Lichtorgel ohne IC's aus drei Filtern bauen?
Hallo,
ich möchte eine Lichtorgel (die auf Musik reagiert) bauen, bin Elektronik Einsteiger und möchte ihre Funktionsweise einfach nachvollziehen können - will also keine IC's oder anderen exotischen Bauelemente einbauen. An sich hab ich vor, drei normale Filter (Hoch-, Tief-, Bandpass) aufzubauen, bin aber auf das Problem gestoßen, dass das Eingangssignal zu schwach ist, also verstärkt werden muss. An dem Punkt lese ich oft etwas von (für Anfänger) komplizierten Schaltungen, welche unübersichtlich für mich wirken.
Wie schalte ich passend einen Transistor oder Ähnliches dazu, sodass das Signal stark genug ist, am Ende eine Glühbirne zum Leuchten zu bringen (Eingangspannung liegt bei ca. 1V)??
Darüber hinaus hab ich gehört, dass die Lichtorgel, nur aus Filtern gebaut unharmonisch und "hektisch" wirken kann - wie kann man das einfach lösen?
Danke für Antworten, ich kenne mich nicht wirklich aus, und bräuchte daher auch eine kurze Erklärung, wie ich Eure Ideen umsetzen kann, und wie die funktionieren ;)
4 Antworten
Generell erleichtern ICs sogar Schaltungen, denn genau dafür sind sie da.
Warum bist du auf 1V begrenzt? Das ist schon ziemlich nieder und ich würde dir raten auf Standardegel zu gehen wie 3.3V oder 5V.
Das mit dem Filter passt an sich, das was du aber benötigst ist ein Verstärker. Im Endeffekt reicht dazu ein Mosfetverstärker aus.
https://www.electronics-tutorials.ws/de/verstarker/mosfet-verstaerker.html
unter dem Punkt Basis Mosfet Verstärker findest du hier den Schaltplan und wie du dir die Werte berechnest. Die Wahl für den FET Verstäker statt einem Bipolartransisotrverstäker habe ich hier getroffen weil dein Signal vermutlich nicht stark belastbar ist und du mit diesem Verstärkertyp einen wesentlich größeren Eigangswiderstand schaffst. Du solltest aber beachten, dass diese einfachen Verstärker immer Bandpassverhalten haben.
Wenn du also wirklich einen Verstärker von DC - 20kHz benötigst würde ich an deiner Stelle einen OPV verwenden. Das ist zwar ein IC aber die Verstärkerschaltungen die du so bauen kannst, bekommst du mit Transistoren alleine gar nicht hin.
Du kannst mit dem OPV sogar Aktive Filter wie Tiefpass Bandpass und Hochpass realisieren, ohne dass du dafür noch einen Verstärker benötigst. Ich würde es an deiner Stelle also in die Überlegung einfließen lassen. Im Endeffekt brauchst du beim OPV nur Widerstände und Kondensatoren an die richtigen Pins hängen und das Ding tut das was es tun soll. Da ist ein diskreter Verstärker komplizierter.
Btw bevor du überhaupt zu planen beginnst, wie groß sind denn deine Eingangsspannungspegel und in welchem Spannungsbereich befinden sich die?
Trafos gehn natürlich auch haben aber keinen wirklichen Vorteil. Viel eher ist es hier schwer gute Transformatoren für diese Signalpegel zu finden. Du musst eine möglichst große Hauptinduktivität haben sonst stöhrt es deine Anlage.
Greifst du das Signal direkt am Audioeingan oder am Ausgang zu deinen Lautsprechern ab?
Am Ausgang zu den Lautsprechern...inwiefern beeinflussen die Induktivitäten die Anlage?
Du kannst so eine oder eine ähnliche Schaltung machen:
https://pasteboard.co/J2RGGqx.png
Der Widerstandsteiler am Eingang kann auch als Poti ausgeführt werden und dient dazu ein großes Eingangssignal zu verkleinern damit die Verstärker nicht übersteuern.
Die Dioden am Eingang sind ein Schutz vor zu hoher oder zu kleiner Eingangsspannung. Diese Begrenzen ohne dein Signalquelle zu stören und bieten so einen Schutz ohne Störung der Anlage. Der erste OPV ist dabei nur ein Impedanzwandler, damit dein Signal danach bearbeitet werden kann. Der Eingangswiderstand erreicht mit dieser Beschaltung in etwa 1Megaohm je nach gewählten OPV. Der erste OPV kann theoretisch auch als Verstärker geschalten werden um kleine Signale zu verstärken.
Die OPVs danach sind ein Tiefpass, ein Bandpass und ein Hochpassfilter. Die Widerstands und Kondensator Werte muss man sich berechnen. Die Spannung Offset kann frei eingestellt werden und dient dazu, das symmetrische Eingangssignal asymmetrisch zu machen wenn das nicht benötigt wird kann die natürlich auch auf -VCC gesetzt werden.
An den Ausgängen ist dann nur noch ein 1Weg Gleichrichter, da kannst du theoretisch auch einen Brückenverstärker drauf geben, du musst hald nur aufpassen, dass du pro Diode 0.6V verlierst. In dieser Schaltung müssen an den OPVs also mindestens 1V Amplitude sein damit sie gehn. Diesen Offset kannst du mit der Offsetspannung zB ausgleichen.
An diese Ausgänge kannst du dann noch einen LCD Bargraph IC wie den LM3914 hängen um eine volle Wege Audioanzeige zu machen.
Da siehst du zB so ein Vu Meter
https://www.youtube.com/watch?v=5tI8b_KqdrM
Unter anderem auch ja, aber wenn der Transformator für 50Hz ausgelegt ist und zu wenig Hauptinduktivität für zB 10Hz hat zieht der Transformator den Audioausgang in die Knie was dann dazu führt, dass das Bass Volumen abnimmt.
Die Spannungsversorgung würde ich hier übrigens mit +/-5V realisieren, dann kannst du den IC direkt an VCC und GND hängen, oder mit etwas Modifikation auch zwischen +/-5V.
Du kannst auf bis zu +/-10V gehen, auch mit dem Brückengleichrichter.
Beim Brückengleichrichter musst du jedenfalls beachten, dass du den LM3914 zwischen + und - hängst und dass du immer einen Offset haben wirst, außer du machst die Versorgungsspannung nicht symmetrisch, das ist natürlich auch möglich.
Für die ersten Versuche kannst du natürlich das ganze Ding an +10V hängen und statt VCC- die Masse verwenden. Der Verstärker kann dann hald nur die positiven Halbwellen verstärken
Vieeeelen Dank!!! Super, dass du mir gleich noch einen Schaltplan aufgezeichnet hast ^^
ich hab bloß noch nicht ganz verstanden, was das Spannung Offset macht...?
In dieser Schaltung dient er zum anheben der Ruhespannung. Du kannst Offset so einstellen, dass zB immer die unterste LED leuchtet. Dann sind die Diodenspannungen etc kompensiert. Ein kleines Audiosignal führt also direkt zu einem entsprechenden Ausgangssignal.
Wenn die Offsetspannung auf Masse ist würde die unterste LED erst ab einer Signalamplitude von etwas mehr als 0.6V etwas anzeigen.
Du kannst die Schaltung dadurch auch allgemeiner verwenden und zwar kannst du mit dem Spannungsteiler und dem ersten OPV das Signal skalieren und mit dem Offset so einstellen, dass das Ausgangssignal sicher größer als 0V ist. Das musst du zB machen wenn du das Audiosignal digitalisieren willst.
Die meisten Digitalschaltungen haben Eingangsspannung von 0-3.3V. Das Audiosignal deines Verstärkers hatt zb Spannungen im Bereich -10 bis 10V. Mit dieser Schaltung kannst du jetzt daraus zunächst -1.5 bis 1.5V Spannung machen und wenn du Offset dann auf 1.5V einstellst hat dein Ausgangssignal 0 bis 3V und du kannst damit dann direkt in einen Arduino gehn oder eben in einen beliebigen Analog Digital Wandler. Du kannst die Schaltung also für mehr als nur dein Projekt verwenden, sondern sie auch Quasi als Standardsignal Verstärker verwenden.
Wenn du die Rückkopplung am ersten OPV mit einem Poti machst hast du auch eine Einstellbare Verstärkung von 1 bis etwa 10000, also du kannst damit auch relativ kleine Signale von einige mV messen und verstärken.
beim pasteboard-link warnt mich der Virenschutz vor TROJANERN...
Das kann sein, weil unter Pasteboard auch gerne mal Trojaner verteilt werden und daher die Seite vermutlich am Index steht.
Das was ich hochgeladen habe wir nur ein Bild.
Im Endeffekt ist die Schaltun nur ein nicht invertierender OPV mit Poti am Eingang und Schutzdioden.
Nachgeschaltet sind 3 OPVs jeweils als Tiefpass, Bandpass und Hochpass mit einer Offset Option für den Ausgang und dahinter ein 1Weg Gleichrichter.
Mit diesen Signalen kann er dann in den Bargraph IC gehen und so ein Vu Meter für Low, Middle und High machen.
Ich hab hald im allgemeinen die Schaltung so designed, dass er sie auch für spätere Projekte zB als Signalaufbereitung und Aliasingfilter für einen ADC verwenden kann.
Verbessern kann man die Schaltung natürlich noch, zB indem man die einfachen Hochpass und Tiefpass Filter durch Sallen Key Filter ersetzt, aber für den jetzigen Einsatz ist die Flankensteilheit nicht all zu wichtig.
Solche selbstgebauten Lichtorgeln waren und sind immer eine riesengrosse Enttäuschung.
Ziel wäre ja, z.B. drei Lichtkanäle im Takt von Bässen, Mitteltönen und Hochtönen flackern zu lassen (3-Kanal-Lichtorgel).
Das gibt meist nichts anderes als ein willkürliches Chaos, so dass man zumindest die Mittel- und Hochtonlampen ebensogut mit einem Zufallsgenerator ansteuern könnte.
Zudem flackern/leuchten sie je nach Stück und Lautstärke der Ton-Anteile vielleicht gar nicht oder dauernd.
Ich würde dir folgendes empfehlen:
Mach nur eine Ein-Kanal-Bass-Lichtorgel. Die also primär auf den Beat oder die Basslinie reagiert. Das wirkt optisch gut, weil es mit dem Takt der Musik einhergeht.
Schon das ist schwierig genug! Denn das Hauptproblem ist die Pegelanpassung.
Das heisst, dass sie bei jedem Stück gleich gut funktioniert, obwohl die Bass-/Beat-Lautstärke fast bei jedem Stück anders ist!
Zuerst muss das Tonsignal also durch ein simples Tiefpassfilter. Also eine Frequenzweiche wie für einen Basslautsprecher. Das sind Spulen in Serie zum Signal und Kondensatoren parallel zum Signal.
Dann brauchst du eben eine Pegelkontrolle, genannt AGC. Ausser du will die Empfindlichkeit der Lichtorgel bei jedem Stück manuell anpassen.
Profi-Lichtorgeln haben solche AGCs eingebaut, damit sie funktionierten. Dennoch hat das Geflacker oft nicht das geringste mit der Musik zu tun. Denn es reagiert eben auf die willkürlich auftauchende Lautstärke beliebiger Komponenten der Musik, z.B. von Gesang oder Solo-Instrumenten.
Verstärkerschaltungen sind an sich nicht kompliziert, jedoch schwer zu verstehen. Es ist schwer zu berechnen, wie Widerstände dimensioniert werden müssen, etc...
Ich empfehle also dringend, zumindest bei der Verstärkerstufe auf Operationsverstärker zurückzugreifen. Diese sind deutlich leichter zu verstehen und zu verwenden als herkömmliche transistoren.
Falls du konkrete Fragen hast, kannst du sie auch an diese Elektrotechnik Community stellen: https://discord.gg/mAbVW7z , allerdings ist diese auf Englisch.
Für eine Lichtorgel ist das völlig wurscht. Das braucht keinen linearen Verstärker ohne Klirrfaktor, da reicht auch ein simpler Schalttransisor.
Ändert nichts an der Tatsache, dass es leichter ist OpAmps zu verwenden, als einfache Transistoren. OpAmps sind meistens deutlich leichter zu berechnen, da die nicht diese nervige Diodenkennlinie - Funktion haben.
Möchte an der Stelle mal anmerken, dass du so wenig Fachbegriffe wie möglich verwenden solltest, um Laien Dinge zu erklären. Zum Beispiel ist es für den Fragesteller absolut uninteressant, ob der Verstärker linear ist, oder was auch immer. Der Klirrfaktor ist auch erstmal irrelevant. Durch diesen Boom an Fremdwörtern machst du deine Antworten anstrengend zu lesen und schwer zu verstehen.
Das ist mir klar. Aber genau deshalb schlage ich dem Fragesteller (nicht dir) das einfachste vor: Transistor statt Opamp. Eine Audio-"Verstärkerstufe" ist überflüssig. Es gibt nichts zu berechnen. Das muss man austesten, denn weder ist der Eingangspegel bekannt noch spielt der "Ausgangs"pegel eine Rolle (weil's ja gar keinen Ausgang braucht).
Basisstrom am Transistor so einstellen, dass die Lampe im Takt der Musik aufleuchtet, that's all.
Sonst musst du ihm noch die beste Schaltungsart erklären, oder ob er den OpAmp symmetrisch speisen soll oder warum nicht. Usw.
KISS - keep it smart & simple
Und warum nicht einfach einen aktiven Filter mit dem OpAmp bauen?
Klar, kann man. Ist sogar "schön" und ideal und perfekt. Der Fragesteller kann ja entscheiden, welchen Aufwand, welchen Spass und welchen Lerneffekt er erzielen will.
ICs will er keine, offenbar wollte er zuerst direkt mit dem Lautsprechersignal eine Lampe zum leuchten bringen.
Nun braucht er einen "Umsetzer" oder Verstärker (nebst dem Filter).
Wenn ich Lust und Zeit habe, mache ich ihm noch ein Schema von meiner Bass-Lichtorgel. Kannst ja deine Version auch einstellen.
Ich denke mal, dass der Fragesteller oft nach einer Lichtorgel gesucht hat, dabei jedoch immer wieder auf Schaltungen mit Microcontrollern und ICs zum ansteuern mehrerer LEDs gestoßen ist. Aber einfach mal abwarten, der schafft das schon.
Ich glaube, wenn du das versuchst diskret aufzubauen, also ohne ICs und so, ist es schwieriger als mit. Auch würdest du dann mehr Bauteile benötigen.
Was du auch machen könntest ist, dass du zumindest Operationsverstärker nimmst. Ist einfacher und du kannst das Prinzip trotzdem nachvollziehen.
zunächst mal danke für die Antwort👍🙂, ich habe die Spannungen direkt an meiner Musikanlage (mit einem mittelmäßigen Multimeter, weil ich grade nichts anderes habe) gemessen, je nach Lautstärke variiert diese zwischen maximal 10V und 1V...Operationsverstärker hab ich mich auch schon angesehen, das ginge auch, nur bin ich geraden auf eine Schaltung gestoßen, welche das Eingangssignal bevor es „aufgespalten“ wird, per Trafo verstärkt...da geht zwar Stromstärke verloren, aber hier ist ja die Spannung entscheidend oder? (Die Trafo Variante ist bestimmt elektronisch gesehen etwas unsauber, aber falls es für diese recht einfachen Zwecke genauso funktioniert (?), würde ich sie aus Verständlichkeitsgründen erstmal bevorzugen, schaue mir aber auf jeden Fall deinen Vorschlag an ^^