Schaltkriterien für LS-Schutz

Üblicherweise baut man die so, das die ab ca. +- 0,6..0,65 Voltabschalten. Diese Spannung ergibt sich einfach praktisch aus der BE-Spannung der zum Abtasten des Ausganges verwendeten Transis. Die Zeitkonstante bis zum Abschalten legt eigentlich jeder nach eigenen Empfinden fest. Dazu liegt vor den Transis dann ein RC Glied als Mittelwertbildner(Integrator). Der C wird meist aua zwei antiseriell (Plus an Plus) geschalteten Elkos gebildet, um kleine Abmessungen bei großer Kapazität und Polungsunabhängigkeit zu haben.
Für CMOS kommt nur die Schaltung hinter dieser Auswerteschaltung in Frage. Aber nicht als Eingangsshaltung, es sei denn, Dir reichen ca. +- 2Volt zur Abschaltung. Das bedingt dann die CMOS mit 3 Volt laufen zu lassen.

Also weniger als ein Volt. Gut! Aber die Zeit nach Gefühl? Wann fängt denn so ein Tieftöner an zu schmoren bei 0,6V? Lässt sich das ungefähr abschätzen?

So eine Transischaltung habe ich mal irgendwo gesehen und mir ´nen Kopp drum gemacht. Ist schon ein Bisschen her, aber ich meine, die Zeit bis zum Abschalten war dort je nach Polung der Ausgangsspannung unterschiedlich. Weiß jetzt nicht mehr genau warum...

Der CMOS-Stein als Sensor würde schon mit an der +/- Spannungsversorgung hängen. Spontan dachte ich an zwei Komparatoren als Sensor. Der eine schaltet dann bei positiver Überschreitung und der andere bei negativer Überschreitung, mit leichter Hysterese. Dahinter dann jeweils ein Integrierer mit nachfogende Kippstufe, die in Selbsthaltung geht und die Relais treibt. Das Ganze vor dem Hintergrund, dass auch der Clipping-Ausgang des TDA7293 diese Schutzschaltung triggern können soll. Klingt jetzt kompliziert, sind aber bestimmt weing mehr als ein IC mit ein paar Widerständen plus kleinem C.

Würde das mit den Komparatoren hinhauen?

Wann was schmort, lässt sich sehr genau abschätzen. Wenn ein Tieftöner mal angenommen eine Nennbelastbarkeit von 50W hat, so heisst das, dass er fast stundenlang ein Rosa Rauschen mit etwas reduziertem Bassanteil von dieser Leistung unbeschadet überstehen muss.
Sicher wird dabei die Schwingspule bewegt und damit die heisse Luft ebenfalls. Da der Lautsprecher aber diese heisse Luft nur im Luftspalt hinundherbewegt und nicht gegen frische austauscht, muss er diese Hitze aushalten.

Man kann folglich davon ausgehen, dass er eine thermische Belastung von 25W auch ohne Luftbewegung verkraften muss.
25W an einem 4 Ohm-Lautsprecher sind rund 10V. Damit müsste der Lautsprecher auch in der Lage sein, eine Gleichspannung von 10V über längere Zeit auszuhalten. Und das tut er auch!

Wenn wir eine Grenze von 0,6V festlegen würden, entspräche das einer Leistung von knapp 10mW. Diese Leistung ist geradezu lächerlich. Da wird die Spule vielleicht gerade mal 0,2 Grad wärmer.

Die ganze Berechnerei kann man wie folgt anstellen:
Wieder mal angenommen, wir hätten einen Verstärker mit 100W. Das wären an 4 Ohm 20V effektiv. Oder 28,3V Spitze.
Jetzt will ich einen Sinus von 15 Hz mit diesen 100W wiedergeben können.

Und weiter angenommen, wir wählen einfach mal 2,83V als Schaltspannung, also als den Pegel, bei dem die Sicherung anspricht.

Somit haben wir eine Schaltung, bestehend aus einem Widerstand, welcher am Ausgang anliegt, einem Kondensator, der bei 15 Hz und 28,3V am Ausgang nach dem Widerstand einen Maximalpegel von 2,83V zulässt, also eine Dämpfung von 20dB aufweist.
Und wir nehmen weiter an, dass der Widerstand dieser ganzen Kombination 1k sein soll.
Also, Dämpfung 20dB, F 15Hz und R 1k. Dies ergibt ein C von rund 105 Mikrofarad. Das entspricht einer Zeitkonstante von 1,05 Sekunden.

Jetzt können wir ausrechnen, wie lange es dauert, bis die Schaltung bei welcher Gleichspannung anspricht.
Bei 4,5V wären das genau eine Sekunde, für rund 3,1V dauert es 5 Sekunden und bei 10V sind es rund 0,195 Sekunden.

Wenn man nun die Spannung statt bei den 2,83V bei 0,6V haben möchte, müsste man die Schaltelektronik entsprechend empfindlicher machen und die Dämfung um 13,47dB erhöhen. Das wäre mit einem Elko von 500 Mikrofarad möglich. Damit blieben sich die obigen Zeiten aber gleich. Es würde dann einfach eine Ewigkeit dauern, bis diese Sicherung auch bei 0,6V am Verstärkerausgang anspricht.

richi44 schrieb:

Wann was schmort, lässt sich sehr genau abschätzen. Wenn ein Tieftöner mal angenommen eine Nennbelastbarkeit von 50W hat, so heisst das, dass er fast stundenlang ein Rosa Rauschen mit etwas reduziertem Bassanteil von dieser Leistung unbeschadet überstehen muss. Sicher wird dabei die Schwingspule bewegt und damit die heisse Luft ebenfalls. Da der Lautsprecher aber diese heisse Luft nur im Luftspalt hinundherbewegt und nicht gegen frische austauscht, muss er diese Hitze aushalten.

Ich würde sagen, das ist stark konstruktionsabhängig. Wenn es Löcher in der Polplatte an passender Stelle und eine dichte Staubschutzkalotte gibt, wird schon ganz ordentlich kühlende Luft hin- und hergepumpt. Ohne Loch und ohne dichte Kalotte dagegen gibt es sehr wenig Strömungsskühlung. Dicke PA-Lautsprecher leben von der Konvektionskühlung und diese wird oft speziell optimiert (z.B. JBL Vented Gap), und müssen leistungsmässig gedrosselt betrieben werden, wenn der luftbewegende Membranhub fehlt (wenn sie in einem Horn laufen, z.B.). Also ich würde sicherheitshalber auch bei HiFi-Tieftönern nur den Faktor 1/2 bei der DC-Belastbarkeit ansetzen, oder noch weniger, wenn die Spule länger als der Spalt ist und somit auch die Strahlungskühlung durch das Metall sehr gering wird, weil eben kein Metall mehr in der Nähe ist.

Grüße, Klaus

Man darf nicht vergessen, dass die Luftkühlung nur im Bass eine Rolle spielt. Bei einem Mitteltöner, der tiefstenfalls ab 300Hz spielt, ist die Membranauslenkung wirklich gering. Für einen 10cm Mitteltöner wäre das bei 90dB Schalldruck und 300Hz gerade mal 0,5mm. Hier ist also von Ventilation nicht viel spürbar. Und trotzdem wird so ein Ding mit einer 25mm Schwingspule mit 40W Nennbelastbarkeit angegeben.
Man müsste sich eigentlich mal die Mühe (und Kosten) machen, so ein Ding mit DC zu verbraten...

Hmmm. Wo liegt denn der Verschiebungsfaktor (Cos Phi) zwischen den Leistungsanteilen bei Lautsprecherchassis üblicher Weise? Ist ein angenommener Wert von 0,7 (Wirk- und Blindleistung gleich groß) realistisch?

Bei 40 Watt Scheinleistung läge der Wirkanteil (P) dann bei 40W x 0,7 ca. 28 Watt. Wenn man davon kühn ein Zehntel nähme, käme man auf 2,8W und bei einer Impedanz von 4 Ohm auf einen Wirkwiderstand (R) von 4 Ohm x 0,7 ca. 2,8 Ohm. Woraus eine Wirkspannung (U) von (2,8W x 2,8 Ohm)^0,5 bzw. 2,8 Volt (effektiv) resultierte. Und weil dieser Effektivwert die selbe Wärmearbeit wie eine Gleichspannung mit dem selben Wert erzeugt, müsste ein 40W / 4 Ohm Chassis diese Spannung doch dauerhaft vertragen, zumal in dieser Rechnung ein Sicherheitsfaktor von etwa 10 steckt. Und wenn man nun noch auf Ultraschalls Spannungsangabe von 0,6V zurückblickt, vergrößert sich damit die Sicherheit nochmals um mehr als Faktor 4. Insgesamt könnte man also bei einem Schwellwert von 0,6V DC von einer 40 fachen Sicherheit sprechen.

Das ist jetzt nur einen Annahme meinerseits. Ob dieser Sicherheitsfaktor ausreicht, die fehlende zusätzliche Kühlung der Schwindspule bei Belastung mit DC einzubeziehen, kann ich nicht im Geringsten abschätzen. Vom Gefühl her würde ich schon sagen, selbst 1 Volt als Spannungsschwellwert müssten dicke reichen.

Und die Zeit? Was meint ihr, sind 1V über 1sec als Schaltkriterium in Ordnung? So aus der Sicht erfahrener HiFi-Techniker? Mir fehlt da leider der spezielle Horizont.

edit:
Da fällt mir noch etwas ein: Müsste man als Spannungsschwellwert nicht sogar die maximal mögliche Spannung annehmen, die ein Verstärker im Fehlerfall ausgibt?

richi44 schrieb:

Man müsste sich eigentlich mal die Mühe (und Kosten) machen, so ein Ding mit DC zu verbraten...

Hallo

Gute Idee!
Ich werd das mal am WE durchziehen.
Hab noch einen RCF Speaker mit defekter Membran rumfliegen.

Langsam steigend DC draufgeben und gleichzeitig die Temperatur der Schwingspule beobachten - bis zum Abrauchen.

Würde es einen Unterschied machen, ob man das in Freiluft oder im Magnetspalt durchzieht?? Da wäre die Temperaturmessung etwas unkomfortabel.

Gruß
Lenz

Ich weiss es nicht, aber ich glaube, wenn man es langsam macht, erwärmt man auchden Magneten, sodass dieser einen Teil der Wärme abstrahlen kann. Dies fällt im offenen Zustand weg, also könnte die Gefahr grösser sein.
Andererseits kann die warme Luft im offenen Zustand schneller entweichen als im Luftspalt, sodass bei kurzen hohen Leistungen die offene Messung höhere Belastbarkeiten ergeben könnte.

Hallo Lenz,

wenn Du sowieso mißt, dann Spannung und Strom gleichzeitig, damit bekommst Du auch die VC-Temperatur über den VC-Widerstand über den Rdc[20°C] und den Temp.-Koeffizienten (Tafelwerk) raus. Der Kleister wird schon vor dem Abrauchen weich oder blasig, Du solltest also wissen, was dieser aushält.

Die Leistung in der VC ergibt sich aus I²*R bei DC, bei AC ist noch cosPhi zu berücksichtigen, welchen man aus Rdc und Lvc ausrechnen kann (frequenzabhängig). Da aber der Rthjc meist nicht bekannt ist, schon gar nicht, unter welchen Betriebsbedingungen, ist der vorgeschlagene Test wohl die sicherere Variante, als eine Simulation oder Rechnung.

Klippel überwacht die VC-Temperatur im Betrieb ebenfalls sensorlos über VC-Spannung und -Strom.

Und schön protokollieren!

Wem die 0,6 Volt zu wenig sind, schaltet einfach einen Spannungsteiler in Reihe vor des ganze. Der Innenwiderstand von ihm ist dann als Zeitkonstantenwiderstand einzusetzen.

Aber ihr geht da ganz schön wissenschaftlich ran,...
Wenn ein Verstärker mehr als 0,5 Volt Gleichspannung am Ausgang hat, ist er höchst wahrscheinlich defekt bzw, ein Bauteil am sich verabschieden und wenn er dann eben deutlich früher abschaltet, als wenn erst der Lautsprecher kurz vorm Abglühen bzw. Schwingspulenkleberauflösung ist, finde ich das nicht störend.
Will sagen, ich muß den Fehlerfeststellungsfall " DC am Ausgang" doch nicht an einen Punkt festmachen, bei dem mit 50 % Sicherheit der Lautsprecher gerade so überlebt. Oder wenn ich mich verschätzt habe- eben nicht mehr. Dann wähle ich doch lieber eine Bedingung für die Fehlerfeststellung die mir sagt " Verstärker arbeitet nicht korrekt- weil DC am Ausgang" Und da reichen 0,6 Volt schon, finde ich. Mit mehr als 0,1 Volt sollte heute auch der billigste Verstärker nicht mehr aufwarten.

Und ich weiß wieso der Umschaltbereich bei der angesprochenen Schaltung unsymmetrisch ist
Es gab bessere Entwickler: mit drei Transistoren geht das völlig symmetrisch. Nur hat man das bei Elektor noch nicht so mitbekommen. Gab es aber schon zu RFT-Zeiten massenhaft die Schaltung.

Das leuchtet ein! Und bringt mich zu einer Entscheidung: Ich wähle also einen möglichst geringen Spannungsschwellwert und als Zeit etwa die Periodendauer der unteren Grenzfrequenz des Verstärkers.

Sprich:
Sobald eine Spannung größer 0,5 Volt oder kleiner -0,5 Volt länger als eine Zehntelsekunde anliegt, schalten die Relais ab. Klack.

Danke Leuts!



Gruß
wiesonich

Angenommen, die untere Grenzfrequenz sei 10Hz, Die Ausgangsleistung des Verstärkers 100W, seine Ausgangsspannung an 4 Ohm demnach 10Veff. Die effektive Gesamtsteilheit des Hochpasses sei 12dB/Oktave. Bei einem Viertel der unteren Grenzfrequenz, deren Halbperiode zwei Zehntelsekunden beträgt, können deshalb durchaus noch 8Veff. anstehen. Damit wird der selbstgewählte Grenzwert um mehr als eine Größenordnung überschritten, das "Ding" schaltet bei höheren Leistungen also öfter mal unvermittelt ab.

Moin Timo,

derart tieffrequente Signale sollten die Relais meiner Meinung nach schon abschalten. Aber du hast natürlich Recht, die etwas schwächliche Dämpfung des Filters muss auch berücksichtigt werden. Liege ich richtig mit der folgenden Rechnung?

Die untere Grenzfrequenz von 10Hz des Verstärkers liegt ca. zwei Oktaven tiefer als die tiefste Frequenz, die mit ca. 40Hz auf Musik-CDs enthalten ist, und erfährt deshalb eine Spannungsdämpfung von 2 x 12dB = 24dB (Dämpfungsfaktor 0,063). Die 10V bei 100W reduzieren sich bei 10Hz auf 0,63Veff. Der Spitzenwert dieser Spannung liegt mit 0,89V um den Faktor Wurzel aus 2 höher.

Sind also +/-0,9 Volt für 0,1 Sek besser?

edit:
Man könnte den Spannungsschwellwert ja auch um 1V herum einstellbar machen, um so die max. zulässige Leistung trimmen zu können. Und die zulässige Periodendauer ebenfalls (mit Blick auf aktiv gesteuerte Mittel- oder Hochtöner, deren untere Grenzfrequenz höher liegt als die des Verstärkers...)