Projekt kolorofonu pięciokanałowego

1. Założenia projektowe

Projekt dotyczy zaprojektowania i wykonania pięciokanałowego kolorofonu (detektora rytmu). Jako wejście sygnału użyto mikrofonu, co pozwala uniknąć bezpośredniego połączenia urządzenia ze źródłem dźwięku. Sygnał docierający do mikrofonu będzie przetwarzany na sygnał elektryczny, który po przejściu przez odpowiednie układy będzie sterował źródłami światła. Do tego celu zostało użyte 5 kolorowych żarówek o mocy 250W [230V]. Każdy kanał posiada filtr pasmowo-przepustowy. Powoduje to, że każda żarówka reaguje na inne pasmo częstotliwości. Dodatkowo, każdy kanał posiada potencjometr pozwalający na regulację jego czułości. W układzie zastosowano optoizolację obwodów wyjściowych od wejściowych.

2. Opis bloków funkcyjnych kolorofonu

Schemat układu można podzielić na 4 bloki funkcjonalne:

• układ zasilania
• układ wejściowy – wzmacniacz sygnału wejściowego
• układ filtrujący
• układ wyjściowy – separujący układ sterowania (małej mocy) od końcowego stopnia (dużej mocy)

2.1 Układ zasilania

W projekcie występują układy wymagające zasilania symetrycznego, dlatego układ zasilający daje na wyjściu napięcie ± 15V. Napięcie zmienne z transformatora podawane jest na układ prostowniczy dwu-połówkowy, zatem do wytworzenia sygnału wyjściowego użyte są obie połówki okresu sygnału wejściowego. Aby uzyskać po przejściu przez układ prostowniczy napięcie równe 15V należy uwzględnić spadek napięcia na diodach. Użyty w projekcie transformator charakteryzuje się napięciem na wyjściu równym 18V. Sygnał po przejściu przez układ prostowniczy charakteryzuje się dużą zawartością „tętnień”. W celu wygładzenia sygnału zastosowano kondensatory C1 i C2 o dużej pojemności. Jako stabilizatory użyto standardowych układów z rodziny LM (LM317T – napięcie dodatnie oraz LM337T – napięcie ujemne).
Wykorzystano transformator TS8/24 (2x18,2 – 2x0,22A), maksymalna moc takiego transformatora to 4 W co w zupełności wystarczy do zasilenia naszego układu.

Rys. 1. Schemat układu zasilania

2.2 Układ wejściowy

Układ wejściowy stanowi wzmacniacz operacyjny, pracujący w klasycznej konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego. Użyliśmy 2 układy LM324 posiadające w swojej obudowie cztery takie wzmacniacze. Jeden z nich wykorzystujemy do układu wejściowego, kolejne pięć pracują w układach filtrujących poszczególnych kanałów. Sygnał z mikrofonu podawany jest na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego, którego amplituda jest regulowana za pomocą potencjometru R6 (Rys.2). Wzmocnienie napięciowe bowiem w takim układzie wynosi:

Regulując zatem rezystancję potencjometru możemy zmieniać wzmocnienie sygnału pochodzącego od mikrofonu. Jest to istotne, gdyż dzięki temu możemy ustalać czułość mikrofonu. Jeżeli sygnał docierający do mikrofonu będzie zbyt słaby to zwiększymy jego wartość potencjometrem R6 i układ dzięki temu będzie mógł pracować poprawnie. Do wejścia układu doprowadzany jest sygnał zawierający składową zmienną dlatego też musimy zapewnić istnienie drogi do masy dla małego prądu wejściowego. Rolę tę spełniają elementy C8 i R3.

Rys. 2. Schemat układu wejściowego

2.3 Układ filtrujący

Sygnał wychodzący ze wzmacniacza podawany jest na pięć filtrów środkowo-przepustowych. Każdy z filtrów charakteryzuje inne pasmo przenoszenia, stąd każdy kanał reaguje na inne pasmo częstotliwości, ponadto posiada regulację czułości realizowaną za pomocą potencjometrów (R10, R14, R17, R22, R26). Dobierając odpowiednie wartości C11 = C12 = C i R7 zapewnimy odpowiednie pasmo przenoszenia. Wartości te wyznaczamy z zależności:

A0 - wzmocnienie

• kanał pierwszy: C11 = C12 = 100 nF R7 = 330 kΩ
• kanał drugi: C13 = C14 = 50 nF R11 = 330 kΩ
• kanał trzeci: C15 = C16 = 22 nF R15 = 330 kΩ
• kanał czwarty: C17 = C18 = 12 nF R19 = 330 kΩ
• kanał piąty: C19 = C20 = 2,2 nF R23 = 230 kΩ

Rys. 3. Schemat układu filtrującego (jeden z filtrów)

2.4 Układ wyjściowy – separujący

Końcowy układ zapewnia optyczną galwanizację pomiędzy układem sterowania (małej mocy), a układem wyjściowym (dużej mocy). Ma to na celu poprawienie bezpieczeństwa w czasie użytkowania kolorofonu. Z wielu dostępnych na rynku optotriaków wybraliśmy układ firmy Motorola MOC3043. Sygnał po przejściu przez filtr podawany jest na tranzystor BC547, który spełnia rolę przełącznika, przełączając diodę optotriaka. Następnie układ MOC3043 steruje pracą triaka, który włącza lub wyłącza urządzenie wyjściowe, czyli żarówkę 230V. Wartości elementów bloku wyjściowego zostały dobrane zgodnie z zaleceniami producenta układu MOC3043.

Rys. 4. Schemat układu wyjściowego – separującego

3. Płytka drukowana

Układ został wykonany na dwustronnym laminacie o wymiarach 160 x 148,26 [mm]

3.1 Rozmieszczenie ścieżek – góra płytki

Rys. 5. Widok płytki z góry

3.2 Rozmieszczenie ścieżek – dół płytki

Rys. 6. Widok płytki z dołu

3.3 Rozmieszczenie elementów

Rys. 7. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej

3.4 Rysunek złożeniowy

Rys. 8. Rysunek złożeniowy

4. Obudowa

Do zamontowania układu zaprojektowaliśmy specjalną obudowę. Została ona przedstawiona na poniższym rysunku:

Rys. 9. Obudowa urządzenia

5. Spis elementów

• kondensatory:
  C1 = C2 = 1000 µF
  C3 = C4 = 470 µF
  C6 = C7 = C8 = C9 = 100 nF
  C10 = 100 µF
  C11 = C12 = 100 nF
  C13 = C14 = 50 nF
  C15 = C16 = 22 nF
  C17 = C18 = 12 nF
  C19 = C20 = 3,3 nF
  C21 = C23 = C25 = C27 = C29 = 2,2 µF
  C22 = C24 = C26 = C28 = C30 = 10 nF
• rezystory
  R1 = 2,2 kΩ
  R2 = 8,2 kΩ
  R3 = R4 = 10 kΩ
  R5 = 4,7 MΩ
  R6 = R10 = R14 = R17 = R22 = R26 = 100 kΩ
  R7 = R11 = R15 = R19 = 330 kΩ
  R8 = R12 = R18 = R21 = R24 = 560 kΩ
  R9 = R13 = R16 = R20 = R25 = 5,6 kΩ
  R23 = 230 kΩ
  R27 = R35 = R42 = R49 = R56 = 2,7 kΩ
  R28 = R29 = R36 = R37 = R43 = R44 = R50 = R51 = R57 = R58 = 5,1 kΩ
  R30 = R38 = R45 = R52 = R59 = 2,2 kΩ
  R31 = R34 = R41 = R48 = R55 = 360 Ω
  R32 = R39 = R46 = R53 = R60 = 39 Ω
  R33 = R40 = R47 = R54 = R61 = 330 Ω
• inne:
  B1 – mostek prostowniczy
  IC1, IC2 – LM337T
  D1, D2, D3, D4, D5 – 1N41148
  T1, T4, T6, T8, T10 – BC547
  T2, T3, T5, T7, T9 – TIC225S
  OK1, OK8, OK9, OK10, OK11 – MOC3043
  Transformator: TS8/24 (2 x 18,2 – 2 x 0,22 A)
  F1, F2, F3, F4, F5 – bezpiecznik typu “Fast” 3AF

6. Instrukcja obsługi

6.1 Podłączanie urządzenia

Istnieje możliwość podpięcia do sterownika tradycyjnych żarówek zasilanych napięciem 230V. Przewody do żarówek wyprowadzone są na bocznej ściance obudowy. Kabel zasilający 230V oraz zasilania płytki ±15V wyprowadzono po przeciwnej stronie. Na ścianie górnej widzimy 6 potencjometrów. Mikrofon podłączyć do wtyku typu „Jack”, które również znajduje się z prawej strony.

6.2 Konfiguracja urządzenia

Po prawidłowym podłączeniu, należy przystąpić do ustawienia czułości poszczególnych kanałów. Należy włączyć muzykę, a następnie ustawić potencjometr CZUŁOŚĆ w połowie jego zakresu. Potencjometry czułości poszczególnych kanałów (107), należy ustawić tak, aby odpowiednio każda z lamp dawała krótkie błyski. W przypadku, gdy lampy w ogóle nie świecą należy ustawić potencjometr CZUŁOŚĆ na większą czułość (obrót w prawo), natomiast gdy lampy świecą cały czas należy potencjometr CZUŁOŚĆ ustawić na mniejszą czułość (obrót w lewo). Tak ustawione jest gotowe do pracy.

7. Schemat elektryczny kolorofonu

Rys. 10. Schemat elektryczny kolorofonu