|
Warme, diepe, lage tonen worden geassocieerd met de eveneens warm aanvoelende kleur rood, terwijl schrille hoge tonen de kille kleur blauw in gedachten roepen. Dát is het gevoel waar een lichtorgel een beroep op doet, van in de begintijd van de elektronica tot op dit moment. |
Het principe van een lichtorgel
Kleur, gestuurd door muziek
Reeds in 1725 werd met de bouw van het 'Clavécin Oculaire' een poging ondernomen om muziek en kleur rechtstreeks te koppelen. Het verder uitwerken van deze ideeën werd slechts mogelijk toen de techniek in de pas begon te lopen met de vooruitstrevende dromen van musici. In het begin van de vorige eeuw componeerde de Rus Alexander Sciabin 'regenboogsymfonieën' voor een door hem ontworpen 'clavier à lumière'. Dit toestel kan terecht als het eerste lichtorgel worden beschouwd.
De echte doorbraak kwam met de opkomst van de moderne elektronica. Denk maar aan de wereldberoemde 'son et lumière'-shows van de Fransman Paul Robert Houdin in 1952 bij het kasteel van Chambord en de experimenten met een elektronisch gedicht door Le Corbusier in het Philips-paviljoen op de World Expo '58 te Brussel.
Veel kaf onder het koren
Lichtorgels zijn nog steeds heel populair. Vrijwel ieder feestje wordt opgeluisterd met een aantal gekleurde spots die gestuurd worden uit een elektronisch lichtorgel. Als u het uitgebreide arsenaal commerciële lichtorgels aan een nader onderzoek ontwerpt, stelt u echter vast dat in vele gevallen bijzonder weinig elektronica voor bijzonder veel geld wordt aangeboden. Reden genoeg om een eigen lichtorgel te ontwerpen dat aan hoge eisen voldoet.
Het principe van een lichtorgel
Het muzieksignaal wordt afgetapt van de luidsprekerklemmen van één van de luidsprekers en vervolgens gesplitst in drie frequentiebanden. De lage tonen sturen via een elektronische schakelaar een rode lamp, de middentonen een gele en de hoge tonen een blauwe lamp. De meeste lichtorgels werken volgens het aan/uit-principe. Dat wil zeggen dat de lampen of gedoofd zijn of op volle sterkte branden. Het inschakelen gebeurt als de betreffende frequentieband een bepaalde amplitude overschrijdt. Het nadeel van dit systeem is dat bij een lange baspartij de rode lamp een hele tijd vol blijft branden.
In dit lichtorgel is daarom gekozen voor een proportionele regeling. De lichtsterkte is afhankelijk van de geluidsterkte van de beschouwde frequentieband. Hierdoor wordt een levendiger effect verkregen en is de regeling van de drie kanalen veel effectiever uit te voeren.
Het blokschema
In onderstaande figuur is het blokschema van het lichtorgel weergegeven. Daar de lampen uiteraard door thyristoren gestuurd worden, doet zich bij iedere lichtorgelschakeling het probleem van scheiding tussen net en geluidsinstallatie voor. Een dure methode is om iedere thyristor te sturen via een eigen scheidingstransformator. Dit heeft tot gevolg dat de lichtorgelschakeling galvanisch met de versterker kan worden verbonden, maar een transformator voor het voeden van die schakeling nodig is. In dit lichtorgel wordt slechts één scheidingstransformator aan de ingang van de schakeling gebruikt. Het gehele lichtorgel is dan natuurlijk met het net verbonden en rechtstreekse voeding van de schakeling uit het net is mogelijk. Op deze manier bespaart u twee scheidings- en één voedingstransformator. De nadelen van het rechtstreeks uit het net voeden (zware weerstanden die behoorlijk warm worden) kunnen door gebruik te maken van een handige schakeling worden omzeild.
 |
| Het blokschema van het beschreven lichtorgel. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het secundaire muzieksignaal van de scheidingstransformator moet uiteraard versterkt worden. Hier doet zich eveneens een moeilijkheid voor. De werking van het lichtorgel moet namelijk onafhankelijk zijn van het gemiddeld vermogen door de versterker geleverd. Is dat niet zo, dan moet u de drie kanalen van het orgel bijregelen telkens als u het volume van de versterker verandert.
Het mooiste is uiteraard een versterker met ingebouwde automatische volumeregeling. Nu komt er bij de opbouw van zo'n schakeling nogal wat kijken. Het probleem wordt hier bovendien nog ingewikkelder, omdat de gebruikte scheidingstransformator een zeer slechte frequentiekarakteristiek blijkt te hebben. Om al deze problemen te omzeilen is gekozen voor een eenvoudige begrenzingsschakeling. Het LF-signaal wordt eerst versterkt, vervolgens worden de toppen afgeknipt, zodat de amplitude constant blijft voor iedere grootte van het ingangssignaal. Het alzo mishandelde signaal wordt nogmaals versterkt. Door een juiste dimensionering van de schakeling zet de begrenzing in bij een ingangssignaal dat overeenkomt met een luidsprekervermogen van 0,5 W (4 Ω luidspreker).
Als u nu beweert dat op deze manier het frequentiebeeld van het geluidssignaal volkomen vervalst wordt, hebt u uiteraard gelijk. Door het scherpe klippen worden vele hogere harmonischen ingevoerd. Logisch lijkt dus dat het hoge kanaal een onevenredig groot aandeel toegedeeld krijgt. In de praktijk blijkt dit best mee te vallen. Als u wel eens een muzieksignaal op de scoop hebt bestudeerd, dan weet u dat de amplitude van de hoge tonen veel kleiner is dan die van de bassen. Meestal ziet u slechts wat rimpeltjes op de forse laagfrequent sinussen. Bovendien is het overgrote deel van de versterkers allesbehalve lineair ingesteld. Om de speakers aan te sporen tot het produceren van de door velen gewenste zware bassen, staat de basregelaar van de toonregeling meestal flink opengedraaid. Tenslotte is het zo, dat de intensiteit van een blauwe lamp veel minder lijkt dan die van een rode van hetzelfde vermogen.
Om al deze redenen bevordert de toegepaste begrenzingsschakeling een evenwichtig kleurenspel. Bovendien is het vooropgestelde doel, namelijk werking onafhankelijk van versterkervolume, volledig verzekerd.
De frequentiegevoelige filters
Het voorbewerkte signaal wordt nu door drie frequentiegevoelige filters in drie frequentiebanden gesplitst. Het bovenste filter laat alle signalen tussen 20 Hz en 250 Hz door, het middelste filter geeft signalen tussen 200 Hz en 2 kHz vrij baan en het onderste werkt soortgelijk voor signalen tussen 1,5 kHz en 7 kHz. Uiteraard is de keuze van deze banden zeer afhankelijk van de soort muziek, die 'gekleurd' gaat worden. Omdat het aannemelijk lijkt dat een rapper eerder deze speciale behandeling zal ondergaan dan Bach, is de frequentieverdeling op eerstgenoemde persoon afgestemd.
Het aansturen van de thyristoren
Na de filters volgen drie gelijkrichters. De gelijkspanning over de afvlakelco van het lage kanaal is dus steeds evenredig met de hoeveelheid lage tonen in het ten gehore gebrachte. Hetzelfde geldt voor de andere kanalen.
Wilt u de lampen proportioneel regelen, dan is het duidelijk dat de grootte van deze gelijkspanning moet worden omgezet in een pulsbreedte. Het regelen van een lichtsterkte met een thyristor gebeurt immers door dit element gedurende een groter of kleiner deel van de 50 Hz netsinus te ontsteken. Is de spanning groot, dan moet u de thyristor ontsteken bij het begin van de sinus. De lamp brandt op volle sterkte. Is de spanning klein, dan ontsteekt de halfgeleider in het laatste deel van de sinus, zodat de lamp slechts bescheiden gloeit.
Een en ander is verduidelijkt in onderstaande figuur. Het tijdstip van ontsteken bepaalt de helderheid van de lamp. De transformatie van spanningsgrootte in tijd wordt eenvoudig als u gebruik maakt van een comparator en een zaagtand. De zaagtand loopt synchroon met de netspanning en heeft een negatieve helling. Hij wordt vergeleken met de van het geluid afgeleide spanning. De comparator geeft een uitgang als beide signalen aan elkaar gelijk worden.
 |
| Het principe van de proportionele regeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
De bovenstaande figuren leren u dat de netspanning wordt gelijkgericht door een brug. Op deze manier kan een thyristor beide halve perioden van de netspanning onder handen nemen. De intensiteit van de lampen neemt hierdoor natuurlijk evenredig toe. Deze oplossing is voor huis-, tuin- en keukengebruik van het lichtorgel, waar wel nooit meer dan drie 100 W spots gebruikt worden, de meest economische. Vier 1 A dioden zijn goedkoper dan de meerprijs die u moet betalen bij de vervanging van de thyristoren door triac's.
De schakeling van het lichtorgel
Het volledig schema
In onderstaande figuur is de elektronische vertaling van het blokschema gegeven. Na de uitvoerige bespreking van dit laatste zal de schakeling gemakkelijk te doorgronden zijn. Dit schema is verkleind weergegeven. Klik op het schema om een vergrote versie te openen in dit venster. Om een en ander wat duidelijker te maken is de voedingslijn in het rood weergegeven.
 |
| Het volledig schema van dit driekanaals lichtorgel. (© 2017 Jos Verstraten) |
De versterker/begrenzer is samengesteld rond de transistoren T12 en T13. Als scheidingstransformator wordt een kleine LF-transformator gebruikt met een wikkelverhouding van 1/10. De weerstand R22 beschermt de transformator tegen doorbranden bij vol opengedraaide versterker. Bovendien wordt de ingangsimpedantie van de schakeling hierdoor 50 Ω, zodat parallel schakelen van het lichtorgel aan de luidspreker probleemloos uit te voeren is.
Transistor T12 is als klassieke versterkertrap geschakeld. Het collectorsignaal wordt door de kring R27-D13-D14 geclipt op ongeveer 0,6 V. Het type diode is niet kritisch zolang het halfgeleidermateriaal germanium is. Der voorgestelde AA113 is nog steeds goed verkrijgbaar.
De tweede versterker met transistor T13 pept het begrensde signaal op tot een amplitude van 15 V.
De frequentiegevoelige bandfilters
De drie frequentiegevoelige bandfilters zijn identiek van samenstelling. Zij onderscheiden zich door de waarden van de gebruikte onderdelen. Het laagfilter is opgebouwd uit R8-C3-C4-R9. Het eerste netwerk is een laagdoorlaat filter. Beide componenten vormen een frequentie-afhankelijke spanningsdeler. De waarde van de weerstand (22 kΩ) is uiteraard constant. De impedantie (= wisselstroomweerstand) van C3 is evenwel sterk frequentie-afhankelijk. Hoe hoger de frequentie, hoe lager de impedantie. Door geschikte keuze van de elementen kunt u er voor zorgen dat de condensator alle frequenties boven 250 Hz naar massa kortsluit. C4 en R9 vormen een hoogdoorlaat filter dat zo gedimensioneerd is, dat alle subsonisch gerommel (bijvoorbeeld rumble) het lichtorgel niet beïnvloedt. Het bandfilter wordt afgesloten met een emittervolger T4.
De functie van de diode D6 behoeft nog enige toelichting. Zonder deze diode zou het signaal op de basis van de emittervolger symmetrisch ten opzichte van de massa schommelen, waardoor op de emitter slechts de positieve helft van het basissignaal terug te vinden zou zijn. Dit veroorzaakt een onduldbaar amplitudeverlies. De toevoeging van de diode voorkomt dit verschijnsel. Inderdaad zal de halfgeleider dadelijk geleiden als de basisspanning negatief wil worden. De negatieve lading op de rechter plaat van condensator C4 vloeit bijgevolg af naar de massa, zodat het basissignaal op 0 V wordt geclampt.
Het signaal over de emitterweerstand wordt afgevlakt door elco C5. De gelijkspanning over C5 stuurt de comparator. Met potentiometer R11 kunt u de intensiteit van het lage kanaal naar persoonlijke voorkeur instellen.
Zoals geschreven hebben de overige twee bandfilters en gelijkrichters dezelfde structuur. De afwijkende waarden der onderdelen zorgen voor de gewenste frequentiebanden. Om te vermijden dat het hoge kanaal aanspreekt op de achtergrondruis van het muzieksignaal, is de frequentieband drastisch beperkt tot 7 kHz.
De zaagtandgenerator
De schakeling rond de transistoren T1, T2 en T3 zorgt voor het opwekken van de zaagtandspanning. Allereerst ziet u tussen het 230 V net en de gelijkrichter een ontstoorfilter C1/L1. Door de proportionele regeling ontstaan veel HF-storingen in de schakeling, die door het filter onschadelijk worden gemaakt, voordat ze de netleiding als antenne kunnen misbruiken.
De zaagtand moet starten bij het begin van iedere halve sinus van de netspanning. U moet dus beschikken over een puls die aanduidt dat een halve sinus begint. Hiervoor zorgt T1. De basisspanningsdeler houdt de transistor gedurende de hele halve sinus geleidend. De collectorspanning is nul. Slechts gedurende het korte moment dat de netspanning door 0 V gaat, spert T1 zodat de collector even positief wordt. Een en ander is weergegeven in onderstaande figuur.
 |
| De werking van de zaagtandgenerator grafisch toegelicht. (© 2017 Jos Verstraten) |
Als een geladen condensator met een constante stroom wordt ontladen weet u dat de spanning over de condensator lineair afneemt. Het is dus voldoende deze ontlaadstroom zo groot te kiezen, dat de condensator volledig ontladen wordt in de 10 ms van de halve sinus. Bij de volgende nuldoorgang van de netspanning wordt de condensator opnieuw geladen en de zaagtandspanning is geboren.
Om het lineaire verloop van de zaagtand niet te verstoren, wordt de condensator afgesloten door een emittervolger T3.
De comparator schakeling
De functie van comparator, thyristorsturing en voedingsspanningsverzorger wordt uitgevoerd door de transistoren T5 en T6, T9 en T10 en T15 en T16. Deze schakeling wordt besproken aan de hand van de onderstaande figuur. De gelijkgerichte netspanning stuurt enerzijds de serieschakeling van lamp en thyristor en anderzijds de serieschakeling van de transistoren Ta en Tb. De emitter van Tb stuurt de gate van de thyristor. Transistor Ta werkt als comparator. Aan de basis wordt via stroombegrenzer Rd de zaagtand [6] aangelegd, de emitter wordt gestuurd uit de gelijkspanning [5], ontstaan door gelijkrichting van het muzieksignaal.
 |
| De schakeling van de comparator die zorgt voor de proportioneel besturing van de thyristor. (© 2017 Jos Verstraten) |
Als de basisspanning van Ta kleiner wordt dan de emitterspanning, gaat deze transistor geleiden. Gevolg is dat Tb eveneens geleidt, want er vloeit stroom in de basis via Rc-Ta-Rb. Door het opengaan van Tb wordt een fikse stroomstoot in de gate van de thyristor geïnjecteerd. Deze zal dan ook prompt ontsteken. Voor de rest van de halve sinus is de collectorspanning van de bovenste transistor praktisch 0 V. Diode Da belet dat de voedingscondensator Ca ontlaadt. Omdat de lichtorgel elektronica zo ontworpen is dat slechts een totale voedingsstroom van ongeveer 15 mA nodig is, zal de voedingselco niet al te zeer ontladen worden gedurende het geleiden van thyristor en Tb.
Het zal duidelijk zijn dat de thyristor vroeger ontsteekt als de emitterspanning van Ta groter is. De vooropgestelde proportionele lichtregeling is dus eenvoudig gerealiseerd.
Bovendien is het duidelijk dat dit vernuftige systeem van voedingsspanningsvoorziening in gevaar komt, als de thyristor vele perioden achter elkaar voor 100 % geleidt. De voedingscondensator heeft dan onvoldoende kansen om op te laden, dit laden kan immers alleen gebeuren als de thyristor spert. Gelukkig zijn er drie kanalen ter beschikking. In de praktijk is gebleken dat het niet voorkomt dat ze alle drie zolang vol geleiden, dat de voedingsspanning in elkaar stort
Slotopmerkingen over het schema
Uiteraard moeten de vier dioden van de bruggelijkrichter de totale lampstroom kunnen verdragen. De goedkope typen 1N4004 kunnen 1 A verwerken. Door de niet constante sturing van de lampen kunt u zonder meer drie 100 W spots gebruiken. Wilt u meer vermogen sturen, dan moet u de dioden D1-D4 door zwaardere exemplaren vervangen worden, evenals de thyristoren en de ontstoorspoel.
De schakeling is niet kortsluitvast. Kortsluiten van één der lampen wreekt zich onverbiddelijk door de vernieling van de thyristor en de gelijkrichterdioden.
De bouw van de schakeling
Levensbelangrijke opmerking
Allereerst maar een zeer belangrijke opmerking. Deze schakeling is rechtstreeks verbonden met de 230 V netspanning. Dat betekent dat alle punten van de print via een kleine weerstand met de fase van het net zijn verbonden. Aanraken van de print kan dus dodelijk zijn! Als u met een werkende schakeling wilt experimenteren, gebruik dan altijd een 1/1 scheidingstrafo, zodat de schakeling niet met de fase van het net is verbonden.
De print en de componentenopstelling
In de twee volgende figuren worden het printontwerp en de componentenopstelling voorgesteld. Er is naar gestreefd alle onderdelen, inclusief netschakelaar en potentiometers, op de print onder te brengen. De print is getekend voor toepassing van standaard schuifpotentiometers.
 |
| De print voor de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2017 Jos Verstraten) |
De montage is vrij eenvoudig. De weerstanden kunnen 1/4 W of 1/2 W zijn. Alleen R14-21-38 moeten 1 W zijn. De hoogohmige zijde van de transformator is goudkleurig gemerkt.
De montage van de printpotentiometers behoeft enige toelichting. Het lichaam van de potentiometer wordt met twee M3x5 boutjes vastgeschroefd. Tussen potentiometer en printplaat moeten enige ringetjes worden gemonteerd. Dit om te vermijden dat enige grote onderdelen, die net iets hoger zijn dan de potentiometers, boven deze laatsten uitsteken.
De netschakelaar is een Japanse dubbelpolige omschakelaar van het schuiftype, groot model. Aan de zes aansluitlipjes worden 3 cm lange draadjes gesoldeerd. Nadien worden deze door de gaatjes van de print gestoken, terwijl de schakelaar gelijktijdig met twee M3x15 boutjes en M3 moertjes wordt vastgezet, zie onderstaande figuur. Nadien worden de zes draadjes vastgesoldeerd op de print.
 |
| De montage van de aan/uit-schakelaar. (© 2017 Jos Verstraten) |
De print is zo ontworpen dat een eenvoudige inbouw in een Teko lessenaar-kastje model 363 mogelijk is. In de aluminium frontplaat worden met een figuurzaag de drie gleuven voor de potentiometers, alsook het rechthoekige gat voor de schakelaar gezaagd. Vier bevestigingsgaatjes beëindigen de mechanische bewerking van de frontplaat. Na spuiten met witte lak en van opschrift voorzien met wrijfletters kan de print met vier M3x35 boutjes en vier 18 mm lange afstandsbusjes onder de frontplaat worden bevestigd. De aansluitdraden kunnen via enige gaten in de achterzijde van het plastic kastje naar buiten worden gevoerd.
70 stuks spanningsstabilisatoren, 5 x 14 waarden
