Устройства термозащиты для УМЗЧ

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Защита УМ и динамиков

Опубликовано: 20.03.2017 13:35

Просмотров: 5706

А.Г. Зызюк, г. Луцк РА 1'2010
С проблемой эффективного отвода тепла приходится сталкиваться всякий раз, когда конструируем мощную аппаратуру. При этом необходимо решать ряд специфических задач. Одна из них -это создание надежной системы термозащиты. Некоторые схемные варианты подобных систем рассмотрены в данной статье.
При изготовлении мощных усилителей мощности (УМЗЧ) необходимо решать вопрос с интенсивным отводом тепла. Раньше в таких ситуациях обычно применяли теплоотводы больших размеров. Но это ведет к резкому ухудшению массогабаритных показателей аппаратуры. Кроме того, если техника мощная, то ее естественное воздушное охлаждение оказывается малоэффективным, а теплоотводы становятся недопустимо громоздкими.
Поэтому в современной аппаратуре все чаще применяется принудительное охлаждение с помощью вентиляторов (кулеров).

Но кулеры требуют системы управления. На практике применяют два варианта управления работой кулеров:
•  изменение частоты вращения оборотов кулера, т.е. чем интенсивнее нагревается охлаждаемый элемент (радиатор), тем больше обороты вращения кулера.
•  включением или выключением кулера при повышенной температуре радиатора, что благоприятно сказывается на надежности самого кулера.
При конструировании мощных УМЗЧ требуется предусматривать эффективное охлаждение мощных транзисторов. Но многое зависит от максимального напряжения питания и мощности в нагрузке. Современные мощные УМЗЧ требуют применения двухполярного напряжения питания 2x40 В и более, т.е. питающий УМЗЧ двухполярный стабилизированный источник питания (ИП) имеет входное напряжение 2x50 В, если не больше. При таком напряжении при токе нагрузки всего в 1 А может потребоваться крупногабаритный теплоот-вод для транзисторов ИП. В этом случае проще применить вентиляторы, коммутируемые с помощью термореле, что позволяет применять малогабаритные теплоотводы.
Очевидно, что надежность УМЗЧ в таком случае определяется надежной работой вентиляторов и используемого термореле. Вентилятор должен включаться своевременно, при конкретно заданной температуре, и ему незачем работать с регулировкой оборотов.
Схема термореле
Эти идеи воплощены в схеме, показанной на рис.1. В данной схеме датчиком температуры служит терморезистор R3 с отрицательным ТКС.
Датчик температуры закреплен на охлаждаемом радиаторе. Со временем на смену схемы рис.1 пришла схема рис.2. Ее отличие от схемы рис.1 заключается в отсутствии терморезистора. Вместо традиционного терморезистора здесь используется транзисторный датчик температуры. Такая замена вызвана следующими причинами:
•  когда потребовалось изготовление нескольких экземпляров термореле для БП, не оказалось в наличии нужных номиналов и типов терморезисторов;
•  когда же терморезисторы были приобретены, оказалось, что корпуса этих терморезисторов трубчатого типа малопригодны для монтажа на используемых радиаторах, т.е. возникли проблемы с установкой этих терморезисторов на радиаторы.
Мало просто закрепить терморезистор типа ММТ-4 на теплоотводе. Необходимо также обеспечить надежную электрическую изоляцию корпуса терморезистора от контакта с радиатором, а один вывод (корпус) терморезистора соединен непосредственно с его корпусом. Обеспечить изоляцию цилиндрического корпуса терморезистора от радиатора с транзисторами оказалось сложно, особенно, когда нет достаточного места для сверления новых отверстий в радиаторе под терморезистор. Кроме того, цилиндрический корпус по всей его поверхности надежно изолировать от радиатора также достаточно сложно. Т.е. если применили такой терморезистор, то для надежной изоляции схемы термореле от радиатора БП требуется применение отдельной обмотки трансфoрматора и выпрямителя в ИП для отдельного питания схемы термореле. А такая возможность не всегда имееться.


Поиск удобных в применении терморезисторов затягивался во времени. Вот тогда и было решено уйти от использования терморезисторов вообще. Но нужно терморезистор чем-то заменить. Тут мы и вспомнили о температурной зависимости параметров транзисторов.
Главное, что в перспективе привлекало в использовании транзисторов в качестве термодатчиков, -это удобства при крепеже на радиаторе УМЗЧ. Для крепежа на радиаторе транзистора в пластмассовом корпусе нужен всего лишь один винт МЗ. Важно, что легко преодолевается и проблема электроизоляции корпуса транзисторного термодатчика от радиатора с транзисторами УМЗЧ. В таком случае обеспечить электроизоляцию несложно, применив диэлектрическую прокладку из слюды. Поскольку схемы термореле подключены к основному выпрямителю УМЗЧ, то в схеме используется генератор стабильного тока (ГСТ) для компенсации больших просадок напряжения на выходе основного выпрямителя УМЗЧ. Стабильный порог срабатывания термореле обеспечивается только при стабильном напряжении на стабилитроне VD1. А без стабилизации его тока стабильной работы схемы не получится.

Более простая схема термореле показана на рис.3.
ГСТ
Вначале применялись простые схемы ГСТ. В частности, хорошие результаты получены и с одно-, и двухтранзисторными схемами ГСТ, причем как с использованием двух биполярных транзисторов, так и в комбинации полевого с биполярным транзистором (рис.2). Однако четырехтранзисторная схема ГСТ показала очень высокую стабильность тока - ток ГСТ практически не изменяется при изменении питающего напряжения в два раза и более. К примеру, прибором М830 этого изменения тока зафиксировать невозможно. Транзисторы могут быть разных типов, т.е. по мощности и по напряжению повышенные требования выдвигаются к транзисторам VT3 и VT4. А транзисторы VT2 и VT5 могут быть маломощными. Транзистор термодатчика VT2 (рис.3) в схему включен двухполюсником. Увеличение температуры корпуса этого транзистора приводит к увеличению его проводимости. Когда напряжение Uбэ транзистора VT1 достигнет значения примерно 1,2 В, то VT1 откроется. Включится реле, и своими контактами включит питание вентилятора (на рисунках эти элементы не показаны). Использовалось два варианта: Первый, когда применялся вентилятор типа ВН-2, рассчитанный на напряжение 220 В, что все упрощает.
Второй - компьютерный кулер, для которого необходимо напряжение 12В. Потому для питания кулера от основного выпрямителя БП (или УМЗЧ) используется стабилизатор напряжения на 12 В. Его схема показана на рис.4.

Стабилизатор напряжения для кулера
Рассматриваемой схеме здесь предпочтение отдали неспроста. Можно было бы, конечно, применить 12В стабилизатор напряжения на микросхеме. Однако максимальное входное напряжение этих ИМС, как правило, не превышает 35 В, и его нельзя запитать от одного общего выпрямителя БП, где напряжение может находиться в пределах 40...70 В и более, в зависимости от максимального выходного напряжения конкретного БП. Защита по току стабилизатора выбрана в пределах 0,3...0,5 А. Ток ограничения определяется сопротивлением резистора R4 и зависит от h21э использованных транзисторов.
Для получения больших токов нагрузки в качестве транзистора VT2 можно использовать составной транзистор типа КТ827, а также собранный по схеме Дарлингтона на транзисторах КТ8101 и КТ817.
Единственный недостаток данного стабилизатора - это падение напряжения на VT2 большее, чем в более сложных схемах стабилизаторов, что вызвано влиянием устройства защиты на выходное сопротивление стабилизатора.
Стабилизатор предельно прост и очень надежен в эксплуатации. Коэффициент стабилизации напряжения зависит от стабильности тока ГСТ, собранного на VT1. Здесь он простейший однотран-зисторный. Для питания 12 В кулера большей стабильности и не нужно. А когда требуется большая стабильность выходного напряжения, то ГСТ заменяют двух-, четырехтранзисторным. Если входное напряжение схемы не превышает 35 В, то применяли также и микросхему типа TL431.
В случае, когда входное напряжение не превышало 40 В, схему рис.4 можно дополнительно упростить. При этом вместо элементов R1, R2, HL1, VT1 устанавливали один транзистор КПЗ0ЗД. Его включали двухполюсником, т.е. затвор соединяли с истоком. Исток подключали к эмиттеру VT2, а сток - к аноду стабилитрона VD1.
Включение реле К1 (рис.3) происходит при напряжении Uбэ КТ829 1,15 В и более.
В рассматриваемых схемах обеспечивается как четкий порог, так и гистерезис (разница температур - включения и выключения реле К1). В качестве датчика температуры использовались экземпляры КТ817 и КТ815 с разным коэффициентом h21э, т.е. предварительно транзисторы по h21э не подбирались. Хотя сопротивления обвески (R3 и R4) этого транзистора напрямую зависят от h21э транзистора VT2, в схеме работают и транзисторы структуры p-n-р, т.е. в качестве датчика функционируют и транзисторы типов КТ814 и КТ816. Однако чтобы они работали, необходимо схему термодатчика «перевернуть». Коллектор р-n-р транзистора соединяют с базой КТ829. Под-строечный резистор R3 номиналом 10 кОм также, как и для использования n-p-n транзистора, включен между базой и эмиттером.
У современных экземпляров транзисторов много своеобразного брака. В частности, встречаются целые партии транзисторов с большим значением h21э. Удивляет, когда встречаются КТ817 с h21э 300, а иногда и больше. Правда, такое большое усиление часто сопровождается еще одним, но уже неприятным моментом - большой разницей в сопротивлениях переходов Б-Э и Б-К в этих транзисторах.
Как известно, если у транзистора значительно отличаются сопротивления переходов Б-Э и Б-К (они измеряются стрелочным омметром), то он считается бракованным. Тем не менее, в качестве термодатчика такие транзисторы работают превосходно. К сожалению, в мощных схемах эти экземпляры надежно работать не могут, так как быстро выходят из строя.
Ток базы транзистора VT1 типа КТ829 очень сильно зависит от параметров использованного в качестве VT2 КТ817. Впрочем, разброс параметров последнего влияет на режимы термореле не меньше. Поэтому, чтобы избавиться от переделок в схеме из-за большого разброса h21э использованных транзисторов, в ней применены подстроечные резисторы. Они позволяют применять транзисторы без предварительного подбора по параметрам. Необходимо только наладить схему под конкретные транзисторы и заданную температуру. Вместо КТ817 можно применять и маломощные транзисторы, например, КТ315, но их несколько сложнее закреплять на теплоотводе. Поэтому выбор пал на КТ815 и КТ817.
Детали
Вместо КТ829 можно применять и другие типы составных транзисторов, например КТ972А или импортный типа BDX53C.
Можно также собрать схему из двух транзисторов, не забывая установить защитный диод. Его анод подключают к эмиттеру, а катод - к коллектору VT1 . В качестве транзистора VT1 можно применять и полевой. Например, хорошо подходит вместо КТ829 недорогой зарубежный полевой транзистор типа IRF510 (IRF 520-540). Пожалуй, это самые доступные по цене полевые транзисторы, обеспечивающие наилучшее соотношение цена/параметры.
Схема термореле с этими транзисторами показана на рис.5. В данной схеме использован ГСТ уже на двух транзисторах VT3 и VT4. Причем стабилитрон VD1 используется как для питания термодатчика, так и в схеме ГСТ. Если напряжение питания схемы не превышает 40 В, то ГСТ может быть еще проще. В самом простом случае он выполнен на одном полевом транзисторе КПЗОЗД, включенном двухполюсником. Двухтранзисторный ГСТ на VT3 и VT4, как и четырехтранзисторный ГСТ, обеспечивает очень стабильное значение тока ГСТ. Стабилитрон VD2 можно заменить непрецизионным,  например, Д814А, Б.

Настройка
Транзистор-термодатчик помещают в стакан с водой, нагретой до нужной температуры, при которой термореле должно четко включаться. Начинали, как правило, с температуры +50oС. Движок резистора R1 устанавливали в среднее положение. Резистором R3 добивались срабатывания реле К1 при температуре +50oС. Затем проверяли работу схемы при повышении температуры до 70...80oС. Схема должна четко и надежно работать. В редких случаях может понадобиться увеличить
сопротивление резистора R2. После настройки вместо подстроечных лучше установить резисторы постоянного номинала.

На фото рис.6 показана печатная плата собранного по схеме рис.1 устройства термореле, на фото рис.7 - конструкция одного из ИП для УМЗЧ, собранных автором, где установлена данная печатная плата. Она по периметру обведена светлой линией. Основные отличия заключаются в типах использованных транзисторов и в наличии дополнительного резистора R , который включен последовательно с реле К1. Это вызвано применением реле с малым напряжением срабатывания. В данной схеме ГСТ использованы только транзисторы типов КТ315 и КТ361, так как ИП рассчитан на выходное напряжение не более 15В. Это и допускает использование таких маломощных транзисторов в ГСТ.