PPTC在扬声器系统分频器上的运用

   ：1引言

    在无源扬声器系统中，经常会出现有高音驱动器损坏的现象，为了解决这个问题，以前的做法就是采用承受功率更大的驱动器，这样一来就增加了很多成本。随着电子技术和材料的发展，现在为了高音驱动器不再损坏，采用了可恢复式PPTC( Polymeric Positive Temperature Coefficent)作为高音驱动器的保护元件，其可靠的保护能力、低廉的成本和简单的设计等优势，已经被广泛地应用，但是这个保护方式如果偏离了保护高音驱动器的初衷，或许会带来听觉上的障碍。下面结合客户反馈情况来进行分析。

    2故障现象

    笔者在处理客户的反馈意见时，其中有一客户反馈在实际使用过程中经常会出现扬声器系统在使用一段时间后，高音就没有输出的现象，减小音量后，恢复正常。为了更方便说明问题，先看看这款扬声器系统的技术指标：

    额定噪声功率是100 W/8 Ω；有效频率范围在55 Hz~20 kHz；分频点：1.3 kHz；高音采用两个单元：额定噪声功率分别是：25W 8Ω和15W8Ω；

    图1是这款扬声器系统的高音有保护的分频器电路图。

图1  高音有保护的分频器电路图

   3 问题分析、验证

    为了再现用户反馈的问题，笔者使用一台150W的卡拉OK机，2只扬声器系统播放音乐信号试听，很难出现高音保护现象，更换一台功率为300W的功放继续听音，使用笛子独奏的音乐，将功放音量开到最大，约1 min，高音出现保护，几乎是听不到高音部分的输出。为了再次验证高音的保护动作，笔者将扬声器系统里面的分频器取出来，使用延长线分别连接低音和高音单元，在输入端输入28.3V带通噪声信号，并用毫伏表监测两个高音单元上的电压，测试数据如表1所示。

   从以上数据可以看出，当扬声器系统承受100 W的噪声功率时，很短的时间，PPTC已经启动，且高音驱动器上电压为0. 22 V左右，高音驱动器上几乎没有功率。

表1  两个高音单元上的电压

    如果用户在这样的条件下使用时，保护动作启动后，高音驱动器几乎没有输出，是难以接受的，这也违背了笔者设计初期既要保护高音驱动器，又要不影响欣赏的原则。

    现在这个系统还没有做到这个要求，既需要保护高音单元不至于损坏，又不应该把系统的高音部分直接切掉，一点声压输出都没有。

    找出问题所在，再来解决就比较简单，再回过头来看看分频器的原理图，在RXE050这个可恢复PPTC启动以后，输入信号经过8Ω和10 kΩ这两个电阻分压，从上面的一组测试数据看，保护启动后高音单元的电压仅0. 22 V，说明此分压电路存在问题，可以考虑改变这个电路，使分压后分配在高音单元上的电压在一个合理的范围，可以改变10 kΩ这个电阻的阻值来实现，首先是取消这个电阻，当PPTC动作后，将电阻更改为30Ω（前提是功率要大，事先预算），并联在PPTC上，同时测量高音驱动器上的电压，大约为1.7 V，没有明显的高音成分。再调整电阻的阻值到15 Ω高音驱动器上的电压为3.4 V，相当于高音单元上差不多是1.5 W的功率，有部分高音成分出现，那保护时间是否能满足高音驱动器的时间要求？重新让系统恢复到室温，开始施加上述信号，测量高音驱动器上的电压，从开始的6.2 V下降到3.4 V的时间小于1 min。满足了要求，进行了多次试验，验证了产品的误差和一致性的范围，并作为今后的检验标准。

   4  改善后的可靠性验证

    这样的更改解决了保护启动后高音输出保留一定功率的问题，但是还会不会有其他问题？会不会影响产品的可靠性？首先考虑的是这样更改后各元件的可靠性，其中电阻上的温度会不会很高？原来10k/1W的电阻现在改为15 Ω是不是很安全，经过简单的计算，1W的功率显然不够安全，将1W的功率改为20 W后，经过试验，得出数据如表2所示。

表2  更改后各元件的温度

    分频器上两只水泥电阻的表面温度分别为102℃和89℃，在可承受上限温度范围之内，经此更改，再次听音，在保护启动后，高音的输出有减小，但还是能听到很明显的高音成分。

   5 分频器设计时建议考虑的问题

    分频器的保护电路设计，特别是使用这种可恢复PPTC的低成本的保护电路，防止过大的信号输入而保护高音单元是很有必要的，但前提是保护高音单元不至于损坏，没必要保护一启动，高音单元完全没有输出。

    在选用PPTC时，要注意PPTC本身的零功率阻值，就本案例而言，这个阻值需要控制在一定的范围，最好在0. 55~0.70之间，扬声器系统在配套使用时，如果PPTC的零功率阻值不一致，将会造成一边的扬声器系统已经保护，而另一边的扬声器系统还没有保护的现象。

    必要时通过实验检查PPTC的过载承受能力，简单的方法是施加几倍于（一般5倍左右）额定电流10s左右的时间，停止几分钟，重复实验几十次甚至100次以后，待PPTC冷却后再次检测PPTC的冷态电阻阻值的变化，一般控制在30%左右。

    分频器上各电子元件的温度：通过输入额定噪声信号，检测各元件表面的温度，特别是发热性元件，如电阻，表面温升不要超过规定要求，电容的表面温度可参考电容本身的上限工作温度，当然，可以在考虑成本的情况下留有一定的余量。

    分频器与扬声器单元连接的输出端子（插片）尽量设计在分频器的边缘，避免连接线跨在发热元件上面导致连接线软化引起的异常。

    扬声器系统内部尽可能使用防火吸声棉，并尽量与分频器上的发热元件保持一定间隙，以免因分频器上元件温度过高引起起火的危险。