Быть или не быть?
Неотъемлемой частью современного усилителя мощности является устройство защиты акустических систем (АС). Это неудивительно, если учесть, что стоимость современных топовых АС достигает 1 млн. рублей и более. Если такие колонки сгорят, то будет немного жаль…
В радиолюбительской практике при сборке и настройке усилителя мощности система защиты АС также лишней не будет, чтобы после настройки не пришлось покупать новые колонки.
В Интернете и радиотехнических изданиях можно найти массу разнообразных схем подобных устройств. Давайте попробуем выяснить, какой должна быть эта система, какую схему выбрать или как доработать имеющуюся.
Начнём с гамлетовского вопроса: быть или не быть? Насколько необходимо и целесообразно применение системы защиты акустических систем в современных усилителях мощности?
В большинстве случаев в устройствах защиты АС применяются электромеханические реле ( о твёрдотельных реле поговорим позже), и колонки подключаются к выходу усилителя через контактную группу этих реле. Ну и отключаются в случае возникновения внештатной ситуации. Есть мнение, и оно подтверждено экспериментами Николая Сухова (того самого автора усилителя высокой верности), что контакты реле имеют большую нелинейность и пропускать через них, такой дорогой уху любого аудиофила, звуковой сигнал есть зло:
Чтобы избежать этого, у нас как и в случае, если нас съели, есть два выхода.
1. Отказаться от системы защиты совсем. Так сделано в известном усилителе AUDIOMANIAC AMP NO. 1 (на микросхеме LM3886), чтобы не портить «запредельные» параметры по линейности. Но эксплуатировать такой усилитель я бы рискнул, только предварительно помолясь тем богам, в которых верю. Хотя в подобных микросхемах и встроена защита от перегрева, короткого замыкания и т.д., как показывает практика, к примеру, TDA2003 я сжигал просто «на ура»!
Если ваши колонки стоят приличных денег (именно для вас), то подключать их к усилителю без защиты как-то неразумно.
2. использовать другие, альтернативные способы защиты. Часто в усилителях вместо системы защиты АС авторы используют предохранители. Причём встречаются два способа их включения:
Предохранители включены между блоком питания и усилителем мощности. С первого взгляда кажется, что предохранители исключены из пути прохождения сигнала. Однако, если вспомнить, что сигнал замыкается через блок питания, этот миф легко рассеивается. В таком варианте на пути сигнала встречается аж два нелинейных элемента — предохранители в положительной и отрицательной шинах питания.
В том, что предохранители являются очень нелинейным элементом, можете не сомневаться!
Во-первых, проводники в выходных каскадах и в блоке питания из-за работы с большими токами стараются сделать как можно толще. А проволочная нить в предохранителе весьма тонкая — на лицо явное противоречие. Даже её незначительное сопротивление при больших токах создаёт заметные потери.
Во-вторых, для повышения надёжности такой защиты надо выбирать предохранитель рассчитанный на ток близкий к рабочему. На пиках сигнала нить предохранителя будет нагреваться (сопротивление растёт), на малых сигналах остывать (сопротивление снижается). Помимо такой нелинейности, работа в режиме теплового стресса приводит к быстрому старению предохранителя и выходу его из строя (металл устаёт от постоянных изгибов нити, вызванных изменением её температуры), что снижает надёжность устройства в целом.
Установка предохранителя на больший ток (с более толстой нитью) снижает эффективность защиты.
Кстати, из приведенной выше схемы (пути звукового сигнала показаны стрелочками) становится понятно, почему такие усилители как фолловер Чуффоли или усилители Zen’a отлично звучат, хотя и не являются усилителями постоянного тока, и в них присутствуют разделительные конденсаторы.
Второй вариант: установка предохранителей перед блоком питания:
И если здесь нить предохранителя исключается из цепи прохождения сигнала, то вторая проблема — обеспечение надежности защиты, остаётся. Как показывает практика, заряда в конденсаторах фильтра питания (у качественного усилителя мощности ёмкость фильтра может достигать сотен тысяч микрофарад) вполне достаточно, чтобы сжечь гораздо больше, чем одну колонку.
По сути такое включение больше защищает силовой трансформатор и выпрямитель от нештатных ситуаций в блоке питания и усилителе.
Кроме того, предохранители имеют время срабатывания на порядок больше, чем современные электромеханические реле. А в случае возникновения критической ситуации время реагирования системы защиты играет решающую роль!
В обоих случаях предохранители не защитят от появления на выходе усилителя повышенного постоянного напряжения, вызванного воздействием на входе усилителя. Сейчас большинство усилителей строится по схеме усилителей постоянного тока (как говорится, лучший разделительный конденсатор — это его отсутствие), поэтому появление по каким-либо причинам на входе усилителя постоянного напряжения приведёт к появлению постоянного напряжения на выходе усилителя больше в К раз (К- коэффициент усиления вашего усилителя). Скажите «прощай» вашим колонкам!
Вариант защиты от появления постоянного напряжения ( в разумных пределах) на входе усилителя предложили японские радиолюбители:
В современных усилителях для поддержания нуля на выходе часто используются интеграторы (хотя есть мнение, что они тоже портят звук. Просто надо уметь их готовить.). В приведенной схеме интегратор следит не только за выходным, но и за входным напряжением, и смещает режимы входных каскадов для компенсации этих напряжений.
Конечно, насколько целесообразно отказываться от классических методов защиты акустических систем каждый решает для себя сам. Между тем, компенсировать нелинейность контактов реле можно довольно просто.
Не знаю, кем был придуман метод, но мне он впервые встретился всё в том же усилителе высокой верности Н. Сухова. Упрощенная схема показана на рисунке:
Суть компенсации сводится к тому, чтобы контакты реле включить в цепь общей отрицательной обратной связи (ОООС) по переменному току. Интегратор U1 нужен, чтобы даже при разомкнутых контактах реле действовала обратная связь по постоянному току и усилитель всегда находился в нормальном режиме.
Эффективность данного метода подтверждают измерения — коэффициент гармоник усилителя «неприлично» низкий, качество звучания — на высоком уровне и данный метод прижился во всех последующих модификациях этого усилителя.
Если наличие интегратора вас всё же смущает, можно придумать, как обойтись и без него.
Главный редактор вашей (надеюсь) любимой «РадиоГазеты», глядя на упомянутый выше усилитель AUDIOMANIAC AMP NO. 1, не решился повторять его без системы защиты. Но чтобы не ухудшать параметры усилителя решено было как-то компенсировать нелинейность контактов реле…но без интегратора.
Что мы имеем применительно к микросхеме LM3886 в плане максимизации качества звучания?
За долгие годы использования этой микросхемы в радиолюбительских конструкциях было выявлено, что микросхема лучше всего звучит:
1. при инвертирующем включении (реализовано в AUDIOMANIAC AMP NO. 1),
2. при напряжении питания +-25В (реализовано в AUDIOMANIAC AMP NO. 1),
3. при коэффициенте усиления 12-16 (реализовано в AUDIOMANIAC AMP NO. 1),
4. при питании 8-го вывода микросхемы от генератора стабильного тока (почему-то не реализовано в AUDIOMANIAC AMP NO. 1).
Последний пункт поможет нам обойтись без интегратора:
До подключения динамиков к выходу усилителя цепь общей ООС замкнута через резистор R1. Этот резистор нужен на самый крайний случай, потому как в таком режиме контакты реле K1.1 замкнуты, источник тока (на транзисторе T1) выключен, из-за чего микросхема находится в режиме «MUTE», т.е. по сути выключена.
При подключении колонок (срабатывает реле, контакты К1.2 переключаются) общая ООС замыкается через резистор R2, и контакты реле оказываются охвачены цепь ОООС для компенсации их нелинейности. Контакты К1.1 размыкаются, включается генератор тока и микросхема переходит в рабочий режим.
Цепь общей ООС оказывается разомкнутой только на время пролета контактов К1.2 (по сути время срабатывания реле, т.е. 10-20 мсек.). Что само по себе не сильно критично, НО! Конденсатор С2 обеспечивает задержку включения микросхемы на 0,5-1 сек, что вполне достаточно для надёжного срабатывания реле.
Усилитель включается бесшумно — без щелчков и посторонних звуков.
Недостатком такой реализации можно считать некоторое усложнение схемы, задействованы две пары контактов реле и для каждого канала усилителя придётся использовать отдельное реле.
Из всего вышеизложенного следует вывод, что защите акустических систем следует всё же БЫТЬ в современных усилителях мощности. И колонки будут целее, и пользователям спокойнее. Негативное влияние контактов реле на звук при желании можно компенсировать.
О том, какой должна быть система защиты АС поговорим в следующий раз.
Удачного творчества,
главный редактор «РадиоГазеты».