. При этом даже в случаях, когда контакты реле разомкнуты, интегратор обеспечивает наличие обратной связи по постоянному току, что дает возможность УНЧ работать в штатном режиме.

На примере усилителя звука в авто, собранного на китайской микросхеме LM3886 видно, что и наличие интегратора необязательно. Ведь если громкоговорители не подключены, то цепь ОООС замыкается через резистор R1 и контакты реле К1.1. При этом источник тока на транзисторе Т1 выключен, и микросхема переведена в режим mute. А при подсоединении АС контакты К1.2 переключаются, и цепь ОООС замыкается через резистор R2. В результате источник тока включается, микросхема переводится в рабочий режим, а нелинейность контактных групп реле компенсируется за счет включения их в цепь ОООС.

Симисторные блоки

Радиолюбители, обладающие глубокими знаниями в радиотехнике и имеющие опыт самостоятельного конструирования звуковоспроизводящей аппаратуры класса Hi-End, могут попробовать уменьшить нелинейные искажения, вносимые узлами защиты АС, путем замены механических контактов в сильноточных цепях электронными ключами, собранными на основе оптотиристоров (симисторов). Однако схемы симисторных блоков защиты, одна из которых показана на рис. отличаются повышенной сложностью, а собранные узлы требуют тщательной настройки.

Сборка и настройка устройств защиты АС

Узлами, защищающими акустические колонки (включая активные двухполосные и трехполосные) от повреждений, вызванных нарушением рабочих режимов УНЧ, должна в обязательном порядке оснащаться как профессиональная, так и любительская звуковоспроизводящая аппаратура. Особенно это актуально в тех случаях, когда цена АС в несколько раз превышает стоимость УНЧ. Мощные высококачественные УНЧ заводского производства, как правило, включают в свой состав схемы защиты АС, а вот радиолюбителям, конструирующим и изготавливающим такую аппаратуру для собственного употребления, их приходится делать самостоятельно. При этом у них есть широкий выбор решений:

1. самостоятельно разработать электрическую схему и изготовить устройство, способное защитить АС от повреждений;
2. воспользоваться готовой электрической схемой из числа существующих и самостоятельно собрать устройство защиты АС;
3. купить один из имеющихся в розничной продаже КИТ-наборов, например, RadioKit K217 украинского производства или KIT DIV, привезенный из Китая, и без проблем самому оснастить свой УНЧ простейшим устройством защиты звуковых колонок.

Во всех случаях для радиолюбителя даже средней квалификации самостоятельно собрать устройство защиты особого труда не составит. Подробные описания технологических процессов разработки, изготовления и сборки печатных плат в домашних условиях легко найти в Интернете. Что касается настройки таких устройств, то, как правило, они начинают работать сразу и регулировки не требуют.

Тестирование устройств защиты АС

То же самое можно сказать и о тестировании устройств защиты, которое проводят, используя вместо эквивалента нагрузки контрольные (маломощные) звуковые колонки, оснащенные самовосстанавливающимися предохранителями. При этом желательно имитировать появление постоянного напряжения на выходе усилителя, поочередно искусственно подавая на вход устройства защиты громкоговорителей соответствующее постоянное напряжение разной полярности. Не лишним будет также убедиться в отсутствии дребезга контактов реле, который при необходимости нужно будет устранить. Положительные результаты тестирования позволят сохранить имеющиеся звуковые колонки в целости и сохранности.