创客音乐频谱彩灯

对已有的DIY项目进行升级

老早我就用面包板和电子元器件搭建出了一个最简化版本的音乐频谱彩灯,使用LED 代替传统彩色风琴使用的白炽灯。

即便电路如此简单,此电路也能正常工作。然而我觉得这个电路方案应该进一步完善。所以我翻看了原有的电路原理图,并分析改进了。

会有什么改进呢?让我们一起来看看视频。

第一步:需求与电路方案

Picture of The Problems & the Solutions

问题

它存在几个问题。电路中晶体管的偏置电压与供电电压有关,当然也与器件有关—换句话说,如果电压过高或过低,或者晶体管特性有差异,那么电路也许就不能正常工作。

再者,滤波器的性能参数也不是特别好——几个通频带之间有重合,通频带以外的频率信号衰减不够。

解决方案

首先,我将初始增益阶段从单晶体管设计改为双晶体管设计。它是一个基本的A类共发射极放大器,后面接一个射极跟随器。它们是直接耦合的,以此获得最佳性能,以及减少元器件数量(对于我来说,用最少的元件来设计电路是很重要的)。添加射极跟随器使得低输出阻抗的滤波器也能良好工作。偏置电路也被修改为更少的元件和电压依赖。

其次,对滤波器进行改进,以获得更好的分频效果。滤波器的输入和输出阻抗匹配得更好,从而达到更好的效果。

第三,LED的驱动电路被赋予给另一个晶体管。实际上,在最初的设计中,输出缓冲器和LED的驱动是由同一个晶体管担当的。现在,滤波器输出由射极跟随器进行缓冲,然后滤波了的音频信号在进入LED驱动器之前被整流。

这些改进帮助很大。为了获得更好的性能 ,我精心地调整了元件的值,还增加了灵敏度调节控制。

与早期版本相比,有许多额外的部件,但结果是完全值得的。现在LED灯对音乐响应非常好。

第二步:电路

Picture of Circuit
Picture of Circuit
Picture of Circuit

这是电路的原理图,物料清单,以及PCB的布局图,同时给出了滤波器的响应图。请记住,图形更多是定性的,而不是严谨的。

该电路是在许多老式电路的基础上做一些改进。

输入缓冲增益阶段具有低的输出阻抗,这对于后面的筛选阶段非常重要。这个阶段也被设计为给予高增益和最大的输出信号水平。因为过滤器是无源元件,所以会丢失一些信号。(我花了最多时间来设计这个放大阶段,我尝试了很多拓扑和参数。我认为我找到了简单,稳定和性能这三者之间的最佳平衡。与运算放大器不同,用晶体管设计放大器是一种折中的艺术。)

我最初的想法是把射极跟随器当作整流器使用。(Q3,5和7)结合偏置点集(由R8,9等)在点的正下方。LED 驱动器打开手机这个彩色风琴对低音量的音频输入非常敏感,同时消除了这里通常使用的二极管。

物料清单

  • 3x 47 欧姆 - R4,17,20
  • 6x 150 欧姆 - R10,15,16,16b,21,21b
  • 2x 270 欧姆 - R11,11b
  • 1x 470欧姆 - R6
  • 2x 1k 欧姆 - R1,2
  • 2x 4.7k欧姆 - R7,12
  • 4x 10k欧姆 - R3,9,14,19
  • 3x 270k 欧姆 - R8,13,18
  • 1x 1.2M 欧姆 - R5
  • 1x 10k 欧姆 电位器- VR1
  • 1x 4.7nF (0.0047uF) - C9
  • 2x 22nF (0.022uF) - C6,7
  • 1x 0.22uF EC - C3
  • 1x 1uF EC - C4
  • 3x 4.7uF EC - C5,8,10
  • 1x 10 uF EC 16V或 更高 - C2
  • 1x 47uF EC 16V或更高 - C1
  • 8x MPS2222A 或等效 - Q1-8
  • 6x Red LED (推荐超亮型) - D1-6
  • 6x Green LED (推荐超亮型) - D7-12
  • 6x Blue LED (推荐超亮型) - D13-18
  • 1x 3.5mm音频座- CN1
  • 1x 直流电源插座

所有电阻均为1/8W(或更高)碳膜型,精度为5%,小型电容为薄膜型,0.22uF及以上为额定电压为16V及以上的电解型。

部分替换

这类模拟电路往往对零件的值很挑剔,所以不要随便改变电阻阻值等,除非你知道你在做什么。

电阻和电容的类型不是很关键,所以你可以使用任何类型。例如,用陶瓷电容代替薄膜是可以的。

我使用的是MPS2222A 型晶体管,它可以被许多类型规格的通用三极管所代替。我测试的是2N4400, 2N4401, 和2N3904。

Q1比这个电路中的其他晶体管都重要,偏置是hfe在200左右的晶体管调整的。如果你使用不同的晶体管,你可能想要检查Q1集电极的电压——当时用的是12伏的电源电压时,这里的电压应该在4.5到6伏之间。如果它太高或太低,可调整R5或尝试不同的电阻器。

PCB布局
PCB布局是提供给PCB制造商的pdf。这是一个单层设计,所以应该很容易做出自己的。

工具包 和PCBs
这个项目的工具包和pcb都可以在 我的网站上找到。(链接:available at my website.)

第三步;装配

Picture of Assembly
Picture of Assembly

这里有8个晶体管,许多电阻,电容和发光二极管,但组装是非常直接的,因为他们都是插件元件(没有IC芯片)。在某种程度上,彩色风琴三重豪华版||是建立在70年代的电路上。如果你像我一样,你会欣赏所有离散组件设计的现代复古感觉。

我建议先焊接低的元器件,然后再转移到更高的部分。我按照下面的焊接顺序安排了BOM表。

焊接顺序

  • 电阻(弯曲引线) (reference on color code)
    • 3x 47 欧姆(黄, 紫, 黑,金) - R4,17,20
    • 6x 150 欧姆 (棕, 绿,棕,金) - R10,15,16,16b,21,21b
    • 2x 270 欧姆 (红,紫,棕,金) - R11,11b
    • 1x 470 欧姆 (黄,紫,棕,金) - R6
    • 2x 1k 欧姆 (棕,黑,红,金) - R1,2
    • 2x 4.7k 欧姆 (黄,紫,红,金) - R7,12
    • 4x 10k 欧姆 (棕,黑,橙,金) - R3,9,14,19
    • 3x 270k 欧姆 (红,紫,黄,金) - R8,13,18
    • 1x 1.2M 欧姆 (棕,红,绿,金) - R5
  • 1x 3.5mm 立体声插孔 - CN1
  • 电容 (观察电解电容的极性-长引脚插入PCB上带“+”符号的孔内
    • 1x 4.7nF (0.0047uF) 薄膜电容 - C9
    • 2x 22nF (0.022uF) 薄膜电容 - C6,7
    • 1x 0.22uF 电解电容* - C3
    • 1x 1uF 电解电容* - C4
    • 3x 4.7uF 电解电容* - C5,8,10
    • 1x 10 uF 电解电容* - C2
    • 1x 47uF 电解电容r* - C1
  • 晶体管 (极性 - 确保它们的方向与印刷在PCB上的形状一致)
    • 8x MPS2222A 或等效的- Q1-8
  • LED灯 (极性 - 确保它们的方向与印刷在PCB上的形状一致
    • 6x 红LED - D1-6
    • 6x 绿LED - D7-12
    • 6x蓝 LED - D13-18
  • 1x 直流电源插座
  • 1x 10k (50k) 欧姆电位器 - VR1

焊锡松香/助焊剂的注意事项

有些松香/助焊剂是能够导电的。(松香或助焊剂在焊锡丝内,帮助焊料粘附在烙铁头上)彩色风琴的某些部位对松香/助焊剂引起的微小漏电非常敏感。如果没有任何声音信号进来,彩色风琴的LED灯一直亮着,你需要清洁PCB,去除松香/助焊剂。

“无需清洁”型助焊剂不会造成任何问题(顾名思义),但是典型的松香助焊剂会造成大量泄露,可能需要清洗。你可以用酸刷或旧牙刷浸泡外用究竟清晰PCB板的背面,将刷子洗净,再次用酒精浸湿,再擦洗一到两遍,直到所有的松香残渣都消失。在连接电源之前,请确保PCB板完全干燥。

第四步:使用

Picture of Use
Picture of Use
Picture of Use

彩色风琴是设计有12V直流电源运行。不过,在9V电源下也可以正常运行。然而,不建议使用 9V电池作为电源,因为它的电流相对较高(空闲时约为25mA)

最好是连接12V直流稳压电源。如果你想使用典型的墙壁插座,要小心——他们的输出电压比额定电压高得多,有时高达18V,而不是12V。彩色风琴可以安全运行时在15V以内(如果你想使用非调节的交流适配器,尝试一个额定电压为9V的--它们通常产生约13V的电压。)

音频源可以是音频设备的任何“线电平”输出,也可以是计算机声卡和ipod/MP3播放器的耳机输出。如果你想听音乐的同时欣赏彩色风琴,你可能需要一根分频线。

连接彩色风琴到您选择的音频源,并给它播放我选择的有着良好节拍的音乐。根据音量调节电位器(灵敏度水平),以提供最好的效果。

LED灯以一种非常线性的方式对音乐进行反应,就像彩色风琴将声音转换成光一样。

LED发出的光非常亮,您可以使用彩色风琴作为洗墙——将光线投射到墙壁或天花板上,并调暗房间的灯光

你将会发现听音乐是一种新的乐趣。

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