ЦВЕТОМУЗЫКАЛЬНАЯ УСТАНОВКА «TANGO-MINILIGHT» С РЕЖИМОМ СДВИГА КАНАЛОВ

В теме представлена декоративная цветомузыкальная установка «TANGO-MINILIGHT». Светоизлучатели — три коротких RGB-светодиодных отрезка, размещенные внутри небольшого китайского светильника под торговой маркой «TANGO» (модель VPO-16-4000).

Особенностью устройства является наличие режима сдвига каналов. Каналы сдвигаются друг за другом по кругу, тогда как цвета, закрепленные за частотами, остаются неизменными: красный — НЧ, зеленый — СЧ, синий — ВЧ. Предусмотрен реверс в режиме сдвига. Основной целью была практическая проверка концепт-идеи, поэтому конструкция ЦМУ имеет скромные габариты, мощность светоизлучателей не велика, а схему в большей степени можно считать экспериментальной.

 В самом начале реализация режима представлялась как в  ВАРИАНТЕ 1, показанном на РИС.1:

Сигналы с выхода фильтров управляют ключами, которые, разряжают конденсаторы интегрирующих цепей R1С1 – R3С3. Когда на выходах фильтров сигналы исчезают, то ключи размыкаются и конденсаторы заряжаются через резисторы. Таким образом, происходит преобразование импульсов различной длительности в постоянное напряжение с изменяемым уровнем. Это напряжение подается на узлы управления яркостью через переключатель. В положении 1 переключателя (на схеме) фильтр НЧ управляет R-сегментом в канале 1, фильтр СЧ управляет G-сегментом в канале 2 и, соответственно, фильтр ВЧ управляет B-сегментом в канале 3. Имеем «классическую» раскладку цветов слева направо: КРАСНЫЙ, ЗЕЛЕНЫЙ и СИНИЙ. Если сигналом от узла управления переключатель установится в положение 2, тогда R-сегмент будет включаться в канале 2, G-сегмент – в канале 3, а B-сегмент – в канале 1. Теперь раскладка цветов оказалась сдвинутой на одну позицию вправо: СИНИЙ, КРАСНЫЙ и ЗЕЛЕНЫЙ. Следующий сигнал от узла управления установит переключатель в положение 3. В этом случае каналы сдвинутся вправо еще раз: ЗЕЛЕНЫЙ, СИНИЙ и КРАСНЫЙ. Такое построение имеет право на жизнь, но обладает недостатком – при переключениях интегрирующие цепи отсекаются от цепей управления яркостью. Погасание R, G и B – сегментов будет происходить резко. Возможно, ВАРИАНТ 1 прокатит с обычными лампами ввиду инерционности нити накаливания, но не со светодиодами. Усложненное построение показывает ВАРИАНТ 2. Здесь каждый узел  управления яркостью работает с индивидуальной не коммутируемой интегрирующей цепью. Например, после поступления сигнала от фильтра НЧ ключ через переключатель разрядил конденсатор С1.1 и яркость R-сегмента в канале 1 стала максимальной. В следующий момент сигнал от узла управления установил переключатель в положение 2 и, одновременно, от фильтра ВЧ поступил сигнал. Ключ через переключатель разрядил конденсатор С3.2. В канале 1 ярко вспыхнул B-сегмент, но конденсатор С1.1 не успел зарядиться до Uпит, поэтому R-сегмент еще светится. Получаем включенное состояние R и B – сегментов в одном канале. Как результат, в канале 1 появится ФИОЛЕТОВЫЙ цвет, т.е. ВАРИАНТ 2 позволяет полнее использовать возможности RGB-светодиодов. Теоретически динамика работы ЦМУ в режиме сдвига каналов должна увеличиться.

Узел управления, формирующий сигналы для переключателя, может представлять собой генератор импульсов с регулируемой частотой, работающий в паре с регистром сдвига или счетчиком. Но, лучше сдвиг каналов тактировать от звукового сигнала, например, использовать для этого канал НЧ, тогда сдвиг будет происходить синхронно с ударными инструментами и необходимость каждый раз подстраивать частоту сдвига под темп музыкального трека исчезнет.

Исходя из соображений, изложенных выше, рассмотрим работу составных частей ЦМУ по принципиальной электрической схеме, показанной на РИС.2:

  • Источник питания.

Устройство работает от внешнего источника питания с выходным напряжением 12…15V и током не менее 1,5А. Стабилизатор DA8 формирует напряжение 9V для генератора пилообразного напряжения DA3; узла управления сдвигом каналов DA2.1 и DD1; переключателей каналов DD2.2-DD2.4, DD3.2-DD3.4 и DD4.2-DD4.4; схемы паузной подсветки DD2.1, DD3.1, DD4.1 и узлов ШИМ-управления яркостью DA2.2, DA9-DA12. Напряжение 9V поступает на стабилизатор DA7, формирующий напряжение 6V для микрофонного усилителя DA1, частотных фильтров DA4-DA6 и интегрирующих цепей R39С35-R47С43. Входное напряжение 12…15V поступает на регулируемый стабилизатор DA13, который используется только для питания RGB-светоизлучателей. Причина применения здесь мощного стабилизатора напряжения типа LM1084 не столько в большом выходном токе (Iвых.макс=5А), сколько в малом падении напряжения на стабилизаторе (семейство «LOW DROPOUT», Uпад≤1,5V). Микросхема DA13 установлена на небольшой радиатор. Так как сразу после подачи питания в интегрирующих цепях начинают заряжаться конденсаторы, то транзисторные ключи VT8-VT16 открываются, и все RGB-светодиоды одновременно вспыхивают ярким белым цветом. Происходит не хилый такой бросок тока. Элементы С44, R57 и VT17 устраняют перегрузку источника питания при первом включении ЦМУ. Пока конденсатор С44 заряжается через R57 от напряжения +9V, транзистор VT17 открыт и шунтирует управляющий вывод 1DA13 на минус питания. Выходное напряжение DA13 не превышает 1,2…1,5V. По мере заряда С44 падение напряжения на R57 уменьшается и транзистор VT17 начинает закрываться. За время Т=2…2,5 секунды выходное напряжение достигнет уровня, заданного подстроечным резистором R59 (Uвых=10V). После выключения устройства С44 быстро разрядится через диод VD8.

  • Микрофонный усилитель с АРУ.

В микрофонном усилителе применяется УМЗЧ DA1. Без сигнала транзистор VT1 полностью открыт и коэффициент усиления по напряжению равен Кус=R5/R3=330. Транзисторы VT2 и VT3 работают детекторами в схеме АРУ, срабатывающими от отрицательных полуволн усиливаемого сигнала. Через переходы Э-К транзисторов разряжается конденсатор С10, поэтому на затворе VT1 постоянное напряжение увеличивается пропорционально звуковому сигналу. Сопротивление канала И-С увеличивается и коэффициент усиления снижается. Схема АРУ ограничивает выходное напряжение на уровне не более ~Uвых=1,6V. Осциллограмма 1 показывает сигнал на выходе микрофонного усилителя:

Через разделительный конденсатор С7 выходное напряжение поступает не регуляторы уровня сигнала R22-R24.

  • Частотные фильтры.

В качестве фильтров применяются тональные декодеры DA4-DA6. Подстроечными резисторами и конденсаторами, подключенными к выводам 5 и 6, заданы центральные частоты фильтров. Осциллограммы 2, 3 и 4 показывают форму сигнала и частоты на выводах 5 декодеров. Цена деления по вертикали 1клетка=2V.

Осциллограмма 2. Центральная частота НЧ-фильтра Fц=150Гц

Осциллограмма 3. Центральная частота СЧ-фильтра Fц=1кГц:

Осциллограмма 4. Центральная частота ВЧ-фильтра Fц=6,5кГц:

Конденсаторы, подключенные к выводам 2 декодеров, задают полосу пропускания и выбраны небольшой емкости. Конденсаторы, подключенные к выводам 1 декодеров, определяют время отклика на входной сигнал и в данном случае подобраны таким образом, чтобы работа декодеров в качестве фильтров была оптимальной. Без этих конденсаторов выходы декодеров (выв.8) всегда будут оставаться на низком уровне (лог.0). С большой емкостью этих конденсаторов выход будет принимать низкий уровень при входных частотах, лежащих очень близко к центральной частоте. Входной сигнал с движков переменных резисторов на входы (выв.3) декодеров подается через разделительные конденсаторы С16, С20 и С24. Когда частота входного сигнала окажется в полосе захвата декодеров и уровень сигнала будет достаточным, выходы декодеров примут значение низкого уровня. Осциллограммы 5, 6 и 7 показывают форму сигнала на выходах декодеров.

Осциллограмма 5. Выход НЧ-фильтра:

Осциллограмма 6. Выход СЧ-фильтра:

Осциллограмма 7. Выход ВЧ-фильтра:

  • Генератор пилообразного напряжения.

Генератор выполнен на двух ОУ в составе микросхемы DA3. Конденсатор С11 заряжается стабильным током, формируемым транзистором VT4, резистором R16 и светодиодом HL1. Линейно увеличивающееся напряжение с конденсатора С11 поступает на повторитель напряжения DA3.2, с выхода которого на компаратор DA3.1. Как только напряжение на входе 5DA3.1 достигнет уровня, заданного делителем R19R20 на входе 6DA3.1, на выходе компаратора 7DA3.1 сформируется высокий уровень напряжения. Через цепь небольшой задержки R21С12 напряжение поступит на базу транзистора VT5. Транзистор откроется и через подстроечный резистор R18 разрядит конденсатор С11. Процесс повторяется, пока подается питание. На выходе 1DA3.2 формируется нарастающее пилообразное напряжение, частота которого зависит от сопротивления R17 и емкости С11. С указанными на схеме номиналами измеренная частота равна F=174Гц. Резистором R20 настраивают амплитуду пилы таким образом, чтобы верхние пики были немного ниже напряжения на конденсаторах интегрирующих цепей, при этом светодиоды должны погаснуть. Чем меньше амплитуда пилы, тем резче будут вспыхивать светодиоды. Резистором R18 нижние пики пилы устанавливают на уровне 0,25…0,5V относительно минуса питания. Это скомпенсирует падение напряжения на открытых ключах и транзисторах в декодерах. Чем выше нижние пики пилы относительно нуля, тем быстрее будет достигаться максимальная яркость светодиодов. С выхода 1DA3.2 пилообразное напряжение поступает на неинвертирующие входы компараторов управления яркостью. Осциллограмма 8 показывает форму пилообразного напряжения:

  • Работа в обычном режиме ЦМУ.

Работа в обычном режиме ЦМУ возможна при положении переключателя SA2, показанном на схеме. В этом случае высокий уровень напряжения с шины +9V через нормально замкнутые контакты SA2 поступает на вход сброса R (выв.15) десятичного счетчика DD1. На выходе 0 (выв.3) счетчика постоянно присутствует лог.1, поступающая на управляющие входы V (выв.13, 5 и 6) двунаправленных ключей DD2.2-DD2.4. Каналы Х-У ключей замкнуты, поэтому коллекторы выходных транзисторов в декодерах подключены к интегрирующим цепям R39C35, R40С36 и R41С37. Открываясь, транзисторы разряжают конденсаторы интегрирующих цепей. Чем больше длительность открытого состояния транзисторов (входная частота близка к центральной частоте фильтра), тем сильнее разрядятся конденсаторы. Когда транзисторы закрываются, конденсаторы заряжаются до Uпит=6V через резисторы. С конденсатора С35 напряжение поступает на 2DA2.2, с конденсатора С36 на 6DA10.2 и с конденсатора С37 на 6DA12.2. В результате в канале 1 работает R-сегмент (НЧ-1), в канале 2 работает G-сегмент (СЧ-1), а в канале 3 работает B-сегмент (ВЧ-1). Компараторы сравнивают уровень напряжения, поступающего от интегрирующих цепей с пилообразным напряжением, и на выходах формируются импульсы с изменяемой скважностью. Импульсы, в свою очередь, поступают на затворы ключей, управляющих сегментами RGB-светодиодов. Осциллограмма 9 показывает форму импульсов на затворах ключей VT8-VT16:

  • Работа ЦМУ в режиме сдвига каналов.

Тактирование режима осуществляет узел на компараторе DA2.1 сигналом с выхода 8DA4. Подстроечным резистором R10 настраивают желаемую чувствительность узла управления сдвигами. В исходном состоянии (без сигнала) напряжение на входе 6DA2.1 превышает напряжение, заданное делителем R10R11 и выход 7DA2.1 переключается в лог.0. За счет диода VD1 на входе 5DA2.1 напряжение снижается еще больше —  до уровня, не превышающего 600…700mV. Когда заиграет музыка и напряжение на выходе 8DA4 станет ниже уровня на входе 5DA2.1, то выход 7DA2.1 примет значение лог.1. Диод VD1 закроется. Теперь напряжение на 5DA2.1 станет соответствовать уровню, заданному резистором R10. До этого уровня должен зарядиться конденсатор в интегрирующей цепи, чтобы компаратор переключился в исходное состояние. Чем ниже движок R10, тем быстрее будут происходить сдвиги каналов.

Режим активируется переключением SA2. Теперь его подвижный контакт соединен с правым выводом R14 и через нормально замкнутые контакты SA1 с катодом диода VD2. На вход сброса R (выв.15) с выхода 4 (выв.10) счетчика DD1 через R14 поступает лог.0 и работа счетчика разрешается. Чтобы сдвиги каналов происходили не в момент включения светодиодов, а после, тактовый сигнал подается на счетный вход С1 (выв.13), работающий по спаду сигнала, при этом счетный вход С2 (выв.14), работающий по фронту, должен быть соединен с +Uпит. С первым импульсом лог.1 появится на выходе 1 (выв.2), а выход 0 (выв.3) примет значение лог.0. Через резистор R13 лог.1 поступает на управляющие входы V ключей DD3.2-DD3.4 и каналы X-Y замыкаются. Каналы X-Y ключей DD2.2-DD2.4 размыкаются. Теперь сигналы с выходов декодеров поступают на интегрирующие цепи R42С38-R44C40, которые соединены с компараторами DA10.1, DA12.1 и DA9.2, управляющими R, G и B – сегментами в других каналах. Второй импульс на входе С1 счетчика установит лог.1 на выходе 2 (выв.4). Каналы X-Y ключей DD4.2-DD4.4 замкнутся, а ключей DD3.2-DD3.4 разомкнутся. Теперь выходы декодеров работают с интегрирующими цепями R45С41-R47С43, сигналы с которых поступают на компараторы DA11.2, DA9.1 и DA11.1, т.е. опять R, G и B – сегменты включатся в других каналах. Третий импульс установит лог.1 на выходе 3 (выв.7) счетчика, которая через VD2 поступит на вход сброса R. Счетчик установится в исходное состояние: на выходе 0 — лог.1, на остальных — лог.0. Сдвиг начнет работать сначала. Получили сдвиг каналов «по кругу»:

КАНАЛ 1 → КАНАЛ 2 → КАНАЛ 3 → КАНАЛ 1 → КАНАЛ 2 → КАНАЛ 3  и т.д.

  • Реверс в режиме сдвига каналов.

Реверс активируется переключателем SA1. При переключении SA1 катод диода VD2 соединится с правым выводом R13. В этом случае лог.1 на выходе 3 не сбросит счетчик, а через VD2 поступит на управляющие входы V ключей DD3.2-DD3.4, т.е. сдвиг с третьей позиции перейдет обратно на вторую позицию. Четвертый импульс установит лог.1 на выходе 4 (выв.10) счетчика DD1. Через R14 и замкнутые контакты SA2 лог.1 поступит на вход R и счетчик сбросится. Лог.1 появится на выходе 0 счетчика, т.е. после второй позиции включится первая. Получили сдвиг каналов от «края до края»:

КАНАЛ 1 → КАНАЛ 2 → КАНАЛ 3 → КАНАЛ 2 → КАНАЛ 1 → КАНАЛ 2 и т.д.

Резисторы R28-R30 ускоряют переходные процессы. Когда выходные транзисторы в декодерах закрываются, резисторы устанавливают высокий уровень на входах X ключей, иначе эти входы «болтались» бы в воздухе. Имея сопротивление во много раз больше, чем сопротивление резисторов в интегрирующих цепях, резисторы R28-R30 не оказывают заметного влияния на постоянную времени интегрирующих цепей, если каналы X-Y ключей находятся в проводящем состоянии.

  • Режим паузной подсветки.

Паузная подсветка представляет собой световой эффект «бегущий огонь», который формируют ключи DD2.1, DD3.1 и DD4.1, образующие трехфазный генератор. Во время воспроизведения музыки транзистор VT6 открыт, конденсатор С29 разряжен и транзистор VT7 закрыт. Через резисторы R33, R35 и R37 на катоды диодов VD5, VD6 и VD7 поступает напряжение +6V, поэтому диоды закрыты, схема узла паузной подсветки не работает и не влияет на работу ЦМУ. Конденсаторы С30-C32 при этом заряжены до уровня Uпит. В паузе между музыкальными треками транзистор VT6 закроется. Конденсатор С29 начнет заряжаться через R31. Когда заряд превысит пороговое напряжение VT7, транзистор откроется и подключит входы X (выв.11) ключей к общему проводу схемы. Генерация начнется после разряда одного из конденсаторов С30, С31, С32 через резисторы, соответственно, R38, R34, R36, один из каналов Y-X ключей и открытый канал С-И транзистора VT7. За счет обратных связей (выход предыдущего ключа подключен к входу управления следующего), процесс генерации не прекращается. Когда ключи DD2.1, DD3.1 и DD4.1 по очереди открываются, то также по очереди разряжаются конденсаторы в интегрирующих цепях. В каких – зависит от того, какие из ключей DD2.2-DD2.4, DD3.2-DD3.4 или DD4.2-DD4.4 открыты, поэтому в режиме сдвига каналов и включенной паузной подсветке цвет RGB-сегментов в каналах зависит от состояния счетчика DD1.

  • Практическая конструкция.

Как было сказано в начале темы, RGB-светодиодные отрезки размещены внутри китайского светильника «TANGO». Штатные светодиоды и драйвер удалены. В отличие от типовых RGB-светодиодных лент на примененных отрезках расстояние между светодиодами меньше. На каждом отрезке установлены девять RGB-светодиодов. К пластмассовому боксу, в котором разместится плата управления, светильник крепится через металлический кронштейн винтовыми соединениями:

Элементы схемы размещены на перфорированной плате. Монтаж элементов сделан проводом МГТФ минимального сечения, а сильноточная часть выполнена проводами большего сечения:

Светодиодные отрезки со схемой соединяются четырех жильным проводом. На передней стенке корпуса разместились органы управления и регулировки:

Далее проведен монтаж необходимых соединений. Плата с внешними элементами соединяется посредством разъема:

После окончания монтажа и сборки тестовые включения:

После тестовых проверок и установки плафончика ЦМУ «TANGO-MINILIGHT» готова к эксплуатации:

Видео:

Александр Борисов, 2020

4 1 vote
Article Rating

Автор публикации

не в сети 6 дней

Radan

0
Комментарии: 954Публикации: 190Регистрация: 30-11--0001
Поделиться
Войти с помощью: 
Подписаться
Подписаться на
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments