Устройство для защиты усилителя мощности Советский патент 1985 года по МПК H02H7/12 

«1 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в высококачественных усилителях мощмости низкой частоты. . . Известно устройство для защиты усилителя мощности. Это устройство защищает усилитель только от кратковременного замыкания нагрузки lj . Наиболее близким к предлагаемому является устройство для защиты усилителя мощности, выполненного по двухтактной схеме на транзисторах, эмиттеры которых через эмиттерные резисторы подключены к выходному выводу, базы соединены с выходами предварительного усилителя, а коллекторы - соответственно, с первым и вторым выходами блока питания, снабженного третьим выходом, содержа щее ограничитель тока транзисторов, выходы которого предназначены для подключения к базам транзисторов, а вход предназначен для подключения к выходному выводу и соединен с замыкающим контактом переключателя управляемый контакт которого предназначен для подключения нагрузки усилителя, а вход управления соединен с выходом реле времени, вход которого связан с выходом датчика импенданса нагрузки, входы которого предназначены для подклзочения к эмиттерам транзисторов 2j , Однако и это устройство не обеспечивает высокой надежности при эксплуатации усилителя. Это связано с тем, что в случае долговременного короткого замыкания нагрузки устройство работает в. релаксационном режиме , периодически подключая выход усилителя к короткозамкнутой нагруз ке, вследствие чего через коммутирующий элемент и оконечные транзисторы протекают многократно повторяе мые импульсы тока. Цель изобретения - повьппение надежности усилителя мощности низкой частоты. I Поставленная цель достигается тем что в устройство для защиты усилите ля мощности, выполненного по двухтактной схеме на транзисторах, эмит теры которьпс через резисторы, подклю чены к выходному выводу, базы соеди нены с выходами предварительного ус лителя, а коллекторы - соответствен но с первым и вторым выходами блока питания, снабженного третьим выходо 7 содержащее ограничитель тока транзисторов, выходы которого предназначены для подключения к базам транзисторов, а вход - для подк.гаоченя к выходному вьшоду и соединен с замыкающим контактом переключателя, управляемый контакт которого предназначен для подключения нагрузки усилителя, а вход управления управляемого контакта соединен с выходом реле времени, вход которого связан с выходом датчика импенданса нагрузки, входы которого предназначены для подключения к эмиттерам транзисторов, введены первый, второй и третий резисторы, фильтр, компаратор, элемент ИЛИ, а переключатель снабжен размыкающим контактом, соединенным с первым входом фильтра и вторым выводом первого резистора, при этом первые выводы первого и второго резисторов предназначены для подклгочения к третьему выходу блока питлния, первый вывод третьего резистора предназначен для подключения к щине нулевого потенциала, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с вторым входом фильтра, выход которого через компаратор подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого Соединен с выходом датчика импенданса нагрузки выходного сигнала усилителя, а выход - с входом реле. Элемент ИЛИ может быть снабжен третьим, четвертым и пятым входами, при этом в устройство могут быть введены датчик постоянной составляющей выходного сигнала усилителя, вход которого подклзочен к замыкающему контакту переключателя, а выход - к третьему входу элемента ИЛИ, датчик температуры, предназначенный для установки на радиаторах транзисторов усилителя, выход которого соединен С четвертым входом элемента ИЛИ, и датчик режима блока питания, предназначенный для подключения к его входным цепям,выход которого соединен с пятым входом элемента ИЛИ. На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для защиты усилителя мощности; на фиг. 2 вариант выполнен1-ш ограничителя тока транзисторов оконечного каскада} на фиг. 3 - вариант вьшолнения датчика импеданса нагрузки} на фиг. 4 вариант выполнения блока питания , на фиг. 5 - вариант вьтолнения датчика постоянной составляющей выходного сигнала усилителя; на фиг. 6 - вариант выполнения датчика температуры на фиг. 7 - вариант выполнения датчика режима блока питания на фиг. 8 - вариант выполнения реле времени. Устройство состоит из усилителя 1 мощности, источника 2 питания датчика 3 температуры, определяющего наличие превышения температуры, теплоотводящего радиатора над определен ным значением, датчика 4 постоянной составляющей сигнала, определяющего наличие постоянной составляющей больше определенного уровня, датчика 5 режима блока питания, определяющего вьжлюченное положение источника питания 2, мостовой схемы 6, нагрузки канала усилителя 7, фильтра 8, компаратора 9, реле времени 10 и эле мента ИЛИ 11. Вместо элементаИЛИ 11 может быть использовано так называемое монтажное ИЛИ. Канал усилителя мощности .1 состоит из предуснпителя 12, составных транзисторов 13 и 14 оконечного двухтактного каскада, работающих по схеме с общим коллектором, резисторов 15 и 16, включенных в эмиттерные выводы транзисторов OKO нечного каскада, ограничителя 17 режимов работы оконечного каскада, переключателя 18 нагрузки и датчика 19 импеданса нагрузки. Мостовая схема 6 состоит из резисторов 2.0, 21 и 22. Шина нулевого потенциала обозначена позицией 23. Фильтр 8 служит для фильтрации помех, возникающих вследствии электромагнитных полей или при использовании нагрузки 7 в виде электроакустического преобразователя (громкоговоритель), который может работать и как акустоэлёктрический преобразователь« пре образуя акустический фон в электрическую помеху. Реле времени 10 обладает следующей функцией работы: имеет два положения, в одном из которых, может находиться неопределен но долго, а прИ поступлении сигнала 1 на вход элемента он переходит в другое - квазистабипьное состояние, в котором фгассируется на определенное время, которое начинает ojt считываться после прекращеиия сигмала 1 на входе элемента. Устройство для защиты усилителя мощности работает следующим образом. При подключении устройства к сети питания переменного тока с источника питания 2 поступает напряжение питания на все элементы защиты. Элемент 10 задерживает при помощи переключателя 18 подключение нагрузки 7 к выходу оконечного каскада усилителя. Во время этой определенной задержки оканчиваются переходные процессы в цепях питания и сигнальных цепях. При этом нагрузка 7 является подключенной при помощи переключателя 18 к мостовой схеме 6, на выходе которой вырабатывается сигнал рассогласования, поступающий через фильтр 8 на компаратор 9. Если импеданс нагрузки / 7 меньше определенного значения, то компаратор 9 вырабатывает сигнал 1, которьй через элемент ИЛИ 11 поступает на вход элемента 10 фиксируя его в таком состоянии, когда нагрузка 7 остается подключенной к измерительному мосту 6. В качестве напряжения питания мостов U; может использоваться либо напряжение постоянного тока, либо последовательность однополярных импульсов. Еслиимпеданс нагрузки 7 больше определенной величины, компаратор 9 вырабатывает сигнал О и по истечении временизадержки, при отсутствии сигналов 1 элементов 3, 4 и 5 реле времени 10 переходит в устойчивое положение и управляемьй при помощи его переключатель 18 подключает нагрузку 7 к выходу оконечного каскада усилителя мощности. Датчик 3 контролирует постоянно температуру радиатора, на котором установлены транзисторы 13 и 14. При определенном значении температуры 3 вьздает сигнал 1 через элемент 11 на элемент 1О и при помощи переключателя 18 отключает нагрузку 7 от выхода оконечного каскада, при этом уменьшается энерговьделение в оконечных транзисторах и температура радиатора падает до определенного значения, пр« котором элементы 3, It, 10 и 18 возвращаются в прежнее состояние и снова подключается нагрузка 7 к выходу усилителя мощности. Таким образом, осуществляется защита оконечного каскада усилителя мощности от теплового пробоя. Датчик 4 контролирует наличие постоянной составляющей на выходе усилителя и при превышении ее определенного значения выдает сигнал 1 через элемент 11 на элемент 10 при помощи переключателя 18 отключает нагрузку 7 от выхода оконечного каскада. При восстановлении нормаль ного уровня постоянной составляющей на выходе оконечного каскада устройство защиты переходит в прежнее состояние - режим работы. Таким образом осуществляется защита нагрузки 7 от нарушенийвнутреннрпс ре жимов работы усилителя мощности. Во время работы усилителя может возникать уменьшение импеданса нагрузки 7 или ее короткое замыкание. В таком случае в оконечных транзисторах 13 и 14 могут возникать большие импульсные токи, для предотвращения этого в системе защиты имеются элементы 17 и 19, резисторы 15 и 16. Резисторы 15 и 16 служат датчиками тока и сигнал с них поступает в элементы 17 и 19. При определенном мгновенном значении тока через транзисторы 13 и 14 включается ограничительньм элемент 17, который за счет отбора базовых токов транзисторов 13 и, 14, вырабатьшаемого предварительным каскадом 12, ограничивает мгновенное значение тока транзисторов 13 и 14 областью предельно допустимых значений. Одновременнонапряжение на выходе оконечного каскада и сигнал, пропорцио нальный току оконечного каскада, поступает на датчик 19, которьш за счет этого реагирует на уменьшение импеданса нагрузки 7 меньше определенного значения, выдает сигнал 1 через элемент 10 и при помощи переключателя 18 отключает нагрузку 7 от выхода оконечного каска да. При этом устройство защиты пере ходит в положение контроля нагрузки и при измерении нагрузки 7 определя ет подключение или неподключение нагрузки 7 к выходу усилителя. При восстановлении нормального импеданс нагрузки система защиты возвращается в прежнее состояние - режим работы. Таким образом осуществляется однократное протекание импульса ава рийного тока через контакты переключателя 18 и оконечные транзисторы 14, причем величина этого тока оказьшается ограниченной по мгновенному значению. При отключении блока питания 2 от сети питания переменного тока в цепях питания и сигнальных цепях усилителя мощности возникают переходные процессы. Для предотвращения проникания этих процессов в нагрузку 7 имеется датчик- 5, на который поступает от источника питания напряжение переменного тока Up.При отсутствии этого напряжения, а это возможно при отключении источника питания 2 от сети переменного тока, датчик 5 вырабатывает сигнал 1, который при помопси элементов 11, 10 и 18 производит быстрое отключение нагрузки 7 от выхода усилителя мощности. Узлы и элементы 2, 3, 4, 3, 10, 17 и 19 могут быть выполнены по известным схемам. На фиг. 2-8 приведены примеры возможных выполнений указанных узлов и элементов. ( Одна из схем реализаций ограничителя 17 режима работы оконечного каскада приведена на фиг. 2. Ограничитель 17 состоит из двух резисторов 24 и 25, двух диодов 26 и 27 и двух стабилитронов 28 и 29. Резисторы 24 и 25 определяют рабочий ток через стабилитроны 28 и 29, а ключевые элементы на диодах 26 и 27 открываются в случае, если суммарное падение напряжения на переходе базаэмиттер транзисторов 13 и 14 и на резисторах 15 и 16 превышает напряжение стаб1-тизации стабилитронов 28 и 29. Таким образом, ограничивается падение напряжения на резисторах 15 и 16 и тем самым мгновенное значение тока через оконечные транзисторы 13 и 14. Одной из реализаций датчика 19 импеданса.нагрузки может быть схема, приведенная на фиг. 3. Датчик 19 содержит резисторы 30, 31 и 32 и диоды 33 и 34, накопительнъш конденсатор 35, ключ на транзисторе 36, а также формирующую цепь на резисторах 37-40, транзисторе 41 и конденсаторе 42. При подключении нагрузки 7 при помощи коммутирующего элемента 18 к выходу усилителя образуется мост, которьм состоит из резисторов 30, 31 и 32, диодов 33, 34, и импеданса нагрузки 7, Этот мост питается напряжением сигнала с выхода усилителя мощности, диоды 33 и 34, включенные в состав моста предназначены для формирования однополя ного, независящего от полярности пи тания моста, напряжения разбаланса моста, которое накапливается на кон денсаторе 35. При разбалансе моста, в случае уменьшения импеданса нагрузки 7 меньше определенного значе ния происходит открьшание ключа 36 и формирование сигнала 1 на выход датчика 19 относительно общего вывода 23, Блок питания 2 может быть реализ ван на простой двухполупериодной дв полярной выпрямительной схеме, как показано на фиг. 4, с использование включателя сети 41, транзистора 42, выпрямительного моста 43 и накопительных конденсаторов 44 и 45. Напряжения на выходах блока питания 2, вьфабатываются относительно общего вывода 23. При этом в качестве напряжения Uj, питания мостовой схе мы 6, может быть использовано одно из выпрямленных напряжений (+11 либо -и„), а в качестве сигнала , для датчика 5 режима источника питания - напряжение вторичной обмотки трансформатора 42. Датчик 4 постоянной составляющей сигнала может быть выполнен, как по казано на фиг. 5. Датчик 4 состоит из фильтра 46 низких частот и порогового элемента 47, реагирующего на абсолютную величину сигнала, поступающего на его вход. При появлении постоянной составляющей сигнала любой полярности больше порога срабатывания порогового элемента 47 происходит вырабатывание сигнала 1 на выходе. Одна из схем реализаций датчи-. ка 3 температуры, как показано на фиг. 6, может содержать преобразователь 48 температура.- напряжение. и пороговый элемент 49. При поступлении от преобразователя 48 напряжения больше порога срабатывания порогового элемента 49, на выходе его вырабатывается сигнал 1, при снижении напряжения на выходе преобразователя 48 меньше напряжения отпускания порогового эле мента 49, на выходе его вырабатывается сигнал О. Таким образом напряжениям срабатывания и отпускания порогового элемента 49 соответствуют два характерных значения температуры, которые и определяют функцюо работы датчика 3 температуры. Датчик 5 режима блока питания может быть реализован как показано на фиг. 7. Он содержит однополупериодный выпрямитель с малой постоянной времени на диоде 50 и конденсаторе 51, а также цепь смещения на резисторах 52 и 53. При присутствии на входе датчика 5 переменного напряжения Uf конденсатор 51 заряжается через диод 50 отрицательной полярностью, и на выходе датчика 5 присутствует сигнал О. При отсутствии на входе переменного напряжения Ufj вырабатывается на выходе сигнал 1. Одна из реализаций реле времени 10 показана на фиг. 8. Он содержит ключевой элемент на резисторе 52, диоде 53 и транзисторе 54, времязадающей цепи на резисторе 55 и конденсаторе 56, второй ключевой элемент на транзисторе 57 и обмотка электромеханического реле 58. При присутствии сигнала О на входе первого ключа, когда он закрыт и при включении питания , второй ключевой элемент на транзисторе 57 включает обмотку реле 58 под напряжение по истечении определенного времени, что необходимо для заряда конденсатора 56 через резистор 55 до напряжения срабатывания второго ключа. При поступлении сигнала 1 на вход первого ключа происходит открывание его и быстрьй разряд конденсатора 56, вследствие чего закрывается второй ключ и обесточивается обмотка реле 58. Благодаря введению новых признаков в устройство защиты обеспечивается повьппение надежности работы устройства. Надежность устройства в большой степени зависит от износоустойчивости контактов переключателя и наличия функции контроля нагрузки, независящий от усилителя мощности и сигнала на его выходе, позволяет уменьшить число коммутационных циклов переключателя до одного за период времени режима короткого замыкания и, следовательно, при долговременных замыканиях нагрузки усилителя мощности ( 1 мин) не происходит использования ресурса износоустойчивости контактов переключателя. Это позволяет по сравне- ,

нию с известньми устройствами для защиты повысить срок службы контактов переключателя в 10-1000 раз. Наличие в устройстве элемента ИЛИ позволяет легко подключить в устрой ство различные датчики, контролирующие состояние усилителя мощности и блока питания, что, предотвращает необратимые процессы, внутри усилителя мощности, а также более успешно защищает нагрузку усилителя.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ, вьтолненного по двухтактной схеме на транзисторах,эмиттеры которых через эмиттерные резисторы подключены к выходному вьшоду,. базы соединены с выходами предварительного усилителя, а коллекторы соответственно с первым и вторым выходами блока питания, снабженного третьим выходом, содержащее ограничитель тока транзисторов, выходы которого предназначены для подключения к базам транзисторов, а вход - для подключения к выходному выводу и соединен с замыка ощим контактом переключателя, управляемый контакт которого предназначен для подключения нагрузки усилителя, вход управления управляемого контакта соединен с выходом реле времени, вход которого связан с выходом датчика импеданса нагрузки, входы которого предназначены для подключения к эмиттерам транзисторов, отличающеес я тем, что, с целью повышения надежности, введены первый, второй и третий резисторы, фильтр, компаратор и -элементИЛИ, а переключатель снабжен размыкающим контактом, соединенным с первым входом фильтра и вторым выводом первого резистора, при этом первые вьгооды первого и второго резисторов предназначены для подключения к третьему выходу блока питания, первьй вьюод третьего резистора 1тредназначен для подключения к шине нулевого потенциала, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с вторым входом фильтра, выход которого через компаратор подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом датчика импеданса i нагрузки выходного сигнала усилителя, а выход -, с входом реле § 2.Устройство для защиты усилителя мощности ПОП.1, отличающее(Л с я тем, что элемент ИЛИ снабжен третьим входом, и введен датчик постоянной составляющей выходного сигнала усилителя, вход которого подключен к замыкающему контакту переключателя, авыход - к третьему входу ,элемента ИЛИ. Ч 3.Устройство дпя защиты усилителя мощности по пп. 1 и 2, о т личающееся тем, что элеKJ мент ИЛИ снабжен четвертым входом, Ч и введен датчик температуры, предназначенньм для установки на радиаторах транзисторов усилителя, выход которого соединен -с четвертым входом элемента ИЛИ. 4i Устройство для защиты усилителя мощности попп, 1, 2иЗ, отличающееся тем, что элемент ИЛИ снабжен пятым входом, и введен датчик режима блока питания, предназначенный для подключения к его входным цепям, выход которого соединен с пятым входом элемента ИЛИ.

Фи1.1

п

Пг t

-L

23

25 У27

.J

L.

(put. 2

фиг. ff

(риг,3

(P(/2.5

е

| Un 52 50

фиг, В