Цветомузыка, разбираемся вместе.

Цветомузыка – это простое и эффективное решение украсить свое рабочее место, компьютер, возможно, какое-то помещение для танцев, здесь никто не ограничивает фантазий.

Тем более что все на самом деле не так сложно и доступно каждому. Хочу поделиться с вами своим опытом сборки такого устройства.

Я старался найти максимально простое и не дорогое решение.

На рынке есть большой выбор светодиодов разных цветов, но, думаю, стоит обратить внимание на трех или четырехцветные светодиодные ленты RGB или RGBW.
Допустим, у всех получится найти полметра ленты, впрочем, можно взять и 5 метров, больше красивее.
Ну, и паяльник в конце концов придётся взять …

Ладно, поехали, разберемся поэтапно для лучшего понимания.
Я взял за основу кусок RGBW ленты (т.е. это значит, что я работал с четырьмя цветами – красным, зеленым, синим, ну, и белым).

Цветомузыка для компьютера

Итак, всем известно, что звуковой сигал, слышимый человеческим ухом, лежит в диапазоне от 20Гц до 20кГц. Чтобы наши светодиоды мерцали под одну и ту же музыку по-разному, нужно каждому из них выделить свою часть частот. С этим нам поможет справиться частотный фильтр.
Для простоты (а мы к этому изначально стремимся) будем использовать Г-образный RC-фильтр. Почему Г-образный. Потому что он в схемах напоминает букву Г, только в другую сторону.

Фильтр верхних частот (ФВЧ).
Все частоты выше заданной проходят без потерь

Цветомузыка для компьютера

Фильтр нижних частот (ФНЧ).
Все частоты ниже заданной проходят без потерь

Цветомузыка для компьютера

А теперь давайте объединим две цепочки

Цветомузыка для компьютера

Левая часть пропускает все верхние частоты от заданной, а правая, наоборот, пропускает все ниже лежащие частоты от заданной, пропущенные левой частью.

Получится полосовой фильтр, т.е. фильтр, пропускающий определенную полосу частот.

Как видите для фильтрации нужных частот достаточно использовать только конденсатор и резистор.

Все дело в особенности конденсатора менять свое сопротивление в зависимости от частоты проходящего через него сигнала. Чем больше частота, тем меньше его сопротивление.

При рассмотрении фильтров существует понятие частоты среза. В случае простого RC-фильтра частота среза выражается формулой

f ср = 1/2πRC

Для расчетов можно воспользоваться формулой или любым из онлайн калькулятором на просторах инета, или, тем кто привык держать смартфон под рукой, чем-то вроде бесплатной программы Calckit  (раздел электроника/фильтры) на андроиде.

Расчеты рассмотрим ниже, а пока добавим к концу каждой цепочки биполярный n-p-n транзистор. Он послужит в роли ключика, управляющего нашей светодиодной лентой. Получится как-то так:

Цветомузыка для компьютера

Или для четырехцветной ленты:

светодиодная лента для цветомузыки

Теперь на вход нашего устройства необходимо подать звуковой сигнал. Амплитуда сигнала должна быть достаточной, чтобы наш ключик пропустил через себя ток. А именно больше, чем где-то 0,6В. И от того насколько амплитуда сигнала больше этой величины будет зависеть яркость вспышек наших светодиодов.

Будем использовать в качестве источника сигнала электретный микрофон. Кстати, в конце статьи оставлю все ссылки на основные компоненты от проверенных продавцов. Может кому пригодится.

Типичная схема включения микрофона
подключение микрофона
Цветомузыка для компьютера

Амплитуда звукового сигнала на выходе микрофона очень мала. Чтобы раскачать наши выходные транзисторы потребуется усилитель.

Воспользуемся решением на операционном усилителе LM358.
Цветомузыка для компьютера
lm358 что внутри

Соберем следующую схему усилителя с отрицательной обратной связью:

схема усилителя на lm358

Схема рассчитана на 12В, с учетом возможного запитывания от внутреннего блока питания компьютера, да и светодиодная лента, как правило, 12-вольтовая. Микрофон запитывается через резистор R1 и RC – цепочку (C1R2) (не что иное, как фильтр нижних частот) от источника постоянного тока. Сигнал с микрофона через конденсатор C2 подается на операционный усилитель. Резистор R3 и R4 образуют делитель напряжения, их номиналы должны быть одинаковыми. Настройку схемы производил от лабораторного блока питания. Усиление первого каскада настраивается подбором резисторов R5 и R6, а также конденсатором C3. То же касается второго каскада (R10,R11,C6). Фактически усиление первого каскада равно отношению R6/R5, а второго R11/R10.

Каскад обратной связи собран на цепочке C8, D1, D2, C7, R9, VT1. Сигнал с выхода усилителя, через разделительный конденсатор C8 проходит через диод D1, который пропустит только положительные полуволны, отрицательные же упадут на землю через диод D2. Прошедшие импульсы зарядят конденсатор C7, и он превратит наши импульсы, практически, в постоянный ток. Напряжение на выходе конденсатора будет зависеть от амплитуды импульсов. Чем оно больше, тем больше откроется транзистор и замкнет конденсатор C5 на землю. Таким образом на выходе первого каскада мы увидим не что иное как очередной RC-фильтр нижних частот. Не сложно рассчитать, что частота среза такого фильтра будет приблизительно 159 Гц. Т.е. все частоты выше 159Гц будут глушиться. (Первоначально стоял конденсатор немного большей емкости, решил изменить чтобы меньше глушились низкие частоты, лишнее мы приглушим в другом месте) Заряженный конденсатор разряжается на резистор R8 до амплитудного значения следующего импульса. Транзистор закрывается. Беспрепятственное прохождение сигнала восстанавливается.

Вопрос зачем нам нужна обратная связь. Если сигнал будет слишком сильный наш мигающий в такт музыки светодиод превратится в постоянно горящий фонарик, в лучшем случае слегка пульсирующий.

 

Диоды можно использовать любые кремниевые, транзистор VT1 я взял 2n5551, но можно и другой кремниевый n-p-n.

Итак, с усилителем разобрались. Присоединим к выходу усилителя наши частотные фильтры с уже рассчитанными номиналами.

Вот что получится:

Цветомузыка для компьютера

2n5551

схема цветомузыки недоработанные фильтры

Ну, вот так. Красному светодиоду достались частоты от 0 до 482 Гц, синему – от 482 до 1166 Гц, зеленому – от 1061 до 1592 Гц, белому – от 1592 Гц и выше.

Почему именно так.

Потому, что вероятность появления сигнала, который сможет приоткрыть наш выходной транзистор на диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, не линейна. Если мы распределим частоты выходных фильтров равномерно, то будем наблюдать насыщенное мерцание одного светодиода, ну, может быть двух, и редкое включение в работу остальных. Вряд ли это кому-то понравится.

Поэтому, после подборов и практических наблюдений на многих музыкальных композициях, оптимальным выбором стали вышеприведённые диапазоны.

Для тех, кто будет использовать трехцветную ленту оптимальные диапазоны думаю лучше оставить те же. Белый цвет проявляется гораздо у меньшего количества мелодий, является скорее интересным дополнением.

После первого подключения схемы, собранной на макетной плате. Меня ожидало разочарование. Светодиод, отвечающий за самые низкие частоты, отказывался подавать признаки жизни. Я долго не мог понять, в чем болезнь, пока не замерил напряжение на базе транзистора. Оказывается в режиме покоя, оно постоянно смещается ниже нуля, т.е. становится отрицательным. И с приходом сигнала не может подняться выше черты открытия транзистора. Видимо это результат действия низкочастотных шумов, создаваемых нашими полупроводниками (если не прав ругайте меня). Установив на вход фильтра дополнительный резистор, преградивший вход частот до 154 ГЦ (возможно много, но визуально низкие частоты не пострадали, зато помех меньше), проблема решилась. На базе транзистора установился ноль, схема заработала.

Чтобы по максимуму уберечься от сюрпризов высокочастотных шумов установил на выходе фильтра белого светодиода еще одну RC-цепочку. В результате получилось так:

схема цветомузыки добавляем фильтры

На макетной плате получилась такая паутина:

В качестве выходных ключей VT2-VT5 использовал тот же транзистор 2n5551. Он может пропускать через себя максимальный ток в 0,6А.  При использовании полуметра ленты по моим замерам через транзистор проходит максимум 20mA. Так что он даже «не потеет».

Чтобы схема приняла более законченный вид на вход каждого фильтра добавим построечные потенциометры.

регулировка уровня входного сигнала

Получаем возможность регулировать амплитуду сигнала на входе каждого фильтра в отдельности. Такое добавление необязательно, но делает схему более универсальной. Если, например, вы настраивали работу схемы на столе, а потом перенесли в другое место, с другими наводками, помехами на определенных частотах. Пожалуйста, взяли, подкрутили, немного убавили силу сигнала и снова баланс. Все красиво.

Схема цветомузыки подробная

Теперь осталось только взять в руки паяльник и собрать все в кучу, как можно компактней. Вот что получилось.

У меня осталось место и я решил добавить  небольшой дроссель для уменьшения пульсаций от импульсного блока питания. Дополнение, опять же, необязательное, но добавит качества питающему напряжению. Ставится последовательно от + блока питания к + нашей схемы. Допаял разъем для удобного подключения. И поместил в корпус из под оконного датчика. 

Что же,  в результате схема получилась максимально сбалансированной, универсальной и работоспособной. Надеюсь, материал кому-то был полезен. Спасибо. Удачных решений вам.

 

Ссылки на основные компоненты от проверенных продавцов по доступным ценам:

Светодиодная лента RGBW

 http://ali.pub/2zmkw2

LM358 http://ali.pub/32ibkh

Транзистор 2n5551

http://ali.pub/32ic10

Электретный конденсаторный микрофон

 

http://ali.pub/32ifq7

Подстроечный потенциометр

http://ali.pub/32ifo9

К началу ↑