新型等离子声音播放器的设计

吕东旭 陈刚 李盛

摘要

目前的播音装置大多采用的是传统的振膜发声，振膜发生是在音量大的时候该装置会与周围东西形成共振，会导致一些不稳定的物质跟着颤动，甚至还会威胁人的人身健康。文章介绍的设计是一种等离子播音装置，其底板上有电压和信号处理模块、高压包和两个铜片，是实用的、新型的、音质高的、环保的发声装置。

【关键词】等离子 扬声器 高压

1 难点与创新点

1.1 创新点

作为一种新型发音扬声装置，就是通过控制高压击穿空气后形成的离子流宽度，去人为制造空气的膨胀与收缩发声。而离子流的宽度起到的作用就是控制声音的频率与波长，去实现声音的音色、音调以及响度的控制。

1.2 難点

超高电压击穿空气后，去控制击穿后形成的离子流宽度实现发音，以及击穿后的噪音处理才是本设计所涉及的核心技术。音频信号直接融入高压电路，控制才是本设计的最大难点。

2 原理分析与硬件电路图

2.1 开关电源模块

2.1.1 主电路设计

主电路是单端反激式隔离变换器。当二极管闭合时，输入电压作用到绕组N1上，绕组N2为下正上负;二极管截止，绕组N2中没有电流流过。当VT截止时，N2绕组电压极性变为上正下负，二极管导通，此时，电容中的能量向负载释放。

2.1.2 驱动电路

设计所用到的驱动芯片是UC3842，它控制开关管的开通与关断，实现控制负载端电压的高低。脉宽调制控制芯片是一种单端输出控制电路芯片，其电源电压范围30V，输出电流最大值为±IA，输出电流为200mA，模拟输入（2脚、3脚）从0到2.5V，放大器的下拉电流为5mA，振荡频率为100Hz～500Hz，振荡器的定时电阻（RT）500Ω到150kΩ之间，振荡器电容1000pF到1μF。

整流输出电路：变压器副边采用24V输出，变压器开始向负载传递能量时，24v输出作为系统的反馈端开始工作：反馈电压向电容C9充电，将脉宽调制芯片的7号引脚电压钳制住并保持不变;反馈电压经电阻R3和电位器RP7分压后输入脉宽调制芯片的2号引脚的放大器，与芯片内部2.5V基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度⑥，从而改变输出电压以实现反馈绕组电压稳压输出。整流输出电路如图1所示。

2.2 信号处理模块原理及设计

2.2.1 信号输入模块原理

音频信号输入是音频线连接外设，将音频信号接入电路中，K1是普通的开关，短路块是为了方便调试，在调试时不需要音频时，只需要将短路块拔开，1、短接时是左声道，2、3短接是右声道，该电路的C10起到缓冲的作用，TL494的4引脚是放大结构的引脚，输入端需要阻容耦合电容起缓冲作用，然后用阻容对地组成低通滤波起消除高频自激，然后再用阻容对地把不必要的高频滤掉。

2.2.2 TL494模块

TL494是频率固定的脉冲宽度调制器，内置了线性锯齿波振荡器，可通过外部电阻和电容来调节振荡频率，其振荡频率是因为使用了电容和电阻串联一个电位器，所以可以手动调节震荡频率。TL494的8、9引脚连接三极管的集电极和射级，10、11引脚连接三极管的射级和集电极，9、10引脚和TC4421的输入端连接，为TC4421提供输入，集电极接12V电压，12引脚接12V电压做基准，4号引脚是死区时间控制，连接电位器使得死区时间人为去调。

2.2.3 TC4421模块

TC4421是高电流缓冲器/驱动器，能驱动大的MOSFET和IGBT，基本上不受干扰;它们可以接受没有损坏或逻辑混乱，超过1A的感应电流会返回到它们的输出。此外，所有端子完全保护不受高达4kV的静电放电。

TC4421输入可直接从TTL或CMOS驱动。300mV的滞后被内置到输入中，提供噪声免疫力，并允许设备从缓慢上升或下降波形驱动。TC4421输入可直接从TTL电路。

2.2.4 散热指示模块

由于用到了MOS管，所以提供了散热风扇为MOS管进行散热处理，发光二极管是指示开关电源部分供电正常。

2.2.5 高压包驱动电路

在设计中MOS管是以隔离栅形式连接的，两个MOS管的基极和射极分别与GDT的对位连接，谐振电容的中心与两个MOS管的连接点为高压包提供输入电压。

2.2.6 稳压电路

在该设计中MOS管需要的电压是24V，TL494与TC4421模块的输入电压要求均为12V，稳压模块是LM7812，电容器C3是用来抵消电感效应，防止产生自激振荡。LED的作用是提示，当该稳压模块不工作时LED灯珠不亮，提醒电路出错。

2.3 发音处理

2.3.1 高压包

本次设计所用到的高压包是彩色电视机的高压包，它是一个变压器将低压大电流转换为高压大电流，将电压升到足够高时将会传递给起弧电路。

2.3.2 起弧电路

起弧电路就是用螺钉固定在散热片上的两个铜片，导线将铜片、高压包的副边连接起来，两个铜片相距1.52cm，在导通时不被击穿，但需得用金属引导，这样既保护了高压包的同时，又达成了设计的预期结果。

3 系统测试

在准备工作做好之后，插上音频线，另一端选择插上手机等设备的音频线插口，应该会有电弧产生并且产生声音，由于本设计选取的是极限距离，因此用带绝缘柄的金属螺丝刀引导既可以起弧，播放出音乐。

4 总结

整套发音装置的市场价格可控制在百元以内，结构简单且易于安装。噪音的处理也很好，开关电源模块在节能方面也符合工业标准，开关电源减小了电源应用过程中存在的功耗问题，能够准确的实现对电压电流的精准控制，信号转换做的也很精确。因此具有信号处理精细，结构简单，成本低，抗干扰能力强，节能等优点。