FI122649B - Suojapiiri virtaohjatulle kaiuttimelle - Google Patents

Description

SUOJAPnRI VIRTAOHJATULLE KAIUTTIMELLE

Keksintö liittyy sähködynaamisiin liikkuvakelaisiin kaiuttimiin, jotka on suunniteltu käytettäväksi virta-antoisten vahvistimien kanssa. Sen kohteena on suojapiiri, jolla voidaan rajoittaa kaiutin-5 elementin saamaa tehoa dynaamisesti niin, että yliohjaustilanteessa elementti ei pääse ylikuumenemaan jatkaen kuitenkin toimintaansa asetetun tehorajan puitteissa. Keksintö soveltuu suojaamaan kaiuttimia, joita käytetään olennaisesti virtaohjattuna, jolloin kaiutinta syöttävä signaali on olennaisesti virtasignaali eikä jännitesignaali kuten tavallisesti.

10 TAUSTAA: VIRTAOHJAUKSEN LAADULLINEN PAREMMUUS

Tänä päivänä kaikki kaupallisesti saatavat audiovahvistin- ja kaiutinlaitteet toimivat jänniteoh-jausperiaatteella ilman merkittäviä poikkeuksia. Tämä tarkoittaa, että vahvistin toimii jännitelähteenä ja omaa siten pienen ulostuloimpedanssin. Kuitenkin sekä teknilliset näkökohdat että kuun-15 telukokemukset osoittavat selvästi, että jänniteohjaus on väärä valinta, jos äänenlaatua pidetään tärkeänä. Syynä on, että kaiutinelementin tuottamat sähkömotoriset voimat (SMV) häiritsevät jännite/virta-muunnosta, joka jänniteohjausperiaatteessa on jätetty kaiuttimen tehtäväksi.

Kalvon liikkeeseen laittava ajovoima (F) on suoraan verrannollinen puhekelan läpi kulkevaan 20 virtaan (i) yhtälön F = Bli mukaan, missä tuloa Bl kutsutaan voimakertoimeksi (B = magneettivuon tiheys; / = langan pituus magneettikentässä). Jänniteohjatussa elementissä tämä virta tulee kuitenkin korruptoiduksi hyvin moninaisilla tavoilla.

Liikkuvakelaisen elementin sähköinen sijaiskytkentä voidaan esittää kuvan 1 mukaisesti. Rc ku-25 vaa puhekelan resistanssia, jännitelähde em edustaa elementin liike-SMV:tä (vasta-SMV), joka lasketaan: em = Blv (v = puhekelan nopeus), ja jännitelähde e, edustaa induktanssi-SMV:tä, joka on peräisin puhekelan häviöllisestä induktanssista.

em on yleensä hallitsevassa asemassa elementin toistoalueen alapäässä, ja e, on vastaavasti hallit-30 sevassa asemassa toistoalueen yläpäässä. Tyypillisessä kartio- tai kalottielementissä em:n ja e,:n itseisarvojen summa on koko käyttötaajuusalueella suuruudeltaan vähintään samaa luokkaa kuin jännitehäviö resistanssissa Rc.

Sekä em että e, ovat alttiita monille vakaville häiriötekijöille, minkä vuoksi nämä jännitteet eivät 35 seuraa toistettavaa signaalia lineaarisesti, vaan sisältävät hyvin monenlaisia särökomponentteja. Ohjattaessa kuvan 1 sijaiskytkentää tavanomaisella pienen antoimpedanssin omaavalla vahvistimella, joka vastaa toiminnallisesti jännitelähdettä, lähteet em ja e, sekä kaikki näiden sisältämät 2 epämääräiset särökomponentit moduloivat resistanssin If yli jäävää jännitettä ja siten piirissä kulkevaa virtaa seurauksin, jotka ovat äänenlaadulle hyvin vahingollisia kaikkialla maailmassa.

Sen sijaan ohjaamalla kuvan 1 sijaiskytkentää suuren antoimpedanssin omaavalla vahvistimella, 5 joka vastaa toiminnallisesti virtalähdettä, lähteet em ja e, sekä näiden sisältämät epämääräiset särökomponentit eivät pääse moduloimaan piirissä kulkevaa virtaa, joka määräytyy nyt suoraan ohjaavasta virtalähteestä, joka seuraa häiriöttömästi toistettavaa signaalia.

Seuraavat häiriötekijät sekoittavat puhekelan virtaa jänniteohjauksella mutta luonnollisesti eivät 10 virtaohjauksella: 1) Puhekelan toimiminen mikrofonina kotelon sisäpuolelta heijastuville ja kalvon läpi pääseville ääniaalloille 2) Puhekelan toimiminen mikrofonina vierekkäisistä elementeistä lähteville ääniaalloille 3) Liikkuvien osien mekaanisten ja pneumaattisten epäideaalisuuksien aiheuttamat hallitse-15 mattomat SMV-ilmiöt.

4) ^/-vaihtelusta johtuva impedanssin suuntakulman vaihtelu, joka aiheuttaa virtaan vaihemo-dulaatiota keskitaajuuksilla.

5) Poikkeama-asennosta riippuva puhekelan induktanssi, joka aiheuttaa virtaan sekä amplitudi- että vaihemodulaatiota 20 6) Puhekelan induktanssi riippuu signaalin voimakkuustasosta aiheuttaen epäharmonista säröä 7) Resistanssin muutokset johtuen lämpötilan vaihteluista ja valmistustoleransseista 8) Ohjelmasignaalista riippuvat kontaktiresistanssivaihtelut liittimissä ja kytkimissä

Yksityiskohtaista tietoa näistä jänniteohjauksen vakavista häiriömekanismeista ja virtaohjaukses-25 ta yleensä on saatavissa kirjassa: Esa Meriläinen: Current-Driving of Loudspeakers, CreateSpace 2010, USA (ISBN: 1450544002).

Kaiutinelementti toimii olennaisesti virtaohjaustilassa silloin, kun elementin näkemä impedanssi on suuri verrattuna elementin omaan impedanssiin niillä taajuuksilla, joita elementin on tarkoitus 30 toistaa. Toisin sanoen, jos elementin tilalle kytkettäisiin impedanssimittari, tämän tulisi näyttää mahdollisimman suurta impedanssin itseisarvoa. Tämän saavuttamiseksi vahvistimen antoimpedanssin on tietenkin oltava suuri, mutta lisäksi mahdollinen jakosuodatin on myös suunniteltava suuri-impedanssiseksi, jolloin kyseeseen tulevat lähinnä 1. kertaluvun suodattimet. (On huomattava, että täysin vastaavanlaiset rajoitukset koskisivat myös tavanomaisia jänniteohjausjäijestel-35 miä, mikäli niissä vastaavasti pidettäisiin kiinni elementin näkemän impedanssin pienuuden vaatimuksesta. Käytännössä tästä asiasta ei kuitenkaan juuri välitetä, jolloin elementin todellinen oh- 3 jaustila on usein jossain jännite- ja virtaohjauksen välimaastossa, yleensä kuitenkin lähempänä jänniteohjausta.)

Virtaohjausperiaate soveltuu siten käytettäväksi sekä aktiivi- että passiivikaiuttimissa siinä missä 5 jänniteohjausperiaatekin. On siksi hyvin valitettavaa, että edellä lueteltujen häiriömekanismien sallitaan vaikuttaa ja turmella äänenlaatua kaikissa nykyisissä äänentoistojäqestelmissä, joissa jänniteohjausta pidetään standardikäytäntönä fysiikan tosiasioista piittaamatta.

Virtaohjauksen käyttöönottoa on kenties rajoittanut ennakkoluulo, jonka mukaan bassoelementin 10 perusresonanssia ei voitaisi helposti vaimentaa jänniteohjaukseen liittyvän ns. sähköisen vaimennuksen jäädessä pois. Tarvittava resonanssivaimennus saadaan kuitenkin aikaan käyttämällä pienen mekaanisen ö-arvon omaavaa elementtiä, täyttämällä kotelo tehokkaalla vaimennusaineella ja käyttämällä tarkoitukseen sopivaa aktiivista tai passiivista vaimennuskytkentää, jolla basso- vaste voidaan hienosäätää kohdalleen.

15

Laajalle levinneen mutta vain toiveajatteluun perustuvan käsityksen mukaan vahvistimen ulostu-loimpedanssin pitäisi olla mahdollisimman pieni, jotta kalvon liike olisi "kontrolloitua" ja jotta elementin tuottamat SMV:t jotenkin häviäisivät olemattomiin. Fysikaalinen tosiasia on, että kalvon liikettä (tarkemmin sanottuna kiihtyvyyttä) voidaan hallita vain virralla, eikä sähkömotorisia 20 voimia itsessään voida koskaan vaimentaa vaimentamatta koko kaiutinta, yksinkertaisesti siksi, että laki em = Blv ei voi koskaan lakata pitämästä paikkaansa, käytettiinpä millaisia impedansseja tai piirejä tahansa. Sen sijaan vahingolliset SMV-peräiset virrat ovat se, mitä voidaan ja täytyy vaimentaa Ja tämä tehdään vain huolellisella virtaohjaussuunnittelulla.

25 NYKYISET SUOJAUSTEKNIIKAT

Nykyisin käytetyt kaiutinelementtien suojauskeinot ovat lähinnä elementin kanssa sarjaan kytkettäviä virranrajoittimia tai -katkaisijoita. Katkaisutoiminto saadaan aikaan sulakkeella tai releellä, joka irrottaa elementin keskimääräisen signaalitason ylittäessä tietyn rajan. Virran rajoit-30 tamiseksi on käytetty myös erilaisia lämpötilasta riippuvan resistanssin omaavia elimiä, kuten PTC-vastuksia, hehkulamppuja ja erityisesti tarkoitukseen kehitettyjä lämpöherkkiä komponentteja ("posistori").

Pelkästään elementin rinnalle kytkettäviä suojaelimiä ei sen sijaan ole mahdollista käyttää jänni-35 teohjatuissa kaiuttimissa, koska näissä elementin ohi johdettu virta ei vähennä elementin saamaa virtaa, vaan aiheuttaa vain lisäkuorman vahvistimelle.

4

Sulakkeiden ja releiden käyttö on mahdollista myös virtaohjauskaiuttimessa, mutta sulakkeiden hitaudesta ja releiden epätarkkuudesta johtuen aktivoitumisrajan asettaminen on hankalaa. Signaalin äkillinen katkeaminen ei myöskään ole usein toivottavaa.

5 Patenttihakemuksessa GB2115628A on esitetty tavanomaiselle jänniteohjauskaiuttimelle tarkoitettu suojakytkentä, jossa on sovellettu tasasuuntaussiltaa sekä jänniteherkkää kytkintä. Tasa-suunnattua signaalia ei kuitenkaan ole suodatettu mitenkään, jolloin kytkin liipaistuu jo ensimmäisestä rajan ylittävästä aallonharjasta.

10 KEKSINNÖN YLEISPERIAATE

Virtaohjaus tarjoaa mahdollisuuden käyttää rajoituselimenä myös transistoreita, sillä elementin ohi johdettu virta on poissa itse elementiltä. Tämä keksintö kuvaa keinon suojata virtaohjattavaa kaiutinelementtiä liialliselta teholta käyttämällä kuvan 2 mukaista suojakytkentäperiaatetta.

15

Suojattavan kohteen 1 yli oleva jännite tasasuunnataan kokoaaltotasasuuntaussillalla 2a-d, jonka tuottamaa jännitettä alipäästösuodatetaan tasaussuodattimella 3, jonka aikavakio vastaa suunnilleen suojattavan kohteen 1 puhekelan lämpenemisaikavakiota. Tasaussuodattimen 3 näin tuottamaa suojattavan puhekelan lämpötilan nousuun verrannollista jännitettä käytetään ohjainpiirin 4 20 välityksellä ohjaamaan tehotransistoria 5, joka kytkeytyy johtavaksi tasaussuodattimen 3 tuottaman jännitteen ylittäessä asetetun raja-arvon. Tehotransistorin 5 ollessa johtavana suojattavan kohteen 1 saama virta ja teho pysyvät sallituissa rajoissa, vaikka syötettävä virta 6 olisi paljon suurempi kuin suojattavan puhekelan sietämä virta.

25 KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS

Kuva 2 esittää keksinnön yksinkertaista sovellutusmuotoa, jossa rajoituselimenä käytetään teho-MOSFET-transistoria. Kuva 3 esittää muuten vastaavaa suojapiiriä kuin kuva 2, mutta lisäksi on otettu käyttöön yksinkertainen taajuuskorjaus. Kuva 4 esittää muuten vastaavaa suojapiiriä kuin 30 kuva 2, mutta toiminnan tarkentamiseksi on käytetty bipolaarista ohjaintransistoria. Kuva 5 esittää muuten vastaavaa suojapiiriä kuin kuva 4, mutta sekä ohjaintransistorina että tehotransistorina on käytetty ns. Darlington-pareja.

Kuvassa 2 vastus 7 ja kondensaattori 8 muodostavat tasaussuodattimen 3, joka tuottaa tasasuun-35 natusta jännitteestä likimääräisen lyhyen ajan keskiarvon. Vastus 9, joka on arvoltaan paljon pienempi kuin vastus 7, tarvitaan, jotta kondensaattori 8 latautuisi kohti mainitun tasasuunnatun jännitteen keskiarvoa huippuarvon sijaan. Keskiarvottava toiminta on parempi, sillä puhekelan ♦ 5 lämpeneminen määräytyy tehollisarvosta, ja huippuarvojen suhde tehollisarvoon vaihtelee käytännön aaltomuodoilla enemmän kuin tehollisarvon ja keskiarvon välinen suhde. (Tehollisarvo on aina keskiarvoa suurempi.) 5 Resistanssi 10 on suurempi kuin resistanssi 7, jotta kondensaattoria 8 ei suotta kuormitettaisi. Suojan reagointinopeus määräytyy tällöin aikavakiosta RC, missä R on vastuksen 7 resistanssi ja C kondensaattorin 8 kapasitanssi.

Diodiketjussa 11 syntyvä jännitehäviö asetetaan vastaamaan suojan aktivoitumiseen vaadittavan 10 (kondensaattorin 8) latausjännitteen ja MOSFETin 5 kynnysjännitteen erotusta.

Diodeja 11 käyttämällä suojan kytkeytyminen saadaan terävämmäksi, ja samalla riippuvuus MOSFETin 5 kynnysjännitteen hajonnasta pienenee. Pienimpien tehojen ollessa kyseessä diodeja 11 ei kuitenkaan voida käyttää, koska vaadittava jännitehäviö jäisi olemattomaksi.

15

Transistoriksi 5 kannattaa valita vähintään noin 10 ampeerin tyyppi, vaikka odotettavissa olevat virrat olisivat pienempiä, sillä mitä suurempi transkonduktanssi transistorilla 5 on, sitä tarkkara-jaisemmin suoja toimii. Kynnysjännitteen olisi oltava matala ja sen hajonnan kohtuullista. MOS-FETit ovat kuitenkin melko halpoja, joten kynnysjännitteitä on mahdollista hieman valikoida.

20 MOSFETin 5 jäähdytystarvetta voidaan arvioida vahvistimen maksimivirran ja suojattavan elementin 1 maksimijännitteen avulla. Suojan aktivoiduttua suurin osa häviötehosta kuluu kuitenkin vahvistimessa, jonka lämpösuunnittelussa oikosulun mahdollisuus on muutenkin otettava huomioon.

25

Suojattavan kohteen 1 impedanssin ollessa voimakkaasti taajuusriippuva tämän impedanssin yli oleva jännite ei vastaa kovin hyvin puhekelan resistanssissa häviävää jännitettä, josta puhekelan lämpeneminen määräytyy. Tällöin tarkkailtavaa jännitettä voidaan suodattaa ennen tasasuuntaus-ta ja keskiarvotusta. Esimerkki tällaisesta kytkennästä on kuvassa 3.

30

Vastukset 12, 13, 14 ja kondensaattori 15 muodostavat symmetroidun koijaussuodattimen 16, jolla on mahdollista vaimentaa korkeita taajuuksia 0-6 dB esim. puhekelainduktanssin kompensoimiseksi. Toisen puoliaallon aikana tasauspiiristö 17 saa jännitteensä koijaussuodattimelta 16 diodien 18 ja 2c kautta ja toisen puoliaallon aikana diodien 19 ja 2d kautta. Diodit 18 ja 19 voi-35 vat olla tavallisia piensignaalidiodeja kuten hilalle johtavat diodit 11.

Tasauspiiristö 17 ei saa kuormittaa liikaa suodatinta 16, eikä suodatin 16 puolestaan saa muodos- * 6 taa liian pientä impedanssia suojattavan elementin 1 rinnalle. Resistanssien 12 ja 14 ollessa vaikkapa joitakin satoja ohmeja resistanssin 9 olisi siten oltava ainakin joitakin kilo-ohmeja ja resistanssin 7 vastaavasti edelleen suurempi.

5 Suojan toimintaa on mahdollista vielä terävöittää ja kynnysjänniteriippuvuutta vähentää käyttämällä ohjaintransistoria tehotransistorin 5 edellä.

N-tyypin MOSFETin ohjaukseen voidaan käyttää PNP-transistoria kuten kuvassa 4. Tasaussuo-dattimen 3 referenssipotentiaalina toimii nyt positiivinen napa 20, ja suoja aktivoituu PNP-tran-10 sistorin 21 kanta-emitteri-jännitteen eli vastuksen 22 yli olevan jännitteen saavuttaessa tietyn rajan (n. 0,6 V), jolloin vastus 23 alkaa saada virtaa ja avaa MOSFETin 5.

Bipolaaritransistorien kanta-emitteri-jännitteen hajonta on pientä, joten toiminnan tarkkuus on hyvä pienilläkin tehoilla. Virtavahvistuskertoimella ei ole tässä suurta merkitystä, koska kantaa 15 ohj ataan lähinnä jännitteellä.

Aktivoitumiseen vaadittavan kantavirran 24 olisi kuitenkin oltava ainakin kertaluokkaa pienempi kuin vastuksen 22 virta, jonka olisi puolestaan oltava paljon pienempi kuin kondensaattoria 8 lataava virta, jonka taas on oltava pieni vastuksen 9 virtaan nähden. Kantavilta 24 voi siten olla 20 käytännössä vain joitakin mikroampeereja, joten häiriöiden välttämiseksi suurivirtaisia johtimia ei välttämättä kannata sijoittaa aivan ohjaintransistorin 21 läheisyyteen, vaikka kyse ei olekaan mistään tarkkuuspiiristä.

Rajoitetun jännitteen aaltomuoto on melko erilainen kuvien 4 ja 2 kytkennöillä, koska ohjain-25 transistorin 21 kollektorivirta ja siihen verrannollinen MOSFETin 5 ohjausjännite riippuvat hieman signaalin hetkellisarvosta. Kuvan 4 kytkentä toimii leikkaamalla pehmeästi tietyn rajan ylittävät signaalihuiput, kun taas kuvan 2 kytkentä pyrkii leikkaamaan aaltoja tyvestä päin jättäen huippujen muodon lähes ennalleen.

30 Ohjaintransistorin käyttö tekee mahdolliseksi käyttää tehotransistorina myös bipolaarista Dar-lington-paria kuten kuvassa 5. Jotta tälle parille saataisiin riittävästi kantavirtaa, voidaan ohjain-transistorinakin käyttää Darlington-transistoria. Aktivoitumiseen vaadittava kantajännite on tällöin kuitenkin kaksinkertainen kuvaan 4 verrattuna.

35 Kuvassa 3 esitetty koijaussuodatin 16 voidaan lisätä myös kuvien 4 ja 5 kytkentöihin, kunhan eri asteiden kuormitettavuus huomioidaan.

Claims (4)

1. Virtaohjausperiaatteella toimivalle kaiuttimelle soveltuva kaiuttimen suojapiiri, joka tark- kailee ja rajoittaa kaiutinjäijestelmässä esiintyvää signaalijännitettä, tunnettu siitä, että mainittu suojapiiri sisältää - tasasuuntaussillan (2a-d), jonka vaihtojännitenavat on kytketty mainittuun signaali- 10 jännitteeseen ja jolla tasasuuntaussillalla on plusnapa ja miinusnapa. - tehotransistorin (5), joka auki ollessaan johtaa virtaa mainitun plusnavan ja mainitun miinusnavan välillä. 15. ainakin yhden RC-aikavakiopiirin (3) mainitun suojapiirin reagointinopeuden aset tamiseksi niin, että mainitun signaalijännitteen voimakkuus voi lyhytaikaisesti ylittää mainitun suojapiirin staattisen aktivoitumisrajan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suojapiiri, tunnettu siitä, että mainittua signaalijännitettä 20 suodatetaan ennen tasasuuntaamista ja johtamista mainitun tehotransistorin (5) ohjaamisesta huolehtiville piireille.

3. Kaiutin, tunnettu siitä, että se sisältää patenttivaatimuksen 1 mukaisen suojapiirin.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kaiutin, tunnettu siitä, että mainittua signaalijännitettä suodatetaan ennen tasasuuntaamista ja johtamista mainitun tehotransistorin (5) ohjaamisesta huolehtiville piireille.