Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Amplifier and loudspeaker protection

DC protection by fuses

Fuses in series with the output line are sometimes recommended for DC
offset protection, but their only merit is cheapness. It may be true that they
have a slightly better chance of saving expensive loudspeakers than the HT
fuses, but there are at least three snags:

!

Selection of the correct fuse size is not at all easy. If the fuse rating is
small and fast enough to provide some real loudspeaker protection, then
it is likely to be liable to nuisance blowing on large bass transients. A
good visual warning is given by behaviour of the fuse wire; if this can be
seen sagging on transients, then it is going to fail sooner rather than later.
At least one writer on DIY Class-A amplifiers gave up on the problem,
and coolly left the tricky business of fuse selection to the constructor!

!

Fuses  running  within  sight  of  their  nominal  rated  current  generate
distortion at LF due to cyclic changes in their resistance caused by I

2

R

heating; the THD would be expected to rise rapidly as frequency falls,
and Greiner

[6]

states that harmonic and intermodulation distortion near

the burn-out point can reach 4%. It should be possible to eradicate this
by  including  the  fuse  inside  the  global  feedback  network,  for  the
distortion  will  be  generated  at  low  frequencies  where  the  feedback
factor is at its greatest, but there are problems with amplifier behaviour
after the fuse has blown.

In my tests, the distortion generated was fairly pure third harmonic. Figure
13.9 shows the THD measured before and after a T1A (slow-blow) fuse in
series with an 8 ! load at 25 W. Below 100 Hz the distortion completely
swamps  that  produced  by  the  amplifier,  reaching  0.007%  at  20 Hz.  The
distortion rises at rather less than 6 dB/octave as frequency falls. The fuse in
this  test  is  running  close  to  its  rating,  as  increasing  the  power  to  30 W
caused it to blow.

385

Figure 13.9

Fuse distortion. THD
measured before
and after the fuse
at 25 W into 8 !

Audio Power Amplifier Design Handbook

!

Fuses  obviously  have  significant  resistance  (otherwise  they  wouldn’t
blow)  so  putting  one  in  series  with  the  output  will  degrade  the
theoretical  damping  factor.  However,  whether  this  is  of  any  audible
significance is very doubtful.

Note  that  the  HT  rail  fuses,  as  opposed  to  fuses  in  the  output  line,  are
intended only to minimise amplifier damage in the event of output device
failure.  They  must  not be  relied  upon  for  speaker  protection  against  DC
offset faults. Often when one HT fuse is caused to blow the other also does
so,  but  this  cannot  be  relied  upon,  and  obviously  asymmetrical  HT  fuse
blowing will in itself give rise to a large DC offset.

Relay protection and muting control

Relay protection against DC offsets has the merit that, given careful relay
selection  and  control-circuitry  design,  it  is  virtually  foolproof.  The  relay
should be of the normally-open type so that if the protection fails it will be
to a safe condition.

The first problem is to detect the fault condition as soon as possible. This is
usually done by low-pass filtering the audio output, to remove all signal
frequencies, before the resulting DC level is passed to a comparator that
trips when a set threshold is exceeded. This is commonly in the range of
1–2 V,  well  outside  any  possible  DC-offsets  associated  with  normal
operation; these will almost certainly be below 100 mV. Any low-pass filter
must introduce some delay between the appearance of the DC fault and the
comparator  tripping,  but  with  sensible  design  this  will  be  too  brief  to
endanger normal loudspeakers. There are other ways of tackling the fault-
detection  problem,  for  example  by  detecting  when  the  global  negative
feedback has failed, but the filtering approach appears to be the simplest
method and is generally satisfactory. First-order filtering seems to be quite
adequate, though possibly a second-order active filter would give a faster
response time for the same discrimination against false-triggering on bass
transients.  In  general  there  is  much  to  be  said  for  keeping  protection
circuitry as simple and reliable as possible.

Having paid for a DC protection relay, it seems only sensible to use it for
system muting as well, to prevent thuds and bangs from the upstream parts
of  the  audio  system  from  reaching  the  speakers  at  power-up  and  power
down.  Most  power  amplifiers,  being  dual-rail  (i.e.  DC-coupled)  do  not
generate enormous thumps themselves, but they cannot be guaranteed to be
completely silent, and will probably produce an audible turn-on thud.

An amplifier relay-control system should:

!

Leave the relay de-energised when muted. At power-up, there should be
a delay of at least 1 second before the relay closes. This can be increased
if required.

386

Amplifier and loudspeaker protection

!

Drop out the relay as fast as is possible at power-down, to stop the dying
moans of the pre-amp, etc. from reaching the outside world.

My preferred technique is a 2 msec (or thereabouts) timer which is held
reset by the AC on the mains transformer secondary, except for a brief
period around the AC zero-crossing, which is not long enough for the
timer to trigger. When the incoming AC disappears, the near-continuous
reset  is  removed,  the  timer  fires,  and  the  relay  is  dropped  out  within
10 msec. This will be long before the various reservoir capacitors in the
system can begin to discharge. However, if the mains switch contacts are
generating RF that is in turn reproduced as a click by the pre-amp, then
even this method may not be fast enough to mute it.

!

Drop out the relay as fast as is possible when a DC offset of more than
1–2 V, in either direction, is detected at the output of either power amp
channel; the exact threshold is not critical. This is normally done by low-
pass  filtering  the  output  (47k  and  47 µF  works  OK)  and  applying  it  to
some sort of absolute-value circuit to detect offsets in either direction.
The resulting signal is then OR-ed in some way with the muting signal
mentioned above.

!

Don’t forget that the contacts of a relay have a much lower current rating
for breaking DC rather than AC. This is an issue that doesn’t seem to
have attracted the attention it deserves.

A block diagram of a relay control system meeting the above requirements
is shown in Figure 13.10, which includes over-temperature protection. Any
of the three inhibit signals can override the turn-on delay and pull out the
relay.

387

Figure 13.10

Output relay control
combining DC offset
protection and power-
on/off muting

Audio Power Amplifier Design Handbook

388

Distortion in output relays

Relays remain the only simple and effective method of disconnecting an
amplifier from its load. The contacts can carry substantial currents, and it
has been questioned whether they can introduce non-linearities.

My  experience  is  that  silver-based  contacts  in  good  condition  show
effectively  perfect  linearity.  Take  a  typical  relay  intended  by  its  manu-
facturer  for  output-switching  applications,  with  ‘silver  alloy’  contacts  –
whatever that means – rated at 10 A. Figure 13.11 shows THD before and
after the relay contacts while driving an 8 ! load to 91 W, giving a current
of 3.4 A rms. There is no significant difference; the only reason that the lines
do not fall exactly on top of each other is because of the minor bias changes
that  Class  B  is  heir  to.  This  apparently  perfect  linearity  can  be  badly
degraded if the contacts have been maltreated by allowing severe arcing –
typically while trying and failing to break a severe DC fault.

Not  everyone  is  convinced  of  this.  If  the  contacts  were  non-linear  for
whatever reason, an effective way of dealing with it would be to include
them in the amplifier feedback loop, as shown in Figure 13.12. R1 is the
main feedback resistor, and R2 is a subsidiary feedback path that remains
closed when the relay contacts open, and hopefully prevents the amplifier
from going completely berserk. With the values shown the normal gain is
15.4 times, and with the contacts open it is 151 times. There is a feedback
factor of about ten to linearise any relay problems.

Figure 13.11

Demonstrating that
relay contacts in
themselves are
completely distortion-
free. Current through
contacts was
3.4 A rms

Amplifier and loudspeaker protection

The problem of course is that if there is to be a healthy amount of NFB
wrapped  around  the  relay  contacts,  R2  must  be  fairly  high  and  so  the
closed-loop gain shoots up. If there is still an input signal, then the amplifier
will be driven heavily into clipping. Some designs object to this, but even
if the amplifier does not fail it is likely to accumulate various DC offsets on
its  internal  time-constants  as  a  result  of  heavy  clipping,  and  these  could
cause unwanted noises when the relay contacts close again. One solution
to  this  is  a  muting  circuit  at  the  amplifier  input  that  removes  the  signal
entirely and prevents clipping. This need not be a sophisticated circuit, as
huge  amounts  of  muting  are  not  required;  –40 dB  should  be  enough.  It
must, however, pass the signal cleanly when not muting.

A much more insidious – unexpected – form of non-linearity can occur if
the  relay  is  constructed  so  that  its  frame  makes  up  part  of  the  switched
electrical circuit as well as the magnetic circuit. (This is not the case with
the audio application relay discussed above.) A relay frame is made of soft
iron, to prevent it becoming permanently magnetised, and this appears to
present a non-linear resistance to a loudspeaker level signal, presumably
due to magnetisation and saturation of the material. (It should be said at
once that this is described by the manufacturer as a ‘power relay’ and is
apparently  not  intended  for  audio  use.)  A  typical  example  of  this
construction has massive contacts of silver/cadmium oxide, rated at 30 A
AC, which in themselves are linear. However, used as an amplifier output
relay, this component generates more – much more – distortion than the
power amplifier it is associated with.

The effect increases with increasing current; 4.0 A rms passing through the
relay gives 0.0033% THD and 10 A rms gives 0.018%. The distortion level
appears to increase with the square of the current. Experiment showed that
the distortion was worst where the frame width was narrowest, and hence
the current density greatest.

389

Figure 13.12

How to enclose relay
contacts in the
feedback loop. The
gain shoots up when
the relay contacts
open, so muting the
input signal is
desirable