三 耳机保护电路
47耳放原设计使用供电电压较低的运放OPA2132,用电池供电,主要作为便携式耳放使用。
而我这次做的耳放选用供电电压较高且耗电较大的运放,而且使用双15V稳压电源,相比之下比电池供电的耳放危险不少。由于电压较高所以使用起来也是提心吊胆,担心耳机会因为电路出问题而牺牲 。
所以像功放一样,作为一款功能完善的耳放也是需要耳机保护电路的。于是做了耳机保护电路。
耳机保护电路主要是保护耳机的安全。
其功能通过一个继电器实现,并在可能威胁到耳机安全的时候迅速断开耳机与电路的连接,起到保护耳机的目的。
这一点与喇叭保护电路类似。主要的功能有三项,开机延时、关机瞬断、中点检测。
开机延时功能就是在刚刚开机的一段时间之后接通耳机与电路,目的是跳过放大器刚开起时产生的冲击,以便保护耳机的安全。
关机瞬断功能与开机延时类似。由于放大器滤波电容的存在,在切断电源之后还会继续工作一段时间,而随着电容的放电供电电压越来越低,到最后也会产生一定的冲击。而关机瞬断也是为了在冲击产生之前切断耳机与电路之间的连接从而起到保护耳机的目的。
中点检测功能并不像前两项功能每次开关机都会启动,只有在放大器输出直流的时候才会启动保护。我们知道,耳机放大器输出信号是交流的,而输出端对地直流电压要尽可能接近0。如果耳机放大器输出直流电压则会对耳机造成一定的伤害,如果放大器输出管发生损坏、短路或者断路都会使输出端产生近似于电源电压的直流电。对于双15V供电的47耳放来说出现这样的问题无疑对耳机是毁灭性的破坏。所以一个相对全面的保护器需要具备中点检测功能。
保护器主要是通过继电器实现的,在继电器对地端加了三极管用于控制继电器的开关。
首先要想到的就是延时启动的控制,延时通过电容充电实现。
具备延时功能的保护器基本结构
如图
电源通过电阻给电容充电,电容刚开始充电时视为短路,当电容电压提升至足以开启三极管的时候三极管导通使继电器吸和从而实现延时启动功能。
但是该电路仅仅是最简单的原理图还不够完善存在很多问题,于是作了进一步修改,
如图
在上图的基础上增加了一个三极管并与前管构成达林顿结构。这种结构可以增大整体电流放大倍数从而降低开关的驱动电流使继电器更容易被控制 。在C5上并联R4 ,在充电过程中与R3分压使得C5电压不会一直升高,确保Q5基极电压不至于过高而击穿三极管发射结。在保护器断电期间R4也可以放掉C5上的电荷保证下一次延时启动的稳定工作 。继电器线圈的两个脚根据电压的方向并联了反向的二极管,这个二极管是非常必要的,因为继电器线圈本身就是一个大电感,二极管可以吸收线圈断电瞬间产生的比较大的反向电流保证电路工作稳定。
而Q5的基极也被用于保护电路控制信号的接受点,当这点电压降低至小于两个三极管开启电压时保护电路工作,继电器断开。
关机瞬断功能是通过保护器供电瞬间切断实现的。放大器使用的稳压电源滤波电容较大,关机后还会提供一段时间的电源,但是此时变压器已经不工作,如果变压器有另一个绕组给保护器供电而滤波电容较小的话,保护器会提前关断起到瞬断作用。
增加电源的电路
如图
滤波电路不需要很严格使用半波整流即可,我多加了一个二极管这样可以方便双电源供电时候使用。为保证继电器稳定工作增加了一个与继电器电压值相符的三端稳压管。
中点检测功能就是对输入信号对地电压进行检测。当输入信号与地线的电压差到达一定程度时保护启动。监测中点不仅要检测正电压,伏电压也一定要检测出来,最终转化为同样的信号控制继电器关断。想到这里首先想到的应该是整流桥,的确整流桥可以将正负电压信号统统转为同一个方向但是缺点也是显而易见的。首先二极管压降比较大,一般在0.7V左右。这样一个桥堆的监测下限也被提高到1V以上。其次二极管整流出来是正像的电压信号,不能直接给前面Q5信号控制继电器。再次,二极管的恢复速度相对较慢所以对信号检测速度造成影响。于是,我遍采用了另一种检测电路。
增加一个声道中点检测的电路
如图
用两个三极管对电压进行检测。三极管开启电压较低通常只有0.5V,而且速度较快。
当没有直流输入或直流在正负0.5V之间时,Q2、Q4 均不导通,不影响继电器吸和。
当输入大于0.5V正电压直流时,三极管Q2导通。将Q5基极下拉至地,保护启动,继电器断开。
当输入小于-0.5V负电压直流时,三极管Q4导通。将Q5基极下拉至负电压,保护启动,继电器断开。
检测端前面带有RC滤波电路用于隔离交流。毕竟给耳机的信号是交流信号,如果不进行隔离会影响正常使用。由于信号是正负信号,信号滤波用的电容应该选用无极性电容,但是由于该电容容值比较大所以选用两个电解电容对接的方案使用,效果等同于无极性电容。
两个声道完整的保护电路画完,并标上参数之后
信号输入滤波电容用两个220U对接串联实际参数为110U。前面加3.3K电阻,保证在有效值为4V的交流电在20HZ以上时不会保护。这样一来便可以保证300欧高阻耳机在输出50MW功率以下时不会被保护。不然声音开大之后会被认为是直流进行保护的 。
这里要特殊说明一下,整个保护电路参数对于高阻耳机是绝对安全的。以300欧阻抗耳机为例,即使在出现刚好输出0.5V直流并没有起保护的情况,此时耳机因为直流所产生的功率为0.8MW,这点发热并不会对耳机造成影响。但是同样的电压换成32欧阻抗的耳机就不一样了。同样是0.5V电压产生的功率为8MW。虽然有些32欧低阻耳机的极限功率有200MW只高但不排除一些极限功率仅有30MW耳机的存在。虽然不足以致命但还是比较危险的。所以这个保护电路应用于第阻抗耳机是会有存在危险的可能。
虽说有危险的情况,但并不代表电路不能保护耳机的安全。一款成熟的电路调试好之后一般输出电压都会在10MV以内。而使用中出现输出直流的概率也是非常低的,即使输出直流大部分情况也是在电路损坏的情况下输出电源电压的直流。这种情况保护电路会立即检测并且启动保护。所以,使用这个电路基本上是不会出现问题的。但是对于这一点概率极低的可能性还是要特殊说明一下。
电源部分使用7812稳压管与后面12V继电器相匹配。前后各用10U电解电容滤波,这两个滤波电容不能太大,不然会影响瞬断速度。下面R3、R4两个分压电阻分别用150K 和22K 静态时Q5基极电压约为1.5V左右,保证三极管导通又不会使BE间电压过高而导致击穿。C5用220U 此时开机延时约为5秒,如果需要更长时间增加C5即可。整个电路所用的三极管均为NPN管,除Q6需要电流较大之外其他管子都可以用9014这类小电流管子。为了方便安装全部管子我都用的大电流的SS8050 。
保护参数确定下来之后又给保户板增加了闪烁指示灯,
电路
新添加的部分是由R5、R6、R7、R8、C6、C7、Q7、Q8 组成的多谐振荡器。给振荡器供电时 Q7、Q8 两个三极管交替导通,在R8上面串联发光二极管可以达到二极管闪烁的效果。将Q7集电极通过一个二极管接到Q6集电极上,当继电器接通时由于Q6导通,会将Q7集电极一端下拉至地,发光二极管停止闪烁改为常亮 。这样在保护电路工作时候 LED是常亮的,而在延时启动和出现中点问题导致继电器断开的时候LED闪烁。这个LED也可以直接用于耳放的电源指示灯。
电路做到这里基本上算是完工了,剩下的就是做出PCB来进行实际测试。
由于当初总觉得保护器是一个开关的作用对布线的要求不高,于是再布线上没有下很大功夫,但是后来悲剧了。关于悲剧的问题后面说,先发一个我最开始设计的PCB样品照片。
整套耳放是定位在台式机上设计的,所以耳机插座直接做在了板子上,这样可以直接拧在机箱上进行固定。继电器用比较小型的双联继电器,整体设计使元件尽量紧凑。
安装过程比较格式化,无非插零件、焊接,装好后,上图。
准备通电测试电路,电源依然使用之前用过的双14V进行测试。其实用12~18V都可以工作 而且单双电源都能用。上电之后开机延时、关机瞬断功能一切正常,但是这并不代表不会出问题。之后又用示波器检测了耳机输出接口的信号。
经过检测,悲剧了。发现了大约20MV的交流信号。
这就是由于布线问题引起的!!看波形比较波折且频率为50HZ左右,推测是整流管开关时产生的谐波经过地线耦合到输出的。看了一下板子布线确实是这样。
电源地本应该先经过电容滤波后再接到后面电路的,但是在布线时认为保护电路不注重合理布线结果就悲剧了。滤波电容前的地线带有大量谐波,信号经过两个信号220U电容和一个3.3K电阻传到耳机输出插座产生了噪音。虽然信号20MV比较大,但是经过3.3K电阻衰减后声音就比较小了,一般情况下不会被人发觉,但是既然我发现了就要想办法解决 。
把PCB修改了一下,将滤波电容前的地线刮断并与滤波后的地线相连。
经过修改之后的电路基本上在噪音方面就没有什么大问题了,又用示波器测试了一下。
噪音问题解决后继续测试保护电路。用一节5号电池经过电位器分压制造一个可调的直流信号输入测试电路对直流的检测情况。经测试,在输入+0.49V以上和-0.57V以下时可以启动保护。保护电路直流检测功能上没有任何问题。但是在测试过程中 却发现了一个比较奇怪的现象,那就是正负直流解除后恢复时间差距很大的问题。以1.5V作为测试电压,给输入-1.5V信号,电路进入保护状态,当-1.5V消失后,4秒钟恢复正常状态。但是给输入+1.5在进入保护状态撤销直流电之后,却要等上28秒。相当的缓慢,虽然这个问题不会影响电路的监测功能,虽然中点问题不会经常发生在放大器上,但是这样明显的不平衡还是让我对这个电路非常不爽。经过对电路的检查终于发现了问题的所在。在设计电路是只考虑了检测功能的问题,而对于检测后恢复的问题却没有多想。
问题出要出在电容上,
前面说过 Q4用于检测负电压,当给输入-1.5V电压时A电产生负电Q4导通,同时C5的电荷通过绿色箭头由B点放电至A点,使B点电位降低从而继电器断开。当输入的-1.5V撤销时由于电容的存在A点存在-1.5V电压,所以Q4依然保持导通状态。不同的是电源经过R3再经过绿色箭头源源不断地给电容充电,A点电压逐渐提高,当提高到无法使Q4继续导通时Q4关闭。同时R3转换到给C5充电,B点电压提高,继电器恢复闭合状态。正是由于电源经过R3可以通过绿色箭头的方向给电容充电所以 A点会马上恢复到安全状态。所以保护电路在检测负电压时恢复得比较快。
但是监测正电压的时候就不同了
如图
若输入+1.5V电压 Q2开启,撤消电压后A点的电荷只能通过Q1的发射结进行放电,也就是图中的红色箭头方向。三极管发射结可以放掉的电核实比较有限的,这样微弱的放电必然要经过很长一段时间才能使A点电压逐渐降低至安全状态。
所以对正负电压检测恢复时间不同这种情况,正是由于电路对正电压信号检测时电容不能快速放电造成的。解决这种问题的办法根简单,只要在A点对地接一个给电容放电的电阻即可。若电阻较大放电恢复时间会比较长改善效果不明显。若电阻较小,会增加输入端监测范围降低检测精度。所以最终选择30K电阻。
这里特殊说明一下。正电压检测恢复时间过长这个问题是在耳机保护电路输入悬空测试时发现的问题。而在接入工作中的放大器的时候是不会出现这种问题的。如果放大器不慎输出直流还有可能自行恢复的话(比如信号输入端不慎碰到电源然后立即恢复正常状态)恢复正常后的输出端便可以提供一个接近0电位的放电基准,A点电荷会通过3.3K电阻进行放电。所以这两个电阻也可以不加。但是悬空测试出现问题总觉得比较别扭,所以最后还是加上了。
修改后的电路如图
修改了电路之后马上对PCB也进行了修改。并且做出了测试用的样板进行第二次测试。
PCB照片
可以看出,不但增加了两个电阻的位置,而且地线也作了修改。耳机插座的孔还兼容了3.5MM的小插座。
装好后
反面
做到这里保护电路就算完工了。 |