Lichtorgel 2010 LC

 
 

4-Kanal-Lichtorgel mit Phasenanschnittsteuerung aus dem Jahr 2010

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  In diesem letzten Beitrag zum Thema Lichtorgel wird die Schaltung der 4-Kanal-Lichtorgel 2010 LC vorgestellt, die im Wesentlichen einfachere Filter sowie deutlich einfachere Steuerstufen enthält. Mit diesen Maßnahmen lassen sich im Vergleich zur Lichtorgel 2010 vermutlich mindestens 50 EURO einsparen.
Viele Details wurden aber von der Lichtorgel 2010 übernommen und an dieser Stelle deshalb nicht mehr tiefgehend beschrieben; für Einzelheiten wird auf die Beschreibungen der Lichtorgel 1980 sowie der Lichtorgel 2010 verwiesen.

Da auch dieses Gerät an lebensgefährlicher Netzspannung zu betreiben ist, zunächst wieder folgender Hinweis:



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 der neuen Lichtorgel 2010 LC entspricht weitgehend dem Blockschaltbild der Lichtorgel 2010 mit dem Unterschied, dass die Aussteuerungsanzeige als erstes Detail der Sparmaßnahmen zum Opfer gefallen ist.
Blockschaltbild
Blockschaltbild der Lichtorgel 2010 LC



Eingangsempfindlichkeit und Eingangswiderstand

Die Eingangsempfindlichkeit von 100mVeff (Sinus) bzw. ca. 280mVSS (Spitze-Spitze) pro Kanal bei einem Eingangswiderstand von minimal 50kΩ wurde beibehalten.
Mit dieser hohen Empfindlichkeit lässt sich die Lichtorgel z. B. auch an Signalquellen betreiben, die noch nicht vom Lautstärke-Einsteller beeinflusst werden.



Pegel-Anpassung und Kanalmischung


Dieses Schaltungsdetail wurde 1:1 von der Lichtorgel 2010 übernommen.

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



Aussteuerungsanzeige

Eine Aussteuerungsanzeige ist ein gewisser Luxus, der zwar das Erscheinungsbild einer Lichtorgel aufwertet, aber durchaus verzichtbar ist. Mit Hilfe des Pegel-Einstellers und der einzelnen Empfindlichkeitseinsteller sollte es auch ohne Aussteuerungsanzeige möglich sein, einen optimalen Arbeitspunkt für die LO zu finden.




Aussteuerungsautomatik (Automatische Verstärkungsregelung, AVR)

Auf eine Aussteuerungsautomatik könnte zwar ebenfalls grundsätzlich verzichtet werden, bei den anderen beiden LOs hat sich die AVR aber stets als sehr komfortabel erwiesen, wenn man nicht ständig an irgendwelchen Potis herumschwengeln will. Selbst große Lautstärke-Unterschiede zwischen den Musikstücken werden hervorragend ausgeglichen, und wenn die einzelnen Empfindlichkeitseinsteller erst einmal korrekt eingestellt sind, dann kann man das Gerät praktisch sich selbst überlassen. Auch die AVR wurde unverändert von der Lichtorgel 2010 übernommen.


Aussteuerungsautomatik (AVR) mit SSM2166
Aussteuerungsautomatik (AVR) mit SSM2166
 
 
Der SSM2166 auf einem DIL-Sockel
Der SSM2166 auf einem DIL-Sockel
in der Lichtorgel 2010



Nachverstärker mit Höhenanhebung

Dieses Detail wurde bereits in der Lichtorgel 1980 beschrieben.

Eine Nachverstärkung ist erforderlich, auf eine gleichzeitige Höhenanhebung kann heutzutage jedoch verzichtet werden.
Moderne Musik enthält oftmals nahezu alle Frequenzen in gleicher Stärke, und eine zusätzliche Anhebung der hohen Frequenzen erübrigt sich.
Erforderlichenfalls muss die Empfindlichkeit für die blaue Lampe etwas höher eingestellt werden, als für die anderen Lampen.
Nachverstärker
Nachverstärker



Aufteilung des Niederfrequenzspektrums und Zuordnung der Lampen-Farben

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



Steilflankige Filter

Die Filter einer Lichtorgel trennen gewissermaßen "die Spreu vom Weizen"; es ist nicht sehr befriedigend, wenn z. B. bei einem kräftigen Bass sämtliche Lampen ansprechen, aber bei einfachen Geräten ist das leider oftmals der Fall.

Auch macht es wenig Sinn, z. B. 6 oder gar 8 Kanäle mit Filtern 1. Ordnung trennen zu wollen. Die Flanken solcher Filter sind viel zu flach, als dass man damit so viele Kanäle zufriedenstellend trennen könnte; hierbei werden praktisch immer 2 bis 3 Lampen im nahezu gleichen Rhythmus leuchten. Dann kann man sich den Aufwand auch sparen und die Lichtorgel von vornherein auf 3 Kanäle reduzieren. Grundsätzlich gilt: Je mehr Niederfrequenzkanäle eine LO haben soll, desto steilflankiger müssen die Filter sein.

Aber selbst dann, wenn Filter mit unendlich steilen Flanken realisierbar wären, kann die Kanaltrennung bei einer Lichtorgel nicht 100%ig sein. Die Ursache dafür ist physikalisch bedingt:
Jeder Klang, dessen Kurvenform von einer Sinusfunktion abweicht - und bei Musik ist das der Fall - besteht nach Fourier aus einer Grundschwingung und sog. Oberwellen. Allein die Höhe und die Anzahl der Oberwellen - also das Oberwellenspektrum - sind der Grund dafür, dass Instrumente und Stimmen unterschiedlich klingen.
Die Frequenzen der Oberwellen sind in der Regel ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz. Sie liegen also zum Teil in den Frequenzbereichen der darüberliegenden Kanäle und beeinflussen entsprechend die Lampen - ein unerwünschter, aber unvermeidbarer Effekt, der sich mit einem kurzen Oberwellen-Testvideo einfach demonstrieren lässt.
In der ersten Hälfte des Videos wurde die Lichtorgel mit einem 120Hz-Sinus und in der zweiten Hälfte mit einem 120Hz-Rechteck gleicher Amplitude angesteuert. Die Oberwellen der Rechteck-Funktion sind nicht nur hörbar, sondern mittels der gelben Lampe auch sichtbar.

Von diesem Effekt sind auch die anderen darüberliegenden Kanäle betroffen. Einzig der Bass-Kanal bleibt verschont, da es hier keine Oberwellen von noch tieferen Tönen gibt. So gesehen ist der Bass-Kanal der Kanal mit der besten Trennschärfe.


Nach diesen theoretischen Betrachtungen nun zur Praxis:
Die alte LO enthält Tschebyscheff-Filter 4. Ordnung mit 0,5dB Welligkeit - diese haben sich bewährt und sind im Vergleich zu den Filtern von Low-Cost-Geräten hervorragend. In der Lichtorgel 2010 wurden Tschebyscheff-Filter 6. Ordnung mit 0,5dB Welligkeit ausprobiert, die allerdings sehr eng tolerierte Bauteile erforden - mit diesen Filtern ließen sich vermutlich auch 6 Niederfrequenzkanäle noch einigermaßen brauchbar voneinander trennen.
In beiden Fällen handelt es sich um aktive Filter mit Einfach-Mitkopplung. Sie benötigen zwar ein Minimum an Bauteilen, sollen aber relativ empfindlich gegenüber Bauteil-Toleranzen sein.

Für die Lichtorgel 2010 LC wurden deshalb erstmalig aktive Filter mit Mehrfach-Gegenkopplung aufgebaut und vermessen. Diese benötigen zwar pro Filterflanke ein Bauteil mehr, sollen dafür aber unempfindlicher gegenüber Bauteil-Toleranzen sein.
Das mag für bestimmte Filterparameter zutreffen, die Ergebnisse der Messungen waren allerdings nicht überzeugend. Wenn z. B. nach einer Tiefpass-Hochpass-Transformation bei einem Hochpass die Kondensatoren vorgegeben und die Gleichungen zur Berechnung der Widerstände entsprechend umgestellt werden, dann sind Grenzfrequenz und Kondensatorkapazität wieder exakt reziprok zueinander; in diesem Fall geht die Bauteil-Toleranz vollständig in die Berechnung der Grenzfrequenz ein. Unter diesen Umständen kann man das zusätzliche Bauteil auch einsparen und - wie in den beiden bisherigen Lichtorgeln - Pässe mit Einfach-Mitkopplung verwenden.

Beim Entwurf geeigneter Filter kann man sehr viel herumrechnen. Auch die anschließende messtechnische Überprüfung ist zeitintensiv, aber man möchte schließlich wissen, ob Theorie und Praxis einigermaßen übereinstimmen.
Nicht jeder hat allerdings die Möglichkeit zur Aufnahme von Filterkurven und/oder nachträglichen Korrektur der Schaltung. Das Ziel war deshalb, hier Filter vorzustellen, welche einfach aufzubauen sind und vor allem sicher funktionieren, ohne sie erst langwierig nachmessen zu müssen. Um einen Punkt kommt man dabei jedoch nicht herum: Wenn ein Filter die Erwartungen erfüllen soll, dann braucht es entsprechend genaue Bauelemente, d. h. Bauteile mit einer Toleranz von 1%. Bei Widerständen ist das kein Problem und auch 1%-Kondensatoren gibt es z. B. bei der Fa. RS-Components. Die Werte beschränken sich aber auf die E6-Reihe und die Kondensatoren sind nur im 10er-Pack erhältlich - und sie haben ihren Preis.
Eine Optimierung der Filter wird also darauf hinauslaufen, zunächst einmal Kapazitätswerte vorzugeben, die man auch bekommt, des weiteren mit möglichst wenig unterschiedlichen Werten auszukommen und letztendlich die 10er-Packungen effektiv nutzen zu können. Die berechneten Widerstände sollten außerdem einerseits nicht zu klein sein, damit sie die Operationsverstärker nicht überlasten, andererseits aber auch nicht zu groß, damit die Eingangswiderstände der Operationsverstärker noch vernachlässigbar bleiben. Es gibt eine Menge Faktoren, die zu beachten sind und bei den nachfolgenden Schaltungen berücksichtigt wurden.


Filter 2. Ordnung sind für eine 4-Kanal-Lichtorgel das Minimum; darunter braucht man gar nicht erst anzufangen, wenn 4 Kanäle noch einigermaßen brauchbar getrennt werden sollen (realistisch betrachtet sollte man Filter 2. Ordnung eigentlich eher für eine 3-Kanal-Lichtorgel verwenden). Um die vorgegebenen Grenzfrequenzen zu erreichen, sind auch für diese einfachen Filter 1%-Bauteile zu empfehlen.
Die nachfolgenden Schaltungen benötigen neben den Widerständen nur 2 unterschiedliche Kapazitätswerte und als aktive Elemente nur einen Doppel- und einen Vierfach-Operationsverstärker; die Kosten halten sich somit in Grenzen.
Von der Charakteristik her sind es Tschebyscheff-Filter 2. Ordnung mit 1dB Welligkeit, welche im Durchlassbereich eine Schwankung von etwa 10% verursacht. Bei Ansteuerung mit einem Musik-Signal sollte das aber nicht wahrnehmbar sein.
Die höhere Welligkeit hat andererseits den Vorteil, dass die Filterflanken im Bereich der Grenzfrequenzen etwas steiler sind. Somit bekommt man eine Kanaltrennung, die der von handelsüblichen Low-Cost-Geräten mit Filtern 1. Ordnung immer noch deutlich überlegen ist.


Tiefpass 2. Ordnung
Tiefpass 2. Ordnung (rote Lampe)
fgo = 126Hz
 
Bandpass 2. Ordnung
Bandpass 2. Ordnung (gelbe Lampe)
fgu = 126Hz / fgo = 632Hz

Bandpass 2. Ordnung
Bandpass 2. Ordnung (grüne Lampe)
fgu = 632Hz / fgo = 3180Hz
 
Hochpass 2. Ordnung
Hochpass 2. Ordnung (blaue Lampe)
fgu = 3180Hz

Nimmt man die Grenzfrequenzen als korrekt an, so ergeben sich die nebenstehenden Frequenzgänge. Die Kurven entsprechen weitestgehend der Theorie, was den 1%-Bauteilen zu verdanken ist. So beträgt die Flankensteilheit bei allen Filtern zwischen 12 und 13dB pro Oktave und die Welligkeit des Tief- und des Hochpasses liegt etwa bei den erwarteten 1dB. Lediglich das Maximum der Bandpässe ist mit 1,5dB über der Null-Linie etwas höher.
Natürlich funktionieren die Filter auch mit ungenaueren Bauteilen, man muss dann aber entsprechende Abweichungen hinnehmen. Ob diese Abweichungen in einer Lichtorgel tatsächlich sichtbar stören, darf angezweifelt werden. Letztendlich obliegt es den Ansprüchen des Erbauers, wie genau es sein soll.
Frequenzgänge der Filter 2. Ordnung
Frequenzgänge der Filter 2. Ordnung


Die nächste Steigerung wären Filter 3. Ordnung. Sie haben den Vorteil, dass keine weiteren Operationsverstärker erforderlich sind, sondern den existierenden Schaltungen lediglich jeweils noch ein passives Filter 1. Ordnung vorgeschaltet werden kann. Allerdings sind alle Werte neu zu berechnen, und da die einzelnen Teilfilter nicht voneinander entkoppelt sind, gestaltet sich die Berechnung als ausgesprochen lästig.
Alternativ kann man pro Flanke einen weiteren Operationsverstärker spendieren und daraus einen Pass 1. Ordnung machen. Natürlich sind auch in diesem Fall alle Werte neu zu berechnen, aber die Berechnung ist dann einfacher und entspricht der von entkoppelten Pässen.
Wenn man aber schon einen weiteren Operationsverstärker spendiert, dann kann man pro Flanke auch noch 2 weitere frequenzbestimmende Bauteile hinzufügen und erhält somit Filter 4. Ordnung. Auf die Beschreibung von Filtern 3. Ordnung soll deshalb aus Gründen des Aufwands verzichtet werden.


Filter 4. Ordnung können für eine 4-Kanal-Lichtorgel als optimal bezeichnet werden. Sie erlauben eine halbwegs saubere Kanaltrennung und lassen sich vor allem ohne zeitraubende messtechnische Überprüfung und/oder Nachbesserung einsetzen - soweit sie natürlich ausschließlich 1%-Bauteile enthalten.


Tiefpass 4. Ordnung
Tiefpass 4. Ordnung (rote Lampe)
fgo = 126Hz
 
Bandpass 4. Ordnung
Bandpass 4. Ordnung (gelbe Lampe)
fgu = 126Hz / fgo = 632Hz

Bandpass 4. Ordnung
Bandpass 4. Ordnung (grüne Lampe)
fgu = 632Hz / fgo = 3180Hz
 
Hochpass 4. Ordnung
Hochpass 4. Ordnung (blaue Lampe)
fgu = 3180Hz

Die obigen Tschebyscheff-Filter 4. Ordnung mit 0,5dB Welligkeit benötigen neben handelsüblichen 1%-Widerständen nur die 3 Kapazitätswerte 68nF, 33nF und 3,3nF. Insgesamt sind 3 x 10 Kondensatoren zu investieren, von denen 27 Stück verbaut werden - nur 3 Kondensatoren bleiben übrig.
An aktiven Bauteilen brauchen alle Filter insgesamt 3 Vierfach-Operationsverstärker.

Aus Gründen des Aufwands wurden die Filter nicht aufgebaut und vermessen; dies ist auch nicht vorgesehen. Bei Verwendung von 1%-Bauteilen sind jedoch ähnliche Frequenzgänge zu erwarten, wie sie für die Filter in der Lichtorgel von 1980 aufgenommen wurden.
Tschebyscheff-Filter 4. Ordnung
Frequenzgänge der
Tschebyscheff-Filter 4. Ordnung mit 0,5dB Welligkeit
in der Lichtorgel von 1980


Beim Entwurf der Filter wurden auch sog. SC-Filter (Switched Capacitor Filter, Filter mit geschalteten Kondensatoren) in Betracht gezogen. Sie haben die Vorteile, dass z. B. die Grenzfrequenzen einfach änderbar sind und nicht von Bauteile-Toleranzen abhängen.
Solche Filter haben aber auch Nachteile. Der Betrieb dieser Filter erfordert zudem einen Clock-Generator und verschiedene Bauteile für die Schaltkreise, veränderbare Grenzfrequenzen sind dagegen unwichtig. In einer Lichtorgel bringen SC-Filter vermutlich keine Vorteile und deren Einsatz wurde deshalb nicht weiter verfolgt.




Steuerstufen mit Empfindlichkeitseinstellern, Linearisierung und Phasenanschnittsteuerung

In den Steuerstufen werden aus dem gefilterten Musik-Signal Zündimpulse für die TRIACs der Leistungsstufen generiert. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei die Schaltung mit dem Schaltkreis TCA785 in der Lichtorgel 2010 eine recht komplizierte und kostspielige Variante ist. Das Ziel war deshalb, eine preisgünstigere, aber dennoch zuverlässig funktionierende Lösung zu finden.

Die einfachste Möglichkeit wäre, das gefilterte Musik-Signal nochmal zu verstärken, gleichzurichten und einem handelsüblichen 4-Kanal-Dimmer-Pack mit 0-10V - Eingang als Steuerspannung zuzuführen. Damit wäre auch der Bau der Leistungsstufen überflüssig und die Lichtorgel könnte sich auf ein relativ einfaches Zusatzgerät mit 4 Kleinspannungsausgängen beschränken. Dieses Zusatzgerät könnte zudem aus einem Steckernetzteil versorgt werden und wäre somit völlig frei von gefährlicher Netzspannung.
Auf den ersten Blick eine verlockende Lösung, das funktioniert aber nur dann zufriedenstellend, wenn das Dimmer-Pack nicht allzu träge reagiert und die Lampenspannung einigermaßen proportional zur Steuerspannung ist - Informationen darüber lagen zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrags nicht vor.


Wenn man nicht auf bestehende Dimmer zurückgreifen kann, aber dennoch eine Helligkeitssteuerung der Lampen gewünscht ist, dann muss man selbst eine Phasenanschnittsteuerung "basteln", was auch ohne Verwendung spezieller Schaltkreise mit wenig Aufwand möglich ist. Hierzu kann eine zur Netzspannung synchrone Rampenspannung erzeugt und diese mit einer Steuerspannung (gleichgerichtetes Musik-Signal) verglichen werden (siehe Oszillogramm).


Die Zündung des TRIACs erfolgt z. B., sobald die Rampenspannung den Wert der Steuerspannung unterschreitet, also praktisch im Schnittpunkt beider Kurven.
Bei zunehmender Steuerspannung wird der Schnittpunkt nach links verschoben; der Phasenanschnitt erfolgt zu Beginn der Sinus-Halbwelle und die Lampe leuchtet hell. Bei abnehmender Steuerspannung wird der Schnittpunkt nach rechts verschoben; der Phasenanschnitt erfolgt am Ende der Sinus-Halbwelle und die Lampe leuchtet dunkler.
Eine abfallende Rampe hat hierbei den Vorteil, dass keine Invertierung und/oder Verschiebung des gleichgerichteten Musik-Signals erforderlich ist.
Prinzip der Phasenanschnittsteuerung
Prinzip der Phasenanschnittsteuerung

Zur Vermeidung ungewollter Zündungen wird ein zusätzlicher Impuls benötigt, der alle Opto-TRIACs in der Leistungsstufe im Bereich der Nulldurchgänge für ca. 0,5ms stromlos schaltet (Sperr-Impuls). Erreicht wird das mit einem Komparator, dessen Schaltschwelle etwa doppelt so hoch eingestellt ist, wie die Schaltschwelle für den Komparator des Rampengenerators. Erst dann, wenn die Rampe begonnen hat, werden die Opto-TRIACs freigeschaltet und kurz vor dem Ende der Rampe werden sie wieder gesperrt.


Zur Erzeugung der erforderlichen Impulse wird die doppelweg-gleichgerichtete Sekundärspannung des Netztrafos verwendet. Bei einem Effektivwert von 12V ergeben sich nach Gleichrichtung Sinus-Halbwellen mit einer Amplitude von ca. 16V, die über den Teiler R1-I / R2-I an die Komparatoren IC1-I gelangen. Da die Schaltung für diese Spannung ausgelegt ist, sollte der Wert von R1-I zwischen 1 und 5kΩ betragen. Erst bei einer deutlich höheren Sekundärspannung ist R1-I entsprechend anzupassen. Diode D1-I klemmt die Sinus-Halbwellen gegen +12V, um die Eingänge von IC1-I zu schützen.

Mit dem oberen Komparator wird der Sperr-Impuls für die Opto-TRIACs in der Leistungssufe erzeugt. Seine Schaltschwelle beträgt 1V, d. h. während einer Zeit von ca. 0,5ms um den Nulldurchgang der Wechselspannung herum werden die Fußpunkte aller Opto-TRIACs über Transistor T1-I vom Bezugspotenzial getrennt und somit abgeschaltet.

Innerhalb dieser Zeit erfolgt die Umladung des Kondensators im Rampengenerator (unterer Komparator), dessen Schaltschwelle bei 0,5V liegt. Der Rechteck-Impuls am Ausgang des Komparators gelangt an Kondensator C1-I, dessen rechte Seite mittels einer Stromquelle aus T2-I und R8-I / P1-I konstant entladen wird. Dadurch ergibt sich eine nahezu linear von 10V auf 0V abfallende Rampe, die den Komparatoren in den Steuerstufen aller 4 Kanäle zugeführt wird.

Schaltung der Impuls-Erzeugung
Schaltung der Impuls-Erzeugung
Sowohl die Rampenspannung als auch der Sperr-Impuls lassen sich mit nur einem Doppel-Operationsverstärker und wenigen anderen Bauteilen erzeugen. Damit an den Komparator-Ausgängen nur positive Impulse entstehen, sollte ein Operationsverstärker verwendet werden, der allein mit positiver Versorgungsspannung auskommt und eingangs- und ausgangsseitig nahezu Null Volt zulässt. Geeignet ist z. B. der LM358, der diese Bedingungen aufgrund seines PNP-Eingangs erfüllt.
Wichtig ist auch, dass für die Impuls-Erzeugung beide Halbwellen der Versorgungsspannung berücksichtigt werden, da ein TRIAC für beide Halbwellen gezündet werden muss.


Das gefilterte Musik-Signal gelangt über den Empfindlichkeitseinsteller P1-S an die Steuerstufe(n), wird gleichgerichtet und zwecks Anpassung zwischen Musik-Signal und Lampenspannung amplitudenabhängig verstärkt (Linearisierung).


Da die Eingangsempfindlichkeit der Steuerstufe(n) - wie auch bei den anderen LOs - auf 1Veff festgelegt wurde und der Arbeitspunkt der Lichtorgel etwa bei Mittelstellung des Empfindlichkeitseinstellers liegen soll, beträgt die tatsächliche Eingangsspannung der Steuerstufe(n) nur etwa 0,5Veff und muss entsprechend verstärkt werden.
Damit auch die Linearisierung bei dieser niedrigen Spannung korrekt einsetzt, wurden als Linearisierungsdioden eine Siliziumdiode (D1-S) und eine Schottky-Diode (D2-S) mit niedriger Flussspannung in Reihe geschaltet.
Steuerstufe für <u>einen</u> Kanal
Steuerstufe für einen Kanal

Über den Trimmer P2-S wird die Steuer-Gleichspannung an den Komparator geleitet und hier mit der Rampenspannung verglichen. Am Ausgang dieses Komparators liegt ein rechteckförmiger Impuls, dessen ansteigende Flanke sich in Abhängigkeit der Steuer-Gleichspannung nahezu zwischen 0° und 180° Phasenwinkel verschieben lässt und den Opto-TRIAC steuert.

Der Wert des Kondensators C1-S beeinflusst die Lampenträgheit; sinnvoll ist ein Wert von ca. 1uF, aus dem eine Entladezeit von ca. 0,5s resultiert. Mit dem Trimmer P2-S kann die maximale Steuer-Gleichspannung am Komparator vorgegeben werden; auf diese Weise lässt sich die max. Lampenhelligkeit einfach einstellen. Der Umschalter S1-S trennt die Steuerstufe vom Musik-Signal und schaltet eine Gleichspannung auf; hierdurch wird die Lichtorgel als dimmbare Beleuchtung nutzbar.


Im Vergleich zur Steuerstufe der Lichtorgel 2010 mit dem Schaltkreis TCA785 ist die vorliegende Variante ausgesprochen einfach und entsprechend kostengünstig.
Da weder eine Invertierung noch eine Verschiebung von Signalen erforderlich ist, wird das gefilterte Musik-Signal lediglich gleichgerichtet und verstärkt und ohne Umwege dem Komparator zugeführt.
Auch die Linearisierung funktioniert ganz ordentlich, wie das nebenstehende Diagramm zeigt.
Lampenspannung in Abhängigkeit des Musik-Signals
Lampenspannung in Abhängigkeit des Musik-Signals



Leistungsstufen

Die Leistungsstufe ist eine Schnittstelle zwischen berührbarer Kleinspannung und gefährlicher Netzspannung; hier sollte man nicht am falschen Ende sparen oder sich auf zweifelhafte Kompromisse einlassen.

Die Leistungsstufe der Lichtorgel 2010 hat sich bewährt und sollte deshalb auch in der Lichtorgel 2010LC verwendet werden.
Leistungsstufe
Leistungsstufe für einen Kanal



Stromversorgung

Verwendet wird eine "klassische" Schaltung, bestehend aus Netztransformator, Gleichrichter, Ladekondensatoren und Festspannungsreglern. Geeignet ist ein Netztransformator mit den Sekundärwicklungen 2 x 12V bei einer Leistung von ca. 5VA. Da die Spannungsregler eine gewisse Verlustleistung umsetzen, sollten sie mit je einem kleinen Kühlkörper versehen werden.


Zur Erzeugung der erforderlichen Impulse werden die beiden Wechselspannungen nochmals über einzelne Dioden geführt und als Synchronisationsspannung Usynch ausgekoppelt.

Auf weitere Kondensatoren wurde bewusst verzichtet, es ist aber möglich, dass die einzelnen Teilschaltungen noch den einen oder anderen Stützkondensator benötigen. 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.



Abgleich der Impuls-Erzeugung/Steuerstufe(n)

Der Abgleich ist sehr einfach und beschränkt sich auf die Einstellung des Nullpunktes der Phasenanschnittsteuerung. Er wird ohne Signal-Aufbereitung und/oder Filter durchgeführt, also nur an der Steuerstufe in Verbindung mit der Leistungsstufe und der Stromversorgung.

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.


1.
Trimmpoti P1-I auf Mittelstellung einstellen.
2.
Alle Empfindlichkeitseinsteller P1-S auf unteren Endanschlag einstellen (Schleifer auf Masse).
3.
Alle Trimmpotis P2-S auf oberen Endanschlag einstellen.
4.
Wechselspannungsvoltmeter parallel zur ersten Lampe anschließen, Messbereich mindestens für 230V Wechselspannung.
5.
Alle Verbindungen herstellen und das Gerät einschalten.
6.
Trimmpoti P1-I so einstellen, dass gerade Null Volt an der Lampe anliegt.
7.
Das Wechselspannungsvoltmeter der Reihe nach zu den anderen Lampen parallel schalten und prüfen, ob dort ebenfalls Null Volt anliegt; evtl. das Trimmpoti P1-I so weit drehen, bis an keiner Lampe mehr eine Spannung messbar ist.

Der Abgleich ist damit abgeschlossen.
Wird der Eingang der Steuerstufe mit dem Umschalter S1-S vom Musik-Signal getrennt, dann kann die Lampe mit P1-S zwischen Null und Maximum gedimmt werden.
Mit dem Trimmpoti P2-S ist die maximal gewünschte Helligkeit einstellbar.



Gesamt-Schaltplan und Aufbauhinweise

Aufgrund mehrerer Anfragen hier noch ein Gesamt-Schaltplan der 4-Kanal-Lichtorgel mit Phasenanschnittsteuerung in nahezu voller Ausstattung als pdf-Datei (3,3 MB).
Von links nach rechts betrachtet sind Kanalmischung, Aussteuerungsanzeige, Aussteuerungautomatik, Nachverstärker mit Höhenanhebung, Filter 4. Ordnung, Steuerstufen mit Phasenanschnittsteuerung und Einstellung der max. Helligkeit sowie die Leistungsstufen dargestellt. Unten links befindet sich zudem die Schaltung der Stromversorgung.

Das einzige, was fehlt, sind Kontrollleuchten für die einzelnen Kanäle. Sind diese erwünscht, dann können die hierfür benötigten Steuersignale entweder am Ausgang des ersten Operationsverstärkers der Steuerstufen als Analog-Signal oder am Ausgang der Steuerstufen als pulsweitenmoduliertes Signal abgegriffen werden.

Bezüglich des Aufbaus wird auf die Hinweise zur Lichtorgel 1980 sowie zur Lichtorgel 2010 verwiesen.


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