Невероятно эффектная цветомузыка на Arduino и светодиодах
С наступающим! Приближается Новый год, а значит, пора срочно создавать настроение! Ну и как всегда в это время года рождаются десятки электронных схем различных цветомузыкальных установок.
Чего только самобытные мастера не придумают. От трехцветных моргалок до лазерных многолучевых установок с управлением по MIDI интерфейсу.
Как большой поклонник, так называемых адресных светодиодов, хочу показать вам очень простую и удивительную цветомузыку. Я вообще такой ни разу не видел. Пока не собрал за один вечер. Итак, визуализатор звука!
Инструкция
Схема очень простая! 
Вам понадобятся Arduino Nano, или Uno. Или какая там у вас есть? Два потенциометра, пять резисторов, пару конденсаторов и линейка (лента) из 180 светодиодов WS2812b. Всё! Светодиодов в линейке может быть 60, 120 или 180.
В визуализаторе с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье выделяются 8 частот (порог чувствительности на каждую частоту свой, снижается от 1 к 8), преобразуются в цвет и выводятся на линейку светодиодов по одному из восьми алгоритмов. Скетч писал Майкл Крампас, парни из Чип и Дипа добавили функционал, а библиотека для светодиодов и быстрого преобразования Фурье (FFT) написана в Адафрут для проекта Piccolo. Библиотека FFT для 128 точек, адаптированная для AVR микроконтроллеров написана на ассемблере.
Сам скетч и библиотеку FFT нужно скачать здесь и здесь.
Не теряйте время на разбор алгоритмов, просто соберите, залейте скетч и наслаждайтесь шоу.
Это всего лишь развлечение!
В момент первого включения нужно сделать пару настроек:
Яркость: удерживайте кнопку color при включении питания. На первых 8 светодиодах будет отображаться радуга светодиодов. С помощью ручки param измените яркость. По завершении нажмите кнопку color еще раз, и ваша конфигурация будет сохранена в памяти.
Длина светодиодной полосы: удерживайте кнопку pattern при включении питания. Отобразится один, два или три красных светодиода. Используйте ручку param, чтобы выбрать длину светодиодной полосы в зависимости от количества красных светодиодов:
1=60 светодиодов
2=120 светодиодов
3=180 светодиодов
По завершении нажмите кнопку pattern еще раз, и ваша конфигурация будет сохранена в памяти.
Алгоритмы
Танцы плюс: пики звуковых сигналов испускаются из центра полосы и исчезают по мере приближения к концам. Скорость пика пропорциональна величине звукового сигнала этого пика.
Танцы минус: то же, что и Dance Party, но пики сигналов испускаются с одного конца.
Импульс: пики сигналов отображаются как яркие импульсы, которые поступают из центра полосы. Ширина импульса зависит от уровня сигнала.
Световая полоса: в пиках освещается вся полоса.
Цветные полоски: пики сигналов отображаются как цветные полосы, которые исчезают.
Цветные полоски 2: подобно цветные полоски, но каждая полоска сжимается и исчезает.
Вспышки: пики сигналов отображаются в виде светодиодной вспышки в случайном месте. Начальный цвет белый, а затем исчезает через другой цвет.
Светлячки: пики сигналов отображаются как одиночные светодиоды в случайном месте, и они перемещаются влево или вправо и исчезают. Их скорость зависит от величины сигнала.
Цветовые схемы
Случайная двухцветная схема: выбраны два случайных цвета и только они используются для отображения пиков сигнала. Со временем будут выбраны новые цвета. Используйте param, чтобы настроить скорость изменения цветовой схемы. Если ручка потенциометра «параметры» в верхнем положении, цвета будут меняться часто и каждый пик сигнала будет иметь новый цвет. Рекомендую установить ручку в средину.
Радуга: все пики сигналов отображаются как один и тот же цвет (с небольшим количеством случайных вариаций) и этот цвет меняется как радуга с течением времени. Скорость изменения цвета устанавливается потенциометром param.
Цветные частоты: в этом режиме каждый пик сигнала окрашивается в зависимости от частотной полосы где он находится. Самая низкая полоса красного цвета, и дальше вверх по спектру. Есть 8 полос частот: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, белый. Этот цветовой режим наиболее интересен, когда частотная характеристика настроена на все полосы частот.
Диапазон частот: вы можете управлять тем диапазоном частот, на который откликается цветомузыка. Чтобы установить диапазон нажмите и удерживайте обе кнопки. Используйте ручку param, чтобы выбрать, сколько из восьми частотных диапазонов будет показываться. Если вы хотите выделить бас и ритм музыки, установите частотную характеристику только на самые низкие 2 или 3 полосы. Если вы хотите показать все частоты в музыке (например, вокал и более высокие инструменты), выберите все полосы частот.
Это видеоинструкция по настройке и она же демонстрация визуализатора в работе. Там в конце две музыкальные композиции с разными алгоритмами.
Цветомузыка своими руками. Простые схемы цветомузыкальных
приставок с излучателями на лампах накливания и светодиодах
Светодинамическая установка (СДУ), оно же цветомузыкальное устройство (ЦМУ), она же цветомузыка (светомузыка) – это всего лишь часть перечня названий одного и того же устройства, предназначенного для автоматического динамического цветного освещения, сопровождающего исполнение музыки.
Чаше всего такие электронные светомузыкальные устройства базируются на принципе разделения (фильтрации) диапазона частот музыкальной фонограммы по отдельным частотным каналам (НЧ, НЧ-СЧ, СЧ, СЧ-ВЧ), которые, после усиления, подаются на световые излучатели разных цветов, сопоставленные с частотными каналами звука.
Обычно частотный диапазон звука разделялся по частотному принципу на 3. 4 световых канала:
1. красные лампы – низкие частоты (диапазон до 200 Гц),
2. жёлтые – средне-низкие (диапазон от 200 до 800 Гц),
3. зелёные – средние (от 800 до 3500 Гц),
4. синие – выше 3500 Гц.
Устройством отображения в цветомузыке может быть как набор отдельных прожекторов, так и единая конструкция (экран), в которой и формируется световая картина. И если в «древних» ЦМУ в качестве излучателей преимущественно выступали лампы накаливания, то в современных условиях смысла от применения таких раритетов нет никакого, тем более что в линейке светодиодов, пришедших на смену лампочке Ильича, присутствуют довольно мощные и эффективные приборы различных цветов свечения.
Также нет смысла и в традиционном использовании тиристоров или симисторов, так как современные силовые транзисторы работают в широком диапазоне мощностей и напряжений и при этом не обладают таким существенным недостатком, как необходимость (для их выключения) перехода питающего напряжения через ноль.
Именно на таких транзисторных устройствах мы и сосредоточим внимание в рамках данной статьи, а поскольку в сетевом пространстве фигурирует большое количество неграмотно «спроектированных» и «неправильно» работающих схем цветомузык, то будем обращаться исключительно к тем описаниям, которые опубликованы в относительно надёжных и заслуживающих уважение источниках.
А начнём мы со схемы простейшей цветомузыки, приведённой в книге Б.С. Иванова «САМОДЕЛКИ ЮНОГО РАДИОЛЮБИТЕЛЯ».
Как и в подавляющем большинстве цветомузыкальных установок, в предлагаемом устройстве (Рис.1) применено частотное разделение сигналов звуковой частоты, воспроизводимых радиоприемником, по трём каналам. Первый канал выделяет низшие частоты — им соответствует красный цвет свечения, второй канал — средние (жёлтый цвет), третий — высшие (зеленый цвет). Для этого в приставке использованы соответствующие фильтры.
Рис.1 Схема цветомузыки на тразисторах и светодиодах
Входной сигнал поступает на фильтры с подстроечных резисторов R1, R2, R3, которые, в свою очередь, подключаются к выводам динамической головки радиоприемника. Подстроечными резисторами устанавливают нужную яркость светодиодов в каждом канале при заданной (максимальной) громкости звука.
В канале низших частот стоит фильтр R5C3, ослабляющий средние и высшие частоты. Прошедший через него сигнал низших частот детектируется диодом VD3. Появляющееся на базе транзистора VT3 отрицательное напряжение открывает этот транзистор, и светодиод HL3, включенный в его коллекторную цепь, зажигается. Чем больше амплитуда сигнала, тем сильнее открывается транзистор, тем ярче горит светодиод. Для ограничения максимального тока через светодиод последовательно с ним включен резистор R9. При отсутствии этого резистора светодиод может выйти из строя.
В канале средних частот стоит фильтр R4C2, который для высших частот представляет значительно большее сопротивление, чем для средних. В коллекторную цепь транзистора VT2 включен светодиод HL2 желтого цвета свечения. Сигнал на фильтр поступает с движка подстроечного резистора R2.
Канал высших частот состоит из подстроечного резистора R1, фильтра C1R6, ослабляющего сигналы средних и низших частот, и транзистора VT1. Нагрузкой канала является светодиод HL1 зеленого цвета свечения с последовательно включенным ограничительным резистором R7.
Транзисторы могут быть другими маломощными приборами структуры p-n-р, с возможно большим коэффициентом передачи тока (не менее 50). Диоды VD1. VD3 — любые из серии Д9. Вместо светодиода АЛ307Г можно применить любые светодиоды соответствующего цвета свечения с прямым током не более 40 мА.
Налаживают приставку во время исполнения музыкальных произведений при средней громкости звука. Движки подстроечных резисторов устанавливают в такое положение, чтобы в такт с музыкой каждый светодиод вспыхивал достаточно ярко, но ток через него не превышал допустимого (ток контролируют миллиамперметром, включенным последовательно со светодиодом). Если яркость свечения будет недостаточна даже при наибольшей громкости звука и верхнем по схеме положении движка подстроечного резистора, следует либо заменить транзистор другим, с большим коэффициентом передачи тока, либо подобрать резистор в цепи светодиода с меньшим сопротивлением.
Следующее ЦМУ разработано автором нескольких книг для начинающих радиолюбителей Сощенко С. В.. Вот что пишет автор:
Как сделать цветомузыку на светодиодах своими руками
На Рис.2 предоставлена схема простой четырехканальной цветомузыкальной приставки, собранной на светодиодах. Приставка состоит из усилителя входного сигнала, четырех каналов и блока питания, обеспечивающего питание приставки от сети переменного тока.
Рис.2 Принципиальная схема цветомузыкальной приставки
Сигнал звуковой частоты подается на контакты ПК, ЛК и через резисторы R1 и R2 попадает на переменный резистор R3, являющийся регулятором уровня входного сигнала. Далее звуковой сигнал через конденсатор С1 и резистор R4 поступает на вход предварительного усилителя, собранного на транзисторах VT1 и VT2. Применение усилителя позволило использовать приставку практически с любым источником звукового сигнала.
С выхода усилителя звуковой сигнал подается на верхние выводы подстроечных резисторов R7,R10, R14, R18, являющиеся нагрузкой усилителя и выполняющие функцию регулировки (подстройки) входного сигнала отдельно по каждому каналу, а также устанавливают нужную яркость светодиодов канала. От средних выводов подстроечных резисторов звуковой сигнал поступает на входы четырех каналов, каждый из которых работает в своей полосе звукового диапазона. Схематично все каналы выполнены одинаково и различаются лишь RC-фильтрами.
Пройдя фильтры, сигналы детектируются диодами VD1. VD4 и подаются на базы транзисторов. Появляющееся на базах транзисторов отрицательное напряжение открывает их, и группы светодиодов, включенных в соответствующие коллекторные цепи, зажигаются. Чем больше амплитуда сигнала, поступающего с выхода фильтров, тем сильнее открываются транзисторы, тем ярче горят светодиоды. Для ограничения максимального тока через светодиоды последовательно с ними включены резисторы. При отсутствии этих резисторов светодиоды могут выйти из строя.
Питается цветомузыкальная приставка постоянным напряжением 9В. Блок питания приставки состоит из трансформатора Т1, диодного моста на диодах VD5 – VD8, стабилизатора напряжения DA1 типа КРЕН5, резистора R22 и двух оксидных конденсаторов С8 и С9. Для получения выходного напряжения 9В между минусовой шиной блока питания и выводом 2 микросхемы включен резистор R22. Изменением величины сопротивления этого резистора добиваются нужного выходного напряжения на выводе 3 микросхемы.
В приставке могут быть использованы любые постоянные резисторы мощностью 0,25. 0,125 Вт.
Постоянные конденсаторы могут быть любого типа, рассчитанные на рабочее напряжение не ниже 16 В, конденсатор С8 – не ниже 25 В.
Светодиоды – обычные с желтым, красным, синим и зеленым цветом свечения. В каждом канале используется по 6 штук.
Транзисторы VT1 и VT2 – из серии КТ361 с любым буквенным индексом, транзисторы VT3, VT4, VT5, VT6 – из серии КТ502 с любым буквенным индексом.
Стабилизатор напряжения типа КРЕН5А с любым буквенным индексом (импортный аналог 7805). Если использовать девятивольтовые КРЕН8А или КРЕН8Г (импортный аналог 7809), то резистор R22 не ставится. Вместо резистора на плате устанавливается перемычка.
Следующая схема цветомузыкальной установки была опубликована в журнале Elektor Electronics, 6/04. Она во многом аналогична предыдущей приставке, но главным её преимуществом является наличие компрессора, позволяющего уменьшить динамический диапазон музыкального сигнала, и тем самым улучшить визуальное восприятие работы устройства.
При этом подключать данную приставку и источнику звука не надо, так как сигнал снимается посредством встроенного в неё электретного микрофона. Познакомимся и с этим устройством:
Цветомузыкальная установка с компрессором
Достоинствами данной ЦМУ являются наличие автоматического регулирования чувствительности к уровню звука (что обусловливает отсутствие в устройстве каких-либо регулировочных органов), а также отсутствие необходимости подключения к какой-либо звуковой радиоаппаратуре (входное устройство состоит из электретного микрофона MIC1).
Рис.3 Схема микрофонной цветомузыки с компрессором
Слабый сигнал с выхода микрофона усиливается в 1000 раз в двухкаскадном усилителе на ОУ типа LM358N. АРУ осуществляется с помощью делителя напряжения, образованного сопротивлением коллектор-эмиттер Т1 и R7. Этот делитель обладает переменным коэффициентом деления за счет изменения режима работы транзистора Т1 под действием смещения на его базе, созданного выпрямленным напряжением с выхода второго ОУ.
Выходные транзисторные каскады (Т2-Т4) представляют собой RC-фильтры, настроенные каждый на свою полосу частот. Эти транзисторы обеспечивают питание светодиодов D4, D6, D8 в течение положительной полуволны отфильтрованного сигнала.
Если сигнал в приведённом выше ЦМУ предполагается снимать не с микрофона, а напрямую с какого-либо источника, например с линейного выхода звуковоспроизводящего устройства, то первый каскад усиления можно исключить, а сигнал подавать на левый вывод резистора R7.
Также можно увеличить количество светодиодов, подключив их аналогично тому, как это сделано в цветомузыкальной приставке, изображённой на Рис.2.
Светодиодная цветомузыка
Порой так хочется создать у себя дома яркое световое шоу, позвать друзей, включить громче музыку и окунуться в атмосферу дискотеки. С музыкой и друзьями проблем обычно не возникает, а вот организовать цветомузыку бывает достаточно проблематично. Даже самые простые световые эффекты стоят, порой, приличных денег, к тому же продаются далеко не во всех магазинах. Как же быть, если желание насладиться мигающими в такт музыке огоньками не угасает? Выход есть – собрать цветомузыку самому.
Схема цветомузыки
Схема проста как валенок, содержит всего три транзистора и горстку резисторов с конденсаторами. Она содержит в себе три фильтра для низких, средних и высоких частот, поэтому такую цветомузыку можно назвать трёхканальной. Красный светодиод загорается, когда в звуковом сигнале преобладают низкие частоты, синий светодиод реагирует на средние частоты, а зелёный – на высокие. Подстроечные резисторы R4 — R6 регулируют чувствительность каждого из каналов, с их помощью задаётся необходимая яркость свечения. Транзисторы VT1 – VT3 коммутируют светодиоды, здесь можно применить любые n-p-n транзисторы малой мощности, например, BC547, BC337, КТ3102. Вместо отдельных светодиодов для увеличения яркости можно использовать отрезки светодиодной ленты, в этом случае транзисторы стоит поставить большей мощности, например, BD139, 2N4923, КТ961. На вход схемы можно подавать звуковой сигнал, например, с плеера, телефона или компьютера. Однако, может оказаться так, что уровня звукового сигнала не хватит для открывания транзисторов этой схемы и светодиоды будут светится тускло. Чтобы этого не произошло, сигнал нужно усилить, например, с помощью простенького усилителя на одном транзисторе, схема которого показана ниже.
Схема усилителя
Транзистор можно использовать любой маломощный, хорошо себя зарекомендовал в этой схеме отечественный КТ3102. С помощью подстроечного резистора R1 можно регулировать уровень сигнала, подаваемого на схему цветомузыки. Питается усилитель от тех же 9 – 12 вольт. На его вход можно подавать даже слабый сигнал с телефона, ведь он будет усилен до нужного уровня.
Схемы цветомузыки на 220 вольт своими руками на лампах и тиристорах
Цветомузыка на тиристорах с лампами накаливания на 220 вольт была достаточно популярна в СССР. Устройство помогало создать атмосферу праздника на дискотеках и вечеринках. Сегодня существует немало подобных приборов, изготовленных в Китае. Однако любители электроники с успехом собирают своими руками цветомузыкальные устройства в оригинальном исполнении. В свое время автор статьи занимался разработкой УЦЭ «Электроника ЦМ-01», УЦСМ «Электроника ЦМ-02» и сегодня предлагаю профессиональную подборку наиболее интересных схем ЦМУ.
Собираем своими руками простейшую цветомузыку на тиристорах
Схемы ЦМУ на тиристорах, работающих с лампами накаливания 220 В, по определению, более сложные, чем устройства на светодиодах. При этом проще обеспечить мощное свечение, а лампы накаливания имеют более широкий динамический диапазон уровня яркости по сравнению со светодиодами. С использованием цветных стекол, цветных ламп или окрашивая их самостоятельно, можно изготовить отдельные светильники или прожектора для каждого частотного канала. Еще проще подключить на выход обычные елочные гирлянды. Кроме того, покрасить лампы можно самостоятельно.
В отношении цветомузыкальных устройств в целом можно сказать, что создаваемый ими эффект на 50% зависит от оформления излучателей света. При творческом подходе своими руками можно изготовить экран или фонари ЦМУ, которые с легкостью компенсируют недостатки работы простейшей схемы, которую мы рассмотрим в первую очередь.
Принцип работы большинства цветомузыкальных устройств (ЦМУ) основан на связи яркости свечения ламп с уровнем звукового сигнала на входе устройства. При этом его разбивают на три (или более) составляющие с помощью электронных фильтров и формируют три канала, лампы которых мерцают в зависимости от наличия в музыке звучания соответствующих частот.
В приведенной схеме сигнал с громкоговорителя поступает на разделительный трансформатор. Трансформатор на входе необходим для гальванической развязки источника звука со схемой ЦМУ, которая находится под напряжением 220 В. Сигнал на вход устройства подается именно с громкоговорителей, так как в простейшей схеме отсутствует усиление сигнала, и уровня стандартного линейного выхода обычного гаджета недостаточно для работы ЦМУ.
С выхода трансформатора сигнал поступает на регулятор чувствительности – переменный резистор номиналом 10 кОм. Далее в каждом канале предусмотрена своя схема пассивного RC фильтра. Верхний по схеме фильтр пропускает сигнал высоких частот более 2 кГц. Средний канал имеет полосовой фильтр и пропускает средние частоты в диапазоне 250-2500 Гц. Нижний по схеме фильтр пропускает частоты ниже 300 Гц. При этом четкого разделения сигнала по частоте нет, так как фильтры имеют низкую избирательность, а элементы, из которых они состоят, имеют большой разброс параметров.
С выхода фильтров напряжение подается на управляющие электроды тиристоров, которые открываются при достижении определенного сигнала на входе. В итоге, через лампы соответствующих каналов протекает ток, и мы наблюдаем свечение.
Для сборки ЦМУ необходимо подобрать конденсаторы с рабочим напряжением не менее 300 В, резисторы нужны мощностью 1 Вт, тиристоры КУ202 потребуются с индексом Н или М, то есть с рабочим напряжением не менее 400 В. Трансформатор подойдет любой выходной от старого телевизора, радиоприемника или громкоговорителя радиоточки. Максимальная допустимая нагрузка на канал до 400 Вт, так как тиристоры установлены без радиаторов.
Схему можно собрать с помощью навесного монтажа, а детали закрепить на куске пластмассы с помощью клеевого пистолета. Впрочем, можно изготовить и печатную плату в соответствии с фото. При наладке ЦМУ нельзя касаться ее элементов, так как все они находятся под опасным напряжением 220 вольт!
Отмечу, что приведенная схема имеет ряд недостатков:
- отсутствует элементарная защита схемы в виде предохранителя;
- тиристоры работают с переменным напряжением и легко выходят из строя;
- лампы питаются пониженным напряжением с видимой пульсацией 50 Гц;
- на вход необходимо подавать сигнал не менее 2-3 Вт;
- отсутствует регулировка чувствительности каждого канала, значит, лампы отдельных каналов могут гореть все время, либо не включаться вовсе;
- лампы включаются резко, так как отсутствует синхронизация управления тиристорами с переменным напряжением 220 В;
- непросто найти трансформатор от старого громкоговорителя радиоточки, телевизора или радиоприемника.
Однако все они компенсируются одним большим преимуществом для начинающих – простотой! Именно с этого варианта имеет смысл начать сборку ЦМУ. Элементарные улучшения мы рассмотрим прямо сейчас, а принципиально лучшие схемы следуют далее.
Для стабильной работы тиристоров в схему следует добавить один силовой и три сигнальных диода. Переменные резисторы R1-R3 можно установить на входе каждого канала и регулировать их чувствительность в зависимости от характера музыки. При этом на резисторы нужно надеть изолирующие пластмассовые ручки без металлизированного покрытия. Переменных резисторов касаться нельзя, так как они находятся под напряжением 220 В!
Чтобы на лампы подавалось полное напряжение, тиристоры нужно включить в цепь постоянного тока через мостик из диодов (D4-D7 в приведенном примере). Здесь В1-В3 – предохранители, включенные раздельно в цепь питания каждой лампы. Диоды необходимы на ток не менее 2 А, подойдут Д246А.
Схема 4-х канальной цветомузыкальной приставки на 220 В
Рассматриваемая схема имеет четыре частотных канала, к которым соответственно подключены четыре лампы разного цвета. Применение активных фильтров на операционных усилителях позволяет получить неплохое разделение каналов по частоте. Использование оптопар и симисторов в выходных каскадах обеспечивает гальваническую развязку и простую схему синхронизации работы симисторов с напряжением переменного тока сети 220 вольт.
Проанализируем работу схемы. Сигнал с линейного выхода звуковоспроизводящего устройства подается на регулятор общей чувствительности — переменный резистор R1. Далее он поступает на входы каналов через регуляторы R2-R5. Активные фильтры каналов собраны на операционных усилителях (ОУ) DA1.1- DA1.4, а также резисторах и конденсаторах, которые и определяют индивидуальные параметры фильтров. Самый нижний по схеме канал имеет конденсаторы наибольшей емкости, то есть настроен на самую низкую частоту. Резисторы R14-R15 определяют режим работы ОУ по постоянному току.
С выходов каналов сигналы поступают на ключи на транзисторах VT1- VT4, нагрузкой которых являются оптопары U1-U4. Выходы оптопар подключены к цепям управления симисторами, которые подают питание на лампы соответствующего канала. Степень открывания симистора зависит от сигнала на входе соответствующего канала. Конденсаторы С19-С22 служат для подавления импульсных помех, которые возникают при работе симисторов.
Поговорим о деталях. В схеме используется счетверенный ОУ типа LM324, однако его можно заменить четырьмя ОУ в отдельных корпусах, например, КР140УД608. Однако использовать уже разработанную печатную плату в этом случае не получится. В качестве транзисторов VT1- VT4 можно использовать КТ315 с любым буквенным индексом. Оптопары МОС3021 (допускаются любые серии МОС30, лучше без «выделения перехода через 0», то есть МОС302, 303, 305). В качестве симисторов VS1- VS4 используются полупроводники ВТ137, ВТ138. Размеры печатной платы 90х90 мм.
Последующие цифры маркировки отображают максимальный ток и напряжение полупроводникового прибора. При нагрузке до 200 Вт симисторы могут работать без радиаторов. При установке на радиаторы допустимый ток нагрузки составляет 8-12 А, в зависимости от модели, что позволяет подключить лампы общей мощностью до 1,5-2,3 кВт. Если симисторы монтируются на общий радиатор, их необходимо крепить через специальные изолирующие прокладки из слюды.
Предохранитель F1 выбирается в зависимости от мощности нагрузки. При использовании ламп мощностью до 100 Вт его наминал составит 2-3 А. При нагрузке 200 Вт подойдет предохранитель на 4-5 А. При увеличении нагрузки потребуется еще больший номинал предохранителя. При использовании ламп мощностью 200 Вт и более дорожки, которые подходят к аноду и катоду симистора, нужно усилить, напаяв на них кусочки одножильного провода.
Для питания схемы подойдет почти любой источник постоянного напряжения 12 В. При подключении для настройки нужно проконтролировать, чтобы под платой не оказалось никаких токопроводящих предметов. Вся часть схемы, которая изображена справа от выхода оптопары, находится под опасным напряжением 220 В и касаться ее элементов руками недопустимо.
Рассматриваемое устройство продается в виде конструктора, в состав которого входят печатные платы и прочие комплектующие элементы. Смотрите в следующем видео, как работает светомузыка на практике. На мой взгляд, лампочки моргают резковато, так как в схеме не предусмотрена компрессия входного сигнала, и динамический диапазон свечения ламп не соответствует музыке. «Синий» канал работает слабо, что может быть связано с делением частотного диапазона на четыре канала.
Схемы УЦСМ Волгоградского завода электронного машиностроения
Рассмотрим четыре ЦМУ, которые выпускались на Волгоградском заводе электронного машиностроения: УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М», УЦСМ «Электроника ЦМ-02», УЦЭ «Электроника ЦМ-01», УЦЭ «Электроника ЦМ-03». К сожалению, их схемы сохранились в низком качестве и не везде удается прочитать номиналы элементов. Однако в части активных фильтров, следующих за ними компараторов, схем питания и синхронизации управления тиристорами они практически одинаковые.
Элементная база всех устройств также мало отличается. Все схемы собраны на операционных усилителях КР140УД1А, все полевые транзисторы КП103Е, в выходных каскадах применяются транзисторы КТ503Б, все прочие транзисторы – КТ315Б. Применяются тиристоры КУ202Н, сигнальные диоды КД521А, силовые диоды КД105Б. Переменные резисторы – на 10 кОм. Высокочастотные трансформаторы – МИТ-4В. Таким образом, можно прочитать любую схему.
УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М»
Сначала рассмотрим работу схемы УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М». Входной каскад устройства построен на полевом транзисторе КП103Е, что позволяет подавать на вход стереосигнал через разделительные резисторы R1,R2 сопротивлением 240 кОм. Далее сигнал поступает на вход усилителя на операционном усилителе (ОУ) A2. Чтобы обеспечить компрессию входного сигнала, в обратной связи ОУ включен полевой транзистор VT2. Звуковой сигнал имеет более широкий динамический диапазон по сравнению с диапазоном свечения ламп накаливания. В результате сжатия входного сигнала лампы меняют яркость свечения как при слабом, так и при сильном звуке.
С выхода A2 сигнал поступает на входы активных фильтров на ОУ А3-А5. Сверху вниз по схеме расположены каналы высоких, средних и низких частот, соответственно зеленого, желтого и красного цвета ламп. Далее рассмотрим работу высокочастотного канала.
Сигнал с выхода фильтра на А4 выпрямляется диодом и конденсатором и подается на неинвертирующий вход компаратора А6 через переменный резистор. Упомянутый элемент позволяет регулировать чувствительность канала. При этом на инвертирующий вход компаратора подключен второй переменный резистор, с помощью которого можно регулировать напряжение смещения компаратора, а в итоге устанавливать начальную яркость свечения ламп соответствующего цвета. Кроме того, на инвертирующие входы всех компараторов подается через разделительные резисторы 750 кОм общий сигнал синхронизации с формирователя импульсов на транзисторе КТ315Б, который управляется пульсирующим напряжением с диодного моста. Таким образом, на выходе компаратора появляется пульсирующий сигнал, синхронизированный с сетью 220 В.
С выхода компараторов сигнал поступает на базы транзисторов КТ315Б, которые выполняют роль модуляторов. Питание на коллекторы этих транзисторов поступает с мультивибратора VT13- VT14, который вырабатывает высокочастотный сигнал, который пройдет через импульсные трансформаторы. В итоге на выходе модуляторов формируются пачки высокочастотных импульсов, синхронизированных с сетью.
С коллекторов модулирующих транзисторов сигналы поступают на базы транзисторов КТ503Б, в коллекторные цепи которых включены импульсные трансформаторы. Выходы трансформаторов подключены к управляющим цепям тиристоров через диоды, которые ограничивают обратные выбросы индуктивностей. В итоге, тиристоры открываются в соответствии с длиной импульсов, сформированных компараторами.
С верхнего по схеме компаратора сигнал подается сразу на два модулирующих транзистора. С нижнего из них сигнал снимается с эмиттера, а не с коллектора. По этой причине второй сверху, то есть «синий» канал работает в противофазе «зеленому», то есть обеспечивает фон или подсветку экрана при отсутствии высокочастотного сигнала.
Для усиления эффекта в данной цветомузыке установлен двигатель, который размещается в центре экрана между лампами. К оси двигателя закреплен трафарет из алюминия, который вращается перед лапами и создает причудливые тени на матовом оргстекле экрана.
В схеме питающая обмотка двигателя включена в сеть 220 Вольт, а на управляющую обмотку напряжение с трансформатора подается через транзистор и выпрямительный диод. К базе транзистора подключены два переменных резистора. Один из них регулирует напряжение смещения на базе, то есть устанавливает начальную скорость вращения трафарета. Верхний по схеме переменный резистор подключен к выходу «красного» канала, то есть вращение двигателя определяется низкочастотным сигналом.
Питание на тиристоры подается через два диодных моста попарно, так как один мостик КЦ402 выдерживает нагрузку только двух каналов. Мультивибратор питается нестабилизированным напряжением. Двухполярное питание ОУ обеспечивается параметрическими стабилизаторами на стабилитронах КС168А. Конденсаторы на входе схемы гасят помехи, создаваемые тиристорами. Трансформатор ТАН-1 применялся еще для ламповых устройств и в схеме использованы 5 обмоток на 6,3 В.
Печатная плата устройства представлена на фото. Оценить работу УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М» можно по следующему видео.
УЦСМ «Электроника ЦМ-02»
УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М» морально устарела по внешнему виду, покупатели устали от вращения теней по экрану все время в одну сторону, а производство двигателя было дорогим и сложным. Мне было поручено провести модернизацию устройства, и в итоге на свет появилась УЦСМ «Электроника ЦМ-02». Нет смысла описывать работу схемы в той части, где она повторяет УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М». Желающие могут изучить вышеизложенную информацию. Рассмотрим лишь проведенные изменения и доработки.
Во входном каскаде исключен полевой транзистор в обратной связи ОУ, так как он оказывал мизерное влияние на работу устройства. При этом на выходе DА1 добавлен переменный резистор RР1 для регулировки общей чувствительности ЦМУ. В старой цветомузыке часто приходилось накручивать регуляторы всех трех каналов, чтобы настроить на новый музыкальный клип. Регуляторы начальной подсветки наоборот исключены, так как в них нет необходимости.
Коснемся изменений элементной базы. Вместо транзисторов КТ315 после компараторов включены логические элементы 2ИЛИ-НЕ К155ЛЕ1. На таких же элементах DD3.2, DD3.3, DD3.4 собран генератор высокой частоты. Вместо двух мостиков КЦ402 используется один мост на 4-х диодах КД202Н.
Двигатель из схемы исключен, а движение света на экране создается переключением работающих ламп. При этом поверх цветных стекол фильтров перед лампами установлены накладки с окнами разных видов, что создает причудливые формы свечения на экране. Теперь тиристоры трех каналов, указанные на схеме сверху, включены последовательно с тиристорами VS4 и VS5, которые включаются попеременно, обеспечивая смену подключенных ламп.
Проследим по схеме работу каждой лампы. Зеленая лампа ЕL1 подключена к выходу канала постоянно, тогда как зеленые лампы ЕL2, ЕL3 подключаются попеременно. Желтые лампы ЕL4, ЕL5 подключаются к выходу канала попеременно. Красная лампа ЕL8 подключена к выходу канала постоянно, тогда как красные лампы ЕL6, ЕL7 подключаются попеременно. Лампы синего цвета ЕL9, ЕL10 и ЕL11, ЕL12 включаются попеременно и служат подсветкой экрана. В схеме предусмотрен переключатель SA2, при размыкании которого напряжение на тиристоры подается через диод, и питание ламп уменьшается почти в два раза. В итоге обеспечивается режим «Интим» приглушенного свечения экрана.
Переключение тиристоров VS4-VS5 осуществляется по сигналу генератора, управляемого напряжением, который собран на микросхеме DD4 по схеме мультивибратора. Управляющий сигнал на вход генератора поступает с трех каналов через развязывающие диоды VD4, VD6, VD8, переменный резистор и транзистор VT3. Переменный резистор регулирует чувствительность скорости переключения ламп на экране, которая определяется уровнем звукового сигнала. С выхода генератора сигнал поступает на вход регистра сдвига (DD2, DD1.4, DD3.1), который включает попеременно тиристоры VS4 и VS5.
Таким образом УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М» превратилась в УЦСМ «Электроника ЦМ-02». Смотрите видео работы установки.
УЦЭ «Электроника ЦМ-01»
Разработкой схемы УЦЭ «Электроника ЦМ-01»также занимался автор этих строк, и появилась она раньше УЦСМ «Электроника ЦМ-02». За основу была также взята УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М», в которую был добавлен микрофон для работы без шнура. При этом необходимость в гальванической развязке с сетью отпала, и импульсные трансформаторы, а также генератор высокой частоты – исключены. При этом добавлен режим работы «бегущие огни» и соответствующая ему схема. При желании подробно изучить работу установки сначала следует ознакомиться с описанием работы схемы Е1-04М. Рассмотрим подробнее внесенные изменения и дополнения.
Теперь ко входу устройства подключен электретный микрофон МКЭ, для чего потребовался дополнительный ОУ DА-1. В зависимости от модели микрофона схема его подключения может быть немного разной. Режим «бегущие огни» реализован на микросхемах DD1- DD3. Переключение режимов осуществляется с помощью переключателя SВ2, который показан на схеме в режиме «цветомузыка». В этом случае сигнал с выхода DА1 поступает через транзистор VT6 на вход «синего» канала, который работает в режиме подсветки, и его схема управления приведена 2-я сверху (VT3,VT8).
При переводе переключателя SВ2 в режим «бегущие огни» сигнал с выхода DА1 поступает через транзистор VT6 на вход генератора, управляемого напряжением (на микросхеме DD1 К155ЛА3). С его выхода импульсный сигнал поступает на схему регистра сдвига на микросхемах DD2, DD3 (К155ТМ2 и К155ЛА3). С выходов DD3.1- DD3.4 импульсы поступают на базы транзисторов VT2-VT5 через разделительные резисторы. Далее сигналы всех каналов поступают на транзисторы, включенные в цепи управления тиристорами. Тиристоры подают напряжение на лампы накаливания. Кроме того, в данном устройстве предусмотрены индикаторные неоновые лампочки, которые установлены в блоке управления.
В ЦМ-01 переменные резисторы, регулирующие начальное свечение ламп каждого канала, заменены на подстроечные, установленные на плате. При настройке устройства их устанавливают так, чтобы лампы каналов находились на пороге свечения. Установка выполнена на двух печатных платах, которые приведены на фото. Работу устройства можно оценить с помощью следующего видео.
УЦЭ «Электроника ЦМ-03»
УЦЭ «Электроника ЦМ-03» появилась в результате модернизации ЦМ-01. Немного изменился дизайн, появились регуляторы чувствительности каждого канала, неоновые лампочки индикации заменены на светодиоды. Однако самое главное изменение претерпела схема генератора управления напряжением в режиме «бегущие огни».
Динамический диапазон работы изменения частоты переключения каналов, в зависимости от уровня звукового сигнала, заметно увеличился. Теперь изменение скорости переключения ламп можно наблюдать как при очень тихой музыке, так и при очень громкой.
За основу взята схема на таймере КР1006ВИ1 и операционном усилителе КР140УД708, опубликованная в журнале «Радио» 1985г, №2, стр. 61. Для работы на низкой частоте номиналы ее элементов изменены. Настоятельно советую собрать и опробовать данное устройство, так как связь частоты переключения «бегущих огней» с уровнем музыки получается очень крутая! Работу УЦЭ «Электроника ЦМ-03» можно оценить с помощью следующего видео.
О совершенствовании ЦМУ
Специально для посетителей «Самоделино» предлагаю еще одну, разработанную мною, схему ЦМУ. В производство она не пошла, зато дожила до сегодняшних дней, и номиналы всех элементов видно хорошо. В данном случае за основу взята схема УЦСМ-1 «Электроника Е1-04М», в которую добавлен режим «бегущие огни», выполненный точно так же, как в ЦМ-01. Таким образом, она поможет прочитать схемы представленных выше ЦМУ.
Новинкой представленного варианта является компрессор на входе, собранный на DА2, VT1 и VT2. Он позволяет максимально сжать входной сигнал, и мерцание ламп можно наблюдать как при очень тихой музыке, так и при очень громкой. Еще больший уровень сжатия в данной схеме невозможен, так как мешают пульсации питания параметрического стабилизатора. Таким образом, улучшить параметры системы можно с применением стабилизаторов питания с высоким коэффициентом стабилизации на транзисторах или микросхемах.
Еще одно улучшение, которое можно внести, — это заменить генератор «бегущих огней» на представленный выше в ЦМ-03. Если есть желание получить более заметное разделение каналов по частоте, нужно использовать более мощные фильтры на лучших ОУ, например, КР140УД6-8. В простейшем случае вполне реально включить последовательно по два однотипных фильтра. При этом нет смысла делить входной сигнал более, чем на три канала. Четвертый, обычно синий, канал подсветки, работающий в инверсном режиме, куда интереснее.
Схема станет заметно проще, если в выходных каскадах использовать оптопары и симисторы (смотрите схему на 4-х каналах, представленную выше) вместо импульсных трансформаторов и тиристоров. В этом же примере приведено использования счетверенного ОУ, который позволяет уменьшить количество элементов схемы.
Возможно, в практическом применении будет эффективно использование сразу двух устройств – «цветомузыки» и «бегущих огней». Как мне кажется, заметно продвинуться в развитии ЦМУ возможно, проводя эксперименты с различными типами выходных оптических устройств, например, подключить елочные гирлянды вместо ламп. Как покрасить лампы читайте здесь.
Практически все разработчики ЦМУ в СССР периодически встречались у пионера цветомузыки Галеева А.М. в г. Казани, где имели возможность познакомиться с конструкциями коллег. В нашем ОКБ при ВЗЭМ мы приходили к выводу, что в развитии ЦМУ на аналого-цифровых схемах наступает предел. Тогда нам казалось, что будущее за устройствами на базе компьютерной обработки звуковых сигналов.
Сегодня вполне реально создать свою программу, приобрести китайскую лазерную моргалку и переделать ее под оконечное устройство, управляемое от компа. Творите свое собственное лазерное шоу на Новый год или юбилей!
Для меня же, как инженера, в развитии схемотехники ЦМУ наступил потолок, и я перешел в отдел разработки систем управления технологическим оборудованием, где начинали работать с микроконтроллерами. Шлю горячий привет и мысленно обнимаю всех, кто трудился рядом со мною в ОКБ при ВЗЭМ!
Все, кто дочитал до этого места, могут смело обращаться с техническими вопросами по ЦМУ. Пишите под статьей. Обычно я имею возможность ответить в течение суток.