Układ zabezpieczający lampy wzmacniacza mocy
J. LEVITSKY - Chief Engineer, Fanon Electrobic Industries
Audio September 1960, Vol. 44, No. 9

Prosty obwód zabezpieczający dodany do konwencjonalnego wzmacniacza zapobiega uszkodzeniu lamp wyjściowych w przypadku zwarć na linii głośnikowej.

W większości komercyjnych i przemysłowych systemów nagłośnieniowych wykorzystujących wzmacniacze o dość dużej mocy, awaria lamp wyjściowych wzmacniacza często wynika z krótkiego lub poważnego przeciążenia linii głośnikowej. W wielu takich systemach wzmacniacz dostarcza energię za pośrednictwem linii 70 V do wielu głośników rozmieszczonych na dużych obszarach, przy czym każdy głośnik jest wyposażony we własny, oddzielny transformator dopasowujący. W takich warunkach, ze względu na długie przebiegi linii i dużą liczbę podłączonych do niej elementów, dość często mogą wystąpić częściowe lub całkowite zwarcia.

Powagę problemu można zobaczyć, rzucając okiem na dane w Tabeli 1. Dane te zostały zebrane przy użyciu 70-watowego wzmacniacza Fanon (model 3370), wykorzystującego dwie lampy mocy EL-34, pracujące w klasie AB1. Kolumny 1 i 2 przedstawiają moc wyjściową dźwięku dla różnych poziomów sygnału wejściowego w normalnych, bezproblemowych warunkach. Kolumna 3 pokazuje odpowiednie straty mocy na lampę w tych samych warunkach. Kolumna 4 pokazuje moc rozpraszaną lamp dla tych samych poziomów sygnałów wejściowych, przy zwarciu do masy linii 70 V. Ponieważ średnia moc wyjściowa systemu nagłośnieniowego wzmacniacz może znajdować się gdzieś pomiędzy 25 a 30 procent jego mocy szczytowej, gdy sygnał jest doprowadzany, dane w kolumnie 4 wskazują, że jeśli wystąpi zwarcie w linii głośnikowej, każda lampa rozprasza mniej więcej trzykrotność swojej maksymalnej mocy znamionowej. Nawet jeśli wystąpi zwarcie o wysokiej rezystancji, powiedzmy około 25 procent obciążenia znamionowego, rozproszenie w każdej lampie jest znacznie większe niż maksymalne dopuszczalne, jak pokazano na Rys. 4.

Tabela 1

Moc wyjściowa
[W]
Sygnał wejściowy
[V]
Nominalna moc rozpraszana na anodzie
[W]

Moc wydzielana przy zwarciu wyjścia
 [W]

0.08  19.98  57.2 
10  0.13  21.8  73.7 
20  0.19  23.0  81.5 
30  0.24  25.0  81.8 
40  0.29  28.3  82.1 
50  0.31  30.2  84.8 
60  0.34  27.3  83.5 
70  0.38  24.5  82.2 

Przyczyny tak dużych strat we wzmacniaczu klasy B lub AB w warunkach zwarcia linii głośnikowej są dwojakie. Jednym z powodów jest to, że przy zwarciu linii głośnikowej impedancja między  anodami w obwodzie pierwotnym transformatora wyjściowego jest bardzo niska, a zatem wahania napięcia anody sygnałowej są dość małe. Moc wydzielana na anodzie jest zatem znacznie większa niż normalnie, ponieważ w normalnych warunkach napięcie anody zmienia się w szerokim zakresie.

Drugim powodem jest to, że większość wzmacniaczy wykorzystuje ujemne sprzężenie zwrotne w celu poprawy stabilności, zminimalizowania zniekształceń i tak dalej. Z linią głośników V1, V2 i V3 stanowią część zwykłego wzmacniacza. V1A to wzmacniacz napięciowy, V1B to inwerter fazy i sterownik, a V2 i V3 to lampy wyjściowe przeciwsobne. Nowy obwód jest związany z V4 i V5. V4 to trioda - duodioda 6FM8, a V5 to pentoda 6AU6.

Działanie układu opiera się na równowadze osiąganej podczas normalnej pracy pomiędzy napięciami pochodzącymi z napięć sygnałowych w punktach (B) i (C) na Rys. 1 oraz faktem, że równowaga ta zostaje zachwiana w przypadku wystąpienia zwarcia w punkcie (C ).

Równoważny schemat pokazano na Rys. 2. Gdy E1 = E2 i R1 = R2, napięcie stałe (DC) w punkcie (A) jest równe zeru względem masy. Jeśli E1 jest większe niż E2. napięcie stałe w (A) jest dodatnie, a przy E2 większym niż E1, stałe napięcie w punkcie (A) jest ujemne.

 

Rys. 1. Schemat końcowych stopni typowego wzmacniacza mocy, do którego dodano układ zabezpieczający (zaznaczony kropkowanymi liniami) w celu usunięcia sygnału w przypadku zwarcia linii głośnikowej

Pożądane jest oczywiście, aby w warunkach bezawaryjnych E1 = E2 w całym zakresie poziomów sygnałów wejściowych do wzmacniacza. E1 i E2 pochodzą z napięć w punktach (B) i (C) na rys. 1. Ponieważ te napięcia mieszczą się w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza, stosunek Ec/Eb pozostaje stały w szerokim zakresie poziomów sygnału wejściowego, charakterystyki lamp, zmiany napięcia linii itp.

Obwód z Rys. 2 jest teraz zmodyfikowany przez podłączenie rezystora R3 do ujemnego napięcia zasilania, jak pokazano na Rys. 3.

 

Rys. 2. Uproszczony układ obwodu komparatora.

 

Rys. 3. Dodanie stałego polaryzacji ujemnej do układu z Rys. 2 dostarcza napięcie sterujące do pokazanej pentody.

Teraz napięcie stałe w (A) jest ujemne dla E1 = E2 dla wszystkich poziomów E1 i E2. W warunkach krótkiego lub dużego przeciążenia w (C), E1 jest znacznie większe niż E2, a ujemne napięcie polaryzacji ma taką wartość, że wypadkowe napięcie w (A) jest zerowe lub lekko dodatnie. Napięcie stałe w (A) jest podłączone do siatki 6AU6, a jej anoda jest połączona z anodą sterownika wzmacniacza V1B, (Rys. 1). W normalnych warunkach, ujemne napięcie na (A) jest wystarczające, aby utrzymać 6AU6 znacznie powyżej odcięcia, tak że jego wpływ na działanie wzmacniacza jest zerowy. Gdy wyjście jest zwarte, siatka 6AU6 ma zero woltów w stosunku do masy, lampa pobiera stosunkowo duży prąd anodowy i jest praktycznie taka sama jak przy zerowym sygnale wejściowym.

Ponieważ w normalnych warunkach lampa 6AU6 obwodu zabezpieczającego działa w obszarze odcięcia, nie ma to wpływu na działanie wzmacniacza, a zatem żadne regulacje nie są wymagane po dodaniu obwodu zabezpieczenia do wzmacniacza.

Jeśli uszkodzenie linii głośnikowej jest przerwane, a do wzmacniacza podawany jest ciągły sygnał, np. z gramofonu lub radia, obwód zablokuje się w stanie zablokowania (brak sygnału na siatkach lamp wyjściowych), a tym samym powstaje zabezpieczenie wzmacniacza przed powtarzającymi się awariami. Po usunięciu usterki konieczne jest przytrzymanie regulatora głośności w pozycji zerowej przez około dziesięć sekund, aby obwód powrócił do normalnego stanu.

Rys. 4 jest wykresem pokazującym wpływ obwodu zabezpieczającego na różne stany przeciążenia. Dane dla tych krzywych zostały zebrane przy stałym sygnale wejściowym – wejściu wymaganym do wysterowania wzmacniacza na maksymalną moc wyjściową w normalnych warunkach obciążenia znamionowego. Krzywe pokazują moc wydzielaną w lampach wyjściowych jako procent maksymalnego dopuszczalnej mocy w stosunku do obciążenia jako procent obciążenia znamionowego - z obwodami zabezpieczającymi i bez nich. Krzywe pokazują, że gdy obciążenie na wyjściu spada do około 30 procent obciążenia znamionowego, istnieje poważne niebezpieczeństwo nadmiernego wydzielania mocy. Dzięki obwodom ochronnym nie ma możliwości nadmiernego wydzielenia mocy w żadnych warunkach.

 

Rys. 4. Krzywe pokazujące wpływ obwodu zabezpieczającego na moc rozpraszaną w lampach wyjściowych. Dane zebrane dla wzmacniacza Fanon Model 3370 przy stałym sygnale wejściowym.

 

Rys. 5. Kompletny układ zabezpieczający mieści się w małej wtyczce.

 

Rys. 6. Wzmacniacz Fanon Model 3345 z modułem zabezpieczającym podłączonym do dostarczonego gniazda.

Omówiony powyżej układ oferowany jest w postaci opcjonalnej wtykowej jednostki montażowej do wzmacniaczy Fanon. Modele wzmacniaczy 3335, 3345 i 3370. Rys. 5 przedstawia fotografię tego modułu wtykowego. Jak wspomniano powyżej, żadne korekty w układach wzmacniaczy nie są wymagane. Urządzenie jest po prostu podłączane do przeznaczonego do tego celu gniazdka, jak pokazano na Rys. 6.