Скорее всего, вы и без меня это прекрасно знаете, но давайте все же проясним. Светомузыкой (или цветомузыкой) называют устройство, которое заставляет разноцветные огоньки от ламп или светодиодов мигать в такт музыке. Что из этого следует? То, что это устройство - отличный хобби-проект на выходные. Это как совместить приятное с полезным и потом еще раз с приятным.

Есть разные подходы к созданию светомузыкальных устройств. Например, можно сделать автомат, который включает лампы в заранее описанной последовательности. Или можно сделать примитивную схему на одном транзисторе, реагирующую на амплитуду входного сигнала (громкость музыки). Но чаще всего радиолюбители видят светомузыку как анализатор спектра. Как раз последний вариант и рассмотрим (также в форме видео на RT и YT).

Устройство, которое я собрал, построено на операционных усилителях LM358. Полностью аналоговая схема. Это непохоже на то, что я обычно собирал, и для меня этот проект был интересным "учебным упражнением". Он начался с чужой схемы (автор Collin Cunningham), найденной на сайте jameco. Общая структура у нее была вполне понятной уже с первого взгляда. Но подробностей и расчетов там не было, а сопровождающее видео лишь коротко объясняло то, что я и без него понял. Так что план работ нарисовался такой: сначала провести анализ исходной схемы, затем модифицировать под свои требования, потом "бег по граблям" (т.е. отладка собранного), ну и под конец - черкануть эту статейку.

Вот то, что получилось у меня:

Результат во многом похож на исходник, структура такая же - входной буфер, затем активные фильтры с ключами на выходе. Основные изменения - это добавление защиты от обратной полярности (переполюсовки) питания, и усиление выхода по току, поскольку я задумывал подключать к каждому каналу по светодиодной ленте длиной до 2 метров. Еще поменял некоторые номиналы, и убрал потенциоментры подстройки чувствительности каналов.

А теперь давайте разбираться, как схема работает и какие элементы на что влияют.

Через разъем J2 на устройство подается питание, конденсатор C2 его как бы фильтрует, а элементы R1, D1 и Q1 - это защита от переполюсовки на N-канальном полевом транзисторе. R1 ограничивает ток заряда затвора. D1 - необязательный стабилитрон на 12 В для случаев, когда напряжение питания или скачки в нем могут превысить максимальное V_GS транзистора.

Такая схема защиты много где рассматривалась, есть статьи и на английском, и на русском. Если питание подать наоборот, то транзистор Q1 закрыт и ток через устройство не идет. Если питание подать в правильной полярности, то в первые моменты после включения ток пойдет через паразитный диод MOSFET-а, и потенциал на истоке (source) будет чуть выше минуса/земли - примерно на 0.7 вольта (падение на паразитном диоде). Получается, что V_GS (gate-source) становится близким к напряжению питания, и если для данного транзистора этого достаточно, то он открывается, и весь ток начинает идти через канал вместо паразитного диода. Конечно, можно было обойтись одним диодом, но способ с полевиком лучше, особенно при больших токах или батерейном питании. Сопротивление открытого канала полевика R_DS(on) составляет несколько миллиом (mΩ), благодаря чему на полевике меньше падает напряжение и, следовательно, он меньше греется.

Разъемы J1 и J3 - это аудиовход и сквозной аудиовыход, можно спокойно менять местами. Сигнал берется только из одного канала (левого), но левый и правый каналы у большинства песен похожи, так что решение вполне адекватное. Ко входу я обычно подключаю телефон или плеер, а к выходу - компьютерные колонки или наушники (у меня со стороны светомузыки разъем WF с шагом 2.54 мм, но это на вкус и цвет). Клеммник J4 предназначен для подключения обычных 12-вольтовых светодиодных лент. Одна из клемм - напряжение питания, общее для всех лент, остальные три клеммы - выходы нижних ключей (коллекторы). Но не будем забегать вперед, вернемся в левую часть схемы.

C1, R4, RV1, R5 и U1A образуют входной буфер. Как я понимаю, перед ним стоят две задачи. Первая - усилить входной сигнал, потому что мы имеем дело с размахом в десятки милливольт на входе, и то если врубить погромче. Вторая - спрятать входные импедансы фильтров от проигрывателя, почему я и назвал эту часть буфером. Резисторы R4, RV1 и R5 задают коэффициент усиления. Конденсатор C1 изолирует по постоянному току выход проигрывателя и вход буфера. Если ставите на место C1 электролитический кондер, то ставьте его плюсом к R4.

Чем больше номинал C1, тем лучше будут проходить низкие частоты, но бесконечно его увеличивать нет смысла, разумно выбрать что-нибудь в пределах 0.1..10 мкФ.

Операционник U1A включен как инвертирующий усилитель переменного напряжения (AC-coupled). Инвертирующий усилитель имеет низкое входное сопротивление (здесь примерно равное R4), и еще переворачивает сигнал относительно напряжения на неинвертирующем входе. Тут может возникнуть вопрос: разве не лучше поставить неинвертирующий усилитель? Оказалось, что нет. В инвертирующем усилке все-таки есть пара привлекательных вещей. Во-первых, его проще переделать под переменное напряжение - нужно буквально добавить один конденсатор на входе, в то время как неинвертирующуему обвес нужен чуток побогаче. Во-вторых, в аудио входе низкое (в разумных пределах) входное сопротивление может быть достоинством, потому что оно грузит и давит помехи. Ну а что касается инверсии сигнала, то она в нашем случае никак не мешает - тут нам важна только частота.

Практика показала, что большой коэффицент усиления здесь не нужен. В исходной схеме с номиналами 1 МОм и 47 кОм коэффициент усиления был чуть больше 20 (опустим минус). У меня светомузыка отлично работала при усилении всего лишь в 2..3 раза. Если сделать коэффициент усиления слишком большим и включить музыку на большой громкости, то светомузыка "уйдет в перегруз" и каналы будут постоянно светиться.

Для работы инвертирующего усилителя нужна средняя точка, смещение или опора - кому как больше нравится. За эту часть отвечают R2, R3, C3 и U1B. Резисторы R2 и R3 образуют делитель, который и задает напряжение средней точки. Конденсатор C3, конечно же, поставлен для фильтрации высокочастотных помех. Операционник U1B включен как повторитель, и все, кому нужно это напряжение смещения, получают его с выхода U1B (цепь GNDREF). Не обязательно делить напряжение питания ровно пополам - смещение может быть любым, в разумных пределах.

Когда U1A получает напряжение смещения, по логике работы инвертирующего усилителя входной сигнал (между C1 и R4) должен подняться на то же напряжение смещения. Поэтому я и сказал ставить C1 плюсом к R4, если он полярный - на эти грабли я уже наступил. При обратном включении электролитический конденсатор имеет большую утечку, то есть у него проклевываются свойства резистора, из-за которых я словил интересный эффект в виде нежелательной постоянной составляющей. Вход смещался чуть ниже средней точки, в усилителе эта ошибка умножалась на минус много и выход улетал в космос. Прежде чем я нашел источник ошибки, я какое-то время умудрялся обходить эту проблему, пропорционально уменьшив R4 и R5, а так же понизив коэффициент усиления и среднюю точку (чем она ниже, тем сложнее выходу "дотянуться до потолка").

Сигнал с выхода буфера проходит через конденсатор C4, который убирает из него постоянную составляющую (если она там как-то появилась), и попадает на входы трех активных полосовых фильтров, благодаря которым светомузыка реагирует на ноты разной высоты. R6, R9, C5, C6 и U2A составляют фильтр на 3 кГц, так же есть фильтры на 670 и 140 Гц. Все три имеют одинаковую топологию, которая называется Infinite Gain Multiple Feedback (IGMF), или Multiple Feedback Bandpass (MFB). Как и многие другие активные фильтры, по сути это инвертирующие усилители с частотно-зависимой обратной связью. Можно было поставить фильтры и с другой топологией, но у IGMF-фильтров есть интересное свойство - очень узкая полоса пропускания с ярко выраженным пиком на центральной частоте.

Частоту фильтра можно посчитать по несложной формуле. Но учтите, что у этого фильтра есть другие занимательные характеристики - ширина полосы пропускания и коэффициент усиления на центральной частоте. Замена одного резистора в готовом фильтре влияет на все три характеристики одновременно, что ограничивает возможности перенастройки.

Говоря о перенастройке, следует кое-что упомянуть. В некоторых источниках IGMF-фильтр изображается с дополнительным резистором на землю, который ставится после первого резистора на входе. В исходной схеме это был резистор номиналом 680 Ом, который ставился в каждом канале. Основная функция этого резистора - изменить в некоторых пределах центральную частоту, при этом не сильно влияя на другие параметры. Ставить его не обязательно, фильтр работает и без него. На практике, с ним у меня получилось даже хуже - когда я выключал музыку, канал высокой частоты (4.8 кГц) превращался в генератор. По этой причине я и не добавил лишние резисторы в конечную схему и ВЧ-канал у меня получился настроенным на 3 кГц. Предолагаемая причина этого явления - превышение параметра Gain Bandwidth Product (GBWP) у LM358. С текущими номиналами все три фильтра имеют очень большой коэффициент усиления на рабочих частотах - 280 раз. Если умножить 280 на 4.8 кГц, то результат будет немного больше, чем GBWP из даташита. Но это не значит, что LM358 нужно выкидывать - если нужны частоты выше, то попробуйте перерасчитать фильтры, чтобы коэффицент усиления у них был меньше, а скомпенсировать это можно увеличением усиления на входном буфере.

Дальше фильтры должны как-то управлять ключами. Если бы база транзистора была подключена к фильтру просто через один резистор, то каналы горели бы почти всегда, потому что выход фильтра поднят относительно минуса питания на уровень средней точки. Поэтому в этой схеме все сделано немного по-другому.

В высокочастотном канале перед базой транзистора стоят C11, D2, R12, C14, R15, R20, в других каналах схема аналогичная. Конденсатор C11 убирает постоянную составляющую. Диод D2 срезает нижнюю половину сигнала, а еще он вместе с конденсатором C14 образует пиковый детектор - это такая схема, которая запоминает максимальный уровень напряжения. Когда вход пикового детектора начинает падать, оно становится ниже, чем на кондесаторе С14. Диод D2 становится обратно смещеным и ток не пропускает, так что из C14 заряд может утекать только в одну сторону - в базу. Ну ладно, на самом деле он еще может разряжаться на R15 - этот резистор с большим сопротивлением специально добавлен, чтобы канал светомузыки не горел слишком долго после того, как музыка закончилась.

Тот факт, что диод D2 не пропускает ток, создает некоторые проблемы для разделительного кондесатора C11 - он заряжается в одну сторону, но не может разрядиться в другую, из-за чего переменный сигнал смещается вниз. Для частичного решения этой проблемы в схеме стоит резистор R12 - благодаря нему какой-никакой обратный ток все же может идти через кондесатор. Смещение уменьшится, но не исчезнет, потому что сопротивление 39 кОм все равно довольно сильно ограничивает этот обратный ток.

Смещение будет меньше, если уменьшить сопротивление на пути обратного тока или вообще поставить диод. Но возможно, это повлечет другие изменения в схеме или как-то изменит поведение светомузыки - я пока об этом не задумывался. На данный момент я просто сделал как в исходной схеме и оставил 39 кОм.

Осталось сказать только про R20 - понятно, что он должен ограничивать ток базы. Однако, в исходной схеме никакого резистора последовательно с базой не было, так что может он и не нужен. Я поставил его как предосторожность, ну и чтоб посадочное место на плате было для экспериментов.

Тут возникает вопрос: какой ток пойдет через базу транзистора? Резистора базы в исходной схеме не было, но есть еще кондесатор C11, который включен последовательно. Он имеет импеданс, зависящий от частоты, а частота для конкретного фильтра известна. Но есть еще нюанс в виде пикового детектора.

В общем, тут я решил, что лучше обратиться к помощи qucs и посмотреть на поведение схемы в динамике. В моем понимании картина сложилась следующая:

• Когда на входе нарастающий сигнал, а конденсатор пикового детектора не заряжен, диод смещен в прямом направлении и через него идет ток - часть в кондер, часть в базу. В такие моменты база получает всплески примерно по 5-20 мА.
• Когда входной сигнал спадает, диод закрыт и база транзистора поджирает из конденсатора. Ток при этом гораздо меньше, потому что переход база-эмиттер - тоже как бы диод, а напряжения на конденсаторе в такие моменты уже не хватает, чтобы полноценно этот диод открыть.
• Постепенные "проседания" следующих порций тока на графике связаны с недоразрядом разделительного кондесатора через резистор 39 кОм (который R12), что явно не помогает транзистору открываться в полную силу.

На модели у меня получилось так, что при установившемся сигнале с фильтра (когда конденсатору уже не надо сильно перезаряжаться) средний ток через базу будет порядка 0.1 мА. Если предположим, что бета транзистора равна 100, то средний ток коллектора будет 0.01 А. Отрезки светодиодных лент, которые я собирался подключать, потребляют от 0.35 до 0.7 А. Неувязочка получается...

В таких условиях на место выходного ключа напрашивается составной транзистор Дарлингтона. Здесь он собран из Q2, Q5 и R21. На место самого мощного в паре (Q5) я поставил первый попавшийся NPN с максимальным I_C=1A. В моем случае это BCX55/56. Недостаток составного транзистора в виде увеличенного напряжения база-эмиттер (V_BE) слишком сильно здесь мешать не будет - благодаря большому напряжению питания и огромному коэффициенту усиления фильтров пиковому детектору все еще достаются кусочки сигнала, с которыми можно работать.

Последний фрагмент, который осталось рассмотреть - неиспользованный операционник U2B. LM358 включает в себя по 2 операционника на корпус, мне понадобилось 5. Лишние операционники принято включать как повторитель какого-либо напряжения, чтобы их входы не болтались в воздухе и чтобы сошедший с ума операционник не влиял на работу своего соседа по кристаллу. Обычно я сажаю неинвертирующий вход на землю (и в этот раз тоже), но вообще в схемах с однополярным питанием более правильно будет сажать его на середину питания или другое напряжение, которое вписывается в Common Mode Voltage Range.

Итоги

В результате собранная мной светомузыка работает вполне так красиво, мне нравится. Нужно только выставить громкость и усиление в разумных пределах, ну и учитывать особенности музыки, которую вы собираетесь слушать. Наиболее зрелищные результаты я получил на чиптюне и электронике. С металом получается менее динамично, но это ожидаемо - звук в этом жанре обычно очень плотный, спектр такой, что фильтры практически всегда найдут, на что среагировать. В итоге от метала каналы горят практически постоянно.

Еще забавный факт, что практически в любой песне, которую я включал, светомузыка успешно находила басы и верхние частоты, но средний канал срабатывал не везде и не всегда. Если будете собирать что-то похожее, попробуйте добавить больше каналов или рассчитать фильтры на другие частоты. Также можно попробовать вернуть потенциометры перед фильтрами, которые были в исходной схеме, но убраны в моей.

Все, экскурсию по схеме можно считать завершенной. Буду рад, если эта статья смогла помочь вам разобраться в каких-то частях этой схемы или если вам было интересно сравнить свои догадки с моими.