ЦВЕТОМУЗЫКАЛЬНАЯ УСТАНОВКА «КЛАССИКА 3LED-3W»

В теме представлена самодельная цветомузыкальная установка «КЛАССИКА 3LED-3W». Название «КЛАССИКА» означает, что ЦМУ собрана по типовой, уже давно ставшей классической, структурной схеме: усилитель сигнала – частотные фильтры – детекторы – усилители мощности – источники света. Классической является и конструкция устройства, представляющая собой размещенные в одном корпусе три светоизлучателя (3LED).

В каждом светоизлучателе установлен мощный (3W) светодиод с соответствующим частотному каналу цветом: НЧ-«R», СЧ-«G», ВЧ-«B». Каких-либо особенностей в работе нет, если не считать, что вместо отдельного фонового канала паузной подсветки (при отсутствии звука) реализовано одновременное включение частотных каналов. ЦМУ можно использовать в дополнительном режиме ночника для цветовой подсветки комнаты. Схема выполнена на распространенных элементах без использования узкоспециализированных модулей и компонентов.

Принципиальная электрическая схема ЦМУ показана на рисунке 1:

  • ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.

Устройство работает с внешним источником питания, обеспечивающим нагрузку током не менее I=2,5А при выходном напряжении Uвых=12…15V. Это может быть покупной импульсный АС/DC адаптор или самодельный стабилизатор напряжения. Подать питание можно и от автомобильного аккумулятора, подключив ЦМУ к прикуривателю. С разъема XS1 через предохранитель FU1 напряжение поступит на стабилизаторы тока DA7-DA9 и стабилизатор напряжения DA10. Стабилизаторы DA7-DA9 формируют номинальный рабочий ток для светодиодов EL1-EL3. Cтабилизатор DA10 снижает входное напряжение до уровня U=9V. Напряжение поступает на формирователь пилообразного напряжения VT9+DA3 и ШИМ-регуляторы DA4-DA6, а также на стабилизатор DA2 для получения напряжения U=6V, которое используется для питания микрофонного усилителя DA1, частотных фильтров DD1 и схемы паузной подсветки VT4+VT5.

  • МИКРОФОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ.

В микрофонном усилителе работает мостовой УМЗЧ DA1 типа МС34119, включенный по схеме увеличенного входного импеданса (Zвх=125К). Звуковой сигнал улавливается электретным микрофоном BM1. Питание на микрофон поступает через фильтрующую цепочку R1-С1, а R2 определяет рабочий ток. Через разделительный С3 переменный сигнал поступает на вход FC1 (выв.3DA1) усилителя. Конденсатор С2, подключенный к входу FC2 (выв.2DA1), осуществляет дополнительную фильтрацию напряжения питания. Коэффициент усиления по напряжению (Кус.) определяется резистором R3 и сопротивлением канала И-С транзистора VT1. Без сигнала или при малой громкости Кус. максимален (Кус≥300), т.к. транзистор VT1 полностью открыт – на его затворе отрицательный потенциал с резистора R8. Конденсатор С7 заряжен почти до Uпит. Переменное напряжение с выходов OUT+ (выв.8DA1) и OUT- (выв.5DA1) через ограничивающие ток резисторы R4, R5 и разделительные конденсаторы С5, С6 поступает на два активных детектора – транзисторы VT3 и VT2. Оба транзистора открываются от отрицательных полуволн переменного напряжения, поэтому детекторы работают по очереди. С каждым открытием транзисторов через переходы Э-К конденсатор С7 разряжается и через него начинает течь ток, создающий падение напряжения на резисторе R8 (без конденсатора С7 на резисторе R8 формировались бы импульсы напряжения). На затворе VT1 постоянное напряжение увеличивается пропорционально увеличению звукового сигнала, что приводит к увеличению сопротивления канала И-С и, следовательно, к снижению Кус усилителя DA1. Резисторами R6 и R7 выходное напряжение DA1 задано на уровне не более ~Uвых=3,0V от пика до пика. На схеме цифрами в синих кружочках обозначены осциллограммы. Осциллограмма показывает сигнал на выходе микрофонного усилителя:

Использование парафазного выхода мостового УМЗЧ и транзисторных детекторов для двустороннего ограничения сигнала впервые предложено в литературе [1]. Через разделительный С9 напряжение от УМЗЧ подается на регуляторы уровня сигнала R12, R22 и R32.

  • ЧАСТОТНЫЕ ФИЛЬТРЫ.

Регуляторами уровня сигнала R12, R22 и R32 добиваются оптимального разделения каналов. С регуляторов переменное напряжение поступает на узкополосные частотные фильтры, выполненные на логических элементах «НЕ» микросхемы DD1 типа К561ЛН2. Резисторами R15 и R18, R25 и R28, R35 и R38 все логические элементы переведены в линейный режим работы. Непосредственно сами фильтры выполнены на элементах DD1.1, DD1.3, DD1.5 и пассивных элементах обвязки (R и C), включенных по схеме моста Вина. Элементы DD1.2, DD1.4 и DD1.6 – усилительные каскады, компенсирующие затухание при прохождении сигналов через фильтры. Подстроечными резисторами R16, R26 и R36 настраивают добротность (крутизна нарастания и спада сигнала от частоты). Подстроечными резисторами R17, R27 и R37 настраивают усиление. Настройки добротности и усиления зависимы. Например, для НЧ-фильтра: чем больше усиление (Кус=Rос/Rвх=R18/R17) и меньше сопротивление R16, тем хуже добротность. Фильтры настроены правильно, если при среднем положении регуляторов уровня напряжение на выходе не превышает ~Uвых=0,6…1,5V от пика до пика, когда частота входного сигнала находится вне полосы пропускания и достигает уровня ~U=2,0…4,0V от пика до пика в случае, когда частота входного сигнала соответствует полосе пропускания. Ниже показаны осциллограммы 2, 3 и 4, когда частоты входного сигнала, совпали с псевдорезонансными частотами фильтров.

Выход НЧ-фильтра:

Выход СЧ-фильтра:

Выход ВЧ-фильтра:

После настройки фильтров подстроечные резисторы R17, R27 и R37 можно заменить постоянными. Резисторы R19, R29 и R39 делают настройку добротности плавной и устраняют возникновение генерации при минимальном сопротивлении подстроечных резисторов R16, R26 и R36. Если использовать подстроечные резисторы с R=150…200К, то постоянные резисторы можно заменить перемычкой. На схеме видно, что фильтры различаются только емкостями используемых в них конденсаторов. В рамочках показаны емкости конденсаторов, которые можно установить в фильтрах, исходя из своих предпочтений. Работа фильтров была рассмотрена в литературе [2].

  • ДЕТЕКТОРЫ.

Через разделительные конденсаторы С13, С18 и С23  с выходов фильтров напряжение поступает на активные детекторы – транзисторы VT6, VT7 и VT8. Отрицательная полуволна срезается диодами VD2, VD3 и VD4, а положительная полуволна поступает на затворы транзисторов. Резисторы R20, R30 и R40 создают положительную цепь заряда конденсаторов и, одновременно, обеспечивают отрицательное смещение на затворах, чтобы транзисторы были надежно заперты во время отсутствия сигнала. В качестве детекторов можно использовать биполярные транзисторы, но здесь применяются полевые N-канальные с изолированным затвором. Такие транзисторы имеют некоторое пороговое напряжение Uпорог. Если относительно истока напряжение на затворе Uзи не превышает Uпорог., то транзистор остается запертым и ток стока Iс=0. Когда Uзи начинает превышать Uпорог, образуется проводящий канал, ширина которого зависит от уровня Uзи. Считается, что при напряжении Uзи=2Uпорог ток стока достигает своего номинального значения. У транзисторов типа КП501А пороговое напряжение лежит в интервале Uпорог=1…3V, но, как показала практика работы с этими типом транзисторов, у большинства порог редко превышает Uпорог=1,5V. До Uпорог транзистора детекторы остаются не чувствительными к сигналам на выходах фильтров, т.е. к сигналам, частота которых лежит вне полосы пропускания. При уровне напряжения, превышающего Uпорог, т.е. когда частота сигнала находится в полосе пропускания фильтра, транзисторы начинают открываться и тем сильнее, чем ближе частота сигнала к квазирезонансной частоте фильтра. В детекторах применяются диоды с барьером Шоттки типа 1N5819. С таким типом диодов амплитуда отрицательной полуволны на затворе транзисторов не более U=200mV, а амплитуда положительной полуволны превышает U=3V. Светоизлучатели работают динамичнее, максимальная яркость светоизлучателей достигается резче. Осциллограммы показывают форму сигнала на затворах полевых транзисторов.

Если в детекторах применить обычные кремниевые диоды, например, 1N4148, КД102, КД521 и т.п., то работа светоизлучателей станет менее динамичной, яркость будет возрастать не так резко. Ниже, для сравнения, показаны осциллограммы, показывающие форму сигнала на затворах транзисторов, работающих с диодами типа 1N4148.

Видно, что амплитуда отрицательной полуволны достигает U=500mV, а амплитуда положительной полуволны не превышает U=3V. Работа детекторов проверялась и без диодов. В этом случае средняя яркость светоизлучателей снижается в 1,5…2 раза. К стокам транзисторов подключены переменные резисторы R21, R31 и R41 и вместе с конденсаторами, соответственно, С14, С19 и С24 образуют интегрирующие цепи. В исходном состоянии (без сигнала) конденсаторы заряжены до уровня Uпит. Чем сильнее открывается транзисторы, тем сильнее разряжаются конденсаторы. Когда транзисторы закрываются, конденсаторы вновь заряжаются до Uпит через резисторы. Для лучшей работы светоизлучателей постоянная времени интегрирующих цепей выбрана экспериментально. С движков переменных резисторов R21, R31 и R41 постоянное напряжение с изменяемым уровнем подается на инвертирующие входы компараторов, соответственно, DA4, DA5 и DA6.

  • ГЕНЕРАТОР ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

 Генератор формирует линейное пилообразное напряжение и его принцип действия основан на заряде емкости током, не зависящим от напряжения, образующегося на этой емкости в процессе заряда. Элементы VT9+HL1+R42+R43 представляют собой генератор тока. Сопротивление R43 задает постоянное значение тока коллектора VT9, которым заряжается С27 через R44. Так как зарядный ток стабилен, напряжение на С27 возрастает линейно. С конденсатора напряжение подается на повторитель DA3.2. Имея громадное входное сопротивление, он практически не нагружает зарядную цепь и в точности повторяет форму напряжения на своем выходе. Осциллограмма показывает форму сигнала на конденсаторе С27 и выходе 1DA3.2:

Напряжение с выхода повторителя DA3.2 поступает на неинвертирующий вход компаратора DA3.1. На инвертирующий вход 6DA3.1 напряжение подается от регулируемого делителя напряжения R45-R46. Как только пилообразное напряжение достигнет уровня, заданного делителем (U=5,83V), на выходе компаратора 7DA3.1 сформируется высокий уровень напряжения, показанный на осциллограмме:

Этот сигнал через цепь небольшой задержки R47-С28 поступает на базу VT10. Осциллограмма показывает форму сигнала на базе транзистора:

Транзистор VT10 открывается и через R44 быстро разряжает конденсатор С27. Осциллограмма показывает форму сигнала на коллекторах транзисторов VT9 и VT10:

Зарядно-разрядный цикл постоянно повторяется. Частота генерации определяется резистором R43 и емкостью конденсатора С27. С указанными на схеме номиналами с учетом разброса частота может находиться в интервале F=100…150Гц. Измерение показало Fизм.=133Гц. Если вместо R43 установить соединенные последовательно постоянный резистор R=2К и подстроечный резистор R=20К, то частоту генератора можно плавно перестраивать. Резистор R44 устанавливает нижние пики пилы выше нулевого уровня и его также можно заменить подстроечным с сопротивлением R=330…470 Ом. Резистором R46 устанавливают верхние пики пилообразного напряжения относительно Uвых стабилизатора DA2 (Uвых=5,96V) таким образом, чтобы светодиоды погасли. Чем ниже пики относительно уровня U=5,96V, тем резче вспышки светодиодов и сильнее похожи на вспышки стробоскопа. Вспышки светодиодов становятся плавными, если верхние пики расположены ближе к уровню U=5,96V. С выхода 1DA3.2 пилообразное напряжение подается на узлы ШИМ-регулирования. В основе генератора пилообразного напряжения лежит схема, предложенная в литературе [3].

  • ШИМ – РЕГУЛЯТОРЫ.

Регулирование яркости в устройстве реализовано с помощью ШИМ-управления. В узлах работают компараторы напряжений DA4, DA5 и DA6 типа LM311. На неинвертирующие входы компараторов постоянно подается пилообразное напряжение. На инвертирующие входы напряжение поступает с движков регуляторов яркости R21, R31 и R41. Без сигналов (на выходах фильтров) уровень напряжения на инвертирующих входах превышает уровень пилообразного напряжения, поэтому выходы компараторов открыты и на затворах транзисторов VT11, VT12 и VT13 низкий уровень напряжения. Транзисторы заперты, светодиоды EL1-EL3 выключены. Когда появляются сигналы и транзисторы в детекторах открываются, напряжение на инвертирующих входах относительно уровня пилы понижается. Выходы компараторов периодически закрываются. Благодаря резисторам R48-R50 на затворах VT11-VT13 формируются прямоугольные импульсы с высоким уровнем напряжения. Транзисторы открываются, и светодиоды EL1-EL3 включаются. Чем ниже напряжение на инвертирующих входах, тем больше длительность импульсов с высоким уровнем напряжения (соответственно, меньше длительность импульсов с низким уровнем) и, значит, средний ток через светодиоды становится больше. Яркость светодиодов EL1-EL3 плавно растет. Когда напряжение за счет заряда конденсаторов С14, С19 и С24 увеличивается, то происходит обратный процесс и средний ток через светодиоды уменьшается. Яркость светодиодов EL1-EL3 плавно снижается. Кроме того, что яркость зависит от степени открытого состояния транзисторов в детекторах, она также зависит и от положения движков переменных резисторов R21, R31 и R41. В самом верхнем по схеме положении движков светодиоды всегда выключены. В самом нижнем положении яркость зависит только от открытого состояния транзисторов в детекторах. Вращая ручки регуляторов, устанавливают максимальную яркость, с которой будут работать светодиоды в каналах. Осциллограмма 12 показывает форму импульсов на затворах транзисторов при минимальной, средней и почти максимальной яркости светодиодов:

Минимальная яркость.

Средняя яркость.

Почти максимальная яркость.

  • СТАБИЛИЗАТОРЫ ТОКА.

Применяются микросхемы линейных стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением типа LM317 (STU), включенные по схеме стабилизатора (ограничителя) тока (STI). Принцип действия основан на свойстве микросхемы поддерживать напряжение (Uref=1,25V) между выходом и управляющим выводом. Для получения тока Iвых=0,7А формула расчета для резисторов R51-R53: R=Uref/Iвых=1,25V/0,7А=1,7857 Ом. Выбираем из стандартного ряда R=1,8 Ома. Мощность, выделяемая на этих резисторах: P=Iвых²R=0,7²х1,8=0,882Вт. Немногим менее P=1 Вт. Для снижения нагрева используем резисторы с мощностью рассеивания в два раза больше: P=2Вт. Осциллограммы 13 и 14 показывают форму напряжения при средней яркости светодиодов:

Стоки транзисторов VT11-VT13 (катоды светодиодов)

Выходы стабилизаторов тока (аноды светодиодов)

На осциллограммах видны искажения в начале каждого импульса. Вероятно, кратковременные возмущения (превышение и занижение амплитуды) обусловлены импульсным режимом работы стабилизаторов тока. При ШИМ-управлении стабилизатор тока нагружен не постоянно – нагрузка многократно подключается и отключается, вследствие чего возникают переходные процессы. В режиме ЦМУ переходные процессы маскируются вспышками светодиодов, но в режиме ночника при малой яркости искажения импульсов приводят к мерцанию. Мерцание  также становится заметным в самом начале паузной подсветки, когда яркость светодиодов постепенно увеличивается. На принципиальной схеме красным цветом показаны добавочные резисторы RД1-RД3. Резисторы подключены к выходам стабилизаторов тока и нагружают их независимо от того, открыты или закрыты транзисторные ключи VT11-VT13.  Были опробованы резисторы с сопротивлением RД=0,62…1,2К, а установлены RД=910 Ом. При закрытых транзисторах VT11-VT13 измеренное напряжение на резисторах около U=10,8V. Значит, ток при выключенных светодиодах через стабилизаторы: Iмин=U/RД=10,8V/910=0,0118А или Iмин=12mA. Рассеиваемая мощность: P=Iмин²RД=0,012²х910=0,131Вт. Используем резистор с мощностью в два раза большей, например, МЛТ-0,25. Если мерцание и осталось, то совсем неразличимое для глаз. Форма напряжения на осциллограммах 13 и 14 при средней яркости светодиодов с подключенными резисторами RД1-RД3 приняла вид:

С добавочными резисторами заметно улучшение формы импульсов.

  • УЗЕЛ ПАУЗНОЙ ПОДСВЕТКИ

Схема узла включает в себя параметрический стабилизатор R9-VD1, формирующий напряжение U=3,3V, двух транзисторов VT4+VT5 и накопительного конденсатора С8. При воспроизведении музыкального трека на затворе VT4 такое же напряжение, как на затворе VT1. Транзистор открыт, и левый по схеме вывод подстроечного резистора R10 подключен к общему проводу схемы. Напряжение с катода стабилитрона VD1 поступает на R11. В средней точке делителя R11-R10 напряжение U=1,2V и не превышает Uпорог. транзистора VT5. Транзистор закрыт, поэтому катоды развязывающих диодов VD5-VD7 никуда не подключены. Во время паузы между музыкальными треками напряжение на затворе VT4 снижается и он закрывается. Конденсатор С8 через R11 заряжается. Когда напряжение на конденсаторе С8 превысит Uпорог=1,5V, транзистор VT5 начнет открываться. Сопротивление канала С-И плавно уменьшается и нижние выводы регуляторов яркости R21, R31 и R41 через диоды VD5-VD7 подключаются к общему проводу схемы. Яркость светодиодов плавно достигнет уровня, заданного регуляторами. Когда вновь заиграет музыка, транзистор VT4 откроется. Конденсатор С8 разряжается через R10, поэтому напряжение на затворе VT5 плавно снижается. Сопротивление канала С-И увеличивается и яркость светодиодов начинает снижаться, но в это время уже открываются транзисторы в детекторах. Получаем эффект плавного перехода из паузной подсветки в режим ЦМУ. Если музыкальный трек заканчивается снижением громкости, то получится плавный переход от режима ЦМУ в режим паузной подсветки. Подстроечным резистором R10 устанавливают уровень напряжения на затворе VT5 ближе к Uпорог или дальше от Uпорог, значит, устанавливают и время начала включения паузной подсветки после исчезновения звукового сигнала. Тип транзистора VT4 выбран не случайно. У транзисторов типа КП504А пороговое напряжение соответствует Uпорог=0,6…1,2V, поэтому схема паузной подсветки начнет выключаться при относительно слабом звуке. От параметрического стабилизатора R9-VD1 можно отказаться и верхний вывод R11 подключить к выходу стабилизатора DA2. В этом случае конденсатор С8 будет заряжаться быстрее и до большего напряжения, а разряжаться долго. Переход из режима паузной подсветки в режим ЦМУ получится очень медленным.  Если из схемы исключить, например, два диода (любые из VD5-VD7), то во время паузной подсветки будет включаться только один из трех светоизлучателей.

  • РЕЖИМ НОЧНИКА

При замыкании выключателя SA1 через развязывающие диоды VD5-VD7 нижние выводы регуляторов яркости R21, R31 и R41 подключатся к общему проводу схемы, при этом конденсаторы С14, С19 и С24 быстро разрядятся. Замкнутый выключатель SA1 имитирует открытый канал С-И транзистора VT5. В отличие от режима паузной подсветки, теперь не важно, есть звуковой сигнал или нет. Регуляторами устанавливают любой цвет и уровень освещенности комнаты. В нижнем положении движков регуляторов из-за диодов VD5-VD7 на инвертирующих входах компараторов DA4-DA6 напряжение выше нулевого уровня на U=600…700mV, поэтому максимально возможную яркость светодиодов получить было бы не возможно. Но, как указывалось в пункте 5 темы, резистор R44 в генераторе пилообразного напряжения устанавливает нижние пики пилы выше нулевого уровня. Это компенсирует падение напряжения на диодах и на затворы транзисторов VT11-VT13 вместо импульсов с резисторов R48-R50 постоянно поступает напряжение высокого уровня. Ток через светодиоды EL1-EL3 максимален (Iраб=0,7А). Выключатель SA1 можно установить между входом «CD» (выв.1DA1) и Uпит=5,96V. Подача высокого уровня (U≥2,0V) на вход «CD» переведет УМЗЧ в режим «st.by». В этом случае заряд конденсатора С8 плавно установит режим паузной подсветки независимо от наличия звука. После размыкания SA1 устройство плавно переключится в режим ЦМУ.

  •  ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Как обычно, сначала работа узлов ЦМУ была испытана на макетной плате:

Для светоизлучателей приобретены два комплекта противотуманных автомобильных фар. Штатные лампы извлечены.

На изготовление корпуса заморачиваться не хотелось, поэтому применил кабель-канал 100х60 с боковушками и длиной 590мм:

Микросхемы LM317 установлены на ребристые радиаторы, которые, в свою очередь, для крепления в корпусе расположены на диэлетрических пластинах:

Светодиоды EL1-EL3 разместил на радиаторах, сделанных из старомодных элетролитических конденсаторов К50-6 или подобных подходящего диаметра. Из распиленного пополам конденсатора извлечена начинка:

Элементы схемы распаяны на двух платах:

Далее на корпусе были установлены органы управления и произведен монтаж соединений. Так как устройство весьма энергоемкое (Iпотр=2,2А) и его предполагается использовать не только в стационарных (домашних) условиях, решил разместить на корпусе вольтамперметр. Не помешает. Пусть будет:

ЛИТЕРАТУРА.

ВИДЕО.

Александр Борисов, 2020.

10.02.2020

Александр Лихачёв опять порадовал печатной платой!

0 0 vote
Рейтинг статьи

Автор публикации

не в сети 7 дней

Radan

0
Комментарии: 954Публикации: 191Регистрация: 30-11--0001
Поделиться
Войти с помощью: 
Подписаться
Подписаться на
1 Комментарий
новые
старые рейтинг
Inline Feedbacks
View all comments