Цветодинамическая установка «МАЯК» на базе микросхемы LM3914

                             В теме представлено устройство цветодинамического сопровождения музыки, выполненного на базе драйвера шкального индикатора – поликомпараторной микросхеме LM3914. В отличие от цветомузыкальных устройств, также выполненных на поликомпараторных микросхемах, в данном устройстве заложен принцип «динамической индикации», поэтому, для управления тридцатью светоизлучателями требуется одна микросхема LM3914. В устройстве реализовано три режима работы, которые выбираются кнопкой.

Наличие звука определяет электретный микрофон, а яркость светоизлучателей зависит от ШИМ-регулирования. Схема установки дополнена узлом паузной подсветки.

Внешний вид собранной цветодинамической установки «МАЯК» показан на ФОТО:

Режимы работы устройства.

    Первый режим формирует эффект последовательного перемещения цветовых точек от низа экранного устройства к верху и обратно. Активация цвета R, G или B происходит в соответствии с частотой в звуковом диапазоне музыкального трека, а высота перемещения цветовых точек определяется уровнем сигнала в частотных каналах. Отслеживаются десять уровней в трех частотных диапазонах: НЧ, СЧ и ВЧ. Общая яркость цветовых точек зависит от громкости звука.

Доступны регулировки: уровень НЧ, уровень СЧ, уровень ВЧ и яркость.

    Во втором режиме вместо фильтров работает преобразователь «частота-напряжение». Экранное устройство условно разделено на три части звукового диапазона снизу вверх: НЧ-диапазон, СЧ-диапазон и ВЧ-диапазон. Формируемый эффект можно охарактеризовать как «бешенный» или «дикий» огонек. Цветовая точка «прыгает» от низа экранного устройства к верху и наоборот или «мечется» от середины к краям в зависимости от преобладающей частоты. Наилучший эффект достигается, когда в музыкальном треке ярко выражена смена частот, например, ударные инструменты чередуются с тарелочками. Световая точка меняет цвета также в зависимости от преобладающей частоты в звуковом сигнале.

Доступны регулировки: уровень НЧ, уровень СЧ, уровень ВЧ, яркость и масштаб.

    В третьем режиме установка работает как VU-метр. Уровень сигнала отображается цветовым столбиком. Чем громче звуковой сигнал, тем больше длина столбика от низа экранного устройства к верху. Цвет столбика зависит от преобладающей частоты в музыкальном треке, при этом светоизлучатели работают всегда с максимальной яркостью.

Доступны регулировки: уровень НЧ, уровень СЧ, уровень ВЧ и яркость, которым настраивают максимальную длину столбика.

Разберем работу узлов устройства по принципиальной схеме, показанной на РИС.1:

  1. Источник питания.

Мощность источника питания с напряжением Uвых=12…15V выбирают исходя из тока потребления светоизлучателями, с которыми работает устройство – с одноцветными или RGB-светодиодными лентами, цветными одиночными светодиодами или с лампами накаливания. Выходной ток источника питания, как правило, выбирают с двукратным запасом. Например, в рассматриваемом устройстве в качестве светоизлучателей применяются две пятиметровые RGB-светодиодные ленты с потребляемой мощностью P=14,4Вт х 1м (шесть RGB-светодиодов типоразмера 5050 расположены на десяти сантиметрах ленты). Общую потребляемую мощность лентами можно посчитать как: Pпотр=14,4Вт х 5м х 2шт = 72 х 2 = 144Вт. Тогда, потребляемый ток лентами от источника питания с Uвых=12V, составит: Iпотр = 144Вт / 12V = 12А. Реальный (измеренный) ток может отличаться от расчетной величины из-за ряда причин. Далее в теме будет подробно рассмотрена особенность питания светоизлучателей в данном устройстве.

От внешнего источника с Uвых=12…15V запитан узел управления (DA11 и VT19-VT28) светоизлучателями (EL1-EL10). Это напряжение поступает на первый стабилизатор DA6 типа 7809  с Uвых=9V для генератора пилообразного напряжения (VT8, VT9, DA5), для преобразователя «частота-напряжение» (DA4), для узлов ШИМ-управления яркостью (DA7-DA10), а также для узла, формирующего динамический режим работы светоизлучателей (DD3, DD4 и VT29-VT31). Стабилизатор напряжения DA6  установлен на небольшой теплоотвод.

Далее напряжение поступает на второй стабилизатор DA3 типа 78L06 с Uвых=6V. Это напряжение используется для питания узла выбора режима работы (DD2), микрофонного усилителя со схемой АРУ (DA1, VT1), трех узкополосных фильтров (DD1), активных детекторов (VT2-VT4, VT7) и усилителя сигнала яркости (DA2).

  1. Узел выбора режима работы.

Выполнен на двух D-триггерах (DD2.1 и DD2.2) в составе микросхемы К561ТМ2. После подачи питания за счет цепи сброса С28-R38 триггер DD2.1 установится в «нулевое» состояние (на 1DD2.1 – лог.0, на 2DD2.1 – лог.1). Уровень лог.1 с выхода 2DD2.1 устанавливает триггер DD2.2 в «нулевое» состояние по входу «R» (на 13DD2.2 – лог.0. на 12DD2.2 – лог.1) и поступает на затворы транзисторов VT10-VT13. Транзистор VT13 включает R-секцию RGB-светодиода HL2, а транзисторы VT10-VT12 подключают конденсаторы, соответственно, С36-С38 к выходам активных детекторов. Красным цветом свечения индикатор указывает на первый режим работы.

Если нажать кнопку SB1 «режим», то высокий уровень напряжения поступит на тактовые входы «С» обоих триггеров. Цепь R37-С29 подавляет дребезг контактов кнопки. Так как на входе «D» (выв.5DD2.1) уровень лог.1 с вых.12DD2.2, то триггер DD2.1 переключится в «единичное» состояние (на выв.1DD2.1 – лог.1. на выв.2DD2.1 – лог.0). Триггер DD2.2 своего состояния не изменит. Уровень лог.0 с вых.2DD2.1 закроет транзисторы VT10-VT13. Уровень лог.1 с вых. 1DD2.1 поступит на затвор VT5 – сработают реле К1 и К2, а также через R9 на затвор VT14, который включит G-секцию RGB-светодиода HL2. Зеленым цветом свечения индикатор указывает на второй режим работы.

Если кнопку SB1 нажать еще раз, то в триггер DD2.2 запишется лог.1 с выхода 1DD2.1, при этом триггер DD2.1 своего состояния не изменит. С вых.12DD2.2 лог.0 откроет диод VD6 и затвор VT14 окажется зашунтированным, поэтому, G-секция индикатора выключится. Одновременно лог.1 с вых. 13DD2.2 поступит на затворы транзисторов VT6, VT15, VT16 и VT18, которые откроются. Сработает реле К3, включится B-секция RGB-светодиода HL2, откроется транзистор VT17, а выход 7DA7 окажется зашунтированным. Индикатор синим цветом отображает третий режим работы.

Очередное нажатие на кнопку SB1 установит оба триггера в исходное «нулевое» состояние, что соответствует первому режиму работы и красному цвету индикатора. Таким образом, выбор нужного режима работы происходит последовательно с каждым нажатием на кнопку SB1.

  1. Микрофонный усилитель с АРУ.

Звук улавливается электретным микрофоном BM1, получающим питание через фильтр R2-C2. Резистором R1 задают рабочий ток микрофона по максимальному выходному напряжению. Через разделительный С1 звуковое напряжение с амплитудой порядка ~Uвых.микр=20…40mVp-p (комфортная громкость источника звука) поступает на усилитель DA1 – мостовой УМЗЧ типа MC34119, включенный по схеме увеличенного входного импеданса (Zвх=125К). Конденсатор С4, подключенный к входу «FC2» (выв.2DA1), дополнительно снижает пульсации по питанию. Коэффициент усиления по напряжению определяется резистором R3 и сопротивлением канала И-С полевого транзистора VT1 типа КП103К (P-канал). При отсутствии звука или его малой громкости Кус максимален, т.к. конденсатор С8 практически разряжен, на затворе VT1 потенциал меньше напряжения отсечки транзистора, сопротивление канала И-С не велико. Если при большой громкости выходное напряжение усилителя DA1 начнет превышать ~Uвых=3,0Vp-p, сопротивление канала И-С увеличится на столько, что начнется ограничение сигнала по амплитуде.

Обычно в схемах АРУ цветомузыкальных устройств, для детектирования сигнала обходятся однополупериодным выпрямителем, т.е. управление усилением зависит от среднеквадратичного значения выпрямленного сигнала. Это может приводить к неодинаковой реакции на положительные и отрицательные полуволны сигнала или к задержке срабатывания АРУ. Использование в микрофонном усилителе микросхемы мостового УМЗЧ позволяет простым способом реализовать детектор по схеме двухполупериодного выпрямителя, т.к. сигналы снимаются с выходов УМЗЧ, работающих противофазно, тогда управление усилением будет происходить по абсолютному значению выпрямленного сигнала. Это кратно уменьшит время отклика АРУ и удержание сигнала на необходимом уровне станет более точным. С выходов усилителя «Vo1» (выв.8DA1) и «Vo2» (выв.5DA1) через разделительные конденсаторы С6 и С7 напряжение поступает на мостик VD1 (два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку – резистор R4), преобразующего переменный сигнал в постоянный импульсный.

Процесс детектирования сигнала поясняет РИС.2:

С выхода «Vo1» положительная полуволна проходит через С6 и через диод D2 в точку «А». Диод D1 закрыт. В этот же момент на выходе «Vo2» отрицательная полуволна разряжает конденсатор С7 через диод D3, при этом диод D4 закрыт. После смены фазы сигнала с выхода «Vo2» положительная полуволна проходит через С7 и через D4 в точку «Б». Диод D3 закрыт. Одновременно С6 разряжается отрицательной полуволной с выхода «Vo1» через диод D1, при этом диод D2 закрыт, т.е. верхнее и нижнее переменные плечи мостика VD1 (РИС.1) работают по очереди – получили аналог двухполупериодного выпрямителя звукового сигнала. Порог захвата сигнала схемой АРУ определяется экземпляром используемого полевого транзистора (для КП103К напряжение отсечки Uотс=1,4…4V). Уровень выходного сигнала микрофонного усилителя зависит от емкости конденсаторов С6 и С7 (С=10nF…470nF), а инерционность системы АРУ от емкости конденсатора С8 (С=100nF…2,2µF).

Форму и амплитуду сигнала на выходе микрофонного усилителя показывает осциллограмма 1:

  1. Узкополосные фильтры.

С выхода «Vo2» (выв.5DA1) микрофонного усилителя через разделительный конденсатор С12 усиленный и ограниченный на уровне ~3,0Vp-p звуковой сигнал поступает на регуляторы R10, R19 и R28. В процессе работы регуляторами можно настроить уровень сигнала в каналах НЧ (R), СЧ (G) или ВЧ (B) в зависимости от «частотной картинки» музыкального трека. С движков переменных резисторов через разделительные конденсаторы С13, С18 и С23 сигналы поступают на узкополосные частотные фильтры. Фильтр НЧ выполнен на элементах DD1.1 и DD1.2, фильтр СЧ – на элементах DD1.3 и DD1.4, фильтр ВЧ – на элементах DD1.5 и DD1.6. Все шесть логических элементов «НЕ» находятся в составе микросхемы типа К561ЛН2 и резисторами в цепи отрицательной обратной связи переведены в линейный режим работы. Непосредственно сами фильтры построены на элементах DD1.1, DD1.3, DD1.5 и элементах обвязки (R и С), соединенных по схеме моста Вина. Элементы R13-R14-DD1.2, R22-R23-DD1.4, R31-R32-DD1.6 образуют усилители напряжения, компенсирующие затухание звукового сигнала при прохождении через фильтры. Подстроечными резисторами R15, R24 и R33 настраивают добротность фильтров (крутизна подъема и спада выходного сигнала от частоты) до момента появления генерации, т.е. до начала самовозбуждения фильтра. Если частота входного сигнала совпадает с частотой пропускания фильтра, то размах выходного напряжения может достигать ~Uвых =4,5…5Vp-p. Если частота входного сигнала лежит за пределами частоты пропускания, то размах выходного напряжения не превысит ~Uвых=1..1,5Vp-p.

Осциллограммы 2, 3 и 4 показывают форму и амплитуду напряжения на выходах фильтров, когда частота входного сигнала не соответствует полосе пропускания фильтра и когда соответствует:

Осциллограмма 2 – фильтр НЧ

Осциллограмма 3 – фильтр СЧ

Осциллограмма 4 – фильтр ВЧ

С выходов фильтров через разделительные конденсаторы С16, С21 и С26 переменное напряжение поступает на активные детекторы.

  1. Активные детекторы.

Детекторы выполнены на транзисторах VT2-VT4 типа КТ3107 структуры p-n-p, поэтому детектируется только отрицательная полуволна переменного напряжения на выходах фильтров. Резисторами R17, R26 и R35 установлено небольшое положительное смещение транзисторов. Через ограничивающие ток резисторы R16, R25 и R34 сигналы с выходов фильтров поступают на базы транзисторов. Положительные полуволны напряжения срезаются диодами VD3-VD5, а отрицательные полуволны открывают транзисторы и тем сильнее, чем больше амплитуда на выходах фильтров. Нагрузкой детекторов являются резисторы R18, R27, R36 и вместе с конденсаторами, соответственно, С17+С38, С22+С37, С27+С36 образуют интегрирующие цепи. На коллекторах транзисторов получаем усредненный сигнал, постоянная времени которого зависит от емкости конденсаторов. Емкости конденсаторов подобраны экспериментально для лучшей работы светоизлучателей. С выходов транзисторных детекторов постоянное напряжение с изменяемым уровнем поступает на входы аналоговых ключей в составе микросхемы DD4.

  1. Генератор пилообразного напряжения (ГПН).

Светодиод HL1, резисторы R43-R45 и транзистор VT8 образуют генератор тока, которым заряжается накопительный конденсатор С32. Ток заряда не зависит от напряжения накопленного конденсатором в процессе заряда, поэтому напряжение на конденсаторе возрастает линейно. Напряжение с С32 поступает на неинвертирующий вход 3DA5.2 операционного усилителя DA5.2, включенного по схеме повторителя напряжения. Имея большое входное сопротивление, он фактически не нагружает зарядную цепь, а также исключает влияние на нее других элементов схемы. С выхода 1DA5.2 напряжение подается на неинвертирующий вход 5DA5.1 операционного усилителя DA5.1, работающего компаратором напряжения. Как только линейно возрастающее напряжение превысит уровень на инвертирующем входе 6DA5.1, заданного делителем R47-R48, то на выходе компаратора 7DA5.1 сформируется высокий уровень напряжения, поступающий через ограничивающий ток R49 на базу транзистора VT9. Транзистор открывается и разряжает конденсатор С32 через малое сопротивление резистора R45.

На выходе ГПН (выв.1DA5.2) получаем пилообразное напряжение, показанное на осциллограмме 5:

Зарядно-разрядный цикл постоянно повторяется, а так как разряд конденсатора С32 происходит почти мгновенно, то на выходе компаратора 7DA5.1 высокий уровень напряжения имеет форму «иголочек», показанных на осциллограмме 6:

Сопротивление резистора R44 в цепи эмиттера VT8 задает постоянное значение тока его коллектора, которым заряжается конденсатор С32. Частота генерации зависит от этого тока и емкости конденсатора. С указанными на схеме номиналами R44 и С32 измерение частоты на выходе 7DA5.1 показало F=810Гц. При уменьшении сопротивления R44 (при увеличении зарядного тока) или при уменьшении емкости С32 частота генерации повышается, и наоборот.

Настройка ГПН не сложна: подстроечным резистором R48 верхние пики пилообразного напряжения выставляют на уровне Uв.пик=2,8…3,2V, а подстроечным резистором R45 нижние пики выставляют на уровне Uн.пик=150…250mV.

  1. Узел, формирующий динамический режим работы светоизлучателей.

Включает в себя десятичный счетчик DD3 типа К561ИЕ8, три аналоговых ключа DD4.1-DD4.3 в составе микросхемы К561КТ3 и три мощных токовых ключа VT29-VT31 на полевых N-канальных транзисторах с изолированным затвором типа FQP50N06 (MOSFET).

Счетчик DD3 тактируется импульсами с выхода компаратора 7DA5.1. На его счетный вход «С1» (выв.14DD3) подаются импульсы, показанные на осциллограмме 6, при этом на счетном входе «С2» (выв.13DD3) установлен уровень лог.0 с выхода «4» (выв.10DD3). Когда на выходе счетчика «3» (выв.7DD3) появляется лог.1, то через замкнутые контакты 1-2 группы К1.1 счетчик сбрасывается по входу «R» (выв.15DD3) и счет начинается заново. На выходах счетчика «0» (выв.3DD3), «1» (выв.2DD3) и «2» (выв.4DD3) получаем сдвинутые относительно друг друга импульсы с уровнем лог.1 и следующие с частотой F=270Гц. Выходы счетчика DD3 управляют аналоговыми ключами DD4 и токовыми ключами VT29-VT31:

     – с первым тактом (лог.1 на выв.3DD3) открывается ключ DD4.1. Вход 1DD4.1 и выход 2DD4.1 замыкаются – на вход «IN» (выв.5DA11) микросхемы LM3914 через замкнутые контакты 1-2 группы К3.1 поступает постоянное напряжение с изменяемым уровнем от детектора НЧ. Одновременно через замкнутые контакты 1-2 группы К1.2 открывается транзистор VT29 и подключает секцию «R» светоизлучателя к минусу источника питания;

     – со вторым тактом (лог.1 на выв.2DD3) откроется ключ DD4.2. Вход 4DD4.2 и выход 3DD4.2 замкнутся – на вход LM3914 поступит постоянное напряжение с изменяемым уровнем от детектора СЧ. Одновременно через замкнутые контакты 1-2 группы К2.1 откроется транзистор VT30 и подключит секцию «G» светоизлучателя к минусу источника питания;

     – с третьим тактом (лог.1 на выв.4DD3) откроются ключ DD4.3 и через замкнутые контакты 1-2 группы К2.2 откроется транзистор VT31 – микросхема LM3914 будет работать с выходным напряжением детектора ВЧ, а к минусу источника питания подключится секция «B» светоизлучателя.

Далее процесс повторяется сначала.

Осциллограмма 7 показывает форму сигнала на входе «IN» микросхемы LM3914, которая по виду напоминает «растущие столбики»:

Рассмотрим осциллограмму 7 более детально по схематичному графику на РИС.3:

Из графика видно, что длительность включенного состояния R (НЧ), G (СЧ) или B (ВЧ) – секций светоизлучателя равна одному такту, в течение которого амплитуда напряжения может иметь разный уровень – от нуля вольт до максимального значения.

  1. Узел, формирующий ШИМ-напряжение для управления яркостью.

Включает в себя усилитель DA2, детектор VT7 и компаратор DA7. Сигнал от микрофона через разделительный конденсатор С3 поступает на вход «FC1» (выв.3DA2) усилителя типа МС34119. Коэффициент усиления по напряжению определяется сопротивлением R7 в цепи ООС и переменным резистором R5. Максимальное усиление соответствует нулевому сопротивлению регулятора «яркость». Далее через разделительный С10 и ограничивающий ток R8 усиленный сигнал поступает на активный детектор VT7. Диод VD7 срезает положительные полуволны сигнала, а R9 устанавливает небольшое положительное смещение базы. На резисторе R53 и конденсаторе С41 образуется сглаженное напряжение с изменяемой амплитудой. На инвертирующем входе 3DA7 компаратора напряжения типа LM311 уровень напряжения при большой громкости может достигать 5,5…6,0V. На неинвертирующий вход 2DA7 поступает пилообразное напряжение от ГПН. На выходе 7DA7 (открытый коллектор) формируется ШИМ-напряжение – импульсная последовательность, скважность которой зависит от уровня звука. Чем громче звук, тем больше длительность импульсов с низким уровнем (соответственно, меньше длительность импульсов с высоким уровнем).  Осциллограмма 9 показывает ШИМ-напряжение при минимальной, средней и почти максимальной яркости светоизлучателей:

Очень громкий звук приводит к смене импульсной последовательности низким уровнем напряжения. Это соответствует максимальной яркости светоизлучателей. Уровень импульсной последовательности определяет номинальное напряжение на выходе «Rout» (выв.7DA11) источника опорного напряжения (Uref=1,25V) в составе микросхемы LM3914. Резистор R57 ограничивает ток, стекающий с вывода 7DA11 на выход 7DA7.

  1.  Узел управления светоизлучателями.

Микросхема LM3914 используется в типовом включении. Вход «RLO» (выв.4DA11) соединен с входом «GND» (выв.2DA11 – минус питания), поэтому напряжение на входе «IN» (выв.5DA11) отслеживается от нуля вольт. Вход «Radj» (выв.8DA11) также подключен к входу «GND», поэтому на выходе «Rout» напряжение соответствует номинальному значению Uref=1,25V. С движка подстроечного резистора R58 на вход «RHI» (выв.6DA11) подано напряжение U=2,5…3,0V. Когда напряжение на входе «IN» немного превысит напряжение на входе «RHI», то активируется выход «10» (выв.10DA11). Таким образом, при увеличении напряжения на входе «IN» от нуля до максимума (высота «столбиков» на осц.7 растет) появляются импульсы с низким уровнем напряжения поочередно, начиная с выхода «1» и заканчивая выходом «10». Когда на входе «IN» напряжение уменьшается от максимума до нуля (высота «столбиков» на осц.7 снижается), то импульсы с низким уровнем будут появляться поочередно, начиная с выхода «10» и заканчивая выходом «1». Скорость перемещения импульсов по выходам зависит от скорости изменения высоты «столбиков». Так как на выход «Rout» подается ШИМ-напряжение, то импульсы с низким уровнем на выходах микросхемы LM3914 появляются с изменяемой скважностью. Нагрузкой выходов служат резисторы R60-R69, одновременно создающие на затворах мощных P-канальных транзисторов VT19-VT28 типа IRF9640 положительное смещение. Транзисторы коммутируют Uпит=12…15V на общие плюсовые шины светоизлучателей EL1-EL10.

  1.  Работа устройства во втором режиме.

Нажатие на кнопку SB1 «режим» приводит к срабатыванию реле К1 и К2. В группах К1.1 и К1.2, К2.1 и К2.2 контакты 1-2 размыкаются, а контакты 2-3 замыкаются. Вход «R» (выв.15DD3) счетчика DD3 отключается от выхода «3» (выв.7DD3) и подключается к общему проводу схемы. Счетчик считает до четырех и на выходе «4» (выв.10DD3) появляется уровень лог.1, поступающий на счетный вход «С2» (выв.13DD3). Высокий уровень на входе «С2» запрещает работу счетчика DD3 и текущее состояние счетчика фиксируется. Уровень лог.0 на выходах счетчика «0», «1» и «2» закрывает аналоговые ключи DD4.1-DD4.3, а уровень лог.1 на выходе «4» открывает ключ DD4.4. Одновременно закрываются транзисторы VT10-VT12, а к выходам компараторов DA8-DA10 подключаются затворы транзисторов, соответственно, VT29-VT31. Таким образом, в детекторах фильтров время интегрирования сигнала уменьшилось, т.к. конденсаторы С36-С38 отключены, а токовые ключи VT29-VT31 теперь будут управляться ШИМ-напряжением с выходов компараторов DA8-DA10.

С выхода «Vo1» (выв.8DA1) УМЗЧ переменное напряжение звуковой частоты поступает на триггер Шмитта, выполненный на резисторах R41, R46, R40 и операционном усилителе DA4.1. Триггер преобразует переменный сигнал в прямоугольные импульсы.

Осциллограмма 8 показывает уровень и форму сигнала на выходе 1DA4.1, когда в звуковом сигнале преобладают низкие и высокие частоты:

Так как на выходе триггера Шмитта амплитуда импульсов практически постоянна, то протекающий через конденсатор С34 ток зависит только от частоты. Напряжение с конденсатора С34 поступает в точку соединения диодов VD13 и VD14. Положительные полуволны напряжения после конденсатора через диод VD13 замыкаются на землю, а отрицательные проходят через диод VD14 на интегратор, выполненный на элементах R50, R51, С35 и DA4.2, и вызывают протекание тока инвертирующего входа 6DA4.1. Ток преобразуется в среднее значение напряжения цепью R50-R51-С35. Масштаб преобразования зависит от переменного резистора R50 «масштаб». В зависимости от «частотной картинки» музыкального трека этим резистором характеристику преобразования можно сделать либо пологой (сопротивление R50 мало), либо крутой (сопротивление R50 велико). В первом приближении работу узла можно сравнить с работой автомобильного тахометра, только в данном случае выходное напряжение зависит не от частоты срабатывания датчика оборотов коленчатого вала, а от частоты звукового сигнала. Чем выше частота звукового сигнала, тем больше уровень постоянного напряжения на выходе 7DA4.2 интегратора. Подстроечным резистором R40 на инвертирующем входе 2DA4.1 устанавливают напряжение, при котором высокой частоте входного сигнала (например, звук барабанных тарелочек или согласные «С» и «Ц» в голосе исполнителя песни) соответствует включенный светоизлучатель EL10, при этом движок переменного резистора R50 следует предварительно установить в среднее положение. С выхода интегратора напряжение через открытый ключ DD4.4 и замкнутые контакты 1-2 группы К3.1 подается на вход «IN» микросхемы LM3914.

Без напряжения от детекторов VT2-VT4 на выходах «7» (открытый коллектор) компараторов DA8-DA10 установлен низкий уровень напряжения, и транзисторные ключи VT29-VT31 закрыты. На инвертирующие входы «3» компараторов постоянно подается пилообразное напряжение от ГПН. Когда напряжение с изменяемым уровнем с выходов детекторов появляется на неинвертирующих входах «2» компараторов, то их выходы периодически закрываются. Благодаря коллекторным нагрузкам R73-R75 на выходах компараторов формируется ШИМ-напряжение и через замкнутые контакты 2-3 групп К1.2, К2.1 и К2.2 поступает на затворы транзисторных ключей. Чем больше длительность импульсов с высоким уровнем (соответственно, меньше длительность с низким уровнем) в ШИМ-напряжении, тем больше насыщенность светоизлучателей EL1-EL10 тем или иным цветом. Транзисторные ключи VT29-VT31 управляются сигналами, формируемыми частотными фильтрами, поэтому в нижней части экранного устройства преобладает красный цвет, в средней – зеленый, а в верхней части – синий цвет.

  1. Работа устройства в третьем режиме.

Если установка работает во втором режиме, то нажатие на кнопку SB1 «режим» активирует третий режим работы. Срабатывает реле К3 и контакты 2-3 группы К3.1 замыкаются. В этом случае напряжение на вход «IN» микросхемы LM3914 будет поступать от детектора на диодах VD8 и VD9. Переменный резистор R5 теперь регулирует не яркость, а уровень сигнала. В зависимости от громкости музыкального трека регулятором можно задать максимальную длину светящегося столбика. Режим работы столбиком формируют открытые транзисторы VT16 и VT17. Транзистор VT17 подает напряжение питания на вход «MODE» (выв.9DA11) микросхемы LM3914. Открытый транзистор VT18 своим переходом С-И шунтирует выход 7DA7 компаратора DA7, подключая левый вывод (по схеме) резистора R57 к минусу источника питания. В результате светоизлучатели EL1-EL10 работают с максимальной яркостью. Цветовая насыщенность столбика задается регуляторами «уровень» в частотных фильтрах.

  1. Особенность использования источников питания.

Как было показано в начале темы, расчетный ток, потребляемый двумя пятиметровыми RGB-светодиодными лентами в экранном устройстве весьма большой – Iпотр=12А. Говорят, что источники питания в виде адаптеров (как для ноутбуков) на ток более 5А не выпускают. Покупать источник питания в перфорированном корпусе (P=180-240W для панельной установки, крепятся винтами или с помощью дополнительной планки на DIN-рейку) не хотелось – дорого, большой размер и такой источник в целях электробезопасности необходимо устанавливать в отдельный корпус. Рассматривался вариант параллельного соединения менее мощных источников питания. Но, в этом случае пришлось бы применять развязывающие диоды с малым падением напряжением и большим прямым током, например, диоды Шоттки с Iраб=8…10А, и, ко всему прочему, места в корпусе устройства совсем не много. Остановился на промежуточном варианте – с двумя менее мощными источниками, каждый из которых питает половину общей нагрузки.

Схема питания, реализованная в цветодинамической установке «МАЯК» показана на РИС.4:

Измерения токов и напряжений проведены в «режиме 3», при котором активны все десять выходов микросхемы LM3914 и экранное устройство светится ярким белым цветом (R+G+B). Из РИС.4 видно, что питание схемы устройства и питание светоизлучателей разделено. Для питания схемы использован AC-DC адаптор с Pвых=12W, выполненный в виде сетевой вилки. Его плата извлечена из штатного корпуса. Схема устройства в «режиме 3» потребляет от этого источника Iпотр=160mA при выходном напряжении Uвых=12,48V.

Мощные импульсные AC-DC источники с Pвых=72W по отдельности питают две шины +12V светоизлучателей. Для равномерного распределения нагрузки светоизлучатели EL1-EL10 разделены на две группы  – один источник питает группу из пяти светоизлучателей с четными порядковыми номерами, а другой – группу из пяти светоизлучателей с нечетными.

Применяются источники китайского производства под торговым брендом «General», специально выполненные в узкой вытянутой форме для установки в кабель-канал. Эти источники по размерам очень хорошо подошли для размещения внутри трубы экранного устройства. Чтобы источники «не елозили» внутри трубы, по краям корпусов наклеил резинки:

Измерение выходного напряжения источников с неподключенной нагрузкой показало, что на выходе нет «чистых» 12,0…12,5V. Вместо этого на выходе «дежурило» напряжение Uвых = 11,8V. В надежде, что внутри имеется подстроечный резистор для настройки Uвых в некотором пределе (как у источников питания в перфорированных корпусах), разобрал источник питания:

Подстроечного резистора для точной установки Uвых на плате не оказалось. Под нагрузкой (в режиме 3) выходное напряжение проседало до Uвых=11,56V. Измеренные токи немного различались: сразу после включения – Iпотр=3,70А и Iпотр=3,78А и в течение получаса работы эти токи увеличились, соответственно, до Iпотр=3,76А и Iпотр=3,84А. Вероятно, причиной увеличения потребляемого тока на 60mA является небольшой нагрев кристаллов в RGB-светодиодах.

В схеме на РИС.4 показаны нагрузочные резисторы R73+R74=200 Ом и R75+R76=200 Ом типа МЛТ-2, подключенные параллельно выходам источников питания. Для чего это сделано? После сборки устройства при первых испытаниях наблюдался «интересный» эффект: как только начинал звучать музыкальный фрагмент, и включались светоизлучатели EL1 и EL2, их яркость различалась в два (!) раза, а затем, на протяжении всего музыкального трека, яркость становилась одинаковой. Долго не мог понять «физику» этого явления, пока с помощью осциллографа не снял эпюру напряжения на выходах источников питания.

Осциллограмма на РИС.5 показывает работу источников питания без нагрузочных резисторов при активации выходов «1» и «2» микросхемы LM3914:

Без резисторов в первый момент времени напряжение проседало до уровня Uвых/2=6V, после чего источник питания входил в нормальный рабочий режим (режим стабилизации напряжения). С нагрузочными резисторами эффект «провала напряжения» исчез и все светоизлучатели стали работать с одинаковой яркостью с самого начала звучания музыкального трека. Ток источников питания в отсутствие сигналов на выходах микросхемы LM3914 не превышает Iпотр=58mA. Для лучшего рассеивания тепла резисторы составлены из двух последовательно включенных R=100 Ом. Во время работы источники питания нагреваются. Были сделаны замеры температуры корпуса источника после получаса, одного и полутора часов работы в третьем режиме:

В течение первых тридцати минут работы температура заметно растет, затем рост замедляется и стабилизируется на температуре не более 60 градусов.

На ФОТО показаны плата источника питания Pвых=12W и нагрузочные резисторы:

  1. Паузная подсветка как дополнительная опция.

Во время проверочной работы цветодинамической установки в течение недели все больше появлялось ощущение какой-то недоделанности. В паузах между музыкальными треками помещение оставалось совершенно темным. Определенно не хватало режима паузной подсветки.

Цветодинамическая установка «МАЯК» работает в одном из трех режимов, для выбора которых схемой осуществляется немалое количество коммутационных переключений. Режим паузной подсветки должен одинаково работать при любом режиме. Поэтому, придуман следующий алгоритм для активации паузной подсветки:

независимо от того, в каком режиме работает устройство, в отсутствие звука в помещении (или его недостаточной громкости) принудительно включается третий режим работы. На вход микросхемы LM3914 подается нарастающий уровень напряжения. В экранном устройстве от низа к верху включаются светоизлучатели. Цвет светоизлучателей периодически меняется.

Принципиальная электрическая схема узла паузной подсветки показана на РИС.6:

Когда включена музыка и ее уровень достаточен для работы установки, транзистор VT2 либо постоянно открыт, либо периодически открывается, формируя на входе 13DD1.4 низкий уровень напряжения. На выходе 10DD1.5 также низкий уровень. Конденсатор С2+С3 разряжен. С выхода 12DD1.4 уровнем лог.1 открыт VT3, а через ограничивающий ток R13 закрыт VT4. На катодах диодов VD2, VD4 и VD6 низкий уровень, поэтому они открыты и шунтируют выходы трехфазного генератора DD1.1-DD1.3, который после подачи питания постоянно работает. Мигающий светодиод HL1 не получает питания и транзистор VT5 закрыт низким уровнем с резистора R14. От уровня лог.0 закрыты транзисторы VT6-VT9. Уровень лог.1 инвертируется элементом DD1.6. С его выхода лог.0 через R12 закрывает диод VD8, при этом конденсатор С7 разряжен. Таким образом, во время работы цветодинамической установки паузная подсветка выключена.

Когда уровень громкости воспроизводимого трека недостаточен, транзистор VT2 закроется. Через сопротивление R3+R5 начнется зарядка конденсатора С2+С3. Приблизительно через время Т=4сек напряжение на входе 13DD1.4 достигнет порога переключения. Элементы DD1.4 и DD1.5 переключатся и уровни напряжения на их выходах поменяются на противоположные. С выхода 10DD1.5 лог.1 через С1 поступит на затвор VT1. Транзистор откроется и зашунтирует затвор VT2 на время приблизительно Т=3сек. Это сделано для исключения граничных (неустойчивых) состояний узла, чтобы не было «дребезга» при переходах из режима ЦМУ в режим паузной подсветки. Уровень лог.1 поступит на транзисторы VT6-VT9. Все перечисленные транзисторы, открываясь, принудительно переводят установку в третий режим работы (VU-метр работает с максимальной яркостью). Уровень лог.1 через R12 заряжает большую емкость С7 и на катоде VD8 напряжение постепенно увеличивается приблизительно за время Т=1,5…2,0сек. В результате поочередно включаются светоизлучатели от низа к верху экранного устройства, т.е. плавно увеличивается высота светящегося столбика. От уровня лог.0 с выхода 12DD1.4 закрывается VT3 и катоды диодов VD2, VD4 и VD6 «повисают» в воздухе. Через развязывающие диоды VD3, VD5 и VD7 от генератора поступают сдвинутые по фазе импульсы, вследствие чего экранное устройство изменяет цвет свечения. Открытый транзистор VT4 подает питание на мигающий светодиод HL1, играющего роль генератора импульсов. Транзистор VT5 открывается в такт с импульсами и периодически шунтирует питание индикатора режимов работы, расположенного на передней панели корпуса установки. Индикатор мигает, указывая на включение режима паузной подсветки.

Если переключатель SA1 установить в положение 1-2, то режим паузной подсветки будет работать постоянно и не зависеть от наличия звуков. Цветодинамическая установка в этом случае может использоваться как декоративный светильник, изменяющий цвет освещения комнаты. Если переключатель SA1 установить в положение 1-4, то режим паузной подсветки отключится.

  1.  Практическая конструкция.

Далее на фото с краткими комментариями показаны фрагменты сборки устройства.

Готовый корпус для размещения плат с распаянными элементами схемы приобретен в одном из магазинов электроники. В центре верхней половинки корпуса (крышки) рассверливается отверстие, в которое вставляется заготовленная соединительная муфта. Для усиления крышки с внутренней стороны не нее наклеена пластина из органического стекла толщиной 3мм:

Экранное устройство представляет собой трубу с внешним диаметром 50мм и длиной 1м10см. Для экранного устройства обе RGB-светодиодные ленты разрезаны на куски длиной 1м и закреплены на трубе по всему диаметру через равные промежутки. Буржуйский вариант подобного исполнения экранного устройств может называться «LED TOWER» (светодиодная башня) или «VU-METER LED TOWER» (измеряющая уровень светодиодная башня) и т.п.

После наклейки кусков ленты получилась метровая «кукуруза». Нижняя свободная от лент часть трубы (5см),  предназначена для установки в муфту, закрепленную клеем на корпусе. Верхняя часть без лент (5см) оставлена для фиксации плафона, который в скором будущем планируется приобрести или сделать:

После наклейки лент кусачками сделаны надрезы шины питания +12V через каждые 10см на всех однометровых кусках. Далее шины +12V каждого 10-ти сантиметрового кусочка соединяются «по диаметру». В итоге один метр ленты теперь расположен не вдоль трубы, а вокруг нее в виде «кольца». И таких «колец» из десяти кусочков с индивидуальными шинами питания +12V вдоль трубы тоже десять штук:

Элементы схемы распаяны на перфорированных платах, соединения выполнены проводом МГТФ:

Для испытаний и отладки схемы был изготовлен макет экранного устройства с одной RGB-светодиодной лентой. Ее шина питания +12V также была разрезана на десять равных кусочков для имитации десяти каналов:

Проверка работы после распайки элементов схемы на платах:

Предварительная компоновка плат внутри корпуса и установка органов управления на переднюю панель:

Установка RGB-индикатора режимов работы на переднюю панель:

Все платы и органы управления внутри корпуса соединяются согласно схеме:

Размещение источников питания внутри трубы экранного устройства:

Заключительный монтаж – подключение к платам проводов от источников питания и светоизлучателей экранного устройства (проводов, выходящих из трубы):

Проверка работоспособности собранной конструкции:

Как было сказано выше, узел паузной подсветки был сделан после того, как устройство уже испытывалось в собранном виде. Распайка элементов узла на макетной плате и его проверка совместно с работой цветодинамической установки:

Когда испытания закончились с положительным результатом, была изготовлена «чистовая» плата узла паузной подсветки:

Промежуточная проверка собранной платы перед установкой в корпус:

Установка платы узла паузной подсветки в корпус и соединение ее с остальной схемой устройства посредством гибкого шлейфа:

  1. Заключение.

Если внимательно посмотреть на ФОТО, то можно заметить, что некоторые элементы на платах отсутствуют, например, пустуют панельки, в которых ранее были установлены микросхемы типа К561ЛН1. Это связано с тем, что по ходу изготовления устройства вносились изменения и в принципиальную схему. Микросхемы К561ЛН1 использовались для управления яркостью светоизлучателей. На входы инверторов в составе К561ЛН1 подавались сигналы с выходов LM3914, а на входы стробирования ШИМ-напряжение. После более внимательного просмотра даташита на микросхему LM3914 обратил внимание на первую строчку в разделе «Features» (особенности):

Драйверы для LEDs (светодиодов), LCDs (жидкокристаллических индикаторов) или vacuum fluorescents (вакуумных флуоресцентных индикаторов). Честно говоря, мне ни разу не попадалась схема, в которой LM3914 управляла бы шкальным жидкокристаллическим индикатором, в котором, как известно, импульсы для сегментов должны поступать в противофазе импульсам для подложки (back plane). Но, раз такая возможность указана в инструкции, значит это как-то реализуемо. В первую очередь представлял интерес вход «Ref out» (выв.7) с помощью которого можно изменять ток выходов LM3914. Попробовал подать на него ШИМ-напряжение и посмотреть форму напряжения на выходах. Версия подтвердилась – на выходах также появилось ШИМ-напряжение. Изменение скважности на входе «Ref out» приводило к изменению скважности напряжения на выходах. Микросхемы К561ЛН1 были удалены за ненадобностью.

Допустимо реализовать режимы работы устройства по отдельности. Это упростит схему устройства. Например, схема цветодинамической установки, работающей только в первом режиме, может выглядеть таким образом:

Микрофонный усилитель-ограничитель, фильтры и триггер Шмитта, формирующий прямоугольные импульсы для преобразователя «частота-напряжение» для пробы были собраны по схеме:

Плата с элементами этой схемы:

Реализация отдельного третьего режима работы проще первых двух и не должна вызывать затруднений.

Для темы отсняты демонстрационные ролики, показывающие три режима работы. Есть еще ролики с быстрыми и медленными музыкальными треками для сравнения работы цветодинамической установки.

  

С уважением, Александр Борисов, 2021.

5 4 votes
Рейтинг статьи
Поделиться
Войти с помощью: 
Подписаться
Подписаться на
0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments