音響保護(hù)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

魏明

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

音響主要由音源、功率放大器和音箱組成。這些設(shè)備往往都比較昂貴，因此在設(shè)計(jì)高品質(zhì)音響設(shè)備時(shí)，其保護(hù)電路的優(yōu)良是不容忽視的。根據(jù)設(shè)備的不同，其保護(hù)措施也略有不同，如錄音設(shè)備保護(hù)多采用限幅方式[1]，音箱常見保護(hù)措施有延時(shí)閉合和輸出直流保護(hù)，而功率放大器的保護(hù)相對(duì)較少，很少帶有軟啟動(dòng)功能。這些保護(hù)電路基本上是采用電阻、電容、三極管、RC延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)，因此，自身電路損耗大、電路復(fù)雜、保護(hù)功能不全面、不可靠。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于光耦合器和單片機(jī)的智能保護(hù)系統(tǒng)，具有保護(hù)功能全面可靠、電路功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且可直接嵌入到功放電路中使用。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由控制電路、檢測(cè)電路、軟啟動(dòng)電路、揚(yáng)聲器保護(hù)電路組成。控制電路包含人機(jī)接口電路(液晶LCD工作于串行模式)、欠壓(過壓)電路、溫度采樣電路、電源電路和串行接口電路。單片機(jī)選用STC-12C5410AD，具有低功耗、寬電壓、高速度、帶 8通道 10 bit A/D等優(yōu)點(diǎn)，其接口如圖1所示。

2 檢測(cè)電路

式中，Is為反向飽和電流，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電子電量，u為正向電壓。當(dāng)正向電流i一定時(shí)，PN結(jié)的電壓隨溫度升高而下降，但不是線性關(guān)系，在 25℃附近，每升高1℃，其正向壓降減小 2 mV～2.5 mV，再通過 10 bit A/D采樣，精度可達(dá) 1℃，完全可滿足要求。圖1中，Q4、R20構(gòu)成恒流源電路，以降低傳感器導(dǎo)線電阻對(duì)溫度測(cè)量的影響。為使電路結(jié)構(gòu)簡易，傳感器采用串聯(lián)方式，通過差值計(jì)算，識(shí)別各傳感器溫度。過壓、欠壓電路是直接采樣控制電路電源整流后的直流電壓，其電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到，如圖1所示。

圖1中，AC220-N、A2C20-L為市電輸入端口，AC220與圖2中AC220同一節(jié)點(diǎn)；各引腳標(biāo)號(hào)與圖2、圖3中標(biāo)號(hào)相同的為同一節(jié)點(diǎn)，如圖1中的兩個(gè)“Over-Voltage”標(biāo)號(hào)表示同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可用導(dǎo)線直接連接起來；

溫度采樣原理是根據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)溫度特性與電壓電流之間關(guān)系設(shè)計(jì)的：Bridge2為整流橋；ASM1117為 3.3 V穩(wěn)壓芯片；LCD1～LCD3為顯示接口；KEY1～KEY3鍵盤接口，應(yīng)用者可自行定義功能。

圖1 SIC12C5410AD接口

3 軟啟動(dòng)電路

軟啟動(dòng)即慢啟動(dòng)，其目的是對(duì)電源濾波電容緩慢充電，避免開機(jī)瞬間沖擊電流損壞功放電路。本文設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路的出發(fā)點(diǎn)是：只有在電容充滿后音箱才能接入功率放正常工作，而在功率放大器發(fā)生故障時(shí)又能夠及時(shí)關(guān)閉電源。設(shè)計(jì)思路：不采用常見的RC延時(shí)啟動(dòng)電路[2-3]，借鑒調(diào)光燈原理，采用晶閘管調(diào)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。由于音頻電源實(shí)時(shí)調(diào)壓要求不高，只要按電壓分階段啟動(dòng)即可，線性升壓要求高時(shí)可采用晶閘管同步調(diào)角技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。因此，可以并聯(lián)多個(gè)雙向可控硅光耦合器[5]實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的角度控制，同時(shí)也便于數(shù)字控制，而且電路既簡單、控制又靈活。本設(shè)計(jì)以兩個(gè)并聯(lián)為例，芯片采用MOC3063。軟啟動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 軟啟動(dòng)電路

注：文中各圖中的“RUN2、TEST、ERR”均表示同一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)(相連)。 如圖 1、圖 2、圖 3的標(biāo)號(hào) ERR中(P2.7)三點(diǎn)相連。

電路工作原理：利用圖1中單片機(jī)檢測(cè)(TEST)點(diǎn)電壓值控制RUN1、RUN2、ERR端電位，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向晶閘管TR導(dǎo)通角的控制[1，4]，完成軟啟動(dòng)。啟動(dòng)過程：當(dāng) ERR為低電平時(shí)，對(duì)TEST點(diǎn)電壓檢測(cè)；當(dāng)檢測(cè)電壓接近0 V時(shí)，先選擇光耦合器U2使R4接通控制極。由于R4阻值較大，晶閘管TR的導(dǎo)通角小、輸出電壓低、對(duì)電網(wǎng)干擾相對(duì)較小，則RUN2端可以按照一定的占空比且頻率低于50 Hz的脈沖電平控制晶閘管導(dǎo)通角，達(dá)到降壓的目的。T1次級(jí)電壓經(jīng)橋式整流濾波后由 R6、RW1、D2、C5構(gòu)成直流電壓采樣電路，處理器的A/D轉(zhuǎn)換器直接采樣TEST點(diǎn)電位，再控制U2工作導(dǎo)通狀態(tài)，完成低壓啟動(dòng)。R3阻值小，晶閘管導(dǎo)通角變?yōu)樽畲螅瓿筛邏簡?dòng)。為了防止對(duì)電網(wǎng)干擾，需要將ERR設(shè)置為低電平，以保持 U1閉合狀態(tài)。因?yàn)?C4、C5已升到 3/4容量，而當(dāng) ERR為高電平時(shí)，Q1截止，導(dǎo)致 U1、U2均斷開，說明已經(jīng)完成啟動(dòng)。C1、R1用于吸收變壓器反向感應(yīng)電壓，以保護(hù)TR晶閘管。

4 揚(yáng)聲器保護(hù)電路和功放保護(hù)電路

揚(yáng)聲器保護(hù)電路和功放保護(hù)電路是本設(shè)計(jì)的核心電路。該電路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過載保護(hù)、零點(diǎn)漂移保護(hù)、過熱保護(hù)等功能[2-3]。若采用晶體三極管取樣電路，由于基極-發(fā)射極和基極-集電極PN結(jié)電容、結(jié)電阻的存在必然會(huì)引入一定的干擾，甚至是直流電位，而且有的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給后期維護(hù)帶來不便。因此，本文采用光電隔離控制方式，以避免上述問題的產(chǎn)生。若采用晶體管輸出型光耦合器(如4N25)，需要兩個(gè)光耦合器采樣正負(fù)半周期，否則會(huì)存在抖動(dòng)或者增加采樣保持電路，這樣，不但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加。而三端雙向可控硅光耦合器(如 MOC-3063)因其數(shù)字控制很方便，非常合適用來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。晶閘管特性之一就是一旦導(dǎo)通，門極則失去作用，這就為優(yōu)化電路奠定了基礎(chǔ)。因此，只要采樣半個(gè)周期信號(hào)即可完成電流采樣。但付出的代價(jià)是降低了響應(yīng)速度，所以應(yīng)讓兩個(gè)聲道各負(fù)責(zé)半個(gè)周期。不過由于左右負(fù)載是基本上是平衡的，相對(duì)地抵消了損失的響應(yīng)速度，可以滿足過載短路保護(hù)的要求。對(duì)于短路保護(hù)，其目標(biāo)是保護(hù)功率放大器，因此響應(yīng)時(shí)間上要求低。以超低頻20 Hz計(jì)算，半個(gè)周期(0.1 s)內(nèi)功放瞬時(shí)短路，一般不會(huì)造成損壞，頻率再低時(shí)，則可啟動(dòng)直流保護(hù)。揚(yáng)聲器和功率保護(hù)電路如圖3所示。

圖3 揚(yáng)聲器和功率保護(hù)電路

圖3中，R_IN接音頻功放右通道輸出端，ROUT接右聲道揚(yáng)聲器；L_IN接音頻功放左通道輸出端，LOUT接左聲道揚(yáng)聲器；ERR、OFF、ON應(yīng)與圖 1、圖2中相同標(biāo)號(hào)連接起來，構(gòu)成完整系統(tǒng)電路圖。鍵盤顯示電路引線接出即可。

揚(yáng)聲器和功率保護(hù)電路工作原理：當(dāng)輸出端過載或短路時(shí)，在R8、R9兩端產(chǎn)生的壓降經(jīng)R11、R12限流后，正半周期信號(hào)使U6導(dǎo)通，負(fù)半周期信號(hào)使U5導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器閉合，切斷音箱電路。當(dāng)功率放大器中心電位漂移時(shí)，正電位門檻電壓由穩(wěn)壓管D6確定，負(fù)電位門檻電壓由穩(wěn)壓管D5確定，R10或R13采樣的信號(hào)經(jīng)過C3、L1、C2構(gòu)成的低通濾波器后，檢測(cè)出的直流成份再由D限幅和R14限流，正電壓驅(qū)動(dòng)U4控制J1吸合，負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)U3導(dǎo)通后，U3的晶閘管會(huì)維持導(dǎo)通狀態(tài)，使得正電源經(jīng)R17迫使R14獲得正電壓驅(qū)動(dòng)U4導(dǎo)通，間接驅(qū)動(dòng)J1，目的是饒過避免單片機(jī)無法識(shí)別負(fù)電位問題。Q3、Q2構(gòu)成復(fù)合管，OFF點(diǎn)作為控制點(diǎn)，當(dāng)接收到低電平時(shí)，Q2、Q3才截止，起到關(guān)閉晶閘管作用。正常工作時(shí)，OFF點(diǎn)必須保持高電平。

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是讓喇叭保護(hù)繼電器J1工作在常閉狀態(tài)，即通電吸合時(shí)音箱與功放是斷開的，達(dá)到節(jié)能的目的。功放啟動(dòng)前，先自檢測(cè)電壓情況和繼電器J1狀態(tài)，然后在啟動(dòng)過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)確保安全。完成啟動(dòng)后進(jìn)入擴(kuò)展功能和監(jiān)視狀態(tài)。由于電路需要采樣數(shù)據(jù)和設(shè)置各I/O口狀態(tài)，本程序“讀TEST電位”和過壓欠壓監(jiān)視、溫度監(jiān)視均需要啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換功能，其流程圖如圖4所示。圖中各分支名即電路原理圖中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)。

圖4 軟件流程

在進(jìn)入“禁止啟動(dòng)”程序時(shí)會(huì)將故障信息保存在靜態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)，可通過鍵盤查看和清除，系統(tǒng)正常關(guān)機(jī)處理也會(huì)自動(dòng)清除靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)。

6 電路仿真與測(cè)試

圖5是軟啟動(dòng)過程的C5兩端電壓上升曲線，曲線1是無軟啟動(dòng)電路的電容充電曲線，曲線2是帶軟啟動(dòng)過程電容充電曲線。可以看出，在前34 ms內(nèi)是低壓啟動(dòng)，沒有沖擊電流；在34 ms后完成高壓充電，出現(xiàn)短時(shí)的沖擊現(xiàn)象。但只要再分一階段啟動(dòng)基本上可以避免沖擊現(xiàn)象，這說明本電路的設(shè)計(jì)是可行的。晶閘管TR導(dǎo)通時(shí)存在0.75 V左右的結(jié)電壓，在200 W以上的功放上使用不如繼電器節(jié)能。在這種情況下，只用TR來完成軟啟動(dòng)過程即可。要注意在制作PCB板時(shí)，C3、R10、R13應(yīng)盡可能靠近，或增加一個(gè)濾波電容，以防止聲道之間的音源串?dāng)_。數(shù)字地應(yīng)與模擬地隔離。本設(shè)計(jì)在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)單片機(jī)不需要監(jiān)視ERR點(diǎn)電位，電路仍然有保護(hù)作用。因?yàn)榘l(fā)生故障時(shí)，除了啟動(dòng)過程外，ERR必然為高電平，但由于Q1此時(shí)已截止，必然導(dǎo)致 U1、U2控制端截止而關(guān)閉電源，提高了系統(tǒng)保護(hù)的可靠性。

圖5 軟啟動(dòng)仿真曲線

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)已嵌入功放電路中使用，經(jīng)過測(cè)試，能夠完成預(yù)定的保護(hù)功能，并且實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。取樣電阻R8、R9比一般三極管取樣電路阻值小一倍，音頻損耗小，結(jié)構(gòu)更簡潔，實(shí)現(xiàn)了普通繼電器在節(jié)能狀態(tài)下工作。

整個(gè)系統(tǒng)為單電源供電，音箱保護(hù)電路可單獨(dú)工作，易擴(kuò)展多聲道保護(hù)，嵌入功放方便。這對(duì)于目前5.1聲道系統(tǒng)、7.1聲道系統(tǒng)、校園廣播系統(tǒng)以及舞臺(tái)音樂多聲道系統(tǒng)的保護(hù)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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