公共广播系统功放电源控制器的设计与实现

摘要：给出了以MTC-02智能广播系统为基础，以其输出的SYS．P同步电平作为控制信号，并以常见的固态继电器作为主控元件来设计并实现对广播系统功放电源进行控制的实现方法。
关键词：公共广播系统；功放；控制器；固态继电器；同步电平

0 引言
通过广东佛山创思特电器有限公司生产的MTC-02智能广播系统，可使一个单位员工的起床、开饭、上下班、操课、洗漱、就寝等号声均
由该系统定时播放。其中打铃的区域为办公楼和公寓楼，共配备扬声器20只，其中办公楼扬声器10只，公寓楼公楼扬声器10只。所用扬声器为菲利浦吸顶式扬声器，此扬声器带100V变压器，可输出3W、6W的功率。这些扬声器按楼层分区进行控制，为此又配备了两台功放。2009年，由于各分区音量只能统调，公共广播系统功放改用合并式定压功放，它具有六分区，每分区音量可独自调整。
从使用情况来看，公共广播系统功放故障频繁，维修成本较高。新更换的功放工作一个月就可能出现故障，而不得不以原功放代用。当时以为是设备质量问题，与厂商联系，答复功放不能连续工作，当时笔者还很不以为然。一个多月后，原功放也发生故障，还好功放已修好返回，同时还有一个备用功放。那么，是什么原因使得功放频繁故障?通过现场查看线路情况，发现功放设备直接接入220V交流电源并全天24小时工作，长年如此，功放故障率自然很高，同时电能浪费也非常严重。

1 功放电源控制器的设计思想
如何才能有效地解决上述问题呢?其实，MTC-02智能广播系统虽然是广东佛山创思特电器有限公司的早期产品，但还是具有一定的节电
功能，它可以通过编制程序控制后续的功放何时工作何时关闭，当然，还需要在其公司产品时序电源控制器支持下才能实现。单位在公共广播系统建设时，不知何原因未考虑时序电源控制器，而是让MTC-02后续功放设备各自直接接入220V交流电源，全天24小时加电工作，这就是造成设备故障率高、电源浪费现象严重等问题之所在。
由于没有配套时序电源控制器的支持，单位公共广播系统不能实现功放电源的定时开关。系统设备只能全天开着，这对设备的安全运行和节约能源都极为不利。按功放耗电功率为320瓦，每天播音2小时，待机20小时计，每天待机耗电6．4度，以每度0．5元计，每天待机费用3．2元，一年下来只待机耗电费用就达1000多元。特别是在夏秋季气温较高，这些设备整天开着会造成机器温度升高，加速元器件的老化，因此，夏季经常有设备损坏，维修成本更高。另外，由于号声是按作息时间表定时响起的，每次持续时间不过几十秒钟，因此，设计一套功放电源控制器实现定时控制功放电源开关，在降低设备的运行成本和节约能源等方面都是十分必要的。
经查阅MTC-02相关技术资料，MTC广播系统有两个接口提供给时序电源控制器使用。1路是系统供电(SYS．P AC220V)；1路是SYS．P同步电平外控口。SYS．P系统供电作为时序电源控制器的电源，SYS．P同步电平送给时序电源控制器作为控制信号以控制时序电源控制器的电源输出。SYS．P同步信号为5V直流电平(TTL电平)。经实地检测，编制程序设定“电源开”时，此信号为4．5V(DC)；设定“电源关”时，此信号为0V。
因此，设计功放电源控制器时，可利用MTC-02系统供电(SYS．P AC220V)输出接口及SYS．P同步电平外控口，并以固态继电器作为主控元件，辅以抗干扰电路和保护电路。通过功放电源控制器可实现对公共广播系统中所有音频功率放大器的定时开关，使所有音频功放仅在打铃点前后较短时间内通电工作，而在其它时间处于关机状态，这样就可达到节约用电、延长设备使用寿命、降低运行费用的目的。

2 功放电源控制器的设计
功放电源控制器的基本原理是实现以直流控制交流。具体来说就是用MTC-02广播系统的同步电平信号SYS．P控制功放电源控制器输出交流电源。
用直流控制交流，常见的电子器件有电磁式继电器和固态继电器两种。电磁式继电器使用简便，但安全性差、闭合时会产生电弧、通断时间长、使用寿命短。固态继电器有着电磁式继电器无可比拟的优点，它灵敏度高、转换快速、寿命长、电磁干扰小。
2．1 功放电源控制器的组成
功放电源控制器主要由主控元件(固态继电器)、抗干扰电路及过压保护电路组成。其组成框图如图1所示。

固态继电器是功放电源控制器的核心元件，用于实现直流控制交流输出；抗干扰电路用以消除干扰信号串入SYS．OK，防止误触发固态继电器，造成功放电源控制器功能紊乱；过压保护电路是防止电源接通与断开瞬间产生较高浪涌电压而损坏固态继电器内部双向可控硅元件的电路。SYS．OK是MTC广播系统输出的同步信号(5V直流电平)，用于控制固态继电器动作。SYS．P(AC220V)是MTC广播系统输出的系统电源，可作为功放控制器的电源。图2所示是该功放电源控制器的电原理图。

2．2 固态继电器的选用
固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可以无触点、无火花的接通和断开电路，因此，又被称为“无触点开关”。
图3所示是固态继电器的工作原理图，其中部件①～④构成交流SSR的主体。从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，从而实现“开关”的功能。其中
耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入、输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入／输出端之间的绝缘(耐压)等级很高。由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，故在使用中可直接与计算机的输出接口相连，即受“1 ”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路④工作，但是，由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等信号污染电网，为此特设了“过零控制电路”。所谓“过零”，是指在加入控制信号且交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般选用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。

本系统所用功放的功率为320W，以两台计，负载总功率为640W，考虑到余量，可选用负载电流5A的SSR-5DA固态继电器。SSR-5DA固态继电器采用双向可控硅输出，零电压开启，零电流关闭；输入回路与输出回路用光隔离；输入输出端的隔离耐压为2500V。
2．3 抗干扰电路的设计
为了防止串入干扰信号而造成固态继电器的误动作，本设计加入了抗干扰电路。抗干扰电路主要由电感元件组成，因为电感元件有通直流信号而阻交流信号的作用，其作用主要是滤除高频及交流电的干扰。
2．4 过压保护电路的设计
快速熔断器和空气开关是一种通用的过电流保护方法。快速熔断器可按额定工作电流的1．2倍来选择，一般小容量可选用保险丝。特别要注意负载短路，这是造成SSR产品损坏的主要原因。除用RC电路保护外，建议采用压敏电阻并联在输出端以作为组合保护。金属氧化锌压敏电阻(MOV)面积的大小可决定吸收功率，厚度则决定保护电压值。交流220V的SSR可选用MYH12／430V的压敏电阻。
设计时，在输出回路中还应附加一个瞬态抑制电路，其目的是保护固态继电器。通常的措施是在继电器输出端加装RC吸收回路(例如：R=
150 Ω，C=0．5μF或R=39Ω，C=0．1μF)，以有效抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率dV／dt。另一个措施是在继电器输出端接入具有特定钳位电压的电压控制器件，如双向稳压二极管或压敏电阻(MOV)。压敏电阻的电流值应按下式计算：


其中Zs为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和，Vmax、Vmov分别为最高瞬态电压和压敏电阻的标称电压，对于常规的220V和380V的交流电源，推荐的压敏电阻的标称电压值分别为440～470V和760～810V。
3 实际应用
在MTC-02广播系统加入功放电源控制器后，通过人工编制程序，可使此系统具有自动关闭后续功放设备电源的功能。人工对MTC-02编制程序，每一打铃前1分钟启动功放电源，使功放提前进入工作状态，打铃结束后2分钟关闭功放电源，以使功放有时间尽可能散热。而在其他时间，功放处于关机状态，这样便可达到节约用电、延长设备使用寿命，降低运行费用之目的。如系统时钟出现偏差，只需校准MTC-02时钟即可，因而操作非常简单方便。
4 结束语
使用功放电源控制器可对单位公共广播系统的音频功放进行定时控制。经过测算，每天至少可以节约3度电。本设计的整套功放电源控制器所用的器件数量相当少，控制流程也相当简单，关键是创新地利用了MTC-02广播系统的接口，并借助SSR-10DA固态继电器来实现功放电源控制的设计与制作。该控制器无须进行任何相关操作，只要对MTC-02编制程序即可。另外，该方案稍加补充修改，也可实现单位热水器的电源定时控制，同样也可达到降低故障率、节约能源之目的。