Схема цветомузыки на транзисторах: как сделать своими руками

Цветомузыка. Что может быть проще?

Вы начинающий радиолюбитель и вам нечем заняться? Хотите что-то новое спаять, но не можете определиться? Сделаем простую цветомузыку! Устроим дома дискотеку, но сначала включим паяльник и немного попаяем. Для этого нам понадобится простая схема. Если дискотеку не хотим, просто поставим в угол возле компьютера, пусть мерцает под музыку.

Цветомузыка позволяет получать простые вспышки цвета одновременно с воспроизведением мелодии. Начнем с простого транзистора, светодиода, резистора и источника питания 9 В. Подключите источник звука и подайте силу, как показано на схеме 1.

1-я схема

И что мы видим? Светодиод мигает в такт музыке. Но он раздражающе мерцает под уровень громкости. И тогда возникает простой вопрос о разделении звуковых частот. В этом нам помогут простые фильтры из транзисторов и резисторов. Они пропускают только определенную частоту, и получается, что простой светодиод будет мигать только под определенные звуки., как показано на схеме 2.

2-я схема

Вы собрали прекрасно работающую и надежную простую цветомузыкальную технику, но чего-то не хватает? Давайте модернизируем ее!

Начнем с самого важного (схема 3) Увеличим яркость. Для этого будем использовать простые  разноцветные лампочки накаливания на 12 вольт. Добавляем в схему тиристоры и питаем устройство от трансформатора. Тиристор — это управляемый диод, позволяющий управлять мощной нагрузкой при помощи простых и слабых сигналов. При прохождении через него постоянного тока он остается открытым даже без управляющего простого сигнала; при переменном токе принцип простой работы аналогичен транзистору. У него есть анод, катод, как у диода, и дополнительный управляющий простой электрод. Он способен выдерживать приличную нагрузку, поэтому используется в схеме управления лампами накаливания.

3-я схема

Простой звуковой сигнал подается от усилителя НЧ мощностью 1-2 Вт. Тиристоры почти любые, рассчитанные на ламповый ток, простые лампы автомобильные 12-вольтовые. Трансформатор должен давать достаточный ток (1,5-5 ампер) в зависимости от ламп.

Если у вас есть опыт работы с сетевым импульсом, лучшим вариантом будет использование простых осветительных ламп на 220 вольт. В этом случае простой сетевой трансформатор не обязателен, а звуковой трансформатор лучше оставить для защиты источника звука. При этом все нужно тщательно изолировать и поместить в надежный корпус.

Теперь займемся подсветкой. Она будет работать в обратном направлении от основных каналов: при отсутствии звука светодиод горит постоянно, звук появляется — светодиод гаснет. Можно сделать один общий фоновый канал или несколько с отдельными звуковыми фильтрами и подключить по простой схеме выше.

4-я схема

В простую схему был добавлен резистор (R2), чтобы держать транзистор открытым. Поэтому ток через светодиод проходит свободно, но звуковой сигнал может закрыть транзистор, тогда светодиод выключится.

Заменим простой трансформатор усилителем транзистора.(схема 5)

5-я схема

Избавьтесь от простого аудиокабеля при помощи микрофона. Добавим его в предыдущую простую схему. Цветомузыка теперь будет реагировать на все звуки в окружающей среде, включая простой разговор.

6-я схема

На простой схеме показан пример двухкаскадного микрофонного усилителя. Резистор R1 на простой схеме нужен для питания микрофона, R2 и R6 задают смещение, R4 — настройка чувствительности. Конденсаторы C1-C3 пропускают звуковой сигнал переменного тока транзистора и предотвращают прохождение постоянного тока. Микрофон — любой электретный. Если простая схема используется просто как предусилитель, то R1 и микрофон удаляются, звуковой сигнал подается на С1 и минус питания. Номиналы деталей не критичны, здесь не важна особая точность. Главное не ошибаться, делать по простой схеме и у вас все получится.

По какому принципу работает цветомузыка

В основе цветомузыки лежит простой метод преобразования частоты музыки и его передачи по отдельным каналам для управления источниками света. В итоге получается, что в зависимости от основных музыкальных особенностей ей будет соответствовать простая схема работы цветовой системы. Это лежит в основе простой схемы, по которой надо знать, как цветомузыка на светодиодах собирается своими руками.

Как правило, для создания простых цветовых эффектов используются как минимум три разных цвета. Это может быть синий, зеленый и красный. Смешанные в различных сочетаниях, с разной продолжительностью, они способны создать невероятную атмосферу веселья.

Фильтры LC и RC способны разделять сигнал на низкую, среднюю и высокую частоты, они устанавливаются и настраиваются в цветомузыкальную систему с использованием простых светодиодов.

Конфигурация фильтров в этой простой схеме настраивается на следующие параметры:

• до 300 Гц на НЧ фильтр, как правило, его цвет красный;
• 250-2500 Гц для средних частот, цвет зеленый;
• все, что выше 2000 Гц, преобразуется фильтром высоких частот — как правило, от этого зависит работа синего светодиода.

Разделение на частоты по простой схеме осуществляется с небольшим перекрытием, это необходимо для получения разных оттенков цвета при работе прибора.

Выбор цвета в этой простой схеме цветомузыки не принципиален, и при желании вы можете использовать светодиоды разных цветов на свое усмотрение; меняйте местами и экспериментируйте в простой схеме, этого никто не запрещает. Различные колебания частоты в сочетании с использованием нестандартной простой цветовой схемы могут существенно повлиять на качество результата.

Параметры простой схемы, такие как количество каналов и их частота, также доступны для настройки, из чего можно сделать вывод, что в цветомузыке можно использовать большое количество светодиодов разного цвета, и каждый из них можно индивидуально настроить по частоте и ширина канала.

Пошаговая сборка простой модели цветомузыки по простой схеме

Для сборки простой цветомузыки на светодиодах по простой схеме понадобятся следующие материалы, которые можно найти и купить в магазине:

• пятимиллиметровые светодиоды;
• провод от старых наушников;
• оригинал или аналог транзистора КТ817;
• блок питания на 12 вольт;
• несколько проводов;
• кусок оргстекла;
• клей-пистолет.

Первое, с чего нужно начать, это сделать простой корпус будущей цветомузыки из оргстекла. Для этого стекло разрезается по размерам и склеивается клеевым пистолетом. Короб лучше сделать прямоугольной формы. Размеры можно подогнать под себя.

Чтобы рассчитать количество светодиодов, разделите силу адаптера (12В) на рабочее напряжение светодиодов (3В). Получается, что нам нужно установить в короб 4 светодиода.

Зачищаем кабель от наушников; у него три провода, будем использовать один левого или правого канала и один — общего.

Один провод нам не нужен, и его можно изолировать.

Перед сборкой укладываем кабель внутрь коробки.

ВАЖНО! Светодиоды имеют полярность, соответственно при подключении следует это учитывать.

В процессе сборки нужно стараться не нагревать транзистор, так как это может привести к его поломке, и обращать внимание на маркировку на ножках транзистора. Эмиттер обозначен как (Э), база и коллектор соответственно (Б) и (К). После сборки и проверки можно установить верхнюю крышку.

В заключение хотелось бы сказать, что собрать цветомузыку на светодиодах по простой схеме не так сложно, как может показаться сначала. Конечно, если вам нужно устройство с красивым дизайном, то тут уже придется потратить много времени и сил. А вот для изготовления простой цветомузыки в ознакомительных или развлекательных целях достаточно собрать одну из последних представленных в публикации простых схем.

Представляем вам простой вариант цветомузыкальной колонки, которая была собрана в необычном корпусе. Недавно в руки попали отходы металлических профилей 20×80 — их и использовали. В проекте цветомузыка смонтирована на светодиодах по 10Вт разного цвета (зеленый, синий и красный).

Простая схема с одним светодиодом

В первую очередь нам предстоит разобраться с простой цветомузыкальной схемой, собранной на одном биполярном транзисторе, резисторе и светодиоде. Питание может осуществляться от источника постоянного тока от 6 до 12 вольт.

Эта цветомузыка работает на одном транзисторе по принципу усилительного каскада с общим эмиттером. Возмущающее воздействие в виде сигнала переменной частоты и амплитуды подается на базу транзистора VT1. Как только амплитуда колебаний изменилась на определенное пороговое значение, транзистор открывается и светодиод начинает мигать.

Минус этой простой схемы в том, что частота мигания светодиода полностью зависит от уровня звукового сигнала. Другими словами, полноцветный музыкальный эффект будет наблюдаться только на одном уровне громкости. Уменьшение громкости приведет к редкому мерцанию, а увеличение — к практически постоянному свечению. Ниже представлены простые схемы сборки и подключения.

Возможность сборки цветомузыкальной приставки для автомобиля

Если удалось порадовать себя цветомузыкой из светодиодной ленты своими руками, аналогичное устройство можно сделать и со встроенной магнитолой для автомобиля также по простой схеме. Она легко монтируется и быстро настраивается. Приставку предлагается поместить в пластиковый корпус, который можно приобрести в отделе радиотехники и электротехники. Установка надежно защищена от влаги и пыли. Ее легко установить за приборной панелью автомобиля.

Также подобный корпус можно сделать самостоятельно из оргстекла.

Вот несколько советов.

Подбираются пластины необходимых размеров, в первой из деталей проделываются два отверстия (для питания), все детали зашкуриваются. Собираем все по простой схеме с тепловым пистолетом.

Отличный световой эффект достигается за счет использования простого многоцветного модуля (RGB).

Простая трёхканальная схема

Трехканальный преобразователь простой схемы звука позволяет избавиться от недостатков предыдущей схемы. Простая схема цветомузыки с разделением звукового ряда на три диапазона показана на рисунке.

Схема питается от ПН 9В и может засветить один или два светодиода на каждом канале. Схема состоит из трех независимых усилительных каскадов, собранных на транзисторах КТ315 (КТ3102), в нагрузку которых включены светодиоды разного цвета. В качестве элемента для предварительного усиления в простой схеме можно использовать небольшой сетевой трансформатор понижающего типа, например транзистор.

Входной сигнал транзистора на схеме подается на вторичную обмотку трансформатора, который выполняет две простые функции: гальванически развязывает два устройства и усиливает звук с линейного выхода. Затем сигнал поступает на три параллельно включенных фильтра, собранных в простой схеме на основе RC-цепей. Каждый из них работает в определенной полосе частот, которая зависит от номиналов резисторов и транзисторов. Фильтр нижних частот пропускает звуковые колебания до 300 Гц, о чем свидетельствует мигание красного светодиода в схеме. Звук в диапазоне 300-6000 Гц проходит через фильтр средних частот, что проявляется миганием синего светодиода в схеме. Фильтр верхних частот пропускает сигнал выше 6000 Гц, что соответствует зеленому светодиоду в схеме. Каждый фильтр в схеме снабжен подстроечным резистором. С их помощью можно установить в схему равномерное свечение всех светодиодов независимо от музыкального жанра в схеме. На выходе схемы транзисторы усиливают все три отфильтрованных сигнала.

Если схема питается от низковольтного источника постоянного тока, то трансформатор можно смело заменить простым однокаскадным усилителем транзистора.

Во-первых, гальваническая развязка теряет свое практическое значение. Во-вторых, трансформатор в несколько раз проигрывает схеме, изображенной на рисунке, по массе, размерам и стоимости. Схема простого усилителя звуковой частоты состоит из транзистора КТ3102, двух конденсаторов, отсекающих постоянную составляющую, и резисторов, обеспечивающих транзистору режим с общим эмиттером. Используя подстроечный транзистор в схеме, вы можете добиться общего усиления слабого входного сигнала транзистора схемы.

В том случае, когда необходимо усилить сигнал с микрофона, ко входу вышеуказанной схемы подключают электретный микрофон, подавая на него потенциал от источника питания транзистора. Схема двухкаскадного предусилителя показана на рисунке.

В этом случае подстроечный транзистор в схеме находится на выходе первого каскада усиления, что дает больше возможностей для регулировки чувствительности. Конденсаторы С1-С3 пропускают полезную составляющую и отсекают постоянный ток схемы. Для реализации подойдет любой электретный микрофон, для нормальной работы которого достаточно смещения 1,5 В. Ниже представлены схемы подключения.

Схема «цветомузыки» на тиристорах КУ202Н с активными частотными фильтрами и усилителем тока

Схема рассчитана на работу от линейного аудиовыхода (яркость ламп не зависит от уровня громкости). Давайте подробнее рассмотрим, как это работает. Звуковой сигнал схемы подается с линейного выхода на первичную обмотку разделительного трансформатора. Со вторичной обмотки трансформатора сигнал поступает на активные фильтры, через резисторы R1, R2, R3 регулирующие его уровень на схеме. Для настройки качества устройства необходима раздельная регулировка для выравнивания уровня яркости каждого из трех каналов, как показано на схеме ниже.

С помощью фильтров сигналы в схеме разделяются по частоте на три канала. По первому каналу проходит самая низкочастотная составляющая сигнала: фильтр отсекает все частоты выше 800 Гц.Фильтр настраивается с помощью подстроечного резистора R9. Номиналы конденсаторов С2 и С4 в схеме указаны — 1 мкФ, но как показала практика, их емкость необходимо увеличить не менее чем до 5 мкФ.

Фильтр второго канала устанавливается в схеме на среднюю частоту, ориентировочно от 500 до 2000 Гц. Фильтр настраивается с помощью подстроечного резистора R15. В схеме указаны номиналы конденсаторов С5 и С7 — 0,015 мкФ, но их емкость необходимо увеличить до 0,33 — 0,47 мкФ.

Все, что выше 1500 (до 5000) Гц, идет по третьему высокочастотному каналу. Фильтр в схеме настраивается с помощью подстроечного резистора R22. В схеме указаны номиналы конденсаторов С8 и С10 — 1000пФ, но их емкость необходимо увеличить до 0,01мкФ.

Затем сигналы каждого канала схемы детектируются отдельно (используются германиевые транзисторы серии д9), усиливаются и направляются на оконечный каскад. Оконечный каскад выполняется на мощных транзисторах или на тиристорах. В данном случае в схеме это тиристоры КУ202Н.

Далее идет оптическое устройство, конструкция и внешний вид которого зависят от фантазии конструктора, а начинка (лампы, светодиоды) зависит максимальной мощности выходного каскада. В нашем случае это лампы накаливания 220в, 60вт (если ставить тиристоры на радиаторы — до 10 штук на канал).

Схема цветомузыки с RGB светодиодной лентой

Следующая схема цветомузыкальной приставки питается от 12 вольт и может быть установлена ​​в автомобиле. Схема совмещает в себе основные функции ранее рассмотренных схемотехнических решений и может работать в цветомузыкальном режиме и в качестве светильника.

Первый режим схемы достигается бесконтактным управлением RGB-лентой с помощью микрофона, а второй — одновременным включением на полную мощность красного, зеленого и синего светодиодов. Режим схемы выбирается с помощью переключателя, расположенного на приборной панели. Теперь обсудим, как сделать цветомузыку по схеме, которая отлично подойдет даже для установки в автомобиль, и какие детали для схемы потребуются.

Структурная схема

Чтобы понять, как работает цветомузыка, сначала рассмотрим ее структурную схему. Это поможет проследить полный путь прохождения сигнала на схеме.

Источником электрического сигнала на схеме является микрофон, преобразующий звуковые колебания от фонограммы, так как этот сигнал слишком мал и его необходимо усилить на схеме с помощью простого транзистора или операционного усилителя. Далее следует автоматический регулятор уровня (АРУ), который удерживает колебания звука в разумных рамках и подготавливает его к дальнейшей обработке. Фильтры в схеме разделяют сигнал на три составляющие, каждая из которых работает в одном частотном диапазоне. В конце схемы остается только усилить подготовленный токовый сигнал, для чего используются транзисторы, работающие в ключевом режиме схемы.

Принципиальная схема

На основании структурных блоков можно переходить к рассмотрению принципиальной схемы. Общий вид схемы показан на рисунке.

Для ограничения тока потребления и стабилизации питания в схеме установлены резистор R12 и конденсатор С9. R1, R2, C1 устанавливаются для установки интенсивности смещения микрофона в схеме. Конденсатор Cfc подбирается индивидуально для конкретной модели микрофона в процессе наладки. Необходимо немного приглушить сигнал той частоты, которая преобладает при работе микрофона в схеме. Обычно уменьшают влияние высокочастотной составляющей схемы.

Нестабильное напряжение автомобильной сети может повлиять на работу цветомузыки в схеме. Поэтому правильнее всего подключать самодельные электронные устройства через стабилизатор на 12В в схеме.

Звуковые колебания в микрофоне преобразуются в электрический сигнал и через С2 поступают на прямой вход ОУ DA1.1 схемы. С его выхода сигнал поступает на вход ОУ DA1.2, снабженного цепью обратной связи. Сопротивления резисторов R5, R6 и R10, R11 в схеме задают коэффициент усиления DA1.1, DA1.2, равный 11. Элементы схемы ОС: VD1, VD2, C4, C5, R8, R9 и транзистор VT1 ​​вместе с DA1. 2 входят в состав АРУ. В момент появления на выходе DA1.2 схемы сигнала слишком большой амплитуды транзистор VT1 открывается и через С4 замыкает входной сигнал транзистора на общий провод. Это приводит к мгновенному падению напряженности на выходе схемы.

Затем стабилизированный переменный ток звуковой частоты транзистора на схеме проходит через отсекающий конденсатор С8, после чего разделяется на три RC-фильтра: R13, С10 (НЧ), R14, С11, С12 (СЧ), R15, С13 (ВЧ). Чтобы цветомузыка на светодиодах была достаточно яркой, нужно усилить выходной ток на схеме до соответствующей величины. Для ленты с потреблением до 0,5 А на каждый канал схемы подходят транзисторы средней мощности типа КТ817 или импортный BD139 без монтажа на радиатор. Если собираемая своими руками по схеме светомузыка предполагает нагрузку около 1А, то транзисторам потребуется принудительное охлаждение.

В коллекторах каждого выходного транзистора (параллельно выходу) установлены диоды Д6-Д8, катоды которых соединены между собой и подключены к переключателю SA1 (Белый свет). Второй контакт переключателя соединен в схеме с общим проводом (GND). Пока SA1 разомкнут, схема работает в цветомузыкальном режиме. При замыкании контактов переключателя все светодиоды в ленте загораются на полную мощность, образуя в сумме поток белого света.

Печатная плата и детали сборки схемы

Для изготовления печатной платы схемы вам понадобится односторонний текстолит размером 50 на 90 мм и готовый к использованию файл .lay. Для наглядности плата показана со стороны радиоэлементов. Перед выводом на печать необходимо указать ее зеркальное изображение. Слой M1 показывает 3 перемычки, расположенные на стороне деталей схемы.

Для того чтобы собрать цветомузыку из светодиодной ленты своими руками по схеме, вам потребуются доступные и недорогие простые комплектующие. Микрофон электретного типа (подходит со старого аудиооборудования в защитном корпусе). Цветомузыка собрана на схеме TL072 в корпусе DIP8. Конденсаторы, независимо от типа, должны иметь запас силы и быть рассчитаны на 16 В или 25 В. При необходимости конструкция платы позволяет установить выходные транзисторы на небольшие радиаторы. С края запаивают 6-позиционную клеммную колодку для питания, подключения светодиодной ленты RGB и переключателя. Полный список элементов приведен в таблице.

В заключение хотелось бы отметить, что количество каналов вывода схемы в самодельном цветомузыкальном устройстве можно произвольно увеличивать. Для этого нужно разбить весь частотный диапазон схемы на большее количество секторов и пересчитать полосу пропускания каждого RC-фильтра. К выходам схемы дополнительных усилителей подключить светодиоды промежуточных цветов: фиолетового, бирюзового, оранжевого. Цветомузыка своими руками от такой модификации станет только лучше.

Тиристоры в схеме цветомузыки

До сих пор в статье говорилось только о схеме цветомузыкальных устройств на основе светодиодов. При необходимости сборки схемы ЦМУ на лампах накаливания для управления яркостью ламп необходимо будет использовать тиристоры. Что вообще такое тиристор? Это трехэлектродный полупроводниковый прибор, соответственно имеющий анод, катод и управляющий электрод.

На рисунке выше показан советский тиристор КУ202. Тиристоры, если их планируется использовать с мощной нагрузкой, также необходимо ставить на теплоотвод (радиатор). Как видно на рисунке, тиристор имеет резьбу с гайкой и монтируется аналогично мощным диодам. Современные импортные просто снабжены фланцем с отверстием.

Схема цветомузыки на тиристорах

Одна из таких тиристорных схем показана выше. Это трехканальная цветомузыкальная схема с повышающим трансформатором на входе. В случае подбора аналогов тиристоров следует соблюдать максимально допустимое значение тиристоров, в нашем случае для КУ202Н оно составляет 400 вольт.

Схема цветомузыки на тиристорах 2

На рисунке показана схема цветомузыки, аналогичная приведенной выше схеме; основное отличие схемы ниже в том, что здесь нет диодного моста. Кроме того, цветомузыку на светодиодах можно интегрировать в схему системного блока. Нами была собрана схема трехканальной цветомузыки с предусилителем в корпусе от сидирома. При этом сигнал брался со звуковой карты компьютера с помощью делителя сигнала, в выходы которого подключалась активная акустика и цветомузыка. Предусмотрена регулировка уровня сигнала, как в целом, так и отдельно по каналам схемы. Предусилитель и цветомузыка схемы питались от разъема Molex 12 вольт (желтый и черный провода). Схемы трехканальной цветомузыки и предусилителя приведены выше.

Цветомузыка на 3 светодиодах — схема

В этой схеме, в отличие от той схемы, что описана выше, в среднечастотном канале используется индуктивность. Для тех, кто хочет сначала смонтировать что-то легкое, даем следующую схему на 2 канала:

Схема цветомузыки на двух светодиодных каналах

Если вы собираете схему цветомузыки на лампах, то вам понадобятся светофильтры, которые, в свою очередь, могут быть как самодельными, так и покупными. На следующем рисунке показаны фильтры, имеющиеся в продаже:

Светофильтры для цветомузыки

Некоторые любители популярных цветомузыкальных эффектов собирают схемы устройства на базе микроконтроллеров. Ниже представлена ​​схема четырехканальной цветомузыки на МК AVR tiny 15:

Схема цветомузыки на tiny 15

tiny 15 в этой схеме можно заменить на tiny 13, tiny 25.

И в завершение обзора хотим сказать, что цветомузыка на лампах проигрывает по зрелищности цветомузыке на светодиодах, так как лампы более инерционны, чем светодиоды.

Цветомузыка на транзисторах КТ805АМ (трехканальная схема)

Сначала представляем вашему вниманию цветомузыку на 12В с транзисторами КТ805АМ.

В этой схеме цветомузыки используется минимум деталей: 6 резисторов номиналом 100 Ом, конденсаторы пяти номиналов, 3 транзистора КТ805АМ.

Также можно использовать другие транзисторы марки КТ, у нас — КТ829.

Цветомузыкальная схема для дома собрана методом навесного монтажа, так как деталей мало.

Вместо резисторов R4-R6 можно использовать переменные транзисторов номиналом 10 кОм, вместо светодиодов — светодиодную ленту.

Цветомузыкальная схема для дома на транзисторах:

Для работы этой схемы вам понадобится предусилитель, вы можете использовать простой усилитель транзистора Вега10у-120с.

LED цветомузыка на схемах

1. Источник питания

Мощность блока питания с Uвых = 12…15В выбирается исходя из тока, потребляемого светоизлучателями, с которыми будет работать устройство — с одноцветными или RGB-светодиодными лентами, светодиодами или лампами накаливания. В показанном на схеме варианте выходы DA6 работают в режиме «Dot Mode» — вход «MODE» (вывод 9 DA6) не используется. Если, например, ввести в схему устройства дополнительную опцию, установив переключатель между входом «MODE» (вывод 9 DA6) и входом «Vcc» (вывод 3DA6 — плюс питания), то замкнутый переключатель установит выходы DA6 в режим работы «Bar Mode». При этом мощность источника питания должна определяться током потребления схемы и одновременно включенными десятью излучателями света.

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

Далее подается импульс на второй стабилизатор DA2 типа 78L06 с Uвых.стаб = 6 В. Он используется для питания микрофонного усилителя АРУ (DA1, транзистора VT1), трех узкополосных фильтров (DD1) и активных детекторов транзистора (VT2 — VT4).

2. Микрофонный усилитель с АРУ через транзистор

Звук улавливается электретным микрофоном BM1 с фильтром R2-C1. Резистор R1 задает рабочий ток микрофона по максимальному выходному значению схемы. Через разделительный С2 на усилитель DA1 — мостовой УМЗЧ типа МС34119, включенный в по схеме с повышенным входным сопротивлением (Zвх=125К), подается звуковой импульс с амплитудой порядка 20..40 mVp-p. Конденсатор C3, подключенный ко входу «FC2» (вывод 2) схемы, дополнительно снижает пульсацию по питанию.

Коэффициент усиления схемы определяется резистором R3 и сопротивлением канала И-С полевого транзистора VT1 типа КП103К (канал Р). При отсутствии звука или малой его громкости коэффициент максимальный, т.к. конденсатор С7 почти разряжен, на затворе транзистора VT1 потенциал меньше силы отсечки транзистора, сопротивление канала И-С не велико. Если при большой громкости выходное значения усилителя DA1 начнет превышать ~Uвых = 3,0 Vp-p, сопротивление канала И-C возрастет настолько, что сигнал будет ограничен по амплитуде. Как правило, в схемах АРУ устройств цветомузыки через транзистор для обнаружения сигнала используется однополупериодный выпрямитель, т. е. регулировка усиления зависит от среднеквадратичного значения выпрямленного сигнала транзистора.

Использование схемы мостового УМЗЧ в микрофонном усилителе позволяет легко реализовать детектор транзистора по схеме двухполупериодного выпрямителя, так как сигналы транзистора снимаются с выходов УМЗЧ, работающих в противофазе, то регулировка усиления будет происходить по абсолютному значению выпрямленного сигнала схемы транзистора. Это значительно сократит время отклика АРУ ​​и сохранит сигнал транзистора на нужном уровне. С выходов усилителя транзистора «Vо1» (выв.8DА1) и транзистора «Vо2» (выв.5DА1) через разделительные конденсаторы С4 и С5 подается импульс на мост VD1 (два однополупериодных выпрямителя транзистора, работающих на одну общую нагрузку) , который преобразует переменный сигнал в постоянный импульс.

Процесс трансформации транзистора можно представить графически:

С выхода «Vo1» транзистора положительная полуволна проходит через С4 и диод D2 в точку «А». Диод транзистора D1 закрыт. При этом на выходе «Vo2» отрицательная полуволна разряжает конденсатор С5 через диод транзистора D3, при этом диод D4 закрыт. После изменения фазы сигнала выхода «Vo2» положительная полуволна проходит через С5 и через D4 в точку «Б». Диод транзистора D3 закрыт. При этом С4 разряжается отрицательной полуволной с выхода «Vo1» через диод транзистора D1, а диод D2 закрыт, т.е. верхнее и нижнее переменные плечи мостика VD1 (рис. 1) транзистора работают попеременно — получили аналог двухполупериодного выпрямителя звукового сигнала транзистора. Порог захвата сигнала транзистора схемой АРУ определяется экземпляром используемого полевого транзистора (для КП103К  Uотс = 1,4…4В). Уровень выходного сигнала транзистора микрофонного усилителя зависит от емкости конденсаторов С4 и С5 (С = 10 нФ…470 нФ), а инерционность системы АРУ зависит от емкости конденсатора С7 (100 нФ…2,2 мкФ).). Осциллограмма 1 показывает форму и амплитуду сигнала на выходе микрофонного усилителя транзистора:

3. Узкополосные фильтры

С выхода «Vo1» (вывод 8) микрофонного усилителя DA1 через разделительный конденсатор С10, усиленный и ограниченный на уровне ~3,0Vp-p, звуковой сигнал транзистора поступает на регуляторы R5, R14 и R23. В процессе работы регуляторами можно изменять уровень сигнала транзистора в каналах НЧ (R), СЧ (G) или ВЧ (B) в зависимости от «частотной картинки» музыкального трека. С движков переменных резисторов через конденсаторы С11, С16 и С21 сигналы поступают на узкополосные частотные фильтры.

Фильтр нижних частот транзистора выполнен на элементах DD1.1 и DD1.2, фильтр средних частот — на элементах DD1.3 и DD1.4, фильтр верхних частот — на элементах DD1.5 и DD1.6. Шесть логических элементов «НЕ» входят в состав микросхемы транзистора типа К561ЛН2 и переводятся в линейный режим работы резисторами в цепи отрицательной обратной связи. Сами фильтры построены на элементах DD1.1, DD1.3, DD1.5 и элементах обвязки (R и C), соединенных по схеме моста Вина. Элементы R8-R9-DD1.2, R17-R18-DD1.4 и R26-R27-DD1.6 образуют усилители напряженности, которые компенсируют затухание звукового сигнала транзистора, проходящего через фильтры.

Подстроечными резисторами R10, R19 и R28 регулируется добротность фильтров (крутизна подъема и спада частотного выходного сигнала) до тех пор, пока не произойдет генерация, то есть до начала самовозбуждения фильтра. При совпадении частоты входного сигнала транзистора с частотой пропускания фильтра размах выходного значения может достигать ~Uвых = 4,5…5 Vp-p. Если частота входного сигнала транзистора выходит за пределы частоты шага, размах выходного импульса не превысит ~Uвых = 1..1,5 Vp-p. Осциллограммы 1, 2 и 3 показывают форму и амплитуду на выходах фильтров.

Осциллограмма 2 — фильтр НЧ; F входного импульса транзистора не равно F пропускания фильтра:

Осциллограмма 2 — фильтр НЧ; F входного значения равен F пропускания фильтра:

Осциллограмма 3 — СЧ-фильтр; F входной силы транзистора не равно F пропускания фильтра:

Осциллограмма 3 — СЧ-фильтр; F входного потока транзистора равна F пропускания фильтра:

Осциллограмма 4 — фильтр ВЧ; F входного потока транзистора не равна F пропускания фильтра:

Осциллограмма 4 — фильтр ВЧ; F входного потока транзистора равна F пропускания фильтра:

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

4. Активные детекторы транзисторов

Детекторы выполнены на транзисторах VT2-VT4 типа КТ3107 p-n-p структуры, поэтому на выходах фильтра детектируется только отрицательная полуволна переменного потока. Резисторы R12, R21 и R30 устанавливают небольшое положительное смещение транзисторов. Через токоограничивающие резисторы R11, R20 и R29 сигналы с выходов фильтров поступают на базы транзисторов. Диоды VD2-VD4 отсекают положительные полуволны, а отрицательные полуволны открывают транзисторы и тем сильнее, чем выше амплитуда на выходах фильтров.

Нагрузкой детекторов транзисторов являются резисторы R13, R22, R31 и вместе с конденсаторами соответственно С15, С20, С25 образуют интегрирующую цепь схемы. На коллекторах транзисторов получаем усредненный сигнал, постоянная времени которого зависит от емкости конденсаторов схемы. Емкости конденсаторов подобраны экспериментально для лучшей работы светоизлучателей. С выходов детекторов транзистора постоянное напряжение с переменным 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, заряжающий конденсатор С27. Зарядный ток не зависит от напряжения, создаваемого конденсатором в процессе заряда, поэтому оно на конденсаторе С27 нарастает линейно. Оно с С27 поступает на неинвертирующий вход (вывод 5 DA3.1) ОУ DA3.1, выполняющего функцию компаратора. Как только оно превысит уровень напряжения на инвертирующем входе (выв.6 DA3.1), установленного делителем R35-R36, то на выходе компаратора (выв.7 DA3.1) появится высокий уровень силы, которая поступает через ограничивающий ток R37 на базу транзистора VT6. Транзистор открывается и разряжает С27 через резистор R34. На конденсаторе С27 получаем ПН (см. осцилограмму 5):

Цикл заряда-разряда постоянно повторяется, а поскольку разряд конденсатора С27 происходит практически мгновенно, то на выходе компаратора 7 DA3.1 высокий уровень силы имеет вид «иголочек», показанных на осциллограмме 6:

Сопротивление резистора R33 в эмиттерной цепи транзисторы VT5 задает постоянную величину его коллекторного тока на транзисторе, который заряжает конденсатор С27. Частота генерации зависит от этого тока и от емкости конденсатора С27. При указанных на схеме номиналах 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 увеличивается частота генерации и наоборот.
Настройка ГПН не представляет сложности: подстроечным резистором R36 верхние пики ПН устанавливаются на уровне Uв.пик = 2,8…3,2 В, а подстроечным резистором R34 нижние пики устанавливаются на уровне Un.пик = 150… 250 мВ.

6. Узел, формирующий динамический режим работы светоизлучателей схемы

Узел включает в себя десятичный счетчик с дешифратором DD2 типа К561ИЕ8, три аналоговых ключа DD3 в составе микросхемы К561КТ3 и три мощных токовых ключа ВТ7-ВТ9 на N-канальных полевых транзисторах с изолированным затвором типа FQP50N06 производства «Fairchild Semiconductor».

Счетчик DD2 тактируется импульсами с выхода компаратора 7DA3.1. На счетный вход «С1» (выв.14 DD2) поступают 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, вход «R» (выв.15 DD2) обнуляет счетчик и счет начинается заново. На выходах счетчика «0» (выв.3 DD2), «1» (выв.2 DD2) и «2» (выв.4 DD2) получаем сдвинутые по времени друг относительно 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 транзисторов VT7-VT9:

• с первым тактом (лог.1 на выводе 3 DD2) открывается верхний ключ DD3. Вход 1 DD3 и выход 2 DD3 замкнуты, на вход «IN» (вывод 5 DA6) микросхемы LM3914 поступает постоянная напряженность с переменным уровнем от НЧ-детектора транзистора. При этом транзистор VT7 открывается и соединяет участок «R» светоизлучателя с минусом источника питания;
• при втором такте (лог.1 на выводе 2 DD2) средний ключ DD3 откроется. Вход 4 DD3 и выход 3 DD3 замкнутся, на вход LM3914 будет поступать постоянная напряженность с переменным уровнем от СЧ-детектора транзистора. При этом транзистор VT8 откроется и соединит участок «G» светоизлучателя с минусом источника питания;
• при третьем такте (лог.1 на выводе 4 DD2) откроются нижний ключ DD3 и транзистор VT9 — микросхема LM3914 будет работать с выходным значением ВЧ-детектора транзистора и секция «В» светоизлучателя будет подключена к минусу источника питания. Затем процесс повторяется с самого начала.

Осцилограмма 7 показывает форму сигнала на входе «IN» микросхемы LM3914, которая выглядит как «растущие столбики»:

Рассмотрим осцилограмму 7 более подробно на основе схемы на рисунке 2:

Из графика видно, что длительность включенного состояния R (НЧ), G (СЧ) или B (ВЧ) — участков 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

В его состав входят операционный усилитель DA3.2, детектор транзистора с удвоением силы на диодах VD5 и VD6 и компаратор DA5. Сигнал непосредственно с микрофона ВМ1 через разделительный конденсатор С26 поступает на неинвертирующий вход 3 DA3.2. Для увеличения динамического диапазона работы операционного усилителя подстроечным резистором R42 на этом входе устанавливается потенциал, примерно равный Uпит/2. Практически такой же импульс формируется на выходе 1 DA3.2.

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

На неинвертирующий вход 2 DA5 поступает пилообразное напряжение от ГПН. На выходе 7DA5 (открытый коллектор на выходном транзисторе) формируется напряжение ШИМ — последовательность импульсов, скважность которой зависит от уровня звука. Чем громче звук, тем больше длительность импульсов низкого уровня (следовательно, тем меньше длительность импульсов высокого уровня). Осциллограмма 8 показывает напряжение ШИМ при минимальной, средней и близкой к максимальной яркости светоизлучателей:

Очень громкий звук вызывает изменение последовательности импульсов схемы с низким уровнем напряжения. Это соответствует максимальной яркости световых излучателей. Уровень импульсной последовательности определяет номинальное напряжение на выходе «Rout» (вывод 7 DA6) источника опорного напряжения (Uref=1,25 В) в составе микросхемы LM3914. Резистор R45 ограничивает протекание тока с вывода 7 DA6 на выход 7 DA5.

8. Узел управления светоизлучателями

В типовом включении используется микросхема LM3914. Вход «RLO» (вывод 4 DA6) подключен ко входу «GND» (вывод 2DA6 — минус питания), поэтому напряжение на входе «IN» (вывод 5 DA6) регулируется от нуля вольт. Вход «Radj» (вывод 8 DA6) также подключен ко входу «GND», поэтому на выходе «Rout» напряжение соответствует номинальному значению Uref = 1,25В. С подстроечного резистора R44 на вход «RHI» (вывод 6 DA6) подается напряжение U = 2,5…3,0В. Когда напряжение на входе «IN» несколько превышает напряжение на входе «RHI», срабатывает выход «10» (вывод 10 DA6). Поэтому при увеличении напряжения на входе «IN» от нуля до максимума (высота «столбиков» на осцилограмме 7 растет) поочередно появляются импульсы с низким уровнем напряжения, начиная с выхода 1 и заканчивая выходом 10.

При уменьшении напряжения на входе «IN» от максимального до нуля (уменьшается высота «столбиков» на осцилограмме 7) импульсы низкого уровня будут появляться попеременно, начиная с выхода «10» и заканчивая выходом «1». Скорость движения импульсов по выходам зависит от скорости изменения высоты «столбиков». Так как на выход «Rout» подается напряжение ШИМ, то появляются импульсы низкого уровня на выходах микросхемы LM3914 с переменной скважностью. Выходы нагружены резисторами R49-R58, которые одновременно создают положительное смещение на затворах мощных Р-канальных транзисторов VT10-VT19 типа IRF9640, чтобы затворы не «болтались в воздухе» при отсутствии сигнала. Транзисторы коммутируют Uпит = 12…15В на общие плюсовые шины светоизлучателей EL1-EL10.

9. Практическая конструкция ЦМУ

Далее на фото с краткими комментариями показаны фрагменты сборки устройства. Устройство экрана представляет собой трубку с внешним диаметром 50 мм и длиной 1 м. В качестве излучателей света используются две светодиодные ленты RGB длиной 5 м и мощностью 14,4 Вт на метр (шесть светодиодов RGB 5050 на каждые 10 см ленты). Ленты разрезаны на отрезки длиной 1 м и крепятся к трубе по всему диаметру через равные промежутки.

Буржуйский вариант такой конструкции экранных устройств может называться «LED TOWER» (светодиодная башня) или «VU-METER LED TOWER» (светодиодная башня, измеряющая уровень) и т.д. В центре корпуса просверливается отверстие, в которое вставляется подготовленная муфта. Для усиления верхней крышки корпуса вклеена пластина из оргстекла толщиной 3 мм:

После наклейки кусков ленты получилась метровая «кукуруза».

Нижняя часть трубки, свободная от лент, предназначена для установки в муфту, закрепленную клеем на корпусе. Верхнюю часть  длиной 5 см оставляют без лент для крепления плафона, который планируется приобрести или изготовить в ближайшее время:

После простой операции наклейки лент кусачками были сделаны надрезы на шине питания +12 В через каждые 10 см на всех однометровых участках. Затем каждая шина +12В каждого 10-сантиметрового куска соединяется «по диаметру». В итоге получается, что метр ленты теперь лежит не вдоль трубы, а вокруг нее в виде «кольца». И таких десятикусочных «колец» с отдельными шинами питания +12В по длине трубы тоже десять штук:

Элементы схемы распаяны на перфорированных платах, соединения выполнены кабелем МГТФ:

Проверка работоспособности перед установкой плат в корпус.

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

Для отладки и тестирования был изготовлен макет экранного устройства с RGB светодиодной лентой, которая также разделена на десять частей (на десять каналов):

Предварительная компоновка плат внутри корпуса и установка органов управления на передней панели:

Для питания электрической схемы используется блок питания с выходным напряжением 12В и силой тока 1А (12Вт), конструктивно выполненный в виде сетевого адаптера.

Его плата вытащена из штатного корпуса и установлена назад в устройство. На фото четыре резистора типа МЛТ-2. Каждая пара резисторов имеет общее сопротивление 200 Ом (два резистора R = 100 Ом последовательно). Эти резисторы нагружают источники высокой мощности примерно 60 мА для стабильной работы. Оба мощных источника питания размещены внутри трубки. Каждый источник отдельно питает 5 излучателей света. Использование таких мощных источников связано с тем, что в дальнейшем планируется дополнить устройство некоторыми другими режимами работы:

Окончательная установка: все платы и элементы управления подключаются по схеме, затем подключаются кабели от блоков питания и излучателей света:

Видео работы ЦМУ

По теме снято 2 интересных ролика с демонстрацией работы, которые можно посмотреть в этой ссылке. Звук не соответствует эффектам, пришлось заменить звуковую дорожку по запросу Ютуба.

В другом видео (Таня Буланова) показана работа во время отладочного тестирования с макетом экранного устройства.

Схема питается от лабораторного блока питания. Осциллограф показывает усиленный микрофонный сигнал, ограниченный схемой АРУ на уровне ~3 Vp-p. Кнопкой выбираются режимы (схема пока работает нечетко). Режим с преобразователем «частота-напряжение» вместо фильтров и режим работы «Bar mode» в представленном устройстве не предусмотрены.