С. Зотов

ЗАЩИТА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИНАМИКА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

Как правило, если акустическая система спроектирована правильно, и грамотно эксплуатируется, то не возникает никаких проблем с надежностью. Однако, довольно часто некоторые «любители» музыки включают свою акустику, что называется, на «всю катушку». При этом страдают не только ближайшие соседи, но и весь дом. Очень часто в такой ситуации динамики не выдерживают и сгорают, причем высокочастотные динамики горят чаще всего. Почему ВЧ-динамики горят чаще всего? Ну, во-первых, не всегда горят именно высокочастотники, иногда горят басовики и среднечастотники. Но все же, (во-вторых) – пищалки горят довольно таки часто!

При подведении к динамику номинальной мощности звуковая катушка нагревается до температуры примерно 90-100 ^о С (иногда и более), совершенно ясно, что это высокая температура (эти справочные данные взяты из книги И. Алдошиной «Электродинамические громкоговорители»). Причем звуковые катушки у низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных динамиков нагреваются с разной скоростью, это обусловлено так называемой «тепловой постоянной времени» динамика. У низкочастотного динамика с номинальной мощностью более 30 вт тепловая постоянная составляет 15-20 секунд, т.е. при подведении номинальной мощности к динамику звуковая катушка нагреется до расчетной температуры за 15-20 секунд. У среднечастотного динамика с номинальной мощностью 15-25 вт тепловая постоянная времени составляет примерно 5-6 секунд. И, наконец, у высокочастотного динамика тепловая постоянная равна примерно полторы секунды! Это означает, что в случае перегрузки высокочастотного динамика звуковая катушка сгорит почти за одну секунду. Поэтому пищалки и «вылетают» достаточно часто.

Очевидно, что тепловая постоянная времени зависит от частоты сигнала, но также зависит и от диаметра провода, которым намотана звуковая катушка. Так, у низкочастотных динамиков звуковая катушка обычно намотана проводом Ø( 0,25-0,35) мм, у среднечастотных – Ø (0,14-0,16) мм, у высокочастотных динамиков диаметр провода Ø 0,10 мм или чуть меньше. Чем тоньше провод – тем меньше тепловая постоянная и, соответственно, меньше времени потребуется для выхода динамика из строя при перегрузке. Сравним три высокочастотных динамика одинаковой мощности с разными сопротивлениями: 6ГДВ-4-8 (полное сопротивление 8 Ω), 6ГДВ-6-16 (16 Ω) и 6ГДВ-6-25 (25 Ω). У динамика с сопротивлением 8 Ω звуковая катушка намотана проводом Ø 0,10 мм, у динамика с сопротивлением 16 Ω звуковая катушка намотана проводом Ø 0,08 мм, а у динамика с сопротивлением 25 Ω применен еще более тонкий провод. В контексте сказанного выше очевидно, что при одинаковых перегрузках первым «сгорит» динамик с сопротивлением 25 Ω, как самый ненадежный из трех упомянутых здесь динамиков. А самый надежный из этой троицы – это динамик с сопротивлением 8 Ω (т.е. 6ГДВ-4-8).

Динамики горят не только от перегрузки во время прослушивания громкой музыки. Иногда это происходит из-за несовершенства усилителей мощности. При включении питания в оконечном усилителе мощности происходят так называемые «переходные процессы», из-за которых напряжение на выходе усилителя может колебаться в течение (1-2)-х секунд. Причем амплитуда такого колебания может приближаться к напряжению питания оконечного усилителя, а это составляет ± (20-40) в. В этом случае в колонках слышен громкий щелчок при включении питания. Аналогичные переходные процессы возникают и при выключении питания. Так вот, очень часто достаточно одного такого «щелчка», чтобы сжечь высокочастотный динамик. Многие усилители мощности старого образца имеют такой недостаток, особенно этим грешит усилитель 70-х годов «Радиотехника УКУ-020» рижского радиозавода. В современных усилителях эти недостатки устранены тем, что колонки подключаются к выходу усилителя мощности через контакты реле, которое включается с задержкой 3-4 секунды после подачи напряжения питания, и выключаются сразу после отключения. В результате переходные процессы в усилителе мощности не передаются на колонки.

В эстрадной акустике высокочастотные динамики, как правило, подключаются непосредственно к отдельному каналу усилителя, т.е. без традиционных разделительных фильтров. Контролировать мощность, подаваемую на высокочастотный канал в такой ситуации часто не удается, поэтому надежность (и защита от перегрузки) высокочастотных динамиков в эстрадной акустике является значительно более актуальной проблемой.

В общих чертах проблема обозначена. Расскажем здесь об одном интересном способе защиты высокочастотных динамиков от перегрузки.

В некоторых модификациях акустических систем типа S-30 использован индикатор перегрузки, при возникновении перегрузки на лицевой панели акустической системы загорается светодиод. Однако данная система является лишь индикатором, она только информирует о перегрузке, но не защищает динамики от нее.

В акустических системах высшего класса сложности «Кливер 150АС-009» и «Корвет 150АС-001» применена следующая система защиты динамиков. В случае возникновения перегрузки к динамику с помощью реле последовательно подключается дополнительное сопротивление, в итоге – мощность на динамике снижается. Подобная система применена отдельно к высокочастотному и среднечастотному динамику в упомянутых АС. Низкочастотный динамик в этих системах подключен через плавкий предохранитель. Заинтересовавшийся читатель может найти эти схемы в справочниках или в паспортах на эти акустические системы.

Некоторые радиолюбители часто применяют для защиты высокочастотных динамиков лампы накаливания, которые необходимо подсоединять последовательно с динамиком (речь идет о миниатюрных низковольтных лампах накаливания), на рис. 1 показана такая схема.

Эта системы защиты работает следующим образом. При малых мощностях через нагрузку протекает небольшой ток, из-за этого нить накаливания лампы не разогревается, и поэтому сопротивление лампы достаточно низкое. В такой ситуации лампа почти не оказывает влияния на работу ВЧ-динамика. Если же мощность возрастает, и ток через нагрузку увеличивается, то это приводит к тому, что нить накаливания лампы раскаляется, лампа начинает светиться, а сопротивление лампы при этом резко возрастает. Из схемы видно, что лампа с динамиком представляет собой делитель, как оказывается, с переменным коэффициентом деления. Чем больше ток через нагрузку, тем больше сопротивление лампы, и тем больше падение напряжения на лампе U _л, соответственно падение напряжения на динамике U _д – уменьшается относительно к общему напряжению U _о, т.е. происходит автоматическое ограничение мощности на динамике, это и означает, что система защиты срабатывает. Это почти что «компрессор-лимитер»!

Принцип работы такой системы защиты достаточно простой, однако – как рассчитать параметры лампы? Иными словами, как правильно выбрать вольтаж лампы накаливания и ее мощность? Вот, что называется, вопрос «по существу», именно этим мы и займемся далее.

Рис. 1. Схема подсоединения лампы накаливания для защиты ВЧ-динамика от перегрузки. РФ – разделительный фильтр высокочастотного звена, Л – лампа накаливания (R _л – сопротивление лампы), Гр. – ВЧ-динамик (R _г – полное сопротивление динамика), U _л (в) – напряжение на лампе, U _д (в) – напряжение на динамике, U _о (в) – общее напряжение на нагрузке. Пояснения в тексте.

Здесь будут изложены «Упрощенный расчет» параметров лампы накаливания, обеспечивающей защиту от 4х-кратной перегрузки ВЧ-динамика и так называемый «Поверочный расчет». Поверочный расчет будет интересен любителям математики. Он представляет собой полный и общий расчет, который позволяет рассчитать, при произвольно заданной лампе, своего рода «перегрузочную характеристику» системы защиты, т.е. допустимую величину перегрузки и степень ослабления сигнала при различных уровнях мощности.

УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ

Демонстрацию расчета проведем на конкретном динамике. Выберем для примера высокочастотный динамик 6ГДВ-6-25, этот 25ти-Омный динамик рижского радиозавода используется в некоторых модификациях системы S-90 и S-100 с общим сопротивлением колонок 8 Ω.

Будем считать, что номинальная мощность его равна 6 вт, а полное сопротивление 25 Ω. Представим на мгновение, что динамик подключен к усилителю напрямую, и зададим вопрос: «При каком напряжении этот динамик будет потреблять мощность, равную номинальной, т.е. 6 вт»? Рассчитать это напряжение очень просто:

(1)

где: N _н (вт) – номинальная мощность динамика, R _г (Ω) – полное сопротивление динамика.

Совершенно ясно, что если на этот динамик подать напряжение 12 вольт, то потребляемая им мощность составит 6 вт. Очевидно также, что если на динамик подать напряжение вдвое больше, т.е. 24 вольта, то мощность на динамике возрастет в 4 раза! Это обусловлено тем, что мощность на динамике (или любой другой нагрузке) пропорциональна квадрату напряжения:

(2)

где: N (вт) – мощность на динамике, U _д (в) – напряжение на динамике, R _г (Ω) – полное сопротивление динамика.

А теперь вообразите, что последовательно с динамиком 6ГДВ-6-25 подключена лампа накаливания 12в х 6 вт. Такая лампы выбрана не случайно, т.к. динамик 25ГДВ-6-25 при напряжении 12 вольт развивает мощность 6 вт. Короче, если теперь на динамик с лампой (см. рис. 1) подать напряжение 24 вольта, то это напряжение поделиться поровну между лампой и динамиком, т.е. по 12 вольт на лампу и на динамик.

Таким образом, в данном конкретном случае применение лампы с рабочим напряжением 12 вольт и мощностью 6 вт обеспечивает защиту динамика 6ГДВ-6-25 от 4х-кратной перегрузки.

Озвучим общую формулировку. Для обеспечения защиты от 4х-кратной перегрузки мощность лампы накаливания должна равняться номинальной мощности ВЧ-динамика, а рабочее напряжение лампы должно быть равно напряжению, при котором динамик потребляет номинальную мощность. Итак, весь расчет сводится всего к одной формуле, а именно к формуле (1).

Очевидно, что применение лампы накаливания в качестве защиты приведет к некоторому ослаблению звукового давления высокочастотного динамика. Упрощенный расчет, показанный здесь, не дает возможности определить степень ослабления звукового давления при разных мощностях. Для радиолюбителей, желающих знать полную характеристику такой системы защиты, рекомендуем ознакомиться с «Поверочным расчетом».

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ

Лампа накаливания является в данном случае переменным сопротивлением и обеспечивает защиту высокочастотного динамика. Для того, чтобы математически рассчитать своего рода «перегрузочную характеристику» такой системы защиты необходимо знать характеристику лампы, а именно нужно знать <Зависимость сопротивления лампы от напряжения на лампе>.

Несколько слов нужно сказать об обозначениях миниатюрных ламп накаливания. Характеристика лампы обозначается всегда двумя параметрами. Существует два способа обозначения ламп накаливания: либо это напряжение и мощность, либо – напряжение и ток. Приведем примеры. Так, лампа «12в х 4вт» имеет рабочее напряжение 12 вольт и мощность 4 ватта. Другой пример, лампа «6,5в х 0,3А» рассчитана на рабочее напряжение 6,5 вольт и рабочий ток 0,3 ампера. Очевидно, что зная рабочий ток и напряжение лампы, всегда можно рассчитать мощность лампы (покажем это на примере лампы «6,5в х 0,3А»):

(3)

где: N _л (вт) – мощность лампы накаливания, U _рл (в) – рабочее напряжение лампы, I _рл (А) – рабочий ток лампы.

Прежде, чем приступать к расчету системы защиты, как уже было сказано, определим экспериментально так называемую <характеристику лампы> накаливания (т.е. зависимость сопротивления лампы от напряжения на лампе). Делается это следующим образом. Лампу накаливания следует подключить к источнику питания, затем нужно изменять напряжение на лампе и одновременно измерять ток, протекающий через лампу (схему приводить здесь не имеет смысла из-за простоты). Напряжение может изменяться от нуля до максимального значения, которое равно рабочему напряжению лампы. Таким образом, получается зависимость <тока лампы от напряжения на лампе>. Теперь осталось рассчитать сопротивление лампы, используя закон Ома:

(4)

где: R _л (Ω) – сопротивление лампы накаливания, U _л (в) – напряжение на лампе, I _л (А) – ток, протекающий через лампу.

Получим описанным способом характеристики для следующих семи миниатюрных ламп накаливания: 3,5в х 0,26А, 6,5в х 0,3А, 6в х 5вт, 12в х 1,5вт, 12в х 4вт, 12в х 10вт и 26в х 0,12А.

Таблица № 1

Дата добавления: 2015-05-07