Protector Integral para amplificadores y parlantes

Este circuito fue ideado por la paranoia y la necesidad de proteger nuestras mas preciadas creaciones (amplificadores) y a su vez a nuestros parlantes en el caso de que nuestros amplificadores los pongan en peligro.

La idea se concibió gracias a las grandes aportaciones de varios compañeros en FDE quienes muy amablemente se prestaron de «Conejillos de indias» y gracias a ellos el proyecto es lo que es al día de hoy, que además de útil es escalable. 

Bien, ahora veamos como funciona…

Como mencioné anteriormente, el propósito de este circuito es el de proteger nuestros amplificadores y parlantes, consta de un circuito conectado a un relé, mismo que se desactiva automáticamente si ocurren uno o más de los siguientes escenarios:

• Durante la transición de operaciones cuando el equipo es encendido o apagado.
• Después de la detección de una sobre carga por un corto circuito en los parlantes.
• Después de la detección de DC en la salida del amplificador debido a un mal funcionamiento o un accidente.
• Después de detectar una diferencia entre los terminales +Vcc y -Vcc.
• Al detectar un exceso de temperatura.

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 través de la R1 y el C1 evita que interferencias o ruidos causen disparos erróneos, cuando hay una caída de tensión en la base del Q1 descargará el capacitor del timer conformados 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 así nos aseguramos de que el relé no se active antes de tiempo, 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 Darlington’s encapsulados, no tienen la misma sensibilidad que usar 2 transistores independientes, para el mejor funcionamiento de este circuito se requiere del uso de transistores con muy baja corriente de base, de usar Darlington’s encapsulados puede ocurrir que el relé nunca se active, para operar con Darlington, deberán modificar  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, mientras que si la RL cae por debajo de un valor establecido, el transistor se enciende, por lo tanto hace pasar una corriente a través del R2 y D1 por lo que debido a la diferencia de tensión generada a través de este, el circuito de disparo rápidamente se descarga y como consecuencia el relé será desactivado 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 temperatura y balanceo de fuente de poder

Es un agregado muy sencillo que trabaja en conjunto al circuito de detección de DC, en donde el +Vcc del amplificador y el -Vcc se encuentran en un mismo punto negándose entre sí, esto en el punto central cuando las tensiones están perfectamente balanceadas hay 0V y si se produjere una diferencia, por ejemplo, +50 / -49V en el punto central habría 1V esta diferencia de tensión podría afectar desde la linealidad en el amplificador hasta provocar un mal funcionamiento serio, por lo que el protector dispararía el relé. 

Usando un termisor PTC (Que pueden reciclar de algún cadáver de amplificador de automóvil) cuya resistencia a temperatura ambiente debe ser por debajo de 22Ω intercalado en el divisor de tensión, al existir una sobre temperatura en el amplificador, provocaría una diferencia en el punto central disparando el relé.

Generalidades

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 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 MUY raro) desbalancearía la onda, lo que provocaría que entre en función el circuito de protección de DC.

Pero, ¿Qué 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 amplificador 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 cálculos:

Para comenzar, necesitamos obtener el valor de la resistencia marcada como (*). Para esto debemos tomar en cuenta 2 cosas, la tensión de alimentación del amplificador y que el 10% de esta tensión fija en la salida ya podría destruir un parlante, por lo que para el ejemplo usaremos 50V, y para el cálculo tomaremos el 10% que serían 5V y que ya tenemos un valor fijo en una de las resistencias que es la de 3.3K por lo que sería:

iQ = 5 x 3300 / (18000 + 3300)

Para el ejemplo usamos una resistencia comercial de 18K, por lo que el resultado de iQ debería ser 0,7746V lo que es una tensión suficiente para los transistores Q1 y Q2 queden polarizados.

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, los valores preestablecidos de las resistencias que ya estaban en el diagrama y la impedancia mínima de salida. Tenga en cuenta que la R2 al estar en serie con el D1, la resistencia sube estrepitosamente casi al infinito, pero para no complicarnos la existencia diremos que es de 100K La idea es que la tensión de polarización del sensor se mantenga por debajo de 0.7V. Lo que sería algo como esto:

Vcc = 50V

R2 = 100K

Rx = (**) 3.9K

Impedancia de salida nominal (Io) = 8 ohms

iQ = (R2 / (Rx + R2) * Vcc) – (RE / (RL + RE) * Vcc)

En el ejemplo calculamos un amplificador que tiene +/-50V y tiene una impedancia nominal de salida de 8Ω, por lo que el resultado sería -0.539V (Como ven, está dentro de los parámetros), si lo bajo a 4Ω, el resultado sería 0.73V y ya esto activaría la protección, pero si lo bajo a 2Ω, daría 3.078V y la protección debió haber apagado el relé hace años . 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 0.47Ω, en 8Ω de impedancia tendría un resultado de 0.898V 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:

Calculadora del puente de Wheatstone – Buenas calculadoras (goodcalculators.com)

cambiando las nomenclaturas, es decir:

R1 = RE

R2 = Impedancia nominal de salida

R3 = Rx (**) Pueden jugar con los valores hasta obtener el valor de Tensión Vb al presionar el botón Calcular.

R4 = recordemos colocar 100K reiterando el hecho de que una resistencia de 15K en serie con un diodo sube estrepitosamente su valor.

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 😉

Armado y pruebas

El circuito prácticamente puede trabajar con cualquier transistor, pero aquí dejo una lista de los más recomendados:

Como se que nadie probará el circuito directamente en sus amplificadores :V, 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 una lámpara dicroica 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.

Forma de conectar

El circuito ha sido diseñado para que fuese fácil de conectar y sus terminales han sido debidamente identificados:

+24V: Alimentación del circuito 24V.
+Vcc: Se debe conectar al +Vcc del amplificador o al riel positivo más alto en caso de ser un amplificador clase G o H.
-Vcc: Se debe conectar al -Vcc del amplificador o al riel negativo más alto en caso de ser un amplificador clase G o H.
Amp: Salida del amplificador.
+E: Se debe conectar al emisor de cualquiera de los transistores de potencia NPN (El PCB está diseñado para amplificadores de emisor común).
GND: Conexión a GND.
SPK: Conexión del parlante.

El los casos de usarse en un amplificador que no posea una referencia directa a los emisores de los transistores de potencia, como lo son los STK o TDA, debe conectarse de esta manera

Bien, eso es todo lo que deben saber para realizar este proyecto. Espero que les guste este proyecto y les de tantas satisfacciones como me las dio a mi y a los compañeros que lo armaron.

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