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音響保護的創(chuàng)新性設計
來源:微型機與應用2011年第13期
魏 明
(蘇州大學 應用技術學院,,江蘇 蘇州 215325)
摘要: 介紹了一種低功耗的音響保護系統(tǒng)。通過單片機控制晶閘管的導通角完成功率放大器的軟啟動,。采用三端雙向可控硅光耦合器實現(xiàn)對揚聲器的短路保護,、過載保護,、零點漂移保護,、過熱保護等,。檢測電路和控制電路光電隔離,,避免了控制電路對放大器的干擾,,使揚聲器可直接與放大器相連,,以獲得更好的頻率響應。
Abstract:
Key words :

摘  要: 介紹了一種低功耗的音響保護系統(tǒng),。通過單片機控制晶閘管的導通角完成功率放大器的軟啟動,。采用三端雙向可控硅光耦合器實現(xiàn)對揚聲器的短路保護、過載保護,、零點漂移保護,、過熱保護等。檢測電路和控制電路光電隔離,,避免了控制電路對放大器的干擾,,使揚聲器可直接與放大器相連,以獲得更好的頻率響應,。
關鍵詞: 軟啟動,;沖擊電流;光耦合器,;繼電器

 音響主要由音源,、功率放大器和音箱組成,。這些設備往往都比較昂貴,因此在設計高品質音響設備時,,其保護電路的優(yōu)良是不容忽視的,。根據(jù)設備的不同,其保護措施也略有不同,,如錄音設備保護多采用限幅方式[1],,音箱常見保護措施有延時閉合和輸出直流保護,而功率放大器的保護相對較少,,很少帶有軟啟動功能,。這些保護電路基本上是采用電阻、電容,、三極管,、RC延時電路實現(xiàn),因此,,自身電路損耗大,、電路復雜,、保護功能不全面,、不可靠。針對這些問題,,本文設計了一種基于光耦合器和單片機的智能保護系統(tǒng),,具有保護功能全面可靠、電路功耗低等優(yōu)點,,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、檢測電路,、軟啟動電路,、揚聲器保護電路組成??刂齐娐钒藱C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,,其接口如圖1所示,。
2 檢測電路
 溫度采樣原理是根據(jù)半導體PN結溫度特性與電壓電流之間關系設計的:

 式中,,Is為反向飽和電流,k為玻爾茲曼常數(shù),,T為熱力學溫度,,q為電子電量,u為正向電壓,。當正向電流i一定時,,PN結的電壓隨溫度升高而下降,但不是線性關系,,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1℃,完全可滿足要求,。圖1中,,Q4、R20構成恒流源電路,,以降低傳感器導線電阻對溫度測量的影響,。為使電路結構簡易,傳感器采用串聯(lián)方式,,通過差值計算,,識別各傳感器溫度。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,;各引腳標號與圖2、圖3中標號相同的為同一節(jié)點,,如圖1中的兩個“Over-Voltage”標號表示同一個節(jié)點,,可用導線直接連接起來;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,,應用者可自行定義功能,。
3 軟啟動電路
 軟啟動即慢啟動,,其目的是對電源濾波電容緩慢充電,避免開機瞬間沖擊電流損壞功放電路,。本文設計軟啟動電路的出發(fā)點是: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)生故障時又能夠及時關閉電源。設計思路:不采用常見的RC延時啟動電路[2-3],,借鑒調光燈原理,,采用晶閘管調壓技術實現(xiàn)軟啟動。由于音頻電源實時調壓要求不高,,只要按電壓分階段啟動即可,,線性升壓要求高時可采用晶閘管同步調角技術[4]實現(xiàn)軟啟動。因此,,可以并聯(lián)多個雙向可控硅光耦合器[5]實現(xiàn)對晶閘管的角度控制,,同時也便于數(shù)字控制,而且電路既簡單,、控制又靈活,。本設計以兩個并聯(lián)為例,芯片采用MOC3063,。軟啟動電路如圖2所示,。

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

 電路工作原理:利用圖1中單片機檢測(TEST)點電壓值控制RUN1,、RUN2,、ERR端電位,實現(xiàn)對雙向晶閘管TR導通角的控制[1,,4],,完成軟啟動。啟動過程:當ERR為低電平時,,對TEST點電壓檢測,;當檢測電壓接近0 V時,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的導通角小、輸出電壓低,、對電網(wǎng)干擾相對較小,,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通角,,達到降壓的目的。T1次級電壓經(jīng)橋式整流濾波后由R6,、RW1,、D2、C5構成直流電壓采樣電路,,處理器的A/D轉換器直接采樣TEST點電位,,再控制U2工作導通狀態(tài),完成低壓啟動,。R3阻值小,,晶閘管導通角變?yōu)樽畲螅瓿筛邏簡?。為了防止對電網(wǎng)干擾,,需要將ERR設置為低電平,以保持U1閉合狀態(tài),。因為C4,、C5已升到3/4容量,而當ERR為高電平時,,Q1截止,,導致U1、U2均斷開,,說明已經(jīng)完成啟動,。C1、R1用于吸收變壓器反向感應電壓,,以保護TR晶閘管,。
4 揚聲器保護電路和功放保護電路
 揚聲器保護電路和功放保護電路是本設計的核心電路。該電路實現(xiàn)短路保護,、過載保護,、零點漂移保護、過熱保護等功能[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結電容、結電阻的存在必然會引入一定的干擾,,甚至是直流電位,,而且有的電路結構復雜,給后期維護帶來不便,。因此,,本文采用光電隔離控制方式,以避免上述問題的產生。若采用晶體管輸出型光耦合器(如4N25),,需要兩個光耦合器采樣正負半周期,,否則會存在抖動或者增加采樣保持電路,這樣,,不但電路結構復雜,、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,,非常合適用來實現(xiàn)保護功能,。晶閘管特性之一就是一旦導通,門極則失去作用,,這就為優(yōu)化電路奠定了基礎,。因此,只要采樣半個周期信號即可完成電流采樣,。但付出的代價是降低了響應速度,,所以應讓兩個聲道各負責半個周期。不過由于左右負載是基本上是平衡的,,相對地抵消了損失的響應速度,,可以滿足過載短路保護的要求。對于短路保護,,其目標是保護功率放大器,,因此響應時間上要求低。以超低頻20 Hz計算,,半個周期(0.1 s)內功放瞬時短路,,一般不會造成損壞,頻率再低時,,則可啟動直流保護,。揚聲器和功率保護電路如圖3所示。
 圖3中,,R_IN接音頻功放右通道輸出端,,ROUT接右聲道揚聲器;L_IN接音頻功放左通道輸出端,,LOUT接左聲道揚聲器;ERR,、OFF,、ON應與圖1、圖2中相同標號連接起來,,構成完整系統(tǒng)電路圖,。鍵盤顯示電路引線接出即可。
 揚聲器和功率保護電路工作原理:當輸出端過載或短路時,在R8,、R9兩端產生的壓降經(jīng)R11,、R12限流后, 正半周期信號使U6導通,,負半周期信號使U5導通,,驅動繼電器閉合,切斷音箱電路,。當功率放大器中心電位漂移時,,正電位門檻電壓由穩(wěn)壓管D6確定,負電位門檻電壓由穩(wěn)壓管D5確定,,R10或R13采樣的信號經(jīng)過C3,、L1、C2構成的低通濾波器后,,檢測出的直流成份再由D限幅和R14限流,,正電壓驅動U4控制J1吸合,負電壓驅動U3導通后,,U3的晶閘管會維持導通狀態(tài),,使得正電源經(jīng)R17迫使R14獲得正電壓驅動U4導通,間接驅動J1,,目的是饒過避免單片機無法識別負電位問題,。Q3、Q2構成復合管,,OFF點作為控制點,,當接收到低電平時,Q2,、Q3才截止,,起到關閉晶閘管作用。正常工作時,,OFF點必須保持高電平,。
5 軟件設計
 軟件設計是讓喇叭保護繼電器J1工作在常閉狀態(tài),即通電吸合時音箱與功放是斷開的,,達到節(jié)能的目的,。功放啟動前,先自檢測電壓情況和繼電器J1狀態(tài),,然后在啟動過程中實時檢測系統(tǒng)狀態(tài)確保安全,。完成啟動后進入擴展功能和監(jiān)視狀態(tài)。由于電路需要采樣數(shù)據(jù)和設置各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A/D轉換功能,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)點標號,。
在進入“禁止啟動”程序時會將故障信息保存在靜態(tài)存儲器內,,可通過鍵盤查看和清除,系統(tǒng)正常關機處理也會自動清除靜態(tài)存儲區(qū)數(shù)據(jù),。

6 電路仿真與測試
 圖5是軟啟動過程的C5兩端電壓上升曲線,,曲線1是無軟啟動電路的電容充電曲線,曲線2是帶軟啟動過程電容充電曲線,??梢钥闯觯谇?4 ms內是低壓啟動,,沒有沖擊電流,;在34 ms后完成高壓充電,出現(xiàn)短時的沖擊現(xiàn)象,。但只要再分一階段啟動基本上可以避免沖擊現(xiàn)象,,這說明本電路的設計是可行的。晶閘管TR導通時存在0.75 V左右的結電壓,,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來完成軟啟動過程即可,。要注意在制作PCB板時,,C3、R10,、R13應盡可能靠近,,或增加一個濾波電容,以防止聲道之間的音源串擾,。數(shù)字地應與模擬地隔離,。本設計在測試時發(fā)現(xiàn)單片機不需要監(jiān)視ERR點電位,電路仍然有保護作用,。因為發(fā)生故障時,,除了啟動過程外,ERR必然為高電平,,但由于Q1此時已截止,,必然導致U1、U2控制端截止而關閉電源,,提高了系統(tǒng)保護的可靠性,。

 本文設計的保護系統(tǒng)已嵌入功放電路中使用,經(jīng)過測試,,能夠完成預定的保護功能,并且實現(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,結構更簡潔,,實現(xiàn)了普通繼電器在節(jié)能狀態(tài)下工作,。
 整個系統(tǒng)為單電源供電,音箱保護電路可單獨工作,,易擴展多聲道保護,,嵌入功放方便。這對于目前5.1聲道系統(tǒng),、7.1聲道系統(tǒng),、校園廣播系統(tǒng)以及舞臺音樂多聲道系統(tǒng)的保護具有一定的實用價值。
參考文獻
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