ТРЕХКАНАЛЬНАЯ ДЕВЯТИПОЛОСНАЯ ЦВЕТОМУЗЫКАЛЬНАЯ ПРИСТАВКА «NONNA», УПРАВЛЯЮЩАЯ RGB-220V-СВЕТОДИОДНЫМИ ЛЕНТАМИ

В теме представлена цветомузыкальная приставка «NONNA», которая управляет RGB-светодиодными лентами с номинальным рабочим напряжением 220V. Реализовано три канала с ШИМ-управлением, причем каждый из каналов работает в трех частотных диапазонах, т.е. всего девять частотных полос. Это дало возможность подключить три RGB-светодиодные ленты, цветовые сегменты (R, G и B) которых зажигаются при определенной частоте входного сигнала. Режим паузной подсветки представляет собой эффект «бегущий огонь» с дискретно изменяемой скоростью. В качестве датчика звукового сигнала используется электретный микрофон.

До настоящего времени практического опыта работы с RGB-220V-светодиодными лентами не было, кроме общих сведений из интернета:

1. для работы достаточно одного диодного мостика;

2. сечение соединительного кабеля не критично;

3. нарезаются только кратными кускам;

4. всегда заключены в силиконовую оболочку, что затрудняет отвод тепла;

5.применять в жилых помещениях не рекомендуется ввиду импульсного питания;

6. по субъективным отзывам пользователей, яркость ниже, чем у RGB-12V-светодиодных лент с такой же мощностью.

В общем, предварительно надо было посмотреть «что это такое» и «с чем это едят».

Для цветомузыкальных установок со светоизлучателями, получающих питание непосредственно от сетевого напряжения 220V, актуальна реализация узлов гальванической развязки и плавного изменения яркости. Применив оптоэлектронные приборы, обеспечить гальваническую развязку от сети 220V не трудно. Немного сложнее обстоит дело с узлом ШИМ-управления яркостью. Узел должен содержать драйвер ключевого элемента (мощного высоковольтного MOSFET-транзистора) и, одновременно, без искажений передавать в нагрузку импульсную последовательность с изменяемой скважностью, т.е. ШИМ-регулирование в сети 220V требует некоего «отдельного подхода». Например, в литературе [1] для регулирования мощности предлагается увеличить частоту ШИМ-напряжения в десять и более раз по сравнению с частотой сетевого напряжения, иначе нагрузка будет работать не равномерно. По задумке RGB-220V-светодиодные ленты должны были управляться от уже сделанной конструкции ЦМУ, поэтому вносить изменения в схему не хотелось. Решил подойти к вопросу с другой стороны. Как известно, проблем с ШИМ-регулированием при питании нагрузки постоянным током, например, от стабильного источника 12V, не возникает – есть куча отработанных, практически проверенных схем.  Почему бы не проверить такой вариант при питании напряжением 220V? Импульсное постоянное напряжение после выпрямителя нужно преобразовать в сглаженное. Подобный вариант для работы лампы накаливания при пониженном напряжении сети показан в литературе [2], при этом частота ШИМ-напряжения не высокая (около 200Гц). Понадобится конденсатор и несколько экспериментов, подтверждающих версию, что RGB-220V-светодиодные ленты имеют некоторый запас по рассеиваемой мощности. При проведении испытаний использовались два однометровых отрезка. Продавцы затруднились назвать производителя, известно только, что обе ленты сделаны в КНР. На лентах нанесены маркировки. На одной: «JH-220-230v-H2-B1-081м», а на другой: «HH-5050S60P-10RGB». Далее была собрана принципиальная схема для снятия значений тока, показанная на РИС.1. Результаты измерений занесены в таблицу на РИС.2. Первой испытывалась лента с маркировкой «JH-220-230v-H2-B1-081м».

Из схемы видно, что для выпрямления переменного напряжения 220V используется диодный мостик VD1. Выключатели SA2 и SA3 формируют необходимую комбинацию: без Сф, Сф=10µF, Сф=20µF, отключая или подключая конденсаторы С1 и С2. Переключателем SA4 выбирают цветовой сегмент (R, G или B) для измерения протекающего тока. Резистор R1 разряжает конденсаторы (при замкнутых SA2 и SA3), если схему обесточили, а переключатель SA4 в этот момент находился в положении «откл». На схеме указано сетевое напряжение 223-229V. В таком интервале менялось напряжение сети во время проведения измерений, что повлияло на табличные результаты. На РИС.1 также изображена цоколевка светодиодных лент. Для удобства были куплены коннекторы «ecola», показанные на ФОТО:

Обратимся к таблице. После мостика VD1 с разомкнутыми SA2, SA3 и SA4 измеренное напряжение составило Uх.х.=205V. Признаться, был удивлен таким большим падением напряжения. Мостик выпаян из импульсного БП в стареньком видеомагнитофоне «Panasonic». Переключателем SA4 по очереди подключались R, G и B – сегменты. Результаты показывают совсем небольшие токи для одного метра ленты: 9,8mA, 10,4mA и 10,2mA. Общий ток Iобщ=30,8mA получен не простым сложением токов сегментов, а измерением при соединенных вместе контактах 2, 3 и 4 переключателя SA4. При одновременно включенных сегментах (белый цвет свечения ленты) падение напряжения на мостике не изменилось – на выходе также было Uпит=205V.

Далее при разомкнутом SA4 был замкнут SA2. Напряжение холостого хода с фильтром Сф=10µF увеличилось до Uх.х.=323V. Переключателем SA4 по очереди подключались сегменты. Ток через сегменты увеличился в 1,7…1,8 раза. Общий измеренный ток составил Iобщ=50,5mA, при этом напряжение снизилось до Uпит=300V. При дополнительно замкнутом SA3 емкость фильтра составила Сф=20µF. Токи через сегменты увеличились незначительно (на 0,3mA). На ФОТО показаны фрагменты измерений с Сф=20µF:

Измеренный общий ток через сегменты увеличился до Iобщ=52,5mA при напряжении Uпит=308V.

Результаты измерений для ленты с маркировкой «HH-5050S60P-10RGB» показаны в таблице ниже. Общие токи потребления с подключенными Сф меньше, поэтому напряжение «просаживалось» меньше (Uпит=304V и Uпит=313V). Заметно отличие в потребляемом токе сегментами у лент с разными маркировками.

На основе табличных данных можно сделать вывод, что на 1 метр ленты требуется конденсатор с емкостью не менее Сф=20…30µF. С подключенным конденсатором Сф яркость больше, но каких-то скоротечных фатальных нарушений в работе лент не произошло. Так как светодиоды при ШИМ-регулировании будут работать в импульсном режиме, то ресурс работы лент должен снизиться не намного. Температура силиконовой оболочки на ощупь рукой при включенных всех сегментах (белый цвет) и Сф=20µF в течение тридцати минут работы повысилась до 35…40 градусов.

Теперь остается проверить работу RGB-220V-светодиодной ленты вместе с гальванической развязкой и с ключевым элементом под управлением ШИМ-напряжения. Для этого были собраны схемы, показанные на РИС.3:

Схему на верхнем рисунке часто называют «типовой MOSFET выключатель», пример которой показан в литературе [3]. Здесь VT1 – это MOSFET-транзистор в качестве высоковольтного силового ключа. Элементы R3, R4 и VD1 образуют параметрический стабилизатор для питания цепи затвора транзистора. Конденсатор С1 сглаживает пульсации. Оптрон VS1 гальванически развязывает цепь управления от сети 220V. Резистор R2 обеспечивает низкий потенциал на затворе VT1 при закрытом фототранзисторе оптрона. Резистор R5 устраняет перегрузку по току фототранзистора, когда емкость затвора VT1 разряжена. Если вилку питания XP1 отключить от сети ~220V при закрытом VT1 (выключенном LED), то конденсаторы фильтра С2 и С3 начнут разряжаться через R4, R3 и VD1. В этом случае резистор R6 ускорит разряд конденсаторов. Основными потребителями тока в схеме являются стабилитрон VD1 и резистор R2, который при открытом фототранзисторе подключен параллельно стабилитрону. Сопротивление балластного резистора R3+R4 выбирается из компромисса: должен обеспечиваться минимальный ток стабилизации VD1 (для КС512А Iстаб.мин.=1mA) и выделяемая мощность на резисторе должна быть не более 0,5…1W. В этом случае подойдут распространенные типы резисторов, например, МЛТ-1 или МЛТ-2. В выпрямителе сетевого напряжения VD2 используется старомодный диодный мостик КЦ402А (Uобр.=600V, Iмакс=1А). Схема главным образом предназначена для ВКЛ/ОТКЛ нагрузки, но для эксперимента подадим ШИМ-напряжение частотой 174Гц от выходного транзистора КП505А одного из каналов цветомузыкальной установки «TANGO-MINILIGHT», описание которой приводится в литературе [4].

С сопротивлением резистора R2=1М…100К регулирование яркости не работало. Когда яркость светодиодов в канале ЦМУ «TANGO-MINILIGHT» начинала плавно нарастать, лента LED вспыхивала с максимальной яркостью. Когда яркость светодиодов в канале ЦМУ плавно снижалась, лента LED в схеме продолжала светить с максимальной яркостью, затем гасла одновременно со светодиодами ЦМУ. Возможная причина – во время следования ШИМ-импульсов емкость затвора VT1 не успевает разряжаться через большое сопротивление R2. Яркость начала изменяться с сопротивлением R2=36…10К. С появлением ШИМ-напряжения лента LED вспыхивала приблизительно на 1/4 яркости, затем яркость плавно росла до максимального значения (увеличение длительности ШИМ-импульсов с уровнем лог.0), далее снижалась до значения 1/3…1/4 яркости (увеличение длительности ШИМ-импульсов с уровнем лог.1) и гасла. Уменьшать сопротивление R2 менее 10К нет смысла. Напрашивался вариант «с отсечением потенциалов», т.е. при активном низком уровне на затворе VT1, следует полностью исключить цепь поступления положительного напряжения, и, наоборот, при активном высоком уровне, необходимо отсечь потенциал общего провода. Лучше для этого использовать комплементарные транзисторы разной структуры. Такие транзисторы содержатся в КМОП-микросхемах, например, в инверторах К561ЛН2. На РИС.3 схема показана ниже. Микросхема DD1 получает питание от параметрического стабилизатора R3+R4 и VD1. Для увеличения выходного тока два инвертора DD1.1 и DD1.2 включены параллельно. Так как сигнал на затворе VT1 будет проинвертирован, то включение фототранзистора оптрона изменено, что дает несомненный плюс по сравнению с первой схемой, в которой он использовался как эмиттерный повторитель. Теперь фототранзистор будет работать как электронный ключ по схеме с ОЭ и это лучше для передаваемых фронтов ШИМ-импульсов. Результат получился более чем удовлетворительный – лента LED полностью дублировала работу светодиодов в канале ЦМУ. Осталось оценить режимы по постоянному току, ведь для управления RGB-светодиодами потребуется три таких узла. При закрытом фототранзисторе VS1, а значит, и закрытом VT1, измеренный ток составил Iпотр=2,33mA при падении напряжения Uпад=307V на резисторах R3+R4. Для примера на рисунке показан расчет выделяемой мощности на резисторах R3+R4 через ток и через напряжение. Видно, что результаты вычислений «бьются» – порядка 0,7W. При увеличении длительности ШИМ-импульсов с низким уровнем напряжение на конденсаторе С1 просаживалось до 10…9V. Чтобы этого не происходило, требуется увеличить рабочий ток узла. Допустим, увеличим ток в два раза – до Iраб=4,66mA. Для этого закоротим один из резисторов, например, R4. В этом случае выделяемая на резисторе R3 мощность через ток:

P=I²хR3=0,00466²х68000=1,476W;

или через падение напряжения:

Напряжение на VD1 останется неизменным (Uстаб=11,6…12,0V), значит, падение напряжения на R3 также не изменится (Uпад=Uпит-Uстаб=320-11,6=308,4V ~ Uизмер=307V), тогда:

P=U²/R3=307²/68000=1,386W, т.е. P=1,4…1,5W.

Следует использовать резисторы с рассеиваемой мощностью не менее 2W, которые все равно будут греться. Если каналов управления будет больше 2-х, 3-х, и т.д., то выходные узлы превратят конструкцию приставки в «печку». Выход из положения – применить элемент с реактивным сопротивлением, или, по-простому, гасящий конденсатор. Как это сделано, показывает схема на РИС.4:

В схеме диодный мостик VD5 и конденсатор С5 образуют источник питания +310…320V для RGB-220V-светодиодной ленты LED. Резистор R10 разряжает конденсатор после снятия питания ~220V выключателем SA1. Через резисторы R11, R12 и гасящие конденсаторы С3, С4 сетевое напряжение поступает на диодно-стабилитронный мостик VD1-VD4. Резисторы R11 и R12 ограничивают ток через стабилитроны VD3 и VD4 в первый момент включения устройства, когда конденсаторы С3 и С4 еще разряжены. Обычно параллельно гасящим конденсаторам подключают разрядные резисторы. Из-за наличия двух выпрямительных мостов здесь этого не требуется. На этапе настройки можно установить резистор R13 (выделен синим цветом), ускоряющий процесс разряда С3 и С4 после размыкания SA1. Для правильной работы гасящие конденсаторы должны быть установлены обязательно в каждом переменном плече мостика VD1-VD4, при этом появляется возможность объединить «минусы» обоих выпрямителей в общий отрицательный потенциал. Мостик VD1-VD4 можно рассматривать как два однополупериодных выпрямителя VD3-VD1 и VD4-VD2, включенные параллельно и работающие каждый со «своей полуволной» переменного напряжения. Выходное напряжение рассчитывается как напряжение стабилизации за вычетом падения напряжения на диодах (измеренное Uвых=17,5V). Выходной ток в основном зависит от емкости С3 и С4. Согласно литературе [5] на выходе однополупериодного выпрямителя с гасящим конденсатором, емкость С=1µF позволяет получить ток до Iвых=30mA. После сглаживающего пульсации конденсатора С2 напряжение поступает на вход линейного стабилизатора DA1 типа 78L12. Выходное напряжение Uвых=12,1V используется для драйверных узлов MOSFET-транзисторов VT1-VT3. Испытание проводилось с RGB-220V-светодиодной лентой длиной четыре метра. Управляющее ШИМ-напряжение подавалось от выходных ключей НЧ, СЧ и ВЧ-каналов ЦМУ «TANGO-MINILIGHT».

РОЛИК 1 показывает работу во время тестовых испытаний. В ролике видно, что элементы схемы распаяны на разных макетках, источники питания собраны навесным монтажом.

На основе схемы (РИС.4) сделан и испытан «полноразмерный» вариант приставки для ЦМУ «TANGO-MINILIGHT». Предполагалось корпус приставки разместить под корпусом ЦМУ (использовать как подставку), а все необходимые сигналы подавать через разъемы посредством многожильного жгута. Схема приставки и фрагмент схемы ЦМУ показаны на РИС.5:

Чтобы после выключения приставки RGB-ленты не оставались под потенциалом сети 220V, применяется двухполюсный выключатель SA2. К розетке XS1 подключают вилку питания ЦМУ «TANGO-MINILIGHT». Питание +10V и управляющее ШИМ-напряжение от ЦМУ на узлы гальванической развязки передаются через разъем XP1.

Собранная плата и фрагмент испытаний вместе с ЦМУ «TANGO-MINILIGHT» показаны на ФОТО:

На последних фото видно, что корпус приставки позволяет разместить еще одну плату. Позже решил дополнить приставку частотными фильтрами. На РИС.6 показаны принципиальная электрическая схема узкополосного фильтра из литературы [6] и пример расчета центральной частоты:

Схема фильтра основана на неинвертирующем усилителе с положительной обратной связью. Операционный усилитель А1 включен по схеме повторителя с единичным усилением путем соединения выхода с инвертирующим входом. Частотно-зависимые RC-цепи подключаются между выходом ОУ и неинвертирующим входом, что обеспечивает некоторую положительную обратную связь. Делитель R3-R4 создает потенциал Uпит/2, напряжение которого через регулятор R2 поступает в точку соединения R1 и С2. За счет емкости С3 изменением положения движка R2 можно управлять уровнем ПОС, что, в свою очередь, влияет на полосу пропускания фильтра. Широкая полоса пропускания соответствует максимальному сопротивлению R2. При уменьшении R2 полоса сужается и при R2=0Ω сигнал на выходе фильтра исчезает. Сборка на макетной плате и проверка работы показали, что фильтр может быть настроен на очень узкую полосу. Это позволило каждый из диапазонов НЧ, СЧ и ВЧ – сигналов разбить на три поддиапазона. Таким образом, первая RGB-светодиодная лента будет работать в диапазоне НЧ-сигналов с частотными полосами НЧ1, СЧ1 и ВЧ1, вторая – в диапазоне СЧ-сигналов с частотными полосами НЧ2, СЧ2 и ВЧ2 и, соответственно, третья – в диапазоне ВЧ-сигналов с частотными полосами НЧ3, СЧ3 и ВЧ3. Получилось девять частотных полос. Схема цветомузыкальной приставки «NONNA» показана на РИС.7 и РИС.8:

В литературе [7] работа узлов микрофонного усилителя и генератора пилообразного напряжения подробно разобрана, поэтому здесь не приводится.

Выключателями SA1.1…SA1.9 можно отключать входы фильтров, формируя цветовую гамму работы светодиодных лент. Например, если включены SA1.1, SA1.5 и SA1.9, а остальные выключены, то цветовая гамма работы лент получится классической: НЧ-красный цвет, СЧ-зеленый цвет, ВЧ-синий цвет. Если оставить включенными SA1.4-SA1.6, то все три ленты будут зажигаться только зеленым цветом. Резисторы R39, R47 и R55 задают низкий потенциал на входах при разомкнутых выключателях SA1.1-SA1.9, исключая самопроизвольное включение сегментов в лентах. От резисторов можно отказаться, если выключатели не устанавливать. Резисторы R37, R45 и R53 ослабляют взаимное влияние фильтров, т.к. к регуляторам уровня R11-R13 подключены одновременно три фильтра. Если установить регулятор на каждый фильтр, то надобность в резисторах отпадет.

Схемой АРУ выходное напряжение микрофонного усилителя DA1 ограничивается на уровне Uвых=3V. Осциллограмма 1:

Замкнутый выключатель SA1.10 уменьшает амплитуду пилообразного напряжения. Плавное изменение яркости лент сменится более резким, напоминающим вспышки стробоскопа. Осциллограмма 2 показывает амплитуду с разомкнутым и замкнутым выключателем:

Для работы микрофонного усилителя DA1 выключатель SA2 должен быть замкнут. Если разомкнуть SA2 (как на схеме), то микрофонный усилитель выключится. Режим паузной подсветки будет работать постоянно даже при наличии звукового сигнала в помещении.

Для изменения скорости эффекта «бегущий огонь» в режиме паузной подсветки применяется двоичный счетчик DD1, на тактовый вход которого 10DD1 импульсы подаются с выхода компаратора 7DA7.1. Осциллограмма 3 показывает форму импульсов:

Переключателем SA3 выбирают коэффициент деления счетчика (в правом поле УГО счетчика показаны степени двойки), изменяя скорость переключения R, G и B – сегментов. В положении «1» переключателя скорость минимальна, в положении «5» скорость максимальна, а в положении «6» получаем мерцающий белый свет.

Узел на компараторе DA8.2 определяет наличие звукового сигнала, сравнивая напряжение на своих входах. Когда звук есть и его уровень достаточен, выход 1DA8.2 закрыт. Накопительный конденсатор С11 заряжен почти до Uпит=6V и на входе «R» десятичного счетчика DD2 – лог.1. Счетчик не работает – на выходе «0» – лог.1, на остальных – лог.0. Через ограничивающий ток резистор R25 включен светодиод HL1, индицирующий постоянным свечением режим ЦМУ или питание. Если уровень звукового сигнала становится недостаточным, то С11 через резистор R17 и открытый выход 1DA8.2 разряжается. При снижении напряжения до уровня Uпит/2 разрешается работа счетчика DD2. С выходов счетчика DD2 сигналы вида «бегущая единица» через ограничивающие  ток резисторы R26-R34 и развязывающие диоды VD2-VD10 поступают на базы транзисторов VT6-VT8, работающих детекторами в фильтрах. Светодиод HL1 мигает, указывая на режим паузной подсветки. Если вновь уровень звукового сигнала в помещении окажется достаточным, то выход 1DA8.2 закроется. Через малое сопротивление R16 и открытый диод VD1 конденсатор С11 быстро зарядится, счетчик DD2 сбросится и режим паузной подсветки выключится. Подстроечным резистором R17 настраивают скорость разряда С11, следовательно, и время включения паузной подсветки после исчезновения звукового сигнала.

Ниже на ФОТО показаны фрагменты сборки приставки.

Собранная плата с фильтрами и импульсным AC/DC источником питания (Uвых=12V, Iвых.макс=500mA). Плата источника питания зафиксирована пайкой, а провода термоклеем:

Собранная плата узла «бегущий огонь»:

Установленные на корпусе регуляторы, выключатели, переключатели и выходной разъем для подключения светодиодных лент, а также необходимые шлейфовые соединения с коннекторами:

Внутренняя компоновка приставки:

Установка на боковой панели DIP-выключателя SA1:

Окончательная сборка, закрытие корпуса и тестовое подключение светодиодной ленты к выходному силовому разъему:

В завершение всей конструкции собрана «ответная» часть разъема с распаянным кабелем:

После месяца эксплуатации перестал работать зеленый сегмент светодиода в ВЧ-диапазоне (канал СЧ3). Перед полным отказом G-сегмент RGB-светодиода светился в половину яркости. Такое поведение продолжалось в течение трех дней, после чего перестал включаться совсем:

Работа остальных светодиодов – без каких-либо изменений, и не только в ленте ВЧ-диапазона, но и в лентах СЧ и НЧ – диапазонов. Для проверки режим ЦМУ выключил, а в режиме «бегущий огонь» переключателем SA3 установил эффект «белый мерцающий свет»:

В этом режиме приставка проработала более 4-х часов. Каких-то новых отказов в работе RGB-светодиодов не выявлено. Напомню, обе ленты произведены NO NAME китайскими конторами, не имеющих торгового бренда и, вполне возможно, что в ленту попал некондиционный RGB-светодиод. К слову сказать, в интернет-обзорах про RGB-220V-светодиодные ленты предупреждают о низком качестве дешевой продукции от неизвестных производителей, т.е. так или иначе, через какое-то время данный G-сегмент в RGB-светодиоде все равно бы «помер». В моем случае это подтвердилось – цена за метр ленты была не высокой, а увеличенное напряжение питания приблизило срок выхода из строя.

Рассмотренные в теме вариант питания и ШИМ-управление, разумеется, не «последняя инстанция». Так как в приставку добавлены частотные фильтры, и она стала отдельным «полноценным» цветомузыкальным устройством, то, может быть, стоило заморочиться и на эксперименты по увеличению частоты ШИМ-напряжения и не устанавливать Сф в источник питания (Uпит=220V). Но, ближайшее время приставка будет эксплуатироваться в показанном выше исполнении (Uпит=320V) – есть смысл проверить наработку RGB-220V-светодиодных лент на отказ.

Литература:

  1. Журнал «Радиоконструктор» №4, 2003г., «Регулятор мощности на полевом транзисторе», стр. 23-24.
  2. Журнал «Радиоконструктор» №7, 2010г., «Регулятор яркости для настольной лампы», стр. 32-33.
  3. Журнал «Радиоконструктор» №11, 2006г., «MOSFETвыключатель», стр. 31
  4. Сайт «Lightportal». Тема: «Цветомузыкальная установка TANGO-MINILIGHT с режимом сдвига каналов».
  5. Сборник «В копилку радиолюбителя. Популярные схемы и конструкции». Под ред. А. Грифа. Москва, изд. СОЛОН-Пресс, 2005г. Глава 3 «Блоки питания», статья С. Бирюкова «Блоки питания с балластным конденсатором», стр. 74-84.
  6. Рудольф Ф. Граф и Вильям Шиитс «400 новых радиоэлектронных схем». Сборник «В помощь радиолюбителю», изд. ДМК, Москва, 2007г. Глава 35 «Схемы фильтров», статья «Узкополосный фильтр», стр.33-34.
  7. Сайт «Lightportal». Тема: «Цветомузыкальная установка КЛАССИКА 3LED-3W».

В конце темы можно посмотреть ролики.

5 1 vote
Рейтинг статьи

Автор публикации

не в сети 2 недели

Radan

0
Комментарии: 954Публикации: 191Регистрация: 30-11--0001
Поделиться
Войти с помощью: 
Подписаться
Подписаться на
0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments