Lichtorgel

 
 

Steuerstufe

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  In der Steuerstufe wird das bis hierhin noch analoge Signal in einen zur Netzspannung synchronen Rechteckimpuls für die Phasenanschnittsteuerung umgewandelt.

Zunächst erfolgt eine Gleichrichtung mit Verstärkung. Da das als invertierender Verstärker beschaltete IC1-S nur positiv gegen Masse versorgt wird, kann es nur negative Signale verarbeiten und entsprechend verstärkt als positive Spannung ausgeben - die negative Halbwelle wird einfach abgeschnitten. Hierbei ist zu beachten, dass ein Operationsverstärker verwendet wird, der allein mit positiver Versorgungsspannung auskommt und eingangs- und ausgangsseitig Null Volt verarbeiten bzw. liefern kann. Geeignet ist z. B. der LM358, der diese Bedingungen aufgrund seines PNP-Eingangs erfüllt.

Der Ausgang von IC1-S (Pin 1) speist einen Spitzenwertdetektor, dessen Kondensator C1-S aus der positiven Halbwelle eine relativ glatte Gleichspannung von max. ca. 10V erzeugt. 10V entspricht der natürlichen Begrenzung, die sich aus der Versorgungsspannung +12V abzüglich ca. 2V Spannungsabfall am Operationsverstärker ergibt.


C1-S wird über R4-S in kurzer Zeit geladen und über R5-S nach deutlich längerer Zeit wieder entladen. Die Lampe erhält dadurch eine gewisse Trägheit, die für den optischen Eindruck vorteilhaft sein kann.

300W-Strahler sind von sich aus schon relativ träge; als Richtwerte für C1-S können für den Tiefpass 1µF, für die Bandpässe 0,47µF und für den Hochpass 0,22µF angesetzt werden.
100W-Strahler reagieren schneller - hier kann man es mit den doppelten Werten ausprobieren.
Wenn C1-S auf Lötstiften montiert wird, dann lässt er sich für eigene Experimente leichter austauschen.
Steuerstufe
Schaltplan der Steuerstufe für einen Kanal


Rampe und Gleichspannung
Abfallende Rampe an IC1-S / Pin 6 und
geglättete Gleichspannung an IC1-S / Pin 5
Die Gleichspannung wird dem nicht invertierenden Eingang eines Komparators zugeführt (IC1-S, Pin 5), der sie mit einer abfallenden Rampe an Pin 6 vergleicht.
Liegt die Gleichspannung an Pin 5 unterhalb der Rampe, dann liegt der Ausgang des Komparators Pin 7 auf Null Volt. Liegt die Gleichspannung an Pin 5 dagegen oberhalb der Rampe, dann nimmt der Ausgang Pin 7 ebenfalls eine Spannung von ca. 10V an. Je höher die Gleichspannung an Pin 5 ist, desto weiter verschiebt sich der Schnittpunkt nach links und desto eher wird der Ausgang positiv.

Die abfallende Rampe ist auf Netzspannung synchronisiert und wird für jede Halbwelle erzeugt. Da mit der ansteigenden Flanke des Rechteckimpulses der Opto-TRIAC MOC 3022 sowie der Leistungs-TRIAC in der Leistungsstufe gezündet wird, verschiebt sich der Phasenanschnitt mit zunehmender Signalspannung zeitlich immer weiter nach vorn - die Lampe wird heller.


Zur Vermeidung ungewollter Zündungen im Bereich des Nulldurchgangs der Sinuskurve wird der Opto-TRIAC um den Nullpunkt herum kurzzeitig stromlos geschaltet. Dazu dient ein Sperr-Impuls, der die Kathode des Opto-TRIACs für ca. 0,5ms auf +12V Versorgungsspannung legt. Diode D4-S begrenzt seine Sperrspannung währenddessen auf ca. 0,7V, falls der Ausgang des Komparators (Pin 7) auf Null Volt liegt.
Der Sperr-Impuls ist nicht zwingend erforderlich, allerdings blitzen ohne diesen Impuls beim Einschalten des Gerätes kurzzeitig alle Lampen hell auf. Wenn das nicht als störend empfunden wird, dann kann auf den Sperr-Impuls verzichtet werden - die Kathode des Opto-TRIACs ist dann direkt auf Masse zu legen und Diode D4-S kann entfallen.

Prinzipiell wäre es auch möglich, den Opto-TRIAC nur mit einem ganz kurzen Impuls zu zünden. Dazu könnte der Ausgang des Komparators (Pin 7) über einen Hochpass geführt werden, sodass der Opto-TRIAC praktisch nur die ansteigende Flanke des erzeugten Impulses "sieht" - das würde etliche Milliampere an Strom sparen.
Allerdings gibt es hierbei einen gravierenden Nachteil: Wenn der Ausgang des Komparators bei voller Aussteuerung permanent auf 10V liegt, dann gibt es keine ansteigende Flanke und somit keine Zündimpulse mehr - anstatt am hellsten zu erstrahlen würde die Lampe erlöschen. Aufgrund des damit verbundenen zusätzlichen Aufwandes wurde dieses Verfahren hier nicht weiterverfolgt.


Leider ist der Zusammenhang zwischen dem Anschnittwinkel bzw. im vorliegenden Fall zwischen dem Musik-Signal und der Lampenspannung sehr nichtlinear. Die Kurve flacht sich im oberen Bereich stark ab und um die maximale Lampenhelligkeit zu erreichen, ist eine überproportionale Erhöhung der Signalspannung erforderlich. Genau das bewirkt das Linearisierungsnetzwerk aus D1-S, D2-S und R2-S.


Bei kleiner Signalspannung errechnet sich die Verstärkung von IC1-S aus dem Quotienten R3-S / R1-S = 220k / 24,3k ≈ 9.
Mit zunehmender Signalspannung werden die Dioden D1-S und D2-S für die negative Halbwelle zunehmend leitend und schalten ihren differenziellen Widerstand in Reihe mit R2-S parallel zu R1-S. Dieser Nebenwiderstand beträgt zwar immer noch mehrere zehn kΩ, aber parallel zu 24,3k erhöht sich die Verstärkung dadurch auf etwa vu ≈ 15. Das Ergebnis dieser einfachen Linearisierung zeigt nebenstehende Abbildung.

Insgesamt ist die Schaltung so dimensioniert, dass die maximale Lampenhelligkeit im Lichtorgel-Betrieb bereits bei Mittelstellung der Empfindlichkeitseinsteller erreicht werden kann - somit ergibt sich genug Einstellreserve in beide Richtungen.
Zusammenhang zwischen Lampenspannung und Musik-Signal
Zusammenhang zwischen Lampenspannung und Musik-Signal


Bereits in einem vorherigen Abschnitt wurde erwähnt, dass bei gefärbten Lampen gleicher Leistung die gelbe Lampe normalerweise am hellsten ist und alle anderen Farben meist sehr stark überstrahlt. Zur Begrenzung der maximalen Helligkeit kann die Steuerstufe für die gelbe Lampe leicht modifiziert werden (siehe Detail im obigen Schaltbild).
Hierzu ist der Widerstand R5-S durch ein Trimmpoti (P1-S) zu ersetzen, sodass am Komparator nur ein Teil der Gleichspannung ankommt und der Phasenanschnitt dann nicht über die komplette Halbwelle erfolgt.
Das funktioniert zwar, hat aber den Nebeneffekt, dass bei Mittelstellung der Empfindlichkeitseinsteller im Dimmer-Betrieb die gelbe Lampe nun deutlich dunkler leuchtet. Um auch das zumindest teilweise zu kompensieren kann die Kennlinie der Begrenzung mit einer Z-Diode etwas "verbogen" werden, die dem Trimmer parallel geschaltet wird. Nach Einsetzen der Begrenzung an der Z-Diode muss mit dem Trimmpoti nur noch ein Teil der Spannung reduziert werden, wodurch der mittlere Bereich der Begrenzungskennlinie etwas angehoben wird. Ein brauchbarer Kompromiss ist z. B. eine Z-Diode mit einer Zener-Spannung von 6,8V.


Es fehlt noch die Schaltung zur Erzeugung der abfallenden Rampe sowie des Sperr-Impulses (Impulserzeugung) und auch hierfür ist der Doppel-Operationsverstärker LM358 gut geeignet.

Impulserzeugung
Impulserzeugung
Über den Spannungsteiler R1-I und R2-I gelangt die zweiweg-gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators auf die nicht-invertierenden Eingänge Pin 3 und Pin 5 von IC1-I. Zum Schutz der Eingänge wird die Spannung mittels Diode D1-I auf max. ca. 12,6V begrenzt. Die Referenzspannungen an den invertierenden Eingängen Pin 2 und Pin 6 werden mit den Widerständen R3-I, R4-I und R5-I festgelegt und betragen etwa 0,5V an Pin 6 und ca. 1V an Pin 2.

Am Ausgang des oberen Komparators (Pin 1) liegt eine Spannung von etwa 10V, die nur im Bereich des Nulldurchganges für ca. 0,5ms unterbrochen wird und denTransistor T1-I sperrt. Dessen Kollektor wird positiv und legt die Kathoden aller Opto-TRIACs MOC 3022 auf +12V, wodurch sie sicher abgeschaltet bzw. gesperrt werden (Sperr-Impuls).


Ähnliches passiert am unteren Komparator. Auch dessen Ausgang wird kurz nach dem Nulldurchgang der Sinuskurve positiv und Kondensator C1-I wird gemäß C · U = I · t aufgeladen. Mit C = 220nF, U = 10V und t = 10ms ergibt sich ein Strom von ca. 0,2mA, der mittels R8-I und P1-I einstellbar ist.
Über die Diode D2-I wird der Kondensator wieder entladen, wenn der Ausgang des Komparators im Bereich des Nulldurchgangs Null Volt annimmt. Die Entladung funktioniert zwar auch über die Kollektor-Basis-Diode des Transistors, Diode D2-I hat aber den positiven Effekt, dass die Rampe nicht bei 9V, sondern bei nahezu 10V beginnt.

Mit dem Trimmpoti P1-I kann eingestellt werden, wie weit die Rampe abfallen soll. Geht sie innerhalb einer Sinus-Halbwelle nicht auf Null, dann werden niedrige Gleichspannungen an Pin 5 der Komparatoren nicht berücksichtigt, weil sie die Schaltschwelle nicht erreichen. Bei sehr kleinen Musik-Signalen werden die Lampen dann nicht reagieren, je nach verwendeten Scheinwerfern kann es dem optischen Effekt aber durchaus zugute kommen, wenn sie bei niedrigen Signalen nicht ständig glimmen. Mit 300W-Strahlern hat sich ein Abfall der Rampe auf ca. 1V als zufriedenstellend erwiesen.


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