Lichtorgel 2010

 
 

4-Kanal-Lichtorgel mit Phasenanschnittsteuerung aus dem Jahr 2010

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  Die Lichtorgel 2010 bietet prinzipiell die gleiche Funktionalität, wie die LO aus dem Jahr 1980, allerdings wurden in diesem Gerät erstmals Filter 6. Ordnung sowie einige mir bislang unbekannte Schaltkreise für die Aussteuerungsautomatik, die Aussteuerungsanzeige und die Phasenanschnittsteuerung ausprobiert.
Darüberhinaus ist auch die maximale Helligkeit der Lampen einzeln einstellbar. Ob das für alle Lampen erforderlich ist und sich diese Methode überhaupt bewährt, wird sich zeigen; normalerweise ist es nur die gelbe Lampe, welche alle anderen überstrahlt.

Im vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Lichtorgel 2010 realisiert wurde. Auch diese Schaltungen sollen keineswegs das Absolutum darstellen, sondern als Beispiele oder Anregungen für eigene Kreationen verstanden werden. Die Beschreibung der neuen LO umfasst deshalb nur die prinzipielle Funktion der Schaltungen und nicht die Berechnung jedes einzelnen Bauteils.

Was die Beschaffung der Bauteile betrifft, so sind diese größtenteils bei der Fa. Conrad oder Fa. ELV und ansonsten bei der Fa. RS-Components erhältlich.
Conrad ist als Bauteile-Lieferant bekannt und bietet neben vielen gängigen integrierten Schaltkreisen z. B. die komplette Widerstandsreihe E96 mit 1% Toleranz, spezielle Bauteile findet man bei Conrad aber oftmals nicht.
ELV bietet viele Bauteile preisgünstiger an, dafür sind die meisten Bauteil-Beschreibungen sehr dürftig. Ein Vergleich lohnt sich aber allemal, wenn man den einen oder anderen Euro sparen möchte. Bei ELV bekommt man z. B. auch den in dieser LO verwendeten Schaltkreis LM3916 als einzelnes Exemplar.
RS-Components ist ein Profi-Distributor und hat auch exotische Bauteile im Programm. Zudem sind viele Kondensatoren mit 1% Toleranz erhältlich, wie sie z. B. für die Filterschaltungen benötigt werden, dafür gibt es manche Bauteile aber nur in höherer Stückzahl, als man braucht. Bei Online-Bestellungen entfallen die Kosten für Verpackung und Versand, zu den angegebenen Preisen kommt jedoch die Mehrwertsteuer hinzu.

Vorab sei erwähnt, dass die Steuerstufe mit dem Schaltkreis TCA785 leider komplizierter und teurer geworden ist, als ursprünglich erwartet. Diese Steuerstufe ist deshalb eher als "Studienobjekt" zu betrachten mit dem Ergebnis, dass der TCA785 in einer Lichtorgel keine Vorteile bringt.
Alternativ wird in der Beschreibung der Lichtorgel 2010 LC eine deutlich einfachere Steuerstufe mit Phasenanschnittsteuerung vorgestellt.



Wichtiger Hinweis!

Nachfolgend werden elektronische Schaltungen beschrieben, welche teilweise für den Betrieb an lebensgefährlicher Netzspannung konzipiert sind. Bei Arbeiten an Stromkreisen mit gefährlicher Netzspannung besteht die Gefahr eines tödlichen elektrischen Schlags.
Diese Beschreibung richtet sich deshalb ausschließlich an Personen, welche sich der Gefahren durch den elektrischen Strom bewusst sind und solche Gefahren aufgrund ihrer Fachkenntnisse erkennen und abwenden können.
Der eventuelle Nachbau und die Inbetriebnahme der Schaltungen erfolgt auf eigene Gefahr!




Blockschaltbild


Das Blockschaltbild zeigt die Anordnung der einzelnen Funktionsblöcke.
Es entspricht weitgehend dem Blockschaltbild der alten Lichtorgel mit dem Unterschied, dass die Steuersignale optisch in die Leistungsstufen übertragen werden.
Blockschaltbild
Blockschaltbild der Lichtorgel 2010


Eingangsempfindlichkeit und Eingangswiderstand

Die Eingangsempfindlichkeit wurde auf 100mVeff (Sinus) bzw. ca. 280mVSS (Spitze-Spitze) pro Kanal festgelegt bei einem Eingangswiderstand von minimal 50kΩ.
Mit dieser hohen Empfindlichkeit lässt sich die Lichtorgel z. B. auch an Signalquellen betreiben, die noch nicht vom Lautstärke-Einsteller beeinflusst werden. Das Eingangssignal ist dadurch relativ konstant, und die verbleibenden Pegelschwankungen lassen sich mit der Aussteuerungsautomatik ausgleichen.



Pegel-Anpassung und Kanalmischung


Der Pegel-Einsteller besteht aus einem linearen Stereo-Poti 2 x 100kΩ, dem 2 Koppelkondensatoren 1μF vorgeschaltet sind.
Dieses Poti repräsentiert in Verbindung mit den Eingangswiderständen des Mischers den Eingangswiderstand der Lichtorgel. Bei voll aufgedrehtem Poti liegen die Widerstände parallel und es ergibt sich ein Wert von 50kΩ. Ist das Poti nicht voll aufgedreht, dann ist der Eingangswiderstand entsprechend größer.

Die Ausgangsspannung der Kanalmischung beträgt ebenfalls 280mVSS bzw. 100mVeff bei sinusförmiger Spannung.
Pegel-Anpassung und Kanalmischung
Pegel-Anpassung und Kanalmischung


Aussteuerungsanzeige

Das gemischte Stereo-Signal wird zur Vermeidung grober Übersteuerungen zunächst einer Aussteuerungsanzeige zugeführt. Übersteuerung erzeugt Oberwellen, welche in einen benachbarten (Lampen)-Kanal fallen und diese Lampe fälschlicherweise ansteuern können.


Die Aussteuerungsanzeige besteht aus einem Gleichrichter mit Spitzenwert-Detektor sowie einem VU-Meter mit Leuchtband-Anzeige. Etwas störend ist hierbei, dass die roten LEDs deutlich heller sind, als die grünen, aber man kann das in gewissen Grenzen anpassen:
Der Strom wurde auf etwa 10mA pro Leuchtdiode festgelegt, d. h. bei voller Aussteuerung muss der Spannungsregler IC2 ca. 100mA liefern können. Damit er nicht zu heiß wird, sind den roten LEDs Widerstände vorgeschaltet mit dem positiven Nebeneffekt, dass sie dadurch etwas dunkler werden.
Aussteuerungsanzeige mit LM3916
Aussteuerungsanzeige mit LM3916

Im Vergleich zu einem Zeigerinstrument hat ein Leuchtband-VU-Meter eine sehr kurze Reaktionszeit und benötigt eigentlich keinen Vorlauf. Damit die Anzeige aber nicht allzu nervös reagiert, wurde der Wert des Kondensators C3-1 nachträglich von 1uF auf 2,2uF erhöht und die Verstärkung durch Verringerung von R4-1 auf einen Vorlauf von ca. 1dB gegenüber eines sinusförmigen Messsignals eingestellt.
Die linke Leuchtdiode LED1-1 signalisiert das betriebsbereite Gerät und leuchtet, sobald das Gerät eingeschaltet ist.




Aussteuerungsautomatik (Automatische Verstärkungsregelung, AVR)

Nach der Kanalmischung gelangt das Signal an den Eingang einer Aussteuerungsautomatik und außerdem in einen Nebenpfad zur Umgehung der AVR.

Für die AVR wurde der integrierte Schaltkreis SSM2166 verwendet, der eine sehr einfache und sehr gute Schaltung eines Dynamik-Kompressors ermöglicht. Mit einem 1kHz-Sinussignal wurde ein Komprimierungsverhältnis von etwa 40:1 gemessen, d. h. ein Eingangssignal von 280mVSS +/- 20dB (zwischen 10mVeff und 1Veff bei Sinus) erzeugt eine Ausgangsspannung von 270mVSS +/- 0,5dB (zwischen 90mVeff und 101mVeff bei Sinus). Dieses Komprimierungsverhältnis ist nicht nur außerordentlich groß, sondern liegt auch signifikant über der Datenblattangabe.
Auch die Neigung zur Übersteuerung bei tiefen Frequenzen ist bei dieser Schaltung bei Weitem nicht so ausgeprägt, wie bei der alten Lichtorgel.

Als Nachteil sei erwähnt, dass der Schaltkreis nur als SMD-Bauteil (oberflächenmontierbares Bauteil) beschafft werden konnte und die Verarbeitung etwas handwerkliches Geschick sowie eine feine Lötkolbenspitze erfordert. Es gibt wohl einen Internet-Versand, der das IC noch im DIL-Gehäuse (Dual in Line) anbietet, dieser war allerdings doppelt so teuer.

Die Aussteuerungsautomatik der alten Lichtorgel hat sich stets als sehr komfortabel erwiesen, da selbst große Lautstärke-Unterschiede zwischen den Musikstücken hervorragend ausgeglichen werden. Sind die einzelnen Empfindlichkeitseinsteller erst einmal korrekt eingestellt, dann kann man das Gerät praktisch sich selbst überlassen.
Der grundsätzliche Nachteil von Dynamik-Kompressoren ist jedoch auch hier gegeben, nämlich dass bei Musik-Signalen mit überbetonten Frequenzbereichen auf diese Bereiche geregelt wird und die restlichen Frequenzen entsprechend weniger berücksichtigt werden. Die Aussteuerungsautomatik ist deshalb wahlweise ein- oder ausschaltbar.


Aussteuerungsautomatik (AVR) mit SSM2166
Aussteuerungsautomatik (AVR) mit SSM2166
 
Der SSM2166 auf einem DIL-Sockel
Der SSM2166 auf einem DIL-Sockel



Nachverstärker mit Höhenanhebung

Dieses Detail wurde praktisch 1:1 von der alten Lichtorgel übernommen und soll hier nicht weiter erläutert werden; für nähere Informationen über den Sinn und Zweck der Schaltung wird auf die Lichtorgel aus dem Jahr 1980 verwiesen.

Ob die Höhenanhebung bei heutiger moderner Musik noch erforderlich ist, darf angezweifelt werden. Man kann sie deshalb natürlich auch weglassen oder durch einen größeren Wert von R21-1 weniger stark einstellen, muss dann aber damit rechnen, dass bei normaler Unterhaltungsmusik der Empfindlichkeitseinsteller für die blaue Lampe etwas höher einzustellen ist, als die anderen.
Nachverstärker mit Höhenanhebung
Nachverstärker mit Höhenanhebung

Die bis hierhin verwendeten Operationsverstärker befinden sich alle in einem Schaltkreis TL084, das heißt, einer ist noch frei und unbenutzt. Damit seine hochohmigen Eingänge kein undefiniertes Potenzial annehmen können, wurde er gemäß nebenstehender Abbildung beschaltet.



Aufteilung des Niederfrequenzspektrums und Zuordnung der Lampen-Farben

Bzgl. der Aufteilung des Niederfrequenzspektrums und Zuordnung der Lampen-Farben wird ebenfalls auf die Lichtorgel aus dem Jahr 1980 verwiesen



Steilflankige Filter und Trennung von der Signalquelle

Dass die Wirkung einer Lichtorgel erheblich mit der Qualität der Kanaltrennung steht und fällt, liegt auf der Hand - es ist nicht sehr befriedigend, wenn immer mehrere Lampen im gleichen Rhythmus leuchten. In der alten LO werden dazu Tschebyscheff-Filter 4. Ordnung mit 0,5dB Welligkeit verwendet - diese haben sich bewährt und sind im Vergleich zu den Filtern von Low-Cost-Geräten hervorragend.

Im vorliegenden Gerät wurden erstmalig Tschebyscheff-Filter 6. Ordnung mit 0,5dB Welligkeit ausprobiert. Ob das für eine 4-Kanal-Lichtorgel notwendig ist, sei dahingestellt, auf jeden Fall war es ein Novum und auf der Leiterplatte war zudem noch ausreichend Platz. Filter 6. Ordnung haben zwar steilere Flanken, sind aber nicht ganz unproblematisch. Nimmt man die Grenzfrequenzen als korrekt an, so ergeben sich folgende Kurven:


Tschebyscheff-Filter 6. Ordnung
Tschebyscheff-Filter 6. Ordnung
Filterkurven der einzelnen Pässe
in der Lichtorgel von 2010
 
Tschebyscheff-Filter 4. Ordnung
Tschebyscheff-Filter 4. Ordnung
Filterkurven der einzelnen Pässe
in der Lichtorgel von 1980

Man erkennt, dass die steileren Flanken mit einer signifikanten Welligkeit im Durchlassbereich erkauft werden. Die Welligkeit soll theoretisch 0,5dB betragen, ist aber meistens höher. Obwohl die Bauteile auf Toleranzen unter 1% vermessen wurden und das Verhalten der einzelnen Filterstufen ebenfalls 1% Genauigkeit aufweist, entsprechen die kompletten Filter nicht den theoretischen Erwartungen. Woran das liegt, ist unklar - vielleicht sind die Werte doch nicht so genau, wie sie von den Messgeräten angezeigt wurden.

Am besten ist der Tiefpass; hier sind 3 Überhöhungen erkennbar und die Welligkeit im Durchlassbereich hält sich in Grenzen.
Der Durchlassbereich von Bandpass 1 ist dagegen stark wellig und liegt komplett über der 0dB-Linie; dies deutet auf falsche Grenzfrequenzen hin.
Der Durchlassbereich von Bandpass 2 ist ebenfalls stark wellig, schwankt aber um die 0dB-Linie herum.
Die größte Abweichung zeigte der Hochpass. Hier war eine Nacharbeit abseits der Theorie erforderlich, um das im Diagramm dargestellte Verhalten zu erreichen; insbesondere musste die Polgüte des 3. Teilfilters stark erhöht werden. Die Klammer-Werte im Schaltbild des Hochpasses entsprechen der Theorie, eingebaut wurden jedoch die anderen Werte.


Tiefpass 6. Ordnung
Tiefpass 6. Ordnung (rote Lampe)
fgo = 126Hz
 
Bandpass 6. Ordnung
Bandpass 6. Ordnung (gelbe Lampe)
fgu = 126Hz / fgo = 632Hz

Bandpass 6. Ordnung
Bandpass 6. Ordnung (grüne Lampe)
fgu = 632Hz / fgo = 3180Hz
 
Hochpass 6. Ordnung
Hochpass 6. Ordnung (blaue Lampe)
fgu = 3180Hz

Wie bei der alten Lichtorgel wurden auch hier bei den Tiefpässen alle Widerstandswerte gleichgesetzt und die Kondensatorwerte berechnet. Diese wurden anschließend aus Einzelwerten zusammengesetzt und auf eine Toleranz von max. 1% vermessen. Das Verfahren setzt also ebenfalls den Zugriff auf eine ausreichende Anzahl an Kondensatoren sowie auf ein geeignetes Messgerät voraus.
Wenn man diese Möglichkeiten nicht hat, dann sollte man sich für die in der Lichtorgel 2010 LC vorgestellten Filter 4. Ordnung entscheiden und hierfür Bauteile mit einer Toleranz von 1% verwenden.


Zwischen den Ausgängen der Filterschaltungen und den nachfolgenden Steuerstufen befindet sich jeweils ein Schalter, mit dem die Steuerstufen vom Musik-Signal getrennt werden können; durch diese einfache Unterbrechung des Signalpfades ist die Lichtorgel auch als dimmbare Beleuchtung verwendbar. Die Schalter befinden sich auf der Frontplatte des Gerätes und werden mittels (nicht im Schaltplan eingezeichneter) Steckerverbinder in den Signalpfad eingefügt.
Um die Funktionalität der LO zu erhöhen, könnten an dieser Stelle auch die Steuersignale einer digitalen Licht-Steuerung eingespeist werden; sogar die Schnittstelle zu einem PC wäre denkbar.


Alle bis hierhin beschriebenen Schaltungen wurden auf einer Lochraster-Leiterplatte im Europa-Format (100mm x 160mm) aufgebaut. Die Bauteil-Dichte ist zwar nicht sehr hoch, während der Entwicklung einer Schaltung hat man aber gern den einen oder anderen Lötpunkt frei, um möglichst problemlos Änderungen durchführen zu können. An den Ecken ist zudem ausreichend Platz für Befestigungsbohrungen.

Die Stromaufnahme der Leiterplatte beträgt max. 150mA für die positive und max. 50mA für die negative Versorgungsspannung.
Signal-Aufbereitung
Signal-Aufbereitung
(Lochraster-Leiterplatte 1)

Mit den obigen Filtern 4. Ordnung sind für die komplette Leiterplatte Bauteil-Kosten zwischen 50 und 55 EUR zu veranschlagen - ohne Steckverbinder und Verbrauchsmaterial (Stand November 2009). Steckverbinder sind relativ teuer, und wenn man die Leitungen anlötet, dann kann man notfalls auch darauf verzichten.



Steuerstufen mit Linearisierung, Empfindlichkeitseinstellern und Phasenanschnittsteuerung (Studienobjekt)

In den Steuerstufen wird aus dem gefilterten Musik-Signal eine Steuerspannung für die Leistungsstufen generiert. In der alten Lichtorgel wurde das ziemlich umständlich gelöst, nicht zuletzt auch deshalb, weil die Einkopplung in die Leistungsstufen mit Übertragern stattfindet. In dieser LO erfolgt eine optische Einkopplung der Steuersignale in die Leistungsstufen, ohne eine massive vorherige Bearbeitung des gefilterten Musik-Signals geht es aber auch hierbei nicht:

Der Schaltkreis TCA785 liefert die Zündimpulse für den nachgeschalteten TRIAC, deren Phasenlage in Abhängigkeit einer Steuerspannung nahezu zwischen 0° und 180° einstellbar ist. Die Steuerspannung kann z. B. zwischen ca. 1V und 10V liegen, wobei 1 Volt dem minimalen Anschnittwinkel und 10V dem maximalen Anschnittwinkel entspricht.


Dies ist insofern ungünstig, dass ein Anschnittwinkel von 0 Grad maximale Helligkeit bedeutet und umgekehrt bei einem Anschnittwinkel von 180° die Lampe aus ist.

Hinzu kommt die Nichtlinearität zwischen dem Anschnittwinkel und dem Effektivwert der Lampenspannung. Unter der Annahme von Proportionalität zwischen der Steuerspannung des TCA785 und dem Anschnittwinkel ergibt sich theoretisch der im linken Diagramm fett dargestellte Zusammenhang.
Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Lampenspannung
Zusammenhang zwischen Steuerspannung
des TCA785 bzw. Musik-Signal
und der Lampenspannung

Wie schon in der alten Lichtorgel aus dem Jahr 1980 sollte natürlich auch bei dem neuen Gerät eine Anpassung der Sinnesempfindungen Lautstärke und Helligkeit erfolgen. Im alten Gerät wurde mit einer ungefähren Proportionalität zwischen Musik-Signal und Lampenspannung ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt, und um diesen Verlauf in der neuen LO zu erreichen, muss die fett dargestellte Kurve im linken Diagramm an der y-Achse gespiegelt, um 10V ins Positive verschoben und linearisiert werden (im linken Diagramm idealisiert gestrichelt dargestellt).

Hinzu kommen weitere technische Einzelheiten wie z. B. die Einstellung einer gewissen Trägheit der Lampen, damit sie nicht zu nervös flackern, die Einstellung einer maximalen Helligkeit, damit keine Lampe die anderen überstrahlt, und die Abschaltung der Lampen unterhalb einer bestimmten Spannung, damit sie nicht bei leisen Musikpassagen ständig vor sich hin glimmen. Alle diese Details erhöhen die Komplexität der Schaltung und lassen sich zum Teil nur durch Experimentieren anhand der subjektiven Empfindungen des Erbauers zufriedenstellend umsetzen.
Die hier beschriebene Steuerstufe bietet die oben genannten Möglichkeiten, und diese sollen nachfolgend etwas näher erläutert werden.

Nach der Gleichrichtung des gefilterten Musik-Signals gelangt es zunächst an den Integrationskondensator C1-2. Dieser Kondensator bestimmt die Trägheit der Lampe, sinnvoll ist hierfür ein Wert zwischen 1uF und 10uF.

Anschließend gelangt das Signal über eine einfache Linearisierungsschaltung an die Mischstufe. Die Linearisierung besteht aus den Bauteilen R4-2 und LED1-2, wobei die LED nicht als optischer Signalgeber, sondern als Diode mit einer Durchlassspannung von ca. 1,8 bis 2V benutzt wird (die Alternative zu LED1-2 wäre die Reihenschaltung von 3 "normalen" Siliziumdioden). Ab dieser Spannung wird der Widerstand R4-2 parallel zu P1-2 geschaltet, woraus eine Erhöhung der Verstärkung resultiert. Wenn man kein Poti investieren möchte, dann kann in erster Näherung auch ein Festwert von 32,4k ausprobiert werden. Mit der Schaltung ergibt sich der im rechten Diagramm der obigen Abbildung dargestellte Verlauf, wobei der gestrichelte Teil der Kurve mit einem später beschriebenen Detail ausgeblendet werden kann.
Die Linearisierung ist leider nicht ideal, da sie eigentlich direkt im Pfad der Steuerspannung für den TCA785 wirken müsste, und nicht nur auf das Musik-Signal; das würde den Aufwand jedoch noch mehr erhöhen. Der Nachteil der hier beschriebenen einfachen Linearisierung macht sich aber nur bei einem Betrieb der Lampen mit Unterspannung bemerkbar; für diesen Fall ist der Verlauf zwischen Musik-Signal und Lampenspannung "überlinearisiert".

In der Mischstufe wird außerdem das Signal des Empfindlichkeitseinstellers eingekoppelt, wobei im Sinne einer optimalen Arbeitspunkteinstellung auch dieser Anteil mittels Trimmer einstellbar ist. Wenn hierfür ebenfalls kein Poti eingebaut werden soll, dann lässt sich mit einem Festwert von 80,6k der Arbeitspunkt der LO ungefähr auf die Mittelstellung des Empfindlichkeitseinstellers legen.

Das Ausgangssignal der Mischstufe wird noch einer Schaltung zur Steuerung einer Kontroll-Lampe (12V / 20mA) zugeführt. Da die positive Versorgungsspannung schon mit der Leuchtband-Anzeige der Aussteuerungskontrolle belastet wird, erfolgt die Speisung der 4 Kontroll-Lampen aus der negativen Versorgungsspannung.

Am Ausgang der Mischstufe liegt eine Spannung zwischen ca. -0,65V und +11V. Da der TCA785 keine negative Steuerspannung verarbeiten kann, wird das Signal über LED2-2 an das Poti zur Einstellung der maximalen Helligkeit geführt. Auch diese LED wird nicht als Leuchtdiode, sondern als Diode mit einer Durchlassspannung von ca. 1,6V benutzt. Sie bewirkt, dass stets eine positive Steuerspannung oberhalb von ca. +0,7V am Steuereingang des TCA785 liegt.
Mit dem Poti zur Einstellung der max. Helligkeit kann die Lampenspannung auf einen Wert von ca. 160V begrenzt werden; die Lampe leuchtet dann deutlich dunkler. Das Detail wird man - wenn überhaupt - vermutlich nur für die gelbe Lampe benötigen. Zur einmaligen Einstellung reicht ein Trimmpoti, und wenn man diese Einstellmöglichkeit nicht braucht, dann können der Widerstand R7-2 und das Poti P3-2 auch einfach durch einen Festwert von 12k ersetzt werden.


Vom Poti zur Einstellung der max. Helligkeit gelangt das Signal auf den Steuereingang des TCA785.
Transistor T2-2 war ursprünglich nicht vorgesehen, aber während der Entwicklung der Schaltung zeigte sich, dass der Eingangswiderstand des TCA785 typischerweise nur ca. 15k beträgt und das vorgeschaltete Poti entsprechend belastet. Die Beeinflussung führt bei dunkel eingestellten Lampen zu einer Verfälschung des mit dem Empfindlichkeitseinsteller P2 vorgegeben Wertes in Abhängigkeit der Position des Potis P3-2. Um diesen Effekt zu minimieren, wurde der Transistor als Impedanzwandler dazwischengeschaltet.
Steuerstufe
Steuerstufe für einen Kanal

Transistor T3-2 schaltet in Abhängigkeit der Steuerspannung des TCA785 den Enable-Eingang ab einem bestimmten Wert gegen Masse. Dadurch kann die Lampe unterhalb etwa 50V abgeschaltet werden, damit sie bei sehr leiser Musik nicht ständig glimmt. Vorgegeben wird die Abschaltschwelle vom Spannungsteiler R12-2 und R13-2, wobei der Widerstand R13-2 je nach Transistor auch etwas größer oder kleiner sein kann. Da diese Funktion beim Abgleich der Steuerstufe noch nicht wirken darf, lässt sie sich mit Hilfe einer Steckbrücke (Jumper J1-2) aktivieren.
Wenn diese Möglichkeit nicht gewünscht ist, dann können der Jumper, der Spannungsteiler und der Transistor einfach weggelassen werden.

Zumindest die Empfindlichkeitseinsteller und die Kontroll-Lampen befinden sich auf der Frontplatte des Gerätes. Die Verbindung zur Leiterplatte erfolgt mittels Steckverbinder, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht im Schaltplan eingezeichnet sind.
Die Stromversorgung der Steuerstufe erfolgt über einen 4-poligen Steckverbinder (ST7-2), der neben der Versorgungsspannung auch die Synchronisationsspannung für den TCA785 einspeist.


Die Stromaufnahme der Leiterplatte beträgt max. 100mA für die positive und ebenso max. 100mA für die negative Versorgungsspannung.

Je nach Ausstattung sind für die komplette Leiterplatte mit 4 Steuerstufen Bauteil-Kosten zwischen 60 und 75 EUR zu erwarten - ebenfalls ohne Steckverbinder und Verbrauchsmaterial (Stand November 2009). Am teuersten sind die 4 Schaltkreise TCA785, die allein schon mit ca. 35 Euro zu Buche schlagen.
Steuerstufe
Steuerstufe
(Lochraster-Leiterplatte 2)

Es geht aber auch weniger kompliziert. Wie bereits oben erwähnt wird in der Beschreibung der Lichtorgel 2010 LC eine erheblich einfachere Steuerstufe vorgestellt, die ihren Zweck genauso gut erfüllt.



Leistungsstufen

Diese einfache Schaltung wurde dem Datenblatt des OPTO-TRIACs MOC3022 entnommen und soll an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.

Zu beachten ist jedoch, dass der MOC3022 eine Schnittstelle zwischen berührbarer Kleinspannung und gefährlicher Netzspannung darstellt. Das Bauelement selbst ist für diesen Zweck geeignet und widersteht einer Prüfspannung von 5300V zwischen Eingang und Ausgang, das funktioniert aber nur dann, wenn sich dazwischen auch ein ausreichender Abstand (Kriechstrecke) von mehreren Millimetern befindet.
Leistungsstufe
Leistungsstufe für einen Kanal


Im vorliegenden Fall wurde eine EP-Lochraster-Leiterplatte verwendet und die 4 OPTO-TRIACs alle in einem kleinen Bereich konzentriert. Zwischen den Ein- und Ausgangspins wurden alle überflüssigen Lötpunkte sorgfältig entfernt, um maximale Abstände zu erreichen.

Für diese Leiterplatte sind Bauteil-Kosten zwischen 45 und 50 EUR zu veranschlagen - ohne Steckverbinder und Verbrauchsmaterial (Stand November 2009).
Leistungsstufe
Leistungsstufe
(Lochraster-Leiterplatte 3)



Festlegung der Lampen-Leistung und Absicherung der TRIACs

Hier gelten die gleichen Betrachtungen, wie sie schon in der Lichtorgel aus dem Jahr 1980 aufgeführt wurden. In diesem Gerät werden allerdings 800V/16A - TRIACs verwendet, da sie etwas preisgünstiger waren, als die 600V/16A - Typen.



Gleicher Helligkeitseindruck aller Lampen bei voller Leistung

Auch hierzu gelten die gleichen Betrachtungen, wie bei der Lichtorgel aus dem Jahr 1980. Im Gegensatz zu dem alten Gerät ist bei dieser Lichtorgel die max. Helligkeit mittels eines Potenziometers in der Steuerstufe einstellbar.



Funkentstörung

Die Leistungsstufe enthält eine wirksame Funkentstörung aus Induktivitäten und Kondensatoren.
Hinsichtlich der zu verwendenden Kondensatoren wird ebenfalls auf die Lichtorgel aus dem Jahr 1980 verwiesen.



Stromversorgung

Die Stromaufnahme der Signal-Aufbereitung und der Steuerstufe beträgt etwa +150mA / -50mA und +100mA / -100mA, was einer Gesamt-Leistung von 6W entspricht. Unter der Annahme, dass an jedem der beiden Spannungsregler noch 1W Verlustleistung umgesetzt wird, dann sollte ein Transformator mit einer Sekundärleistung von 10VA ausreichen.
Im vorliegenden Netzteil wird ein Trafo mit den Wicklungen 2 x 15V / 333mA (erhältlich bei CONRAD, Best. Nr. 504411) eingesetzt.


Verwendet wird eine "klassische" Schaltung, bestehend aus Netztransformator, Gleichrichter, Ladekondensatoren und Festspannungsreglern. Da die Spannungsregler eine Verlustleistung von etwa 1W umsetzen, sollten sie mit je einem kleinen Kühlkörper versehen werden.

Auf weitere Kondensatoren wurde bewusst verzichtet, es ist aber möglich, dass auf den beiden Leiterplatten noch der eine oder andere Stützkondensator erforderlich ist. Da das auch vom Aufbau abhängt, wird sich die Notwendigkeit weiterer Kondensatoren im Einzelfall zeigen.
Stromversorgung
Stromversorgung


Da der Netztransformator eine Schnittstelle zwischen berührbarer Kleinspannung und gefährlicher Netzspannung darstellt, ist - wie bei den OPTO-TRIACs auch - auf ausreichende Abstände zwischen den Pins der Primär- und der Sekundärwicklung(en) zu achten. Im vorliegenden Fall wurde eine EP-Lochraster-Leiterplatte verwendet und zwischen den Ein- und Ausgangspins alle Lötpunkte sorgfältig entfernt.

Für das Netzteil sind Bauteil-Kosten zwischen 15 und 20 EUR zu veranschlagen - wiederum ohne Steckverbinder und Verbrauchsmaterial (Stand November 2009).
Netzteil
Netzteil
(Lochraster-Leiterplatte 4)



Abgleich der Steuerstufe(n)

Der Abgleich wird am Beispiel der oben dargestellten Steuerstufe beschrieben und ist sinngemäß auch an den Steuerstufen der anderen Kanäle durchzuführen.

Achtung:
Der Abgleich erfordert Messungen an Stromkreisen mit gefährlicher Netzspannung. Es besteht die Gefahr der Zerstörung von Messgeräten und eines tödlichen elektrischen Schlags.
Diese Arbeiten sind deshalb mit größter Vorsicht unter Einhaltung der üblichen Schutzmaßnahmen durchzuführen, d. h. an einem 230V-Netz mit Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schutzschalter) und/oder unter Verwendung eines Netz-Trenntransformators.


Der Abgleich wird ohne die Leiterplatte "Signal-Aufbereitung" durchgeführt, der Jumper J1-2 darf - soweit vorhanden - nicht gesteckt sein.


1.
Trimmpotis P1-2, P2-2 und P4-2 ungefähr auf Mittelstellung einstellen.
2.
Poti P3-2 - falls vorhanden - auf die Seite von LED2-2 einstellen.
3.
Den Empfindlichkeitseinsteller P2 auf Mittelstellung oder eine andere Position einstellen, die später dem Arbeitspunkt der Lichtorgel entsprechen soll.
4.
Wechselspannungsvoltmeter parallel zur Lampe anschließen, Messbereich mind. für 230V.
5.
Gleichspannungsvoltmeter an IC2-2 Pin 11 anschließen, Messbereich mind. für 10V.
6.
Alle Verbindungen herstellen und das Gerät einschalten.
7.
Trimmer P2-2 so einstellen, dass an IC2-2 Pin 11 eine Spannung von 10,0V liegt. Wird dieser Wert nicht erreicht, dann ist die Spannung an der Z-Diode D4-2 zu messen; sie sollte einen Wert von 10,7V nicht unterschreiten.
8.
Trimmer P4-2 so einstellen, dass an der Lampe eine Spannung von 0,7 bis 0,8V liegt; dieser Wert entspricht der nicht leuchtenden Lampe.
9.
Ein Sinus-Signal mit einem Effektivwert von 1V (2,8VSS), Frequenz ca. 1kHz, an den Eingang der Steuerstufe schalten.
10.
Trimmer P1-1 so einstellen, dass an IC2-2 Pin 11 eine Spannung von 1,0V liegt; dieser Wert entspricht der maximalen Netzspannung an der Lampe

Der Abgleich der Steuerstufe ist damit abgeschlossen.
Die Position des Empfindlichkeitseinstellers P2 entspricht dem Arbeitspunkt der Lichtorgel und kennzeichnet zugleich den Beginn des Dimmerbetriebs der Lampen bei abgeschaltetem Musik-Signal; eine Einstellreserve "nach oben" gibt es bei dieser Einstellung zwangsläufig nicht mehr. Das ist normalerweise auch nicht nötig, die Empfindlichkeitseinsteller müssen eher noch etwas zurückgedreht werden.
Wird dennoch eine Einstellreserve "nach oben" gewünscht, dann ist der Empfindlichkeitseinsteller P2 vor der Durchführung von Schritt 10 geringfügig nach links zu drehen.



Praktische Erfahrungen

Im Januar 2010 gibt es die Information, dass der TRIAC TIC246N (800V / 16A) bei RS-Components nicht mehr erhältlich ist. Das Bauteil muss deshalb anderweitig beschafft oder aber durch einen anderen Typ ersetzt werden. Ein 600V / 16A - TRIAC ist ausreichend und arbeitet seit vielen Jahren zuverlässig in der alten Lichtorgel.

Das Gerät wurde bis zum Januar 2010 nicht aufgebaut; wann bzw. ob das überhaupt erfolgt, steht noch nicht fest.
Wohl aber wurden alle Leiterplatten zusammengesteckt und mit 100W-Lampen eingehend an Musik getestet. Alle Teilschaltungen arbeiten einwandfrei, offensichtliche Mängel wurden nicht festgestellt und der optische Eindruck entspricht durchaus dem einer "richtigen" Lichtorgel.
Zur Vermeidung von Lampen-Flackern bei höherem Eingangssignal wurde lediglich noch ein 1uF-Kondensator zwischen IC2-2 Pin 11 und +15V geschaltet (C6-2).

Ob die Filter 6. Ordnung tatsächlich eine sichtbar bessere Kanaltrennung bewirken, ist schwer zu sagen. Vermutlich kann das - wenn Überhaupt - nur in einem direkten Vergleich der Filter 6. und 4. Ordnung beurteilt werden.


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