kknd 发表于 2007-2-25 15:16

直流30mV即可动作的耳机保护电路 [原创]

对于使用OCL输出方式的二房来说,一直很担心输出直流偏移的问题——即便是正常情况下偏移很小、但也不能排除哪天二房出故障这样极端的情况吧?尤其是低阻耳机,想想二房故障,输出十几伏的直流瞬间就可以把你心爱的耳机烧的象热锅上的老鼠一样吱吱乱叫。所以保护电路一定是需要的!随手找了些资料,保护电路不少,但是基本上都是给音箱用的,基本的特点都是使用了二极管的正向导通门限作为判决依据,但是这样的话至少要0.5V以上的直流偏移才会使保护电路动作,对于扬声器这种皮粗肉糙的家伙来说是没有问题的,可是我绝对不允许有这么高的电压加到耳机上而保护电路还在一边傻笑……我需要一个数十mV就能保护的电路。好象目前还没有看到,干脆自己设计一个。


电路其实蛮简单的,就是利用了LM339比较器的基本功能而已。

上图是接成同相比较电路,由R3、R4、U1A、R5组成,其中R3、R4构成分压电路,12V的供电经分压后得到约30mV的基准电压,这个基准被接在U1A的反相输入上,这样当同相输入端出现大于30mV的电压时U1A立刻输出高电平,经后面的CD4002判决电路后驱动继电器释放,断开耳机实现保护。R5是上拉电阻,因为LM339是集电极开路输出的,如果不接R5那么其输出状态只能在“低电平”、“高阻”两种状态间变化,而这里需要的是“低电平”、“高电平”,所以R5一定要接上。
    但是二房输出的直流并不都是正的,也有负的情况,这样上面的电路就无法判断了,需要下面的反相判决电路帮忙了。

反相判决电路由R6、R7、U1B、R13组成,同样R6、R7接成分压电路,但不同的是它们是对-12V进行分压,得到-30mV基准电压接入到U1B的同相端,这样一旦U1B的反相端出现比-30mV更负的电压时(例如-40mV)U1B输出高电平到判决电路促使继电器释放保护耳机。


上面是判决部分,其实就是个CD4002,当所有输入端都是低电平时输出为高电平,而当有一个输入端是高电平的话,输出就变成低电平了。这里还接了一只C1815三极管,这是考虑到CD4002输出带负载能力不行,可能无法驱动继电器,所以用一只三极管扩流。
    至于U2B吗,其实也可以不用,不过我希望能够有个LED指示电路的状态,所以才有了U2B接一只红绿双色的LED,这样当保护电路没有动作时LED发绿光,保护后则变成红光,很容易观察。

C2、R10则组成了研时保护电路,原理很简单,就不介绍了。
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应该说有了前面的电路,功能上已经完成了,但是还有一个问题——如果没有AR1的话,正电压保护和负电压保护是不对称的,为什么会出现这个问题呢?原因就在反相比较器上,请注意R1,它是与C1一同构成低通滤波器滤除交流成分的,但是反相比较器的输入阻抗比较低,所以与R1一起构成了分压器,导致输入的有效电压打了折扣,而同相比较器却没有这个问题。
   解决办法很简单,接一个缓冲电路就好了,图中AR1就是做这个用的。这里使用的运放一定要注意,不是什么高档货都可以的,因为缓冲后送到比较器的是mV级的电压,如果运放的输入失调电压过大将导致保护门限变化甚至误动作,所以这里一定要使用精密运放!OP07的失调电压只有30uV,用在这里再合适不过了,而且价格也非常可爱——才2元钱一只。


最后附上PCB参考参考,因为这片保护电路是定制的,PCB面积有限制,所以使用了贴片元件。PCB大小为3cm*6.6cm。

其实这个保护电路中LM339还有两个比较器没有使用,本来是想开发成断电加速释放和输出信号过强保护的,但是PCB实在放不下了,不过本电路是模块化设计的,各个功能单元比较单纯,要自己增加功能也是很容易的事情。
   如果要改变保护门限的话也很简单,调整那两个22欧的电阻就可以了,给功放、二房都很方便。根据模拟的情况应该最低保护门限可以到+-5mV左右吧,再低就要受AR1的失调电压影响了,而且容易误动作。

最后需要特别说明的是:本电路经MULTISIM模拟工作正常,但未经实际制作验证,不能完全排除没有设计不妥及布线错误的情况,请自行判断。

bigfoot_13 发表于 2007-2-25 15:34

至于吗?三极管放大不就行了?
上面这个我试过,也是几十mV就动作

大风车 发表于 2007-2-25 15:52

下面是引用kknd于2007-02-25 15:16发表的直流30mV即可动作的耳机保护电路 [原创]:
对于使用OCL输出方式的二房来说,一直很担心输出直流偏移的问题——即便是正常情况下偏移很小、但也不能排除哪天二房出故障这样极端的情况吧?尤其是低阻耳机,想想二房故障,输出十几伏的直流瞬间就可以把你心爱的耳机烧的象热锅上的老鼠一样吱吱乱叫。所以保护电路一定是需要的!随手找了些资料,保护电路不少,但是基本上都是给音箱用的,基本的特点都是使用了二极管的正向导通门限作为判决依据,但是这样的话至少要0.5V以上的直流偏移才会使保护电路动作,对于扬声器这种皮粗肉糙的家伙来说是没有问题的,可是我绝对不允许有这么高的电压加到耳机上而保护电路还在一边傻笑……我需要一个数十mV就能保护的电路。好象目前还没有看到,干脆自己设计一个。


对于灵敏度的问题,实现起来非常简单,关键是有无必要的问题~

kknd 发表于 2007-2-25 16:08

下面是引用大风车于2007-02-25 15:52发表的:
下面是引用kknd于2007-02-25 15:16发表的直流30mV即可动作的耳机保护电路 [原创]:
对于使用OCL输出方式的二房来说,一直很担心输出直流偏移的问题——即便是正常情况下偏移很小、但也不能排除哪天二房出故障这样极端的情况吧?尤其是低阻耳机,想想二房故障,输出十几伏的直流瞬间就可以把你心爱的耳机烧的象热锅上的老鼠一样吱吱乱叫。所以保护电路一定是需要的!随手找了些资料,保护电路不少,但是基本上都是给音箱用的,基本的特点都是使用了二极管的正向导通门限作为判决依据,但是这样的话至少要0.5V以上的直流偏移才会使保护电路动作,对于扬声器这种皮粗肉糙的家伙来说是没有问题的,可是我绝对不允许有这么高的电压加到耳机上而保护电路还在一边傻笑……我需要一个数十mV就能保护的电路。好象目前还没有看到,干脆自己设计一个。


对于灵敏度的问题,实现起来非常简单,关键是有无必要的问题~
我认为有必要,我用的RS1即便是不会损坏但“砰”的一下也是非常心痛的

大风车 发表于 2007-2-25 16:13

“砰”的一声,如果在开机可以用延时的办法,但从放大器损坏的机理去分析,保护电路高的灵敏度必要性不大.

kknd 发表于 2007-2-25 16:17

no、no、no,我的意思是任何情况下的“砰”,包括开机的、关机的、故障时的。

大风车 发表于 2007-2-25 16:27

开关机的保护(通断声),慢通快断都已解决~

kknd 发表于 2007-2-25 16:28

再上个PCB图see see,保护电路就是给这块PCB配套的,装在那个T0-3封装的LH0063上方。

cxz-cj 发表于 2007-2-25 17:48

搂主的精神可嘉,但是,电路有一些问题,思路也需要重新考虑。
1,电路过于复杂,这么复杂的电路,实际性能一般,还只是1个声道的,2楼bigfoot_13的电路是2个声道的,非常简单,已经实现了开机延时和直流保护,不会有“砰”的声音。
2,电路动作时间常数30秒,太长了,不能及时准确保护耳机,应该选0.3-1秒为好。
3,2楼的图是很多年的经典电路,同样适用于耳放,简单有效,用锗管的话0.2V动作,硅管0.4V左右,足够保护了,时间常数2秒多,改成1秒或者不改也可。
4,30mV肯定没有必要,误动作会很频繁。另外保护参数不仅是电压,而是电压和时间,比如0.2V 1秒动作,0.5V时就会0.5秒动作,你的电路即使有30mV直流,30秒也不会动作的,计算一下就知道了,而大电解失衡电压都可能达到30mV,而误动作保护关机。

0.4V直流加在32欧耳机上,才5毫瓦,不及正常听音的稍大音量,更低直流电压保护,本身就没有任何意义,复杂不合适的保护电路,反而会降低耳放性能和稳定性。
应当将注意力转移到耳放上,0.2V直流不会伤害耳机,但可能会影响音质,如何避免耳放出现直流失衡,做好电路设计、元件筛选、布线,找到瓶颈并改进,了解各种条件、温度下工况,保证电路稳定、高性能,相对更重要些。
近期经常看到打磨的帖子,或者“改进”经典电路的帖子,有些人甚至没有看懂电路,让人看了不知所错。首先找出电路的瓶颈、弱点,下面工作才是有效的。

不是批评,只是交流一下,希望搂主继续。

309673280 发表于 2007-2-25 18:00

C大哥说的有道理
保护电路个人觉得保护是第一
简单是第2
太复杂的..系统的误差就大了去了

kknd 发表于 2007-2-25 18:09

嘻嘻,和cxz-cj老师一起讨论一下。
电路动作时间常数30秒这个不知是否是通过100K电阻和C1电容算出来的?我以前也担心过这个问题,但是实际做出来(不是这个电路,但原理类似)没有出现这样的情况,(当时电阻33K、电容220U)只要直流电压略高于门限就立刻动作,没有丝毫延迟,原因我仍然在困惑中,但确实是没有丝毫延迟。
    这个电路由于引入了LM339,而且是工作在开环状态,所以电路本身动作是非常迅速的,30mV还是300mV的动作都是一样迅速。
    我的二房输出直流偏移0.13mV,但是耳机接入时仍然可以听到“哒”的一声,所以我推论30mV是自己可以接受的上限,所以保护门限设置的比较严格,当然只是我自己的观点。
    我以前设计过带峰值过大保护的电路,也是用LM339、OP07的,不过是用OP07先组成精密整流再用LM339比较的,比这个还要复杂,但也是非常可靠的,我的二房是BJT输入的,有次把输入电容用大了一点,结果保护电路是直到电容充电完毕在解除保护的,很可靠,甚至是偶尔断开输入电容(做电容比较实验)导致的瞬间冲击也可以很好的保护,非常灵敏却从未误动作过。
   至于单声道的问题,其实是处于设计思路,如果一套电路供两个声道使用将不可避免出现“共地”,这是我极力避免的。

kknd 发表于 2007-2-25 18:12

下面是引用309673280于2007-02-25 18:00发表的:
C大哥说的有道理
保护电路个人觉得保护是第一
简单是第2
太复杂的..系统的误差就大了去了
这位兄弟,这个电路之所以复杂就是在于避免了系统误差,用LM339且开环工作的目的就是要得到“一就是一、二就是二”,降低不确定的“线形放大区域” 。

    不过可能的确是过于复杂、过于精密了一些吧,没法,个人就是这种习惯,连稳压电源的24小时温飘都要控制在60mV以内才放心的。

cxz-cj 发表于 2007-2-25 18:25

时间常数是100K电阻和C1计算的,你说30mV还是300mV的动作都是一样迅速,肯定不对,电容充电是需要时间的,如果你有电脉冲计数器,可以测量时间,30mV差别巨大300mV,你这个电路加上30mV不一定30秒内会动作,虽然后面参考电压是26mV。另外,这样高的要求,用TL431做参考更合适。

二房输出直流偏移0.13mV,但是耳机接入时仍然可以听到“哒”的一声?如果这个“哒”的一声比较明显,我不认为这是0.13mV直流偏移造成的。而且,这个和保护电路本身没有关系,即使有25mV直流,保护电路一样不会动作,要注意,保护电路是用来保护耳机,而不是降低直流偏移的。这里方向有误。

要求高的话,将保护做的更灵敏、准确,前提是不误动作、耳放本身直流尽量做小,这都很好,有精力完全可以研究。

kknd 发表于 2007-2-25 18:33

关于时间常数的问题确实是经过实验验证的,在输入端加上略大于保护门限的电压立刻保护,时间延迟远远小于人的分辨能力,这是我目前正在使用的保护电路上的确发生的,原因我也很迷惑,与推理结论完全不同,很奇怪。
   不过在那个电路上没有使用输入缓冲器,怀疑与这一点有关,本电路过几天等PCB厂的上班了就去打样,做出来再验证验证。

kknd 发表于 2007-2-25 19:51

下面是引用cxz-cj于2007-02-25 17:48发表的:
搂主的精神可嘉,但是,电路有一些问题,思路也需要重新考虑。
1,电路过于复杂,这么复杂的电路,实际性能一般,还只是1个声道的,2楼bigfoot_13的电路是2个声道的,非常简单,已经实现了开机延时和直流保护,不会有“砰”的声音。
2,电路动作时间常数30秒,太长了,不能及时准确保护耳机,应该选0.3-1秒为好。
3,2楼的图是很多年的经典电路,同样适用于耳放,简单有效,用锗管的话0.2V动作,硅管0.4V左右,足够保护了,时间常数2秒多,改成1秒或者不改也可。
4,30mV肯定没有必要,误动作会很频繁。另外保护参数不仅是电压,而是电压和时间,比如0.2V 1秒动作,0.5V时就会0.5秒动作,你的电路即使有30mV直流,30秒也不会动作的,计算一下就知道了,而大电解失衡电压都可能达到30mV,而误动作保护关机。
.......
C大说的非常好,确实应当从系统的角度看待和分析问题,避免只见树木不见森林的做法。

luyeallen 发表于 2007-2-25 22:20

时间常数是0。2秒啊,如果是30MV直流用不了一秒就动作了啊。。怎么说不会动作呢~。。

我觉得这个东西做得挺好呵呵,当然实际还是需要一定实验调试的。。

cxz-cj 发表于 2007-2-26 00:18

下面是引用luyeallen于2007-02-25 22:20发表的:
时间常数是0。2秒啊,如果是30MV直流用不了一秒就动作了啊。。怎么说不会动作呢~。。

我觉得这个东西做得挺好呵呵,当然实际还是需要一定实验调试的。。
老大,过完年了阿,这次你算错了阿。你算算2楼几秒保护。
按常规RC时间常数,是5秒,不过这种翻转的实际延时,一般要乘2派,就大了。具体时间和参考点选取有关,不过肯定比0.2秒大太多了。

如果后面是30mV的参考电压,前面用30mV给RC充电,别说30秒,理论上,电容是永远充不满30mV的,只能无限逼近。

luyeallen 发表于 2007-2-26 01:48

嘿嘿,老大过年好。。

呵呵。。我当是1/RC。。平时用的时候都是E的RC分之一乘以T,所以没想就把1/RC当成涛了哈哈。。

这个好解决,把RC都弄小点好了哈哈~

kknd 发表于 2007-2-26 07:53

哈哈,C大和L大都到了,欢迎欢迎

magic-jiang 发表于 2007-2-26 23:09

下面是引用luyeallen于2007-02-25 22:20发表的:
时间常数是0。2秒啊,如果是30MV直流用不了一秒就动作了啊。。怎么说不会动作呢~。。

我觉得这个东西做得挺好呵呵,当然实际还是需要一定实验调试的。。
luyeallen大大来了

东西不错哈 OP比较器应用
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