Простая ЦМУ

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 14.07.2025
Создано при помощи КотоРед.

     Добрый день, уважаемые радиолюбители.
     Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим с вами о двенадцатой конструкции – простой ЦМУ. Данная конструкция, как и предыдущая, относится к конструкциям средней сложности.
     Описываемая в статье цветомузыкальная установка (ЦМУ) может быть использована в составе простых домашних аудиосистем малой и средней мощности. Схема электрическая принципиальная ЦМУ представлена на схеме ниже. Рассмотрим кратко принцип её работы.

     Итак, с выхода вашего усилителя сигнал поступает на вход цветомузыкальной установки (ЦМУ) – регулятор уровня входного сигнала R1. Данный регулятор необходим для возможности настройки корректной работы ЦМУ в широком диапазоне входных напряжений.
     С выхода регулятора уровня, через разделительный конденсатор С1 сигнал поступает на вход компрессора сигнала, выполненного на транзисторе VT1 по схеме с общим эмиттером. Фактически данный компрессор сигнала является логарифмическим усилителем т.е. имеет логарифмическую зависимость выходного напряжения от входного (логарифмическую амплитудную характеристику) в определённом диапазоне входных напряжений – сигналы с небольшой амплитудой усиливаются сильнее, чем сигналы с большой амплитудой. Фактически происходит уменьшение разницы между минимальным и максимальным уровнями сигнала на выходе усилителя (уменьшение динамического диапазона), а это и есть компрессия.
     Установка компрессора сигнала на входе ЦМУ необходима для приведения динамического диапазона музыкального сигнала к комфортному уровню изменения яркости светодиодов выходного каскада.
Логарифмический закон изменения коэффициента усиления компрессора определяется включением диодов VD1-VD4 в цепь отрицательной обратной связи (ООС) усилительного каскада. Диоды VD1-VD4 при этом включены через разделительный конденсатор С4 т.е. участвуют в работе усилительного каскада только по переменному току.
При усилении положительной полуволны входного напряжения увеличивается напряжение база-эмиттер транзистора VT1, увеличивается ток базы транзистора VT1, увеличивается ток коллектора транзистора VT1, уменьшается напряжение на коллекторе транзистора VT1 и в точке соединения резисторов R5-R6, экспоненциально уменьшается сила тока через диоды VD1-VD2 (растёт их внутреннее сопротивление – диоды закрываются сильнее), уменьшается напряжение база-эмиттер транзистора VT1, уменьшается ток базы транзистора VT1. При усилении отрицательной полуволны всё происходит в обратном порядке, но в работе принимают участие диоды VD3-VD4 [4,5].
     С выхода компрессора сигнала, через разделительный конденсатор С6 сигнал поступает на регуляторы входных уровней R8, R16, R24 (уровень красного, уровень зелёного и уровень синего).
     С выхода регуляторов уровня сигнал поступает на вход канальных фильтров. В канале красного цвета – на двухзвенный фильтр нижних частот (резисторы R9-R10, конденсаторы С7-С8), в канале зелёного цвета – на двухзвенный полосовой фильтр (резисторы R17-R18, конденсаторы С11-С12), в канале синего цвета – на двухзвенный фильтр верхних частот (резисторы R25-R26, конденсаторы С15-С16). Принцип работы данных фильтров достаточно прост и фактически заключается в том, что каждое звено является делителем напряжения с частотозависимым коэффициентом деления. Рассмотрим принцип работы на примере одного звена фильтра нижних частот.
     Итак, первое звено фильтра нижних частот состоит из резистора R9 и конденсатора С7. Из теории электрических цепей известно, что сопротивление идеального резистора не зависит от частоты подводимого переменного напряжения (и является чисто активным). В тоже время зависимость реактивного сопротивления конденсатора от частоты описывается формулой:

     При этом знак минус перед формулой обозначает сдвиг фаз между током и напряжением - ток опережает напряжение. Но сейчас нам это свойство не важно. Важно то, что в формуле реактивного сопротивления частота приложенного напряжения стоит в знаменателе т.е. с увеличением частоты сопротивление конденсатора падает. Это как раз то, что нам необходимо.
     Таким образом получается делитель, у которого сопротивление верхнего плеча не зависит от частоты, а сопротивление нижнего плеча уменьшается с увеличением частоты. Выходное напряжение делителя снимается с нижнего плеча. Эквивалентная схема получившегося делителя приведена на схеме ниже.

     Применяя закон Ома и правила Кирхгофа нетрудно догадаться, что выходное напряжение такого делителя будет уменьшаться с увеличением частоты входного переменного напряжения т.е. более высокие частоты будут ослабляться сильнее, чем более низкие.
     При правильном выборе номиналов компонентов фильтра получится амплитудно-частотная характеристика, показанная в подборке рисунков ниже на левом рисунке.

     Для увеличения скорости уменьшения выходного напряжения с ростом частоты (увеличения крутизны фильтра) несколько звеньев фильтра включаются последовательно – получается многозвенный фильтр. В нашем случае количество звеньев равно двум [4,5].
     Аналогично работает и фильтр верхних частот, использованный в канале синего цвета. Отличие лишь в том, что от частоты будет зависеть сопротивление верхнего плеча делителя, а сопротивление нижнего плеча будет постоянным. При правильном выборе номиналов компонентов фильтра получится амплитудно-частотная характеристика, показанная в подборке рисунков выше на среднем рисунке.
     В канале же зелёного цвета применён полосовой фильтр, состоящий из фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, включённых последовательно. При правильном выборе номиналов компонентов фильтра получится амплитудно-частотная характеристика, показанная в подборке рисунков выше на правом рисунке.
     Вот таким образом и происходит разделение полосы частот входного сигнала на отдельные каналы в ЦМУ.
     С выхода полосовых фильтров отфильтрованный сигнал поступает на вход пиковых детекторов с удвоением. Работа таких детекторов подробно рассматривалась в статье «Логарифмический индикатор уровня» (шестая конструкция для начинающих) [1].
     С выхода детекторов сигнал поступает на вход выходных каскадов, выполненных на транзисторах VT2-VT4. Выходные каскады представляют из себя классические каскады с общим эмиттером. Нагрузкой каскадов служат светодиоды HL1-HL27, включённые группами по цветам. Последовательно цепочкам светодиодов включены токоограничивающие резисторы R13-R15, R21-R23, R29-R31.
     Конденсаторы С2, С3 – дополнительный фильтр питания ЦМУ.
     Настройка ЦМУ не представляет сложности. Для настройки необходимо подбором резистора R2 установить на коллекторе транзистора VT1 напряжение, равное половине напряжения питания. После этого на вход можно подать сигнал и настроить общий входной уровень и уровни отдельных каналов для получения комфортных визуальных эффектов.
     После сборки и настройки было проведено контрольное испытание ЦМУ, показанное в подборке видео ниже.

     По представленным видео хорошо видно, что ЦМУ работает исправно.
     А в следующей подборке представлен сборочный чертёж печатного узла описываемой ЦМУ (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на втором и третьем рисунках указано только расположение компонентов схемы).

     Тут следует отметить, что компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке транзисторов, диодов, а также полярных конденсаторов.
     На фото ниже представлена изготовленная печатная плата описываемой ЦМУ.

     А в следующей подборке фото представлена полностью собранная ЦМУ во время проведения испытаний.

     В файле 01.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6, а также схема электрическая принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления печатной платы устройства.
     В качестве одного из улучшений можно предложить увеличить степень компрессии сигнала (и понизить порог начала компрессии), изменив номиналы резисторов R5-R6. Так, например, можно установить R5=200 Ом, а R6=470 Ом. Либо R5=R6=330 Ом. Чем больше сопротивление резистора R5 и меньше сопротивление резистора R6, тем степень компрессии выше (а порог начала компрессии – ниже). Такая модернизация позволит сделать работу ЦМУ более плавной и гибкой в настройке, но потребует установки дополнительного каскада усиления напряжения между выходом компрессора сигнала и регуляторами входных уровней каналов (что дополнительно повысит входную чувствительность ЦМУ в целом).
     Так, например, на видео ниже представлена работа ЦМУ с данной модернизацией.

     При этом сопротивление резисторов R5-R6 было выбрано равным 330 Ом, а в качестве промежуточного усилителя установлен усилитель, описанный ранее в статье «Усилитель на 3-х транзисторах» [8]. При этом сигнал на вход ЦМУ уже подавался не с выхода усилителя мощности воспроизведения (фактически с акустической системы), а с его входа т.е. с выхода источника сигнала.
     В качестве другого улучшения можно предложить установку в выходном каскаде мощных составных транзисторов. В этом случае вместо отдельных светодиодов можно воспользоваться более мощными светодиодными матрицами либо светодиодной лентой в качестве нагрузки. В зависимости от номинального напряжения матриц (светодиодных лент) возможно потребуется дополнительный источник питания для выходного каскада.
А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. Логарифмический индикатор уровня
2. Видео с испытаний
3. Видео с испытаний
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993
5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.
6. Модернизированный вариант простой ЦМУ
7. Модернизированный вариант простой ЦМУ
8. Усилитель на 3-х транзисторах

Файлы:
01.zip

Все вопросы в Форум.