niezwykła iluminofonia.pdf

+ ++

Projekty AVT

Niezwykła

iluminofonia 2 4 9 7

Moda na najróżniejsze efekty świetlne nie

maleje. Także Czytelnicy EdW w ramach co−

miesięcznej Miniankiety wskazują, że tego

typu układy powinny się częściej ukazywać

na łamach naszego pisma. Życzenia wyraża−

ne przez Czytelników są zróżnicowane. Nie−

którzy chcą zbudować jak najprostszy i jak

najtańszy układ, nawet jednokanałowy.

Większość chciałaby wykonać urządzenie 3−

lub 4−kanałowe. Inni mają dość popularnych

od wielu lat systemów 3−kanałowych i chcie−

liby cieszyć oczy działaniem wyrafinowane−

go efektu świetlnego, realizowanego za po−

mocą systemu wielokanałowego, na przykład

10−kanałowego, gdzie poszczególne lampy

reagowałyby jedynie na sygnały z wąskiego

pasma częstotliwości.

Wszystkie te i jeszcze inne życzenia po−

zwoli zrealizować system prezentowany

w niniejszym artykule. W Redakcji EdW zo−

stał opracowany niecodzienny moduł − układ

iluminofoniczny, zapewniający niezwykłą

elastyczność budowanego systemu.

Ten podstawowy układ − moduł jest jed−

nokanałowy. Jego wykonanie jest bardzo ła−

twe. Moduł można umieścić w typowej obu−

dowie wtyczkowej z gniazdem (Z27), a do

gniazda dołączyć dowolną lampę. Upro−

szczony schemat blokowy i najprostszy przy−

kład wykorzystania pokazany jest na rysun−

ku 1 .

Rysunek 2 pokazuje typowy system ilu−

minofoniczny, zawierające trzy moduły z fil−

trami o różnych charakterystykach. Zaletą ta−

kiego „rozproszonego” systemu iluminofo−

nicznego z trzema oddzielnymi modułami

jest możliwość dowolnego rozmieszczenia

lamp w pomieszczeniu. W systemie może

pracować dowolna liczba modułów z różny−

mi filtrami, co umożliwia budowę urządzenia

wielokanałowego.

Projekt oznaczono dwiema gwiazdkami

nie ze względu na stopień skomplikowania,

tylko dlatego, że układ jest zasilany wprost

z sieci i na jego elementach występują napię−

cia groźne dla życia i zdrowia . Dlatego osoby

niepełnoletnie i niedoświadczone mogą wy−

konać prezentowane urządzenie jedynie pod

opieką wykwalifikowanych opiekunów .

Istotną zaletą opisywanego urządzenia

iluminofonicznego jest to, że nie wymaga

ono dołączenia do wzmacniaczy czy miksera

– każdy moduł wyposażony jest w mikrofon.

Działanie każdego modułu zależy od za−

wartego w nim filtru. Zastosowany uniwer−

salny filtr, choć prosty w budowie, zapewnia

znakomitą separację poszczególnych pasm.

Co bardzo ważne, do wykonania układu nie

jest potrzebna jakakolwiek wiedza na temat

filtrów. Nie trzeba nawet rozumieć sensu za−

mieszczonych charakterystyk. W dalszej czę−

ści artykułu podane są dokładne wskazówki,

jak wykonać najprostszy system jednokana−

łowy oraz klasyczny system 3−kanałowy. Dla

osób, które chcą zbudować system wieloka−

nałowy (np. 7− czy 9−kanałowy) przeznaczo−

ne są obszerne informacje pod śródtytułem

Możliwości zmian . Opisano tam zasady do−

boru i modyfikacji filtrów. Informacje z tego

artykułu wystarczą wszystkim praktykom,

których celem jest wykonanie iluminofonii

o założonych parametrach.

Niniejszy projekt stał się także dodatko−

wym bodźcem dla jego autora, czego efek−

tem jest kolejny artykuł, a właściwie cykl ar−

tykułów, przedstawiający szczegółowo zasa−

dy projektowania podstawowych filtrów.

Rys. 1

Rys. 2

Elektronika dla Wszystkich

Projekty AVT

O taki materiał również od dawna upomina−

cie się przez Miniankietę. Cykl rozpocznie

się w jednym z następnych numerów EdW.

W module zastosowano dwa filtry aktyw−

ne z tak zwanym wielokrotnym sprzężeniem

zwrotnym, wykorzystujące wzmacniacze

U1B, U1C. Użytkownicy popularnych ukła−

dów iluminofonicznych często narzekają na

zbyt słabą separację kanałów. W prezentowa−

nym układzie dwa filtry zapewniają dużą

stromość charakterystyki częstotliwościowej,

a tym samym gwarantują, że sygnały z sąsie−

dniego pasma, nawet silne, nie będą wpływać

na pracę danego modułu.

Elementy bierne filtrów oznaczono na ry−

sunku 4 nietypowo − literą Z (Z1...Z10). Po−

wód jest prosty, w zależności od pożądanego

rodzaju filtru w tych miejscach stosowane

będą rezystory albo kondensatory. Szczegóły

podane są w dalszej części artykułu.

Należy kolejny raz podkreślić, że do wy−

konania typowego systemu iluminofoniczne−

go nie są potrzebne żadne obliczenia – nale−

ży wybrać jedną z czterech wersji i zmonto−

wać elementy według wykazu umieszczone−

go na końcu artykułu.

Poziom sygnału z drugiego filtru, to jest

z nóżki 8 U1C, jest podawany na blok ze

wzmacniaczem U1D. Jest to komparator,

w którym dodatkowo wprowadzono histerezę

(realizowaną przez R6, R8, C5, R7, D7). Re−

zystory R14, R15 wyznaczają czułość kom−

paratora. Czym mniejsza wartość R14, tym

większa czułość.

W spoczynku na wejściu odwracającym (n.

13) występuje ujemne napięcie, więc na

wyjściu (n. 14) napię−

cie jest bliskie dodat−

niemu napięciu zasila−

nia. Tranzystor T1 jest

nasycony, przejmuje

cały prąd płynący

przez R9 i ... transop−

tor OPT1 nie działa.

Jeśli sygnał zmien−

ny z wyjścia U1C ma

amplitudę większą, niż napięcie stałe na re−

zystorze R14 (plus napięcie na R6), napięcie

na wyjściu U1D gwałtownie się zmniejsza.

Tranzystor T1 przestaje przewodzić i prąd

płynie przez optotriak, powodując włączenie

triaka T2 przy najbliższym przejściu napięcia

sieci przez zero. Taki niecodzienny sposób

sterowania zastosowano celowo, by pobór

prądu przez układ był praktycznie taki sam

i by tym samym zmniejszyć wahania napię−

cia zasilającego zastosowanego prościutkie−

go zasilacza.

Dodatkowe elementy R6, R8 zapewniają

histerezę. Obwód C5, R7 powoduje, że poja−

wienie się sygnału spowoduje włączenie

optotriaka przynajmniej na kilkadziesiąt mi−

lisekund. Dzięki nim przy niezbyt dużych sy−

gnałach układ zachowuje się podobnie jak

uniwibrator. Opcjonalna dioda D7 może słu−

żyć do skracania „czasu martwego” takiego

uniwibratora. W wersji podstawowej dioda ta

nie będzie montowana.

W układzie zastosowano optotriak z obwo−

dem włączania w zerze napięcia sieci typu

MOC3042. Dzięki temu żarówka włączana jest

w sposób wykluczający powstawanie zakłóceń.

Jak wiadomo, proste układy iluminofoniczne,

gdzie triaki lub tyrystory są sterowane fazowo

lub w sposób przypadkowy, często zakłócają

pracę innych urządzeń. Tutaj odpowiedni opto−

triak w prosty sposób eliminuje tę wadę.

Wydajność zasilacza z dwoma kondensa−

torami 220nF wynosi ponad 20mA, co całko−

wicie wystarcza do wysterowania optotriaka

MOC3042 o gwarantowanym prądzie wy−

zwalania 10mA.

W module przewidziano triak o prądzie 6A. Ze

względu na fakt, że zimna żarówka pobiera przez

chwilę prąd kilkakrotnie większy od nominalnego,

maksymalna moc współpracujących żarówek po−

winna być mniejsza niż wynika z pomnożenia na−

Opis układu

Schemat blokowy modułu pokazany jest na

rysunku 3 . Sygnał z mikrofonu elektretowe−

go jest wzmacniany, a następnie filtr wydzie−

la potrzebne składowe. Powodują one reakcję

komparatora oraz wysterowanie optotriaka

i triaka. Triak zaświeca żarówkę. Ze względu

na niewielki prąd potrzebny do pracy układu

i do zadziałania optotriaka, układ zasilany jest

z prostego zasilacza beztransformatorowego.

Pełny schemat ideowy pokazany jest na ry−

sunku 4 . Zasilacz beztransformatorowy z kon−

densatorami C1, C2 dostarcza niezbędnej ener−

gii. Napięcie z kondensatora filtrującego C6

jest dzielone na dwie części za pomocą diod

Zenera D5, D6, dzięki czemu wzmacniacze

operacyjne z kostki TL084(074) są zasilane na−

pięciem symetrycznym o wartości około

Rys. 3 Schemat blokowy

Rys. 4 Schemat ideowy

Elektronika dla Wszystkich

6,8V.

Mikrofon elektretowy M1 jest polaryzo−

wany napięciem filtrowanym dodatkowo

przez elementy R5C3. Poziom sygnału z mi−

krofonu zależy od rezystancji R4 – (czym

mniejsza wartość R4, tym mniejszy sygnał).

Akustyczny sygnał z mikrofonu jest wzmac−

niany przez wzmacniacz U1A. Wzmocnienie,

a więc czułość układu można regulować za

pomocą potencjometru montażowego PR1.

Projekty AVT

pięcia sieci przez prąd triaka (220Vx 6A). Dla pew−

ności warto stosować żarówki o mocy do 200W.

che dźwięki, można wykorzystać elementy

U1B, U1C do wzmocnienia sygnału według

rysunku 6 .

Wersja 2 − tony niskie. Bardzo często po−

żądane jest, by lampy migały w rytm muzy−

ki, wyznaczony przez instrumenty, wytwa−

rzające niskie

dźwięki. Uzyskuje

się to, wykorzy−

stując filtr przepu−

szczający tylko to−

ny niskie, czyli

filtr dolnoprzepu−

stowy. Filtr w tej

wersji pokazany

jest na rysunku 7 .

Częstotliwość gra−

niczna wynosi

220Hz. Dzięki za−

stosowaniu dwóch

jednakowych

stopni uzyskuje

się dużą stromość

charakterystyki w paśmie zaporowym równą

40dB/dekadę.

Wersja 3 − tony średnie. Jeśli układ ma re−

agować na tony średnie, należy zmontować

Cztery wersje

Każdy moduł systemu według rysunków 1

i 2 można wykonać w jednej z czterech wer−

sji. O właściwościach modułu zadecyduje

charakterystyka filtru. W najprostszym przy−

padku nie trzeba stosować żadnego filtru,

a wtedy układ będzie reagował na jakiekol−

wiek dźwięki.

Wersja 1 – szerokopasmowa. Ta najprost−

sza wersja nie zawiera filtru. Każdy dźwięk

o odpowiedniej głośności powoduje otwarcie

triaka i zaświecenie lampy. Wzmacniacze

U1B, U1C nie są wykorzystane. W miejsce Z1

należy wlutować kondensator o pojemności

220nF (zamiast C8) oraz wykonać zworę do

punktu połączenia R14, R15. W miejsce Z5,

Z10 koniecznie trzeba wlutować zwory. Układ

połączeń może wyglądać jak na rysunku 5 .

Jeśli potrzebna byłaby wyjątkowo wyso−

ka czułość, by układ reagował nawet na ci−

Rys. 7

Rys. 5

Rys. 8

Rys. 6

Rys. 9

Rys.10

Elektronika dla Wszystkich

Projekty AVT

elementy Z1...Z10 według rysunku 8 . Taki

podwójny filtr pasmowo−przepustowy ma

pasmo 400Hz...3kHz.

Wersja 4 − tony wysokie. Jeśli układ ma

reagować na tony wysokie, należy zmonto−

wać filtr górnoprzepustowy według rysunku

9 . Przy podanych wartościach elementów

częstotliwość graniczna wynosi około

4,5kHz, a stromość w paśmie zaporowym

wynosi 40dB/dekadę.

Rysunek 10 pokazuje charakterystyki

częstotliwościowe trzech układów z rysun−

ków 7...9. Warto zwrócić uwagę, że częstotli−

wości graniczne poszczególnych filtrów są

tak dobrane, aby robocze pasma częstotliwo−

ści nie zachodziły na siebie.

układu nie powinien sprawić trudności nawet

słabiej zaawansowanym. Warto zacząć od

zwór i elementów najmniejszych: diod i re−

zystorów, a potem kolejno montować ele−

menty większe. Obwody filtrów należy

zmontować według jednego z rysunków 5...9

oraz według wykazu elementów.

Uwaga! Zestaw AVT−2497 zawiera ele−

menty umożliwiające zmontowanie dowolnej

z przedstawionych wersji. Obecność „nadmia−

rowych” elementów i trudności ze zmierze−

niem uzyskanej charakterystyki wskazują, że

przy montażu filtrów należy zachować szcze−

gólną uwagę, by nie pomylić elementów.

Po zmontowaniu całości należy wyjątko−

wo starannie sprawdzić prawidłowość mon−

tażu, zwłaszcza filtru oraz obwodów zasila−

cza beztransformatorowego. Warto poprosić

o sprawdzenie inną osobę, by skontrolowała

układ „świeżym okiem”.

Układ prawidłowo zmontowany ze spraw−

nych elementów nie wymaga żadnego uru−

chamiania i od razu powinien poprawnie pra−

cować. Na początek należy ustawić potencjo−

metr montażowy w środkowym położeniu.

Układ należy skontrolować i ustawić czu−

łość po dołączeniu żarówki. Model z różny−

mi filtrami był testowany w pokoju, gdzie

stoi zestaw audio.

Uwaga! Ze względu na fakt, że na ele−

mentach układu

występuje pełne na−

pięcie sieci energe−

tycznej, w module

nie przewidziano

klasycznego poten−

cjometru, tylko po−

tencjometr monta−

żowy PR1. Użycie

klasycznego poten−

cjometru z metalo−

wą ośką grozi ryzy−

kiem przebicia

i śmiertelnego po−

rażenia!

Nie jest to zna−

czącym utrudnieniem, bo układ zazwyczaj

będzie wykorzystywany w jednakowych wa−

runkach. Wszelkie manipulacje w układzie

należy wykonywać po upewnieniu się, że jest

on odłączony od sieci energetycznej. Po

umieszczeniu modułu w dużej wtyczkowej

obudowie Z27, w jej ściance można wykonać

mały otwór o średnicy kilku milimetrów, po−

zwalający na regulację PR1 za pomocą nie−

wielkiego wkrętaka. Na czas regulacji układ

należy odłączyć od sieci.

Ostateczne ustawienie potencjometru trze−

ba będzie dobrać eksperymentalnie w ostatecz−

nym miejscu wykorzystywania. Jednorazowo

wyregulowane moduły iluminofoniczne będą

przy okazji pełnić dodatkową, pożyteczną rolę:

będą wskaźnikiem przekroczenia zaplanowa−

nej głośności. Gdy żarówki będą się świecić

ciągle lub z krótkimi przerwami, głośność mu−

zyki należy zmniejszyć.

Montaż i uruchomienie

Uwaga!

Na elementach układu występują napię−

cia sieci energetycznej groźne dla życia

i zdrowia. Osoby niepełnoletnie i niewy−

kwalifikowane mogą wykonać układ wy−

łącznie pod fachowym nadzorem upraw−

nionych opiekunów i nauczycieli.

Możliwości zmian

Próby wykazały, że czułość układu jest duża,

absolutnie wystarczająca nawet przy słucha−

niu muzyki kameralnej z niewielką głośno−

ścią. Gdyby okazało się, że czułość jest za

mała do cichej muzyki, można ją zwiększyć

następującymi sposobami:

zwiększyć R4 do 4,7kΩ, a nawet 10kΩ,

zmniejszyć R12 do 470

Moduł można wykonać na płytce druko−

wanej, pokazanej na rysunku 11 . Montaż

Ω,

Zmniejszyć R14 do 10k

Choć układ projektowany był do współ−

pracy z optotriakiem MOC3042 o gwaranto−

wanej czułości 10mA, próby wykazały, że

poprawnie pracuje także z większością eg−

zemplarzy optotriaków MOC3041.

Układy w podstawowych czterech we−

rsjach powinny spełnić oczekiwania zdecy−

dowanej większości Czytelników zaintereso−

wanych układem.

Kto chce, może dowolnie dobrać często−

tliwość graniczną filtrów we wszystkich wer−

sjach. Informacje podane na rysunkach

i w tabeli pomogą dobrać pożądaną charakte−

rystykę bez przeprowadzania żmudnych obli−

czeń i symulacji. Podstawowa zasada jest

Ω

Reklama Reklama Reklama

Rys. 11 Schemat montażowy

Elektronika dla Wszystkich

Projekty AVT

prosta – aby zmienić charakterystykę danego

filtru, należy zmienić wartości pojemności.

Zwiększanie pojemności obniża częstotliwo−

ści graniczne, zmniejszanie pojemności –

zwiększa częstotliwości graniczne.

Częstotliwość graniczna filtru dolnoprze−

pustowego wynosi około 220Hz. Warto

sprawdzić, jak będzie reagował układ z fil−

trem przepuszczającym tylko najniższe czę−

stotliwości. W tym celu śmiało można zwięk−

szyć pojemności filtru dolnoprzepustowego

(Z2, Z5, Z7, Z10 – patrz rysunek 7) z 330nF

i 33nF na 470nF i 47nF, a nawet 1µF i 100nF.

Spowoduje to obniżenie częstotliwości gra−

nicznej. Taka operacja ma sens, ponieważ

większość systemów audio wyposażona jest

w skuteczne głośniki niskotonowe, więc moż−

na liczyć na zawartość najniższych tonów.

Przeprowadzono próby modelu z filtrem LP

(rysunek 7) o niższej częstotliwości, z pojem−

nościami 1µF i 100nF. Wyniki były bardzo

dobre – układ reagował na najniższe tony.

Można też bez obaw zmniejszyć pojem−

ności filtru górnoprzepustowego (Z1, Z3, Z4,

Z6, Z8, Z9 – patrz rysunek 9) z 3,3nF na

2,2nF czy nawet 1,5nF.

Rysunek 12 pokazuje (linie czerwone)

charakterystyki po zmianie wartości elemen−

tów w filtrach górno− i dolnoprzepustowym

na tle charakterystyk „standardowych”.

Warto pamiętać, że przy zmianach w filtrze

wysokich częstotliwości efekty mogą być nie−

zgodne z oczekiwaniami ze względu na różną

jakość nagrań oraz obecność mikrofonu i gło−

śników. Może się okazać, że z winy kiepskich

głośników lub słabej jakości nagrań, zawartość

najwyższych bądź najniższych składowych

jest bardzo mała i moduł ma zbyt małą czułość.

Wtedy można zmienić elementy filtrów, by fil−

try dodatkowo wzmacniały sygnały użyteczne.

Na rysunku 13 pokazane są wartości elemen−

tów filtru górnoprzepustowego o częstotliwo−

ści granicznej 5kHz i stromości 40dB/dek

i wzmocnieniu wypadkowym około 30dB

(30x). Rysunek 14 pokazuje charakterystykę

takiego filtru. Niewielkie podbicie na skraju

pasma wynika z większej dobroci filtrów, Q=1,

a nie Q=0,707, jak w filtrach z rysunków 7...9.

Można też łatwo modyfikować charakte−

rystykę filtru środkowoprze−

pustowego (pasmowego).

Przede wszystkim można

przesuwać charakterystykę

w stronę niskich albo wyso−

kich częstotliwości, odpowie−

dnio zwiększając albo

zmniejszając pojemności Z3,

Z4, Z8, Z9 z rysunku 8.

Wszystkie pojemności nale−

ży zmieniać w takiej samej

proporcji , wykorzystując ko−

lejne wartości z szeregu E12.

Przykładowo zamiast pojem−

ności 4,7nF i 22nF można za−

stosować 3,3nF 15nF albo

6,8nF i 33nF.

Kto chce zbudować system

zawierający więcej niż trzy

niezależne kanały, musi zastosować filtry środ−

kowoprzepustowe (pasmowe) o węższym pa−

śmie przenoszenia. W filtrze z rysunku 8 spe−

cjalnie poszerzono pasmo, „rozsuwając” czę−

stotliwości środkowe obu filtrów składowych.

Zrealizowano to przez zastosowanie różnych

wartości kondensatorów Z3, Z4 (4,7nF) oraz

Z8, Z9 (22nF). Najwęższe pasmo uzyskuje się,

gdy w filtrze pasmowym wszystkie pojemno−

ści Z3, Z4, Z8, Z9 są jednakowe.

Rysunek 15 pokazuje charakterystyki fil−

tru, gdy Z3, Z4, Z8, Z9 mają pojemności ko−

lejno 22, 10, 4,7nF. Jak widać, taki filtr

przy okazji wzmacnia sygnał o 22dB

(12,5x), a poszczególne pasma są skutecznie

Rys. 14

Rys. 15

Rys. 12

Rys. 13

Rys. 16

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: