原创 采用临界电阻检测法的输出保护装置

    在晶体管功率放大器的返修机当中，超过百分之九十是功放输出级出问题，功放输出管损毁的又占了其中的百分之九十以上。现在市面上销售的晶体管功放机的输出保护装置都是采用传统的临界电流检测法，而它有很多不足之处。

    因晶体管功放机的负载是需要用户外接的，麻烦就出现在负载外接这个问题上。例如：一台原设计额定负载阻抗为8Ω的晶体管功放，用户有可能将4Ω甚至2Ω的音箱接上；也有可能在接线时不小心将输出端短路；还有些用户使用晶体管功放在大功率状况下长时间运作，使扬声器音圈产生高温损坏绝缘层而造成音圈局部短路，从而使其阻抗变小；或者用户使用了品质低劣的扬声器，在正常使用过程中发生故障造成短路过载。一旦发生上述情况，除非功放的输出余量超常，否则由于阻抗变小，严重过载而使输出管工作于安全区以外，令输出管即时损毁。为了确保其安全，必须保证它在任何时刻(指负载阻抗在0至∞区内)都工作于安全区，下面用图解法和等效电路分析构成晶体管工作安全区之诸因素，并从中找出确保功放输出管工作于安全区的主要因素。

    图2中的R1是输出管的等效内阻，它的等效值约在0至∞之间，它的极限功耗是150W。R2是负载阻抗。R3是电源内阻，而一般电源内阻的阻值在0.1Ω到0.5Ω之间。从图2可推导出R1+R2+R3为输出回路的等效内阻。通过等效电路可得出以下结论：决定电路电流的最大值和R1的最大功耗有以下几个因素：  (1)电源电压；(2)电源内阻；(3)输出管的等效内阻； (4)负载阻抗。其中(1)项、(2)项是设计时根据实际需要确定的，可视为固定值。  (3)项是由输入讯号(驱动电流)确定的，其等效内阻可能在0到∞之间变动，是不可置定的。  (4)项对生产者来说应该是固定值，但产品到用户手上就不是那么回事，这是核心所在。通过图1可以看出，如果沿用传统临界电流检测法只限制功放管Ic的最大值是无法保证输出管在任何时刻都工作于安全区内。以图1给出的数据为例，如果以临界电流检测法来保护输出管的安全，那只能将临界电流值置于3A以下，但此时输出管的输出能力将大打折扣。若将临界电流值置于8A点上，当负载阻抗等于2Ω时，而电流又接近8A，输出管的功耗达到34V X 8A≈272W，早已超功耗极限值的150W，这就是过载时所产生的后果；还有另一种可能，当输入信号电压值在某一范围内时(即能使输出管的等效内阻大于6.3Ω又小于15Ω时的对应值)，即使输出端短路，输出回路的电流也不会超出8A这个临界值。届时，如果输出管的等效内阻约等于6.3Ω时，输出管的功耗将是50V X 8A≈400W，这么大的功耗后果是显而易见，而在输出管的等效内阻等于15Ω时，输出回路的电流将是50V÷15Ω≈3.3A；此时输出管的功耗是50V X 3.3A≈165W，依然还是超出安全区。或者有人提出这样的问题，电流不可能老是停在这个值上，答案是肯定的。因为电流是随着输入信号的变化而变化的，当电流能够超过临界值的，传统的保护电路也会动作，但电流也有可能长时间在临界点附近。由于晶体管本身固有的特点，当它工作于安全区以外时，很容易发生雪崩效应，瞬间损毁。所以，晶体管功放如果负载阻抗不是固定值时(实际上一台功放到了用户手上是很难做到固定值)，想通过限制功放管Ic的最大值以达到保证输出管工作于安全区内，是不切合实际的。

    临界电阻检测法最大的特点是保护电路检测的是负载阻抗而不再是电流。根据欧姆定律和通过对图2的等效电路分析，只要限制了负载阻抗的最小值，那么不管输出管的等效内阻怎样变化，电路的电流和输出管的功耗都可以得到有效控制，从而保证输出管任何时候都工作于安全区内。现在再以图1给出的数据为例分析临界电阻检测法得出的结论。在安全区内的最小负载阻抗的极限值为4.5Ω，如果保护电路检测到负载阻抗小于4.5Ω时就发出保护指令，使输出电路停止工作，当负载阻抗大于4.5Ω时电路正常工作，从而保证输出管任何时候都工作于安全区内。同样的条件，使用临界电流检测法时安全区电流最大值只有3A，而使用临界电阻检测法时的安全区电流最大值达11A，由此可见后者能最大限度地利用资源，提高效率。如果要功放表现出最佳效果，又要输出管工作于安全区内，只有限制负载阻抗的最小值是唯一可行的。临界电阻检测法的具体参数和实施方法请详见中国专利局专利实施处专利信息情报网的《专利实施信息》1999年第5期第七页B 01799或到专利局有关网页查看。

    采用临界电阻检测法的机子只要设定了负载阻抗的最小值，负载阻抗比此值小时就可以快速安全有效地保护功放输出管。还有应用它之后，可以将整机的效率特别是功放管的效率大大提高。现今流行的绝大多数音箱的阻抗都比较低，在8Ω以下，有些进口音箱阻抗甚至低到1Ω左右。4Ω的音箱会比8Ω的音箱多流过电流，即阻抗越低的音箱需要的驱动电流就越大。采用临界电阻检测的机子由于无需限制功放输出电流的最大值，能根据负载阻抗的变化动态调整输出电流的最大值，所以能轻而易举地驱动低阻抗音箱。试举一例，设计负载阻抗最小值为2Ω，工作电压为32V，负载阻抗为8Ω时，输出电流为4A；负载阻抗为2Ω时，输出电流为16A，在电源和功放管极限功耗允许情况下，可以把负载阻抗做得更低甚至接近为零，所以本机对音箱特别是低阻抗音箱的驾驭能力极强，而且当今Hi—Fi功放的输出功率是以流过负载电流平方乘以负载阻抗来计算，因此输出电流越大输出功率就越大。

综上所述，应用临界电阻检测法这一原理设计的保护电路，可以保证晶体管功放的输出管在负载阻抗为0至∞时都能工作于安全区内，当然还要有其它条件的配合(合理的设计和正确的配置)。临界电阻检测法实际上解决了因负载阻抗小于最小极限值时所产生的所有问题，从而可望把晶体管功放带进—个更完美的境界。                                  ■广东  卢梓乐