Einschaltverzögerung und DC-Schutz für Hifi-Verstärker - die optimale Lautsprecherschutzschaltung
8LSS27: Lautsprecher-Schutzschaltung
8 Transistoren, 27 Bauteile gesamt
Die Schaltung besteht aus einem DC-Detektor (T1-4), der nicht von mir entwickelt wurde, und aus einer steuerbaren einseitig zeitverzögernden Kippstufe mit automatischer Rückstellung (T5-8), die für verzögertes Einschalten sowie unverzügliches Abschalten der Lautsprecherrelais sorgt. Ein zusätzlicher Trafo wird nicht benötigt. Die Schaltung ist für stereo ausgelegt.
Sinn und Zweck
Hifi-Endstufen besserer Qualität haben eine symmetrische Betriebsspannung. Das bedeutet, daß der Masse-Anschluß (auf den sich sowohl Eingang als auch Lautsprecher beziehen) nicht der gleichspannungsmäßig negativste Punkt ist, sondern den Mittelpunkt zwischen Plus und Minus darstellt. Das Netzteil hat demnach drei Anschlüsse: Plus, Minus und Masse, anstatt nur Plus und Masse. Die Mittelpunktspannung der Endstufe liegt also auf Massepotential. Anders gesagt: im Ruhezustand ist die Ausgangsspannung gegenüber Masse gleich null. Daher wird auch kein Auskoppelelko zum Sperren der Gleichspannung zum Lautsprecher benötigt. Die tonfrequente Wechselspannung entsteht durch abwechselndes Durchsteuern der Gegentaktendstufe in Richtung positiver und negativer Betriebsspannung, was an sich keinen Unterschied gegenüber einer Endstufe mit einfacher Betriebsspannung und Auskoppelelko macht. Große Auskoppelelkos mit ihrem endlichen Leitwert in Richtung tiefer Frequenzen entfallen also bei symmetrischer Betriebsspannung. Die Dämpfung des Lautsprechers durch den Innenwiderstand der Endstufe, sowie die Qualität der Tiefbässe sind nun optimal. Die Zuverlässigkeit steigt, weil Elkos altern können; ihre Kapazität kann ertauben oder es kann unter ungünstigen Umständen nach längerer Lagerung und plötzlicher voller Spanung einen Kurzschluß geben.
Beim Einschalten würde es allerdings den gefürchteten Einschaltplopp geben, wenn dieser nicht schaltungstechnisch unterdrückt wird, was sich bei näherer Betrachtung als Umstand erweist. Viel gravierender ist noch das Risiko eines Kurzschlusses in der Endstufe, sei es etwa durch durch Hitze oder mechanische Einwirkungen. Um den Vorteil einer DC- gekoppelten Endstufe zur Geltung zu bringen, sollte man eine Schutzschaltung einbauen. Beim Einschalten wird der Lautsprecher verzögert über ein Relais eingeschaltet. Wird eine Gleichspannung am Lautsprecheranschluß detektiert, dann schalten die Lautsprecher sofort ab, sodaß sie keinen Schaden nehmen können.
Wenige Sekunden nach dem die Trafo-Sekundärspannung vorhanden und die Gleichspannung an den Ladeelkos hochgelaufen ist, schaltet das Lautsprecherrelais ein. Nach dem Ausschalten der Netzspannung fällt es praktisch sofort wieder ab, lange bevor die Gleichspannung einen kritischen Wert erreicht. Auch verschiedene Störungen führen zum sofortigen Abfallen des Relais:
* bei einer Gleichspannung von mehr als +- 0,6V auf der Lautsprecherleitung
* ggf. schon bei starker Übersteuerung des Verstärkers (mit der Wahl des Vorwiderstandes beeinflußbar)
* falls die Betriebsspannung unter die eingestellte Relais-Betriebsspannung sinken sollte und weiter fällt
* wenn die Trafo-Sekundär-Wechselspannung abfällt.
Die Schaltung wird direkt durch den Einschaltvorgang wieder zurückgesetzt, sodaß niemals Störungen aufgrund zu kurzer Schaltzeiten auftreten können. Die Relaisspannung wird zudem stabilisiert, sodaß das Relais nie überlastet wird. Wenn der Verstärker mit einer Gleichspannungsquelle betrieben werden soll, dann kann man einfach den Wechselspannungseingang der Schaltung mit +UB verbinden.
Die Wahl der Bauteile
Sämtliche Bauteile sind auf Dauer leicht und billig beschaffbar. Die benötigte Relaisspannung richtet sich nach der zur Verfügung stehenden Elko-Talspannung bei Vollast des Verstärkers, in den die LSS eingebaut werden soll. Für einen Trafo mit 2 x 24V~ eignet sich ein 24V-Relais am besten. Mittels einer Regelschleife liefert die Schaltung jede gewünschte Relaisspannung in stabilisierter Form. Eine Z-Diode wird jeweils auf die Relaisspannung abgestellt und eine zweite genau auf die Hälfte. Für T8 eignet sich jeder Transistor mittlerer Leistung, wie z.B. BD140 oder BD238. BD244 müßte auch gehen. Der Transistor kommt normalerweise ohne Kühlung aus und wird kaum warm, außer, es handelt sich um ein besonders schweres Relais oder eines mit im Verhältnis niedriger Spannung. Für Stereo kann man natürlich nach Belieben Relais in Reihe oder parallel schalten. Die Kleinsignaltransistoren sind B-Typen; dies ist aber unkritisch. Der getestete BD140 ist ein 16er Typ und auch unkritisch. Die Relais sind für 30V/10A DC Schaltleistung ausgelegt. Die Strombelastung der Schaltung ist bis 100mA getestet. Zu beachten ist die Leistung der Widerstände R4 und R5: Ab einer Betriebsspannung über 42V sollten 0,5 Watt -Typen eingebaut werden.
Aufbau und Einbau
Mit C3 (33µF) kann die Einschaltverzögerungszeit beeinflußt werden. Sie beträgt etwa 1s pro 10µF. Sollte die Schaltung bei lauter Musik schon ansprechen, dann sollte man R1 und R2 erhöhen. Bei großer Differenz zwischen Betriebsspannung und Relaisspannung kann T8 heiß werden; dann sollte man einen Kühlkörper spendieren. Der „U~“ - Anschluß des Moduls wird direkt an einen der Anschlüsse des Trafos, also vor dem Gleichrichter angeschlossen. Der „+UB“ - Anschluß kommt an die +UB des Verstärkers (Ladeelko), es wird also nur ein Pol der symmetrischen Betriebsspannung verwendet. Die Anschlüsse „NF-L“ und „NF-R“ kommen direkt an die Lautsprecherklemmen.
Der Schaltplan der Lautsprecherschutzschaltung 8LSS27 (neue Version):
Die Zeichnung ist überarbeitet worden, geändert hat sich nichts weiter, C4 ist eh unkritisch. Die "durchstochenen" Transistoren T1 und T3 sind einfach nur mit ihrer Basis an die durchgeführte Leitung angeschlossen. Zeichnerisch ist das quasi als letztes Mittel zulässig. Eine bessere Lösung finde ich nicht, würde sonst nur unübersichtlich werden. - Juni 2019
Schaltungsbeschreibung
Wenn +UB und U~ anliegen, dann wird U~ über D1 (1N4148) einweg-gleichgerichtet und lädt über R3 (100k) den Elko C3 (33µF) auf. Da in diesem Moment alle Transistoren der Kippstufe sperren, liegt die Kathode C3 wenigstens über R5 (2,2k) verhältnismäßig zu R3 gegen Masse. Sobald an T7 (BC546B) die UBE (0,6V) + UAK D1 (z.B.12V) erreicht werden, steuert T7 leicht durch. In der Folge wird auch T8 (BD140) leitend. Über den Spannungsteiler R4 (auch 2,2k) und R5, sowie C3 wird der Spannungsanstieg auf die Basis T7 mitgekoppelt und die Schaltung kippt gerade um. Bei Erreichen der gewünschten Relaisspannung wird ZD2 (24V) leitend und wirkt als Gegenkopplung auf die Basis T6 (BC547). T6 stabilisiert dann die gleichgerichtete U~ auf 13,2V (UZD + 2xUBE ). Geglättet wird diese Spannung weiterhin durch den Ladeelko C3. Dieser hat nun an seiner Kathode eine Spannung von 12,3V ([UZD2 + UBET6] / 2); somit ist er noch auf + 0,9 V aufgeladen, anders gesagt: C3 hat sich über T8, den Spannungsteiler und T6, wie oben versprochen, schon beim Einschaltvorgang wieder entladen. Da die Mitkopplung nur kapazitiv über C3 erfolgte, hängt der leitende Zustand der Kippstufe nun alleine von U~ ab. Sinkt seine Ladespannung nur geringfügig (nämlich weil U~ aus ist), dann geht T7 sofort aus und die Schaltung kippt zurück in den Ursprungszustand. Sinkt aber UB alleine (obwohl sie das nicht dürfte) einigermaßen zügig, dann wird die sinkende Relaisspannung über C3 mitgekoppelt und alles ist aus. R8 ist wichtig, um eine unerwünschte Rückkopplung zu verhindern. Nebenbei sollen an ihm 0,6V abfallen, um die Relaisspannung zu idealisieren und es ist es ein Schutzwiderstand, falls es mal einen Kurzschluß geben sollte. C5 bildet mit R8 ein Dämpfungsglied das Störeinkopplungen und Schwingneigungen wirksam unterdrückt. D4 leitet den Leerlaufstrom des Relais ab. Sie sorgt für Schutz gegen Überspannung an T6, falls das verwendete Relais mehr als 40mA hat. R9 sorgt für einen definierten Kollektorstrom von T7 - dadurch wird das Schaltverhalten merklich stabilisiert.
Lageplan:
Zur Beachtung: Die Kreuzungen sind ohne Punkt verbunden!
21.12.2020
Dank der Aufmerksamkeit eines Lesers ist eine überflüssige Verbindung im Lageplan zwischen T3 und T4 entdeckt worden. Nun ist sie beseitigt.
18.06.2022
1) Im Lageplan war R8 doppelt - es handelt sich um R9 - behoben.
2) Ein freundlicher Leser bemerkte, daß im Lageplan die Freilaufdiode D4 nicht hinter R8 (15R) wie im Schaltplan, sondern direkt am Relais angeschlossen ist. Das ist aber kaum von Bedeutung. Im Schaltplan hat es so besser gepaßt und im Lageplan eben so. Ich lasse es erstmal so.
.
...
Fortsetzung
Hinweise für den Betrieb mit einem 2x42V - Trafo:
R4 = 4,7k
R5 = 4,7k
R1, R2 = 33k
C1, C2 = 47µ
C3 = 22µ
*****
Schaltpläne zu entwickeln kostet unendlich viel Zeit, Mühe und Geld. Es ist meine Leidenschaft. Wenn Sie / Ihr meine Arbeit mit einer kleinen Spende unterstützen würdet, würde ich mich sehr freuen:
https://www.paypal.me/Elektronikinstitut
Vielen herzlichen Dank für Ihre / Eure Hilfe. Bisher habe ich in 10 Jahren 3 x 10€ erhalten.
Aktualisiert am 18.06 2022