LED ЦВЕТОМУЗЫКА НА МИКРОСХЕМАХ

     интересные РАДИОСХЕМЫ самодельные


» ПОИСК СХЕМ



» РАДИОБЛОГИ
Миниатюрный щуп-вольтметр
Программатор ARM Cortex USB и Flash Magic
Светодиодный свет для растений
УФ светодиоды диапазона UV-C для дезинфекции
Драйвер ШИМ с нулевым потреблением тока в режиме ожидания
Программируемый логический элемент
Дистанционный переключатель из модуля радиоуправления игрушками
Усилитель для петличного конденсаторного микрофона

LED ЦВЕТОМУЗЫКА НА МИКРОСХЕМАХ


Тут показано ещё одно устройство цветодинамического сопровождения музыки, выполненного на базе драйвера шкального индикатора - поликомпараторной микросхеме LM3914. С помощью узкополосных фильтров сформированы три частотных канала. В каждом канале поочередно зажигаются десять светоизлучателей в зависимости от уровня сигнала. В отличие от цветомузыкальных устройств, также выполненных на поликомпараторных микросхемах, оригинальность схемы состоит в том, что в данном устройстве заложен принцип «динамической индикации», т.е. для управления тридцатью светоизлучателями требуется одна микросхема LM3914. Наличие звука определяет электретный микрофон, а яркость светоизлучателей зависит от ШИМ-регулирования.

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 будет работать устройство – с одноцветными или RGB-светодиодными лентами, мощными светодиодами или с лампами накаливания. В показанном на схеме варианте выходы DA6 работают в режиме «Dot Mode» - вход «MODE» (выв.9 DA6) не используется – мощность источника определятся током потребления схемой устройства плюс ток потребления одним светоизлучателем. Если, например, в устройство ввести дополнительную опцию, установив переключатель между входом «MODE» (выв.9 DA6) и входом «Vcc» (выв.3DA6 – плюс питания), то замкнутый переключатель установит выходы DA6 в режим работы «Bar Mode». В этом случае мощность источника питания должна определяться током потребления схемой и одновременно включенными десятью светоизлучателями. Выходной ток источника питания обычно выбирают с двукратным запасом.

От внешнего источника с Uвых = 12…15V запитан узел управления (DA6 и VT10 - VT19) светоизлучателями (EL1 - EL10). Это напряжение поступает на первый стабилизатор DA4 типа 7809  с Uвых.стаб = 9V для генератора пилообразного напряжения (VT5, VT6, DA3.1), для узла ШИМ-управления яркостью (DA3.2, DA5), а также для узла, формирующего динамический режим работы светоизлучателей (DD2, DD3 и VT7-VT9). Стабилизатор напряжения DA4 установлен на небольшой теплоотвод.

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

2. Микрофонный усилитель с АРУ

Звук улавливается электретным микрофоном BM1, получающим питание через фильтр R2-C1. Резистором R1 задают рабочий ток микрофона по максимальному выходному напряжению. Через разделительный С2 звуковое напряжение с амплитудой порядка ~Uвых.микр = 20…40 mVp-p (комфортная громкость источника звука) поступает на усилитель DA1 - мостовой УМЗЧ типа MC34119, включенный по схеме увеличенного входного импеданса (Zвх = 125К). Конденсатор С3, подключенный к входу «FC2» (выв.2), 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 С7 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 С4 и С5 напряжение поступает на мостик VD1 (два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку), преобразующего переменный сигнал в постоянный импульсный. Процесс преобразования можно пояснить графически:

С выхода «Vo1» положительная полуволна проходит через С4 и через диод D2 в точку «А». Диод D1 закрыт. В этот же момент на выходе «Vo2» отрицательная полуволна разряжает конденсатор С5 через диод D3, при этом диод D4 закрыт. После смены фазы сигнала с выхода «Vo2» положительная полуволна проходит через С5 и через D4 в точку «Б». Диод D3 закрыт. Одновременно С4 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 С4 и С5 (С = 10 nF…470 nF), а инерционность системы АРУ от емкости конденсатора С7 (100 nF…2,2 µF). Форму и амплитуду сигнала на выходе микрофонного усилителя показывает осциллограмма 1:

3. Узкополосные фильтры

С выхода «Vo1» (выв.8) микрофонного усилителя DA1 через разделительный конденсатор С10 усиленный и ограниченный на уровне ~3,0Vp-p звуковой сигнал поступает на регуляторы R5, R14 и R23. 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 С11, С16 и С21 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 R8-R9-DD1.2, R17-R18-DD1.4 и R26-R27-DD1.6 образуют усилители напряжения, компенсирующие затухание звукового сигнала при прохождении через фильтры.

Подстроечными резисторами R10, R19 и R28 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…5 Vp-p. Если частота входного сигнала лежит за пределами частоты пропускания, то размах выходного напряжения не превысит ~Uвых = 1..1,5 Vp-p. Осциллограммы 1, 2 и 3 показывают форму и амплитуду напряжения на выходах фильтров.

Осциллограмма 2 - фильтр НЧ; F входного напряжения не равна F пропускания фильтра:

Осциллограмма 2 - фильтр НЧ; F входного напряжения равна F пропускания фильтра:

Осциллограмма 3 - фильтр СЧ; F входного напряжения не равна F пропускания фильтра:

Осциллограмма 3 - фильтр СЧ; F входного напряжения равна F пропускания фильтра:

Осциллограмма 4 - фильтр ВЧ; F входного напряжения не равна F пропускания фильтра:

Осциллограмма 4 - фильтр ВЧ; F входного напряжения равна F пропускания фильтра:

С выходов фильтров через разделительные конденсаторы С14, С19 и С24 переменное напряжение поступает на активные детекторы.

4. 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 R12, R21 и R30 установлено небольшое положительное смещение транзисторов. Через ограничивающие ток резисторы R11, R20 и R29 сигналы с выходов фильтров поступают на базы транзисторов. Положительные полуволны напряжения срезаются диодами VD2-VD4, а отрицательные полуволны открывают транзисторы и тем сильнее, чем больше амплитуда на выходах фильтров. 

Нагрузкой детекторов являются резисторы R13, R22, R31 и вместе с конденсаторами, соответственно, С15, С20, С25 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 DD3.

5. Генератор пилообразного напряжения (ГПН)

Светодиод HL1, резисторы R32-R34 и транзистор VT5 образуют генератор тока, которым заряжается конденсатор С27. Ток заряда не зависит от напряжения накопленного конденсатором в процессе заряда, поэтому напряжение на конденсаторе С27 растет по линейному закону. Напряжение с С27 поступает на неинвертирующий вход (выв.5 DA3.1) операционного усилителя DA3.1, работающего компаратором. Как только напряжение превысит уровень напряжения на инвертирующем входе (выв.6 DA3.1), заданного делителем R35-R36, то на выходе компаратора (выв.7 DA3.1) сформируется высокий уровень напряжения, поступающий через ограничивающий ток R37 на базу транзистора VT6. Транзистор открывается и разряжает С27 через сопротивление резистора R34. На конденсаторе С27 получаем линейное пилообразное напряжение, показанное на осциллограмме 5:

Зарядно-разрядный цикл постоянно повторяется, а так как разряд конденсатора С27 происходит почти мгновенно, то на выходе компаратора 7 DA3.1 высокий уровень напряжения имеет форму «иголочек», показанных на осциллограмме 6:

Сопротивление резистора R33 в цепи эмиттера VT5 задает постоянное значение тока его коллектора, которым заряжается конденсатор С27. Частота генерации зависит от этого тока и емкости конденсатора С27. С указанными на схеме номиналами R33 и С27 измерение частоты на выходе 7 DA3.1 показало F = 810 Гц. При уменьшении сопротивления R33 (при увеличении зарядного тока) или при уменьшении емкости С27 частота генерации повышается, и наоборот.
Настройка ГПН не сложна: подстроечным резистором R36 верхние пики пилообразного напряжения выставляют на уровне Uв.пик = 2,8…3,2 V, а подстроечным резистором R34 нижние пики выставляют на уровне Uн.пик = 150…250 mV.

6. Узел, формирующий динамический режим работы светоизлучателей

Узел включает в себя десятичный счетчик с дешифратором DD2 типа К561ИЕ8, три аналоговых ключа DD3 в составе микросхемы К561КТ3 и три мощных токовых ключа VT7-VT9 на полевых N-канальных транзисторах с изолированным затвором типа FQP50N06 (MOSFET), производимых конторой «Fairchild semiconductor».

Счетчик DD2 тактируется импульсами с выхода компаратора 7DA3.1. На его счетный вход «С1» (выв.14 DD2) подаются импульсы, показанные на осциллограмме 6, при этом счетный вход «С2» (выв.13 DD2) должен быть заземлен. Когда на выходе счетчика «3» (выв.7 DD2) появляется лог.1, то счетчик сбрасывается по входу «R» (выв.15 DD2) и счет начинается заново. На выходах счетчика «0» (выв.3 DD2), «1» (выв.2 DD2) и «2» (выв.4 DD2) получаем сдвинутые по времени относительно друг друга импульсы с уровнем лог.1 и следующие с частотой F = 270 Гц. Выходы счетчика DD2 по очереди управляют аналоговыми ключами DD3 и токовыми ключами VT7-VT9:

  • с первым тактом (лог.1 на выв.3 DD2) открывается верхний ключ DD3. Вход 1 DD3 и выход 2 DD3 замыкаются – на вход «IN» (выв.5 DA6) микросхемы LM3914 поступает постоянное напряжение с изменяемым уровнем от детектора НЧ. Одновременно открывается транзистор VT7 и подключает секцию «R» светоизлучателя к минусу источника питания;
  • со вторым тактом (лог.1 на выв.2 DD2) откроется средний ключ DD3. Вход 4 DD3 и выход 3 DD3 замкнутся - на вход LM3914 поступит постоянное напряжение с изменяемым уровнем от детектора СЧ. Одновременно откроется транзистор VT8 и подключит секцию «G» светоизлучателя к минусу источника питания;
  • с третьим тактом (лог.1 на выв.4 DD2) откроются нижний ключ DD3 и транзистор VT9 – 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.2:

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.

7. Узел, формирующий ШИМ-напряжение для управления яркостью

Включает в себя операционный усилитель DA3.2, детектор с удвоением напряжения на диодах VD5 и VD6, а также компаратор DA5. Сигнал непосредственно от микрофона BM1 через разделительный конденсатор С26 поступает на неинвертирующий вход 3 DA3.2. Для увеличения динамического диапазона работы ОУ подстроечным резистором R42 на этом входе устанавливают потенциал приблизительно равный Uпит/2. На выходе 1 DA3.2 формируется почти такое же напряжение. 

Резистор R38 устраняет шунтирующее влияние конденсатора фильтра С29 на переменный сигнал. Коэффициент усиления по напряжению определяется сопротивлением переменного резистора R40 «яркость». При максимальном сопротивлении резистора Кус = 150. Например, при ~Uвх = 40 mV (комфортная громкость источника звука) полный размах усиленного переменного напряжения составит Uвых.макс = Uвх х Кус = 40 mV х 150 = 6 Vp-p. Далее через С31 сигнал поступает на детектор VD5-VD6. На резисторе R43 и конденсаторе С35 образуется сглаженное напряжение с изменяемой амплитудой. На инвертирующем входе 3 DA5 компаратора напряжения типа LM311 уровень напряжения может достигать 4,5…5,0V.

На неинвертирующий вход 2 DA5 поступает пилообразное напряжение от ГПН. На выходе 7DA5 (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 8 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.7 DA6) источника опорного напряжения (Uref = 1,25 V) в составе микросхемы LM3914. Резистор R45 ограничивает ток, стекающий с вывода 7 DA6 на выход 7 DA5.

8. Узел управления светоизлучателями

Микросхема LM3914 используется в типовом включении. Вход «RLO» (выв.4 DA6) соединен с входом «GND» (выв.2DA6 – минус питания), поэтому напряжение на входе «IN» (выв.5 DA6) отслеживается от нуля вольт. Вход «Radj» (выв.8 DA6) также подключен к входу «GND», поэтому на выходе «Rout» напряжение соответствует номинальному значению Uref = 1,25V. С движка подстроечного резистора R44 на вход «RHI» (выв.6 DA6) подано напряжение U = 2,5…3,0V. Когда напряжение на входе «IN» немного превысит напряжение на входе «RHI», то активируется выход «10» (выв.10 DA6). 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 R49-R58, одновременно создающие на затворах мощных P-канальных транзисторов VT10-VT19 типа IRF9640 положительное смещение, чтобы затворы «не болтались в воздухе» при отсутствии сигнала. Транзисторы коммутируют Uпит = 12…15V на общие плюсовые шины светоизлучателей EL1-EL10.

9. Практическая конструкция ЦМУ

Далее на фото с краткими комментариями показаны фрагменты сборки устройства. Экранное устройство представляет собой трубу с внешним диаметром 50 мм и длиной 1 м. В качестве светоизлучателей используются две RGB-светодиодные ленты длиной 5 м и мощностью 14,4 Вт на метр (на 10 см ленты шесть RGB-светодиодов типоразмера 5050). Ленты разрезаны на куски длиной 1 м 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. В центре корпуса рассверливается отверстие, в которое вставляется заготовленная соединительная муфта. Для усиления верхней крышки корпуса наклеена пластина из органического стекла толщиной 3 мм:

После наклейки кусков ленты получилась метровая «кукуруза».

Нижняя свободная от лент часть трубы,  предназначена для установки в муфту, закрепленную клеем на корпусе. Верхняя часть без лент длиной 5 см оставлена для фиксации плафона, который в скором будущем планируется приобрести или сделать:

После несложной операции наклейки лент кусачками сделаны надрезы шины питания +12V через каждые 10 см на всех однометровых кусках. Далее каждая шина +12V каждого 10-ти сантиметрового кусочка соединяется «по диаметру». В итоге получается, что 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:

Проверка работоспособности перед установкой плат в корпус.

Узлы принципиальной схемы дорабатывались «по ходу» испытаний, поэтому некоторые элементы на платах были удалены, а некоторые добавлены:

Для отладки и испытаний был изготовлен макет экранного устройства с одной RGB-светодиодной лентой, которая также разделена на десять кусочков (на десять каналов):

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

Для питания электрической схемы применен источник питания с выходным напряжением 12V и током 1А (12 Вт) конструктивно выполненный в виде сетевого адаптера.

Его плата вынута из штатного корпуса и установлена в устройстве. На фото видны четыре резистора типа МЛТ-2. У каждой пары резисторов общее сопротивление 200 Ом (два резистора по R = 100 Ом последовательно). Эти резисторы нагружают мощные источники питания током около 60 mA для стабильной работы. Оба мощных источника питания размещены внутри трубы. Каждый источник по отдельности питает 5 светоизлучателей. Использование таких мощных источников обусловлено тем, что в дальнейшем предполагается дополнить устройство некоторыми другими режимами работы:

Заключительный монтаж – все платы и органы управления соединяются согласно схеме, затем подключаются провода от источников питания и светоизлучателей:

Видео работы ЦМУ

Для темы отсняты 2 ролика с демонстрацией работы. Звук не совпадает с эффектами, пришлось заменить аудиотрек по требованию Ютуба.

Другой ролик (Таня Буланова) показывает работу при отладочных испытаниях с макетом экранного устройства.

Схема получает питание от лабораторного источника питания. На осциллографе отображается усиленный сигнал микрофона, ограниченный схемой АРУ на уровне ~3 Vp-p. Кнопкой выбираются режимы (схема еще не четко работает). Режим с преобразователем «частота-напряжение» вместо фильтров и режим работы «Bar Mode» в представленное устройство не вошли. Автор проекта - Александр Борисов.

   Форум




   Форум по обсуждению материала LED ЦВЕТОМУЗЫКА НА МИКРОСХЕМАХ


МИКРОФОН ИЗ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА

Схема усилителя и микрофона из пьезоэлемента, подходящая для сборки своими руками.


ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ AMSR AIMTEC

Импульсные стабилизаторы напряжения AIMTEC AMSR и AMSRI - отличная замена для популярных 78xx / 79xx микросхем.


ПРОШИВКА И РЕМОНТ LCR-T4 T3 NOSTRIPGRID

Информация по самостоятельному ремонту и прошивке транзистор-тестера LCR-T4(T3) NoStripGrid.



Радиосхемы » Схемы



» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ


© 2010-2021 "Радиосхемы". Все права защищены  Почта  PDA   Группа вконтакте   Канал ютуб   Группа в фэйсбук