张俊哲
发表于 2009-5-4 22:24:45
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音响主要由音源、功率放大器和音箱组成。这些设备往往都比较昂贵,因此在设计高品质音响设备时,其保护电路的优良是不容忽视的。根据设备的不同,其保护措施也略有不同,如录音设备保护多采用限幅方式[1],音箱常见保护措施有延时闭合和输出直流保护,而功率放大器的保护相对较少,很少带有软启动功能。音响技术这些保护电路基本上是采用电阻、电容、三极管、RC延时电路实现,因此,自身电路损耗大、电路复杂、保护功能不全面、不可靠。针对这些问题,本文设计了一种基于光耦合器和单片机的智能保护系统,具有保护功能全面可靠、电路功耗低等优点,并且可直接嵌入到功放电路中使用。# M4 Z1 j& y! L
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1软启动电路
: r" F3 s* d! A1 V软启动即慢启动,其目的是对电源滤波电容缓慢充电,避免开机瞬间冲击电流损坏功放电路。本文设计软启动电路的出发点是:只有在电容充满后音箱才能接入功率放正常工作,而在功率放大器发生故障时又能够及时关闭电源。设计思路:不采用常见的RC延时启动电路[2-3],借鉴调光灯原理,采用晶闸管调压技术实现软启动。音响技术由于音频电源实时调压要求不高,只要按电压分阶段启动即可,线性升压要求高时可采用晶闸管同步调角技术[4]实现软启动。因此,可以并联多个双向可控硅光耦合器[5]实现对晶闸管的角度控制,同时也便于数字控制,而且电路既简单、控制又灵活。本设计以两个并联为例,芯片采用MOC3063。软启动电路如图2所示。
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0 s9 Y) g/ P6 J注:文中各图中的“RUN2、TEST、ERR”均表示同一个电路节点(相连)。如图1、图2、图3的标号ERR中(P2.7)三点相连。
: |' o/ i: ^* f8 A: C5 i2 检测电路9 i$ q z- }$ k' ?' u8 W% v4 h% S
温度采样原理是根据半导体PN结温度特性与电压电流之间关系设计的:! ]! H7 d: s! g* ~
8 \6 f1 A; B" z. |0 r式中,Is为反向饱和电流,k为玻尔兹曼常数,T为热力学温度,q为电子电量,u为正向电压。当正向电流i一定时,PN结的电压随温度升高而下降,但不是线性关系,在25℃附近,每升高1℃,其正向压降减小2 mV~2.5 mV,再通过10 bit A/D采样,精度可达1℃,完全可满足要求。图1中,Q4、R20构成恒流源电路,以降低传感器导线电阻对温度测量的影响。为使电路结构简易,传感器采用串联方式,通过差值计算,识别各传感器温度。过压、欠压电路是直接采样控制电路电源整流后的直流电压,其电压经A/D转换得到,如图1所示。
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( J1 Z5 d% A. u4 s3系统组成" g1 b7 U8 M$ z: T
系统由控制电路、检测电路、软启动电路、扬声器保护电路组成。控制电路包含人机接口电路(液晶LCD工作于串行模式)、欠压(过压)电路、温度采样电路、电源电路和串行接口电路。单片机选用STC-12C5410AD,具有低功耗、宽电压、高速度、带8通道10 bit A/D等优点,其接口如图1所示。音响技术& N) a/ y) t8 Y+ r% J
图1中,AC220-N、A2C20-L为市电输入端口,AC220与图2中AC220同一节点;各引脚标号与图2、图3中标号相同的为同一节点,如图1中的两个“Over-Voltage”标号表示同一个节点,可用导线直接连接起来;Bridge2为整流桥;ASM1117为3.3 V稳压芯片;LCD1~LCD3为显示接口;KEY1~KEY3键盘接口,应用者可自行定义功能。
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( {$ X& ]" o$ B, f) ]电路工作原理:利用图1中单片机检测(TEST)点电压值控制RUN1、RUN2、ERR端电位,实现对双向晶闸管TR导通角的控制[1,4],完成软启动。启动过程:当ERR为低电平时,对TEST点电压检测;当检测电压接近0 V时,先选择光耦合器U2使R4接通控制极。由于R4阻值较大,晶闸管TR的导通角小、输出电压低、对电网干扰相对较小,则RUN2端可以按照一定的占空比且频率低于50 Hz的脉冲电平控制晶闸管导通角,达到降压的目的。T1次级电压经桥式整流滤波后由R6、RW1、D2、C5构成直流电压采样电路,处理器的A/D转换器直接采样TEST点电位,再控制U2工作导通状态,完成低压启动。R3阻值小,晶闸管导通角变为最大,完成高压启动。为了防止对电网干扰,需要将ERR设置为低电平,以保持U1闭合状态。因为C4、C5已升到3/4容量,而当ERR为高电平时,Q1截止,导致U1、U2均断开,说明已经完成启动。C1、R1用于吸收变压器反向感应电压,以保护TR晶闸管。' p2 L9 L3 _$ \
% ?' e/ N6 m# v2 x& N5 M+ }' e( L, D% J8 i, ~
4 扬声器保护电路和功放保护电路, m, q1 L t3 ^% @3 m& R
扬声器保护电路和功放保护电路是本设计的核心电路。该电路实现短路保护、过载保护、零点漂移保护、过热保护等功能[2-3]。若采用晶体三极管取样电路,由于基极-发射极和基极-集电极PN结电容、结电阻的存在必然会引入一定的干扰,甚至是直流电位,而且有的电路结构复杂,给后期维护带来不便。因此,本文采用光电隔离控制方式,以避免上述问题的产生。若采用晶体管输出型光耦合器(如4N25),需要两个光耦合器采样正负半周期,否则会存在抖动或者增加采样保持电路,这样,不但电路结构复杂、成本增加。而三端双向可控硅光耦合器(如MOC-3063)因其数字控制很方便,非常合适用来实现保护功能。晶闸管特性之一就是一旦导通,门极则失去作用,这就为优化电路奠定了基础。因此,只要采样半个周期信号即可完成电流采样。但付出的代价是降低了响应速度,所以应让两个声道各负责半个周期。不过由于左右负载是基本上是平衡的,相对地抵消了损失的响应速度,可以满足过载短路保护的要求。对于短路保护,其目标是保护功率放大器,因此响应时间上要求低。以超低频20 Hz计算,半个周期(0.1 s)内功放瞬时短路,一般不会造成损坏,频率再低时,则可启动直流保护。扬声器和功率保护电路如图3所示。
# c/ W7 ?, ^; l( V- I# R' T% O图3中,R_IN接音频功放右通道输出端,ROUT接右声道扬声器;L_IN接音频功放左通道输出端,LOUT接左声道扬声器;ERR、OFF、ON应与图1、图2中相同标号连接起来,构成完整系统电路图。键盘显示电路引线接出即可。音响技术 |
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