Circuito de protección integral de amplificadores y parlantes
Este circuito fue ideado por la paranoia, para proteger nuestras mas preciadas creaciones (amplificadores) y a su vez nuestros parlantes en el caso de que nuestros amplis los pongan en peligro. La idea se concibió gracias a las grandes aportaciones de varios compañeros en FDE, y quien muy amablemente se prestaron de "Conejillos de indias" y gracias a ellos es lo que es ahora el proyecto, que además de util es escalable. Bien, ahora veamos como funciona... Como mensioné anteriormente, el propósito de este circuito es el de proteger los amplificadores y los parlantes. El relé se desactiva automáticamente si ocurren uno de estos casos:
Durante la transición de operaciones cuando el equipo es encendido o apagado.
Despues de la detección de una sobre carga por un corto circuito en los parlantes.
Despues de la detección de DC en la salida del amplificador debido a un mal funcionamiento o un accidente.
Para entender mejor el funcionamiento del circuito, lo explicaré por etapas.
Etapa de disparo
Básicamente se comporta como una compuerta NOR, solo que con un tiempo de retardo en su salida . La entrada "Bus" se encuentra normalmente polarizada a travéz de la R1 y el C1 evita que interferencias o ruidos causen disparos erroneos, cuando hay una caida de tensión en la base del Q1 descargará el capacitor del Timerconformados por la R2, R3 y C2. La R2 carga al C2 y la R3 amortigua cualquier efecto negativo que pudiese haber cuando el Q1 descargue al C2.
Esta tensión de carga del C2 es sensada por el Z1, este nos sirve para condicionar la carga y asi nos aseguramos de que el relé no se active antes de tiempo. El Q2 y Q3 conforman un darlington para manejar el relé.
El valor de la R2 y el C2 pueden ser modificados para aumentar o disminuir el tiempo de disparo del relé.
ADVERTENCIA: No usen darlingtons encapsulados, no tienen la misma sensibilidad que usar 2 transistores independientes, para el mejor funcionamiento de este circuito, requiere del uso de transistores con muy baja corriente de base, de usar darlingtons encapsulados puede ocurrir que el relé nunca se active sino modifican todo el circuito y aun así no garantizo que funcione bien.
Protección contra sobrecargas
La detección de sobrecarga, incorpora la carga (RL) en un lado de un puente de Wheatstone. La base y el emisor del transistor de detección (Q1) se conectan a las esquinas opuestas del puente, por lo que si la RL disminuye, el Q1 será polarizado. Si la RL cae por debajo de un valor establecido, el transistor se enciende, por lo tanto hace pasar una corriente a través del D2. Debido a la diferencia de tensión generada a través de este, el circuito de disparo rápidamente se descarga. Como consecuencia, el relé será desactivado, por lo tanto haciendo que el circuito de salida se abra. La R3 y C3 evita que se hagan disparos erróneos y/o disparos bruscos, aunque es opcional.
Para los casos en que los amplificadores sean de emisor común, (Finales alimentados por los emisores), el se debe testear la corriente de alimentación en lugar de la corriente de salida, pero para adecuarlo al resto de la circuitería, requerimos de otro transistor que sirva como inversor, tal como se muestra en el diagrama.
Dependiendo del tipo de amplificador, este circuito sufrirá unos ligeros cambios que explicaré más adelante...
Protección contra DC
La entrada del circuito está conectada al emisor del Q1 y la base de Q2 a través de un filtro pasa-bajos (R1, R2, C1 y C2). Cualquieras tensiones continuas que aparezcan en el circuito de salida del amplificador de potencia, se aplicarán estos transistores. Si el voltaje es negativo Q2 se enciende. Si el voltaje es positivo Q1 se enciende. Como consecuencia, el relé será desactivado, por lo tanto haciendo que el circuito de salida se abra.
Detección de AC
Al contrario de las etapas anteriores, el voltaje proveniente del transformador (Voltaje sin rectificar) mantiene polarizado el transistor Q1, a través del D1, C1 y R1. Al apagar el amplificador, la R2 se encarga de polarizar el transistor, lo que causa como consecuencia, que el relé sea desactivado, por lo tanto haciendo que el circuito de salida se abra.
Cada sensor trabaja en forma independiente, tanto que si a algún ocioso se le ocurriera usar un PIC que reciba la información de cada uno de ellos, para que luego este envié un mensaje a un display LCD advirtiendo que pasó y acto seguido desactive el relé, solo tendría que usar un circuito para acoplarlo como este:
Claro que con algo tan sofisticado como un micro-controlador obviaríamos el circuito de disparo y sería el PIC quien manejaría el relé.
Accesorios
Como su nombre lo indica, estos circuitos no son parte vital del circuito, pero si hacen que se vea genial Se trata de 2 propuestas de indicadores que nos muestran cuando se activó la protección.
la primera alternativa, se trata de un pequeño oscilador que hace titilar un LED cuando la protección está activa y si todo esta normal, el LED enciende fijamente. la otra opción son 2 LEDs, si la protección está activa enciende uno, sino, enciende el otro.
Ambos circuitos van conectados al colector del transistor que maneja el relé.
De la teoría a la práctica
Como mencioné anteriormente, el circuito protección contra sobrecargas se aplica en formas diferentes formas, según el tipo de amplificador.
En el caso de un amplificador clase AB, en donde es posible obtener una referencia directa desde los transistores de salida se aplicaría de esta manera:
Como ven en el ejemplo, solo testeo la rama positiva del amplificador y antes que me acribillen voy a explicar porque. Un amplificador trabaja con onda sinusoidales, por lo que lo que pase en la rama negativa, reincidiría en la rama positiva a no ser que algún ocioso le coloque un diodo en la salida del amplificador no veo porque comprobar ambas ramas y en el caso de que exista una sobre carga en la rama negativa exclusivamente (Un caso muuuuuuuy raro) desbalancearía la onda, lo que provocaría que entre en función el circuito de protección de DC.
Pero, ¿Que sucedería si mi amplificador está basado en un STK, un TDA o bien sea un amplificador clase D? En ese caso usamos esta configuración:
En los casos de que queramos aplicar la protección en un ampli estéreo, debemos usar 2 sensores de detección contra sobre cargas, uno para cada canal.
Con respecto a la protección contra DC, en el caso de un amplificador estéreo, solo debemos agregar otra resistencia a la entrada del sensor como se muestra en la imagen:
Cabe destacar que para potencias estéreo de 200W en adelante, yo recomendaría usar 2 circuitos de protección totalmente independientes.
Ahora para armar todo y adaptar este circuito a nuestros amplificadores, debemos realizar unos rápidos y sencillos calculos:
Para comenzar, necesitamos obtener el valor de la resistencia marcada como (*) para esto, debemos calcular el divisor de tensión con los valores que ya sabemos, que son el voltaje Vcc del amplificador (Para el ejemplo serán +/-50V) y la resistencia de 3.3K, para que en sensor de DC pueda recibir máximo 8V en el caso de haber una falla. Para esto usaremos la Ley de Ohm:
17.325 = 50 x 3300 / 8 + 3300
El valor comercial más próximo sería 18K
Si se les hace muy complicado calcularlo, pueden usar esta calculadora: http://www.ohmslawcalculator.com/voltage-divider-calculator
Vamos con la siguiente resistencia marcada como (**), para esto debemos tener el valor del Vcc del amplificador, el valor de la resistencia cerámica (por lo general de 2, 3 ó 5W) de los emisores de los transistores finales y los valores preestablecidos de las resistencias que ya estaban en el diagrama y la impedancia mínima de salida. La idea es que la tensión de polarización del sensor se mantenga por debajo de 1.5V. Lo que sería algo como esto:
Vcc = 50V
R2 = 15K
Rx = (**) 3.9K
Impedancia de salida nominal (Io) = 8 ohms
Vcc x ((R2 / Rx + R2) - (Io / Io + Rx))
En el ejemplo calculamos un amplificador que tiene +/-50V y tiene una impedancia nominal de salida de 8 ohms, por lo que el resultado sería 0.00167V (Como ven , está dentro de los parámetros), si lo bajo a 4 ohms, el resultado sería 1.27V y ya esto activaría la protección, pero si lo bajo a 2 ohms, daría 3.62V y la protección debió haber apagado el relé hace años LOL. El valor de la R cerámica es importantísimo para determinar el valor de la Rx ya que si uso los mismos parámetros con una R de 0.47 ohms, en 8 ohms de impedancia tendría un resultado de 1.44V por esta misma razón no recomiendo usar un PCB independiente para la protección, ya que la resistencia interna del cable habría que tomarla en cuenta en la ecuación y el protector se dispararía erróneamente a cada rato. Si se les hace muy complicado calcularlo, pueden usar esta página: http://todohard.awardspace.com/calc/resist/wheatstone/wh.htm cambiando las nomenclaturas: , es decir:
Ra = RE
Rb = Impedancia nominal de salida
Rc = Rx (**) Pueden jugar con los valores hasta obtener el valor de Tensión Vb al presionar el botón Calcular.
En el caso de usar la protección para amplificadores de emisor común, la R marcada como (?) es la resistencia que está en los emisores positivos, este valor puede variar según el amplificador. Esta actúa como la R Shunt de cualquier amperímetro. Para determinar el valor de las R marcadas como (??) debemos saber cuanta corriente consume el amplificador a plena potencia y en condiciones normales, esto lo hacemos colocando el voltímetro entre las patas de la R Shunt. Al tener este valor, las R marcadas como (??) trabajan como un divisor de tensión y la idea es que no permitan el paso de una tensión mayor a 0,2V a la base del transistor en condiciones normales, pero al haber algún problema, debe haber 0,6V como mínimo para que la protección salte...
Si aún así quieren hacer trampa y saltarse la matemática, calculen el divisor de tensión de manera que les de la 1/3 de la tensión el Vcc y Enjoy it ;-)
Ahora y por último necesitamos saber el voltaje del transformador sin rectificar, continuando con el ejemplo de los 50V, serían 34.73VAC y volvemos a la Ley de Ohm para obtener un valor de polarización no mayor a 1.5V
48.723 = 34.73 x 2200 / 1.5 + 2200
Y así obtenemos el valor de la resistencia marcada como (***) cuyo valor comercial más cercano es 47K.
Armado y pruebas
El circuito prácticamente puede trabajar con cualquier transistor, pero aqui dejo una lista de los más recomendados:
Como se que nadie probará el circuito directamente en sus amplificadores (XD), aquí muestro una serie de pruebas que deben hacerse antes de ponerlo en funcionamiento:
En aspectos generales y como podemos ver en la imagen, usaremos una tensión sin rectificar de 12V, conectaremos una resistencia de 0,22Ω / 5W (Para el caso de los protectores para amplificadores clase AB con referencias directas al transistor de salida) y necesitaremos colocar un bombillo dicroico de 12V / 50W en lo que sería la salida de audio, después del relé.
Prueba para el detector de sobre cargas
Encendemos el protector y a los 5 segundos aproximadamente escucharemos el "click" del relé y deberá encenderse la lampara. Acto seguido, hagamos un corto en los terminales de la lampara, si todo está bien eso debe desactivar el relé.
Prueba para el detector de DC
Para esto usaremos un diodo para rectificar media onda de los 12VAC como se muestra en la imagen:
Colocamos el diodo en la entrada del detector de DC o bien en el pin marcado como "Amp Out". No importa en que forma se coloque el diodo, el protector debe desactivar el relé.
Si pasamos estas 2 pruebas, el circuito ya está listo para funcionar.
Los PCB's del proyecto
Hice una versión para amplificadores Clase D y STK monofónicos y otra versión para amplificadores Clase AB transistorizados a los que se les pueda tomar una referencia directa desde el emisor positivo, pero puede ser usado en otro tipo de amplificadores estéreo cambiando las conexiones como se muestra en los siguientes diagramas.
Para amplificadores basados en integrados tales como STK, TDA, etc. o amplificadores clase D, deben usar esta configuración. Noten que la salida del amplificador va conectado en los terminales "+E" del circuito. Las resistencias de 0,47Ω / 5W son necesarias.
Para el caso de amplificadores clase AB transistorizados, deben conectar la salida del amplificador en el terminal marcado como "L Amp" o "R Amp" según sea el caso y el terminal marcado como "+E" va conectado directamente al emisor del transistor positivo correspondiente al canal, tal como se mostró en diagramas anteriores.
Este está ideado para amplificadores basados en STK, TDA o Clase D monofónico, su conexión es muy sencilla, tal como se muestra en la imagen.
Bien, eso es todo lo que deben saber para realizar este proyecto. Espero que les guste este proyecto y les de tantas satisfacciónes como me las dió a mi y a los compañeros que lo armaron.
Saludos
