JP4191077B2 - スピーカ保護回路およびスピーカ保護方法 - Google Patents

Description

本発明はオーディオ機器に関し、特にオーディオシステムにおけるスピーカに定格を超える過大な駆動出力を供給し続けて物理的な破壊又は破損を防止するスピーカ保護回路および保護方法に関する。

オーディオシステムは、一般にＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ(Mini
Disc)又は磁気テープ等の記録媒体に記録された音楽等の音源を再生し又はＦＭ放送等の放送媒体からのプログラムを受信して得たオーディオ入力信号を増幅器で増幅してスピーカを駆動する。そのために、一般的なオーディオシステムは、録音再生部又は放送受信部、増幅部および電気信号を音響信号に変換するスピーカを含む出力部により構成されている。

斯かるオーディオシステムにおいて、スピーカおよびこれを駆動する増幅器等は、安定的な動作を保証する定格を有する。従って、この定格を超えて過大な動作を連続的に行うと、増幅器を構成する半導体デバイス等の電子部品が過熱して回復不可能な破壊に至らしめ又はスピーカのボイスコイルの焼損や振動板（コーン）の物理的破壊を生じさせることとなる。そこで、何らかのトラブルが生じても、オーディオシステムを構成する部品、特に出力段の増幅器およびスピーカを、それらの定格を超えて動作させないための保護回路が必要になる。

斯かるオーディオシステムの構成部品の保護に関する従来技術は、多くの技術文献に開示されている。ＢＴＬ（Balanced Transformerless）電力増幅器における入力信号の直流異常電圧を検知すると、それをクリップ回路でクリップし、このクリップ時間をタイマ回路で計測する。そして、このクリップ時間が予め設定された所定時間以上にわたり継続すると、自動的に出力をオフとするスピーカの保護回路が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、パワーアンプ出力段に流れる過大電流やパワーアンプ出力信号ラインにおける直流電圧の発生、電源電圧の異常変動に対して、電源の一次側にパワーリレーを配置し、パワーアンプの出力側にスピーカリレーを配置する。そして、電圧検出器および電流検出器で各部の異常を検出すると、これらのリレーをオフにするオーディオ用アンプの保護回路が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０００−１５２３６７号公報（第３頁、第１図） 特開平９−１６２６４９号公報（第３−５頁、第１図）

スピーカに出力される信号の最大電圧振幅レベルは、増幅器に供給される電圧（Ｖin）によって決まる。スピーカのインピーダンスをＺ、増幅器の増幅効率をηとすると、歪みのない音で再生時のスピーカに加わる電力Ｐは、Ｐ＝Ｖin２×η／（８×Ｚ）となる。

これに対して、スピーカに供給される最大電力Ｐmaxは、Ｐmax＝Ｖin２×η／（４×Ｚ）となり、歪みのない再生時より２倍の出力がスピーカに供給されることになる。このため、従来では、スピーカの物理的許容は、増幅器が出力する最大電力まで必要となり、スピーカの物理的強度およびスピーカと増幅器の発熱を保証するのが困難であった。また、スピーカの過大な駆動があると、リレーその他の手段で自動的に出力を遮断すると、スピーカからの音量の急激な変化のために、それを聴いているオペレータ又はオーディオシステムのユーザに不快感を与えることとなるという課題があった。

本発明は従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、上述した課題を克服又は軽減するスピーカ保護回路および保護方法を提供することを主たる目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明によるスピーカ保護回路およびスピーカ保護方法は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）オーディオ入力信号を可変増幅率増幅器および出力増幅器で増幅して駆動されるスピーカが過大な出力で駆動されるのを防止するスピーカ保護回路において、
前記スピーカを駆動する前記出力増幅器の出力電力を検出して定格オーバー検出信号を発生する電力検出回路と、
該電力検出回路から出力される前記定格オーバー検出信号を受け、該定格オーバー検出信号が予め設定された所定時間以上継続するとき所定傾斜で徐々に立ち上がり、前記定格オーバー検出信号がなくなると所定傾斜で立ち下がる音量制限信号を発生するタイマ回路とを備え、
前記音量制限信号のレベルに応じて前記可変増幅率増幅器の増幅率を制御するスピーカ保護回路。

（２）前記電力検出回路は、前記出力増幅器の出力信号を平滑する平滑フィルタおよび該平滑フィルタの出力信号を前記スピーカの定格と比較する比較器を含む上記（１）のスピーカ保護回路。

（３）前記タイマ回路は、前記定格オーバー検出信号を予め設定した時間と比較して前記音量制限信号の立ち上がり時間に対応する不感帯時間を設定する比較器および前記音量制限信号の立ち上がりおよび立ち下がり傾斜を設定するフィルタを備える上記（１）又は（２）のスピーカ保護回路。

（４）前記タイマ回路から出力される音量制限信号により駆動され、前記スピーカの音量が制限されている状態であることを示す表示器を備える上記（１）、（２）又は（３）のスピーカ保護回路。

（５）前記可変増幅率増幅器は、前記音量制限信号により増幅率が制御される第１可変増幅率増幅器およびオペレータにより増幅率が制御される第２可変増幅率増幅器を含む上記（１）乃至（４）の何れかのスピーカ保護回路。

（６）オーディオ入力信号を増幅する可変増幅率増幅器および出力増幅器で増幅された出力信号で駆動されるスピーカおよび関連素子を保護するスピーカ保護法方法において、
前記出力増幅器の出力信号を前記スピーカの定格と比較して定格を超えるとき定格オーバー検出信号を発生するステップと、
前記定格オーバー検出信号に所定の不感帯時間を付与して立ち上がるアラーム信号を発生するステップと、
前記アラーム信号の前記立ち上がりおよび立ち下がりに所定の傾斜を付与して徐々に変化させる音量制限信号を発生するステップと、
前記音量制限信号のレベルに応じて前記可変増幅率増幅器の増幅率を制御するステップと
を含むスピーカ保護法方。

（７）前記アラーム信号に基づき前記スピーカ保護状態をオペレータに表示する表示ステップを更に含む上記（６）のスピーカ保護法方。

本発明のスピーカ保護回路および保護方法によると、次の如き種々の実用上の顕著な効果が得られる。先ず、音量制御スイッチが最大音量の設定状態で、過大なオーディオ信号が入力され続けても、スピーカの物理的破壊やスピーカおよび出力増幅器の発熱を抑えることが可能である。その理由は、増幅器の出力レベルを監視し、スピーカの定格を超える場合には、オーディオ入力信号レベルを抑えるようにフィードバックしているためである。また、音量が下がったとき、スピーカ保護回路が動作したか否か容易に判別可能である。その理由は、スピーカ保護回路が動作中であることを外部に表示する表示手段を設けているためである。更に、スピーカの定格を瞬間的に超えた場合には、直ちに音量が下がって不快な再生音を生じることがない。その理由は、定格オーバー検出信号が所定時間以上継続して発生しないとタイマ回路から音量制限信号を出力しないためである。

以下、本発明によるスピーカ保護回路および保護方法の好適実施例の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１は、本発明によるスピーカ保護回路の好適実施例を含む代表的なオーディオ回路の全体構成を示すブロック図である。このオーディオ回路１０は、オーディオ入力端子１１、第１増幅器（増幅器Ａ）１２、第２増幅器（増幅器Ｂ）１３、出力増幅器（ＡＭＰ）１４、スピーカ１５、音量制御スイッチ１６、電源回路１７、電力検出回路２１、タイマ回路２２および表示器２３により構成される。この特定実施例では、第１増幅器１２、第２増幅器１３および出力増幅器１４は、縦続接続されている。また、第１増幅器１２、電力検出回路２１、タイマ回路２２および表示器２３によりスピーカ保護回路２０を構成する。

ここで、電力検出回路２１は、出力増幅器１４からの出力レベルを監視し、タイマ回路２２に定格オーバー検出信号を発生する。タイマ回路２２は、第１増幅器１２と電力検出回路２１に接続され、電力検出回路２１から定格オーバー検出信号が所定時間以上継続する場合、即ち出力増幅器１４からスピーカ１５の定格を越える出力レベルが所定時間以上継続する場合に、音量制限信号を発生する。第１増幅器１２は、オーディオ入力端子１１と第２増幅器１３とのオーディオ信号ライン間に設けられ、タイマ回路２２からの音量制限信号レベルに応じて増幅率を下げて、第２増幅器１３へのオーディオ信号振幅レベルを抑える。

また、タイマ回路２２は、表示器２３にも接続され、出力増幅器１４からスピーカ１５の定格を越える出力レベルが所定時間以上継続する場合に、表示器２３に対して音量制限信号を発生する。即ち、表示器２３は、スピーカ保護回路２０が動作中であることを外部に表示する。表示器２３の具体的な構成は、例えば音量制限信号で発光するＬＥＤ（発光ダイオード）等でもよい。

次に、図２は、図１に示す電力検出回路２１の詳細な構成を示すブロック図である。この電力検出回路２１は、例えば平滑フィルタ２４および比較器２５の組合せで構成される。平滑フィルタ２４は、出力増幅器１４からスピーカ１５に出力される交流出力信号を平滑させ直流の実効値に変換して、比較器２５に対して出力する。比較器２５は、予め定められたスピーカ１５の定格電力値と比較して、平滑フィルタ２４から出力される実効値がこれを越えた場合には、定格オーバー検出信号をタイマ回路２２に対して出力する。

次に、図３は、図１中のタイマ回路２２の詳細な構成を示すブロック図である。このタイマ回路２２は、例えば比較器２６およびフィルタ２７の組合せで実現できる。図３において、タイマ回路２２の比較器２６は、電力検出回路２１から出力される定格オーバー検出信号の継続が、予め定められた設定時間を超えた場合に、アラーム信号を出力する。フィルタ２７は、このアラーム信号の切り替わりの遷移を緩やかにして、音量制限信号として第１増幅器１２に対して出力する。

次に、図４のフローチャートを参照して、図１に示すオーディオ回路１０およびスピーカ保護回路２０の動作を説明する。尚、オーディオ入力端子１１には、上述した再生装置又は放送受信回路等の音源からオーディオ信号が入力される。そして、オーディオ回路１０は、通常状態では、入力されたオーディオ信号を第１増幅器１２、第２増幅器１３および出力増幅器１４で順次所定の増幅率で増幅して、出力増幅器１４からのオーディオ出力信号でスピーカ１５を駆動する。オペレータ（即ち、オーディオ機器のユーザ）は、音量制御スイッチ１６を操作することにより、第２増幅器１３の増幅率を制御して希望する音量に設定する。即ち、通常状態のオーディオ入力端子１１に入力されるオーディオ信号の総合増幅率を制御して、最終的にスピーカ１５を駆動する出力信号を得る。

スピーカ保護回路２０の動作を説明する。先ず、電力検出回路２１は、出力増幅器（ＡＭＰ）１４からの出力信号（即ち、スピーカ１５の駆動信号）を常に監視し、この出力又はスピーカ駆動信号がスピーカ１５の定格をオーバーしたか否かを判定する（ステップＳ１）。スピーカ１５の定格をオーバーした場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）には、定格オーバー検出信号を発生する（ステップＳ２）。

次に、タイマ回路２２は、予め設定された時間を超えて定格オーバー検出信号が出力されたか否かを監視する（ステップＳ３）。設定時間を超える場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）には、音量制限信号を発生させる（ステップＳ４）。そこで、第１増幅器１２は、音量制限信号のレベルに応じてオーディオ入力信号に対するその増幅率を下げて、出力増幅器１４の出力信号をスピーカ１５の定格を超えないレベルまで抑えると共に音量制限信号発生時には、スピーカ保護回路２０が動作していることを表示器２３で表示警告する（ステップＳ５）。

以下、本発明によるスピーカ保護回路２０の各部の動作波形図を示す図５を参照して詳細に説明する。図５において、（ａ）はオーディオ入力端子１１から第１増幅器１２に入力されるオーディオ入力信号、（ｂ）は電力検出回路２１の入力信号、（ｃ）は電力検出回路２１の平滑フィルタ２４の出力信号、（ｄ）は比較器２５が発生する定格オーバー検出信号、（ｅ）は比較器２６が発生するアラーム信号および（ｆ）はタイマ回路２２のフィルタ２７から出力される音量制限信号の具体例である。

通常、オペレータが、音量制御スイッチ１６をある程度大きい値に設定にして、増幅されたオーディオ出力信号でスピーカ１５を駆動すると、ノイズや電源電圧の変動により、瞬間的にスピーカ１５の定格を超える場合がある。過敏な音量変更は、本来の音量バランスを崩し、オペレータに不快感を与えてしまう。

ここでは、スピーカ１５の物理的許容と発熱も考慮し、例えば５秒間はスピーカ１５の定格を超えてもスピーカ保護回路２０を動作させない不感帯時間を設定する。出力増幅器１４の出力がスピーカ１５の定格を超える時間が５秒を超えると、スピーカ１５を物理的破壊や発熱から保護するためオーディオ入力信号の増幅率を下げて出力増幅器１４の出力をスピーカ１５の定格以内に抑える。また、ここでは、スピーカ１５の定格電力を３Ｗと仮定する。

図５において、時間軸（横軸）の時刻Ｔ０〜Ｔ１において、出力増幅器１４の出力信号は、平滑フィルタ２４により平滑され、比較器２５でスピーカ定格値（３Ｗ）と比較される。電力検出回路２１は、出力増幅器１４からの出力信号（図５（ｂ）参照）がスピーカ１５の定格を超えていないため、定格オーバー検出信号を出力しない。

次に、時刻Ｔ１〜Ｔ３では、時刻Ｔ１以降オーディオ入力端子１１のオーディオ入力信号の増大に伴い、出力増幅器１４の出力信号が増加する。平滑フィルタ２４により平滑された値がスピーカ定格値である３Ｗを超えたため、比較器２５から定格オーバー検出信号が発生する（図５（ｃ）参照）。

時刻Ｔ１〜Ｔ２において、タイマ回路２２の比較器２６は、直ちにアラーム信号を発生させず、設定時間分の不感帯時間を持つ。例えば設定時間を５秒とすると、スピーカ１５の定格を超え続けても、５秒間はアラーム信号を出力しないので、第１増幅器１２に対する音量制限信号は発生しない。

時刻Ｔ２〜Ｔ３において、不感帯時間である５秒を超えて定格オーバー検出信号が発生し続けているので、タイマ回路２２の比較器２６からアラーム信号が発生する。時刻Ｔ２からアラーム信号が発生し、この切り替わり遷移をフィルタ２７で緩やかにして、徐々に音量が絞られるような音量制限信号を発生する（図５（ｆ）参照）。この音量制限信号を受けて第１増幅器１２は、オーディオ入力信号の増幅率を下げ、出力増幅器１４の出力信号を抑える。また、音量制限信号の発生が外部の表示器２３に送られ、スピーカ保護回路２０が動作中であることをＬＥＤ等の表示器２３の点灯でオペレータに警告する。

時刻Ｔ３から、出力増幅器１４の出力信号がスピーカ１５の定格以下に抑えられて、比較器２５からの定格オーバー検出信号の発生が止まる。これにより、タイマ回路２２の比較器２６からのアラーム信号の発生も止まる。従って、タイマ回路２２のフィルタ２７は、時刻Ｔ４までに徐々に音量制限信号を解除していく。

以上、本発明によるスピーカ保護回路および保護方法の好適実施例の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明によるスピーカ保護回路が適用されたオーディオ回路の構成を示すブロック図である。 図１中の電力検出回路の具体例を示すブロック図である。 図１中のタイマ回路の具体例を示すブロック図である。 本発明のスピーカ保護回路の動作を説明するフローチャートである。 本発明によるスピーカ保護回路の主要回路部分の動作波形図である。

符号の説明

１０ オーディオ回路
１１ オーディオ入力端子
１２ 第１増幅器
１３ 第２増幅器
１４ 出力増幅器
１５ スピーカ
２０ スピーカ保護回路
２１ 電力検出回路
２２ タイマ回路
２３ 表示器
２４ 平滑フィルタ
２５、２６ 比較器
２７ フィルタ

Claims (7)

1. オーディオ入力信号を可変増幅率増幅器および出力増幅器で増幅して駆動されるスピーカが過大な出力で駆動されるのを防止するスピーカ保護回路において、
   前記スピーカを駆動する前記出力増幅器の出力電力を検出して定格オーバー検出信号を発生する電力検出回路と、
   該電力検出回路から出力される前記定格オーバー検出信号を受け、該定格オーバー検出信号が予め設定された所定時間以上継続するとき所定傾斜で徐々に立ち上がり、前記定格オーバー検出信号がなくなると所定傾斜で立ち下がる音量制限信号を発生するタイマ回路とを備え、
   前記音量制限信号のレベルに応じて前記可変増幅率増幅器の増幅率を制御することを特徴とするスピーカ保護回路。
2. 前記電力検出回路は、前記出力増幅器の出力信号を平滑する平滑フィルタおよび該平滑フィルタの出力信号を前記スピーカの定格と比較する比較器を含むことを特徴とする請求項１に記載のスピーカ保護回路。
3. 前記タイマ回路は、前記定格オーバー検出信号を予め設定した時間と比較して前記音量制限信号の立ち上がり時間に対応する不感帯時間を設定する比較器および前記音量制限信号の立ち上がりおよび立ち下がり傾斜を設定するフィルタを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピーカ保護回路。
4. 前記タイマ回路から出力される音量制限信号により駆動され、前記スピーカの音量が制限されている状態であることを示す表示器を備えることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のスピーカ保護回路。
5. 前記可変増幅率増幅器は、前記音量制限信号により増幅率が制御される第１可変増幅率増幅器およびオペレータにより増幅率が制御される第２可変増幅率増幅器を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のスピーカ保護回路。
6. オーディオ入力信号を増幅する可変増幅率増幅器および出力増幅器で増幅された出力信号で駆動されるスピーカおよび関連素子を保護するスピーカ保護方法において、
   前記出力増幅器の出力信号を前記スピーカの定格と比較して定格を超えるとき定格オーバー検出信号を発生するステップと、
   前記定格オーバー検出信号に所定の不感帯時間を付与して立ち上がるアラーム信号を発生するステップと、
   前記アラーム信号の前記立ち上がりおよび立ち下がりに所定の傾斜を付与して徐々に変化させる音量制限信号を発生するステップと、
   前記音量制限信号のレベルに応じて前記可変増幅率増幅器の増幅率を制御するステップと
   を含むことを特徴とするスピーカ保護方法。
7. 前記アラーム信号に基づき前記スピーカ保護状態をオペレータに表示する表示ステップを更に含むことを特徴とする請求項６に記載のスピーカ保護方法。

Images