Лазерная СДУ

Проецируя на стену или потолок луч лазерного диода, можно получить различные световые эффекты. Действительно, световой луч диода может описывать самые замысловатые фигуры, взаимодействуя с подвижными зеркалами.

Модуляция луча получается в результате изменения скорости вращения двух электродвигателей, на оси которых установлены зеркала. Изменение скорости моторов может производиться в зависимости от музыкальной обстановки, вручную или случайным образом.

Зеркала отражателей лазерных лучей имеют два направления падения луча: касательное падение относительно плоскости, перпендикулярной оси электродвигателя, и под углом падения 45° по отношению к лучу. Сложность получаемых фигур зависит от числа зеркал.

Световая мощность пучка зависит от используемого лазерного диода. Для получения значительной мощности желательно применять лазерную трубку, но в этом случае она должна использоваться вместе с собственным источником высокого напряжения (приблизительно 1500 В).

Лазерный диод питается от схемы стабилизации тока, калибровка которой зависит от типа используемого диода и желаемой яркости.

Схема модуляции скорости, а также два каскада усиления мощности, питающих электродвигатели, дополняют устройство. Выбор типа модуляции для каждого мотора осуществляется с помощью переключателя, установкой одного из трех режимов управления: ручного, музыкального или случайного. Этот переключатель следует расположить на передней панели прибора.

Описание схемы
В общей схеме устройства встречаются ранее упомянутые блоки.

Схема питания приставки
Трансформатор TR1, защищенный плавким предохранителем F1, понижает сетевое напряжение приблизительно до 12 Вэфф. Это напряжение выпрямляется диодным мостом D4. Конденсатор С13 сглаживает выпрямленное напряжение, а стабилизация напряжения питания 8 В осуществляется стабилизатором отрицательного напряжения 7908, вследствие чего общая шина, шина 0 В и корпус стабилизатора имеют один и тот же потенциал, хотя анод лазерного диода соединяется с его корпусом.

Выход стабилизатора зашунтирован конденсатором С12.

Схема питания лазерного диода
Лазерный диод имеет три вывода и состоит из собственно лазерного диода (диода, излучающего лазерный луч) и контролирующего фотодиода, предназначенного для контроля за мощностью излучения. Анод лазерного диода и катод управляющего диода подключаются к общему выводу, соединенному с корпусом.

Электрическая схема блока питания лазерного диода и электродвигателей представлена на рис. 1.


 
Рис. 1. Электрическая схема блока питания лазерного диода и электродвигателей.

Следящая схема с обратной связью вырабатывает ток прямого смещения лазерного диода. Стабилизатор автоматически регулируется обратным током контролирующего диода, для того чтобы поддерживалась установленная мощность излучения.

Регулировка тока осуществляется операционным усилителем СI4, на инверсный вход которого подано опорное напряжение 2,5 В с резисторов R22, R23.

Потенциал на прямом входе 3 меняется в зависимости от обратного тока фотодиода лазерного диода. Действительно, ток фотодиода, проходя через резисторы R25 и Aj1, преобразуется в напряжение.

Напряжение на выходе CI4 зависит от обратного тока фотодиода, а также от подстроечного резистора Aj1, с помощью которого устанавливается световая мощность луча. Чем меньше выходное напряжение CI4, тем больше ток лазерного диода и, следовательно, яркость луча.

Емкость конденсатора С11 определяет задержку нарастания тока через лазерный диод, в частности при включении питания.

Схема стабилизатора работает следующим образом. Предположим, что резистор Aj1 отрегулирован на определенный ток; тогда, если световая мощность пучка уменьшится, то потенциал на прямом входе понизится, вызывая уменьшение выходного напряжения на выходе 1 усилителя CI4. Базовый ток транзистора ТЗ увеличится, что повлечет за собой нарастание коллекторного тока, который является током лазерного диода; таким образом, яркость луча восстановится.

И наоборот, если световая мощность увеличивается, то напряжение на прямом входе CI4 растет. Следовательно, выходное напряжение операционного усилителя увеличивается, уменьшая при этом базовый ток транзистора ТЗ и ток через лазерный диод.

Каскад усиления мощности для моторов
Два электродвигателя питаются от мощных независимых каскадов с идентичной структурой.

Усилитель мощности — повторитель напряжения — выполнен на операционном усилителе с мощным транзистором. Резисторы (R20, R21) обеспечивают режим входного каскада усилителя. Диоды D2 и D3 защищают усилитель от скачков напряжения, вызванных электродвигателем.

Управление в ручном режиме
Управление в ручном режиме осуществляется с помощью потенциометра РЗ. Именно с этого потенциометра подается постоянное напряжение на один или два каскада усиления мощности.

Скорость вращения электродвигателя прямо пропорциональна положению движка потенциометра РЗ. Если необходима ручная независимая регулировка каждого мотора, то достаточно установить на передней панели корпуса еще один потенциометр и соединить его проводами с платой и переключателем выбора режима управления.

Управление в случайном режиме
Псевдослучайное напряжение управления электродвигателями снимается с мультивибратора, собранного на операционном усилителе CI2/A с положительной обратной связью через резистор R18 (см. рис. 2). Когда на выходе 1 операционного усилителя CI2/A высокий уровень напряжения, конденсатор С8 заряжается через суммарное сопротивление R19+Р2. Когда напряжение на выводах этого конденсатора превышает порог, установленный резисторами R16, R17 и R18, напряжение на выходе 1 уменьшается приблизительно до 0 В. Переключение выхода ОУ через резистор R18 понижает порог срабатывания, и конденсатор С8 начинает разряжаться.

Как только напряжение на выводах конденсатора С8 спадает ниже нового порога, на выходе CI2/A вновь устанавливается напряжение высокого уровня. При этом порог срабатывания повышается за счет тока резистора R18, и конденсатор снова заряжается через сопротивление R19+Р2.

Таким образом, циклы могут следовать друг за другом бесконечно долго, и частота мультивибратора определяется потенциометром Р2, а гистерезис зависит от резистора R18.

Треугольное напряжение с С8 поступает на повторитель напряжения, собранный на операционном усилителе CI2/B. Подстроечный резистор Aj1 образует делитель напряжения с входными резисторами мощных каскадов (R20 и R21). Полученное ослабление позволяет ограничить максимальную скорость вращения электродвигателей в случайном режиме.

Управление в музыкальном режиме
Сигнал, поступающий с электретного микрофона, который получает смещение через резистор R5, усиливается двумя каскадами на операционных усилителях СI1/В и СI1/С. Они смещены на половину напряжения питания с помощью делителя напряжения R1, R2.

В этом канале усиления используются две фундаментальные схемы на операционных усилителях; например, в каскаде с СI1/В легко узнать схему неинвертирующего усилителя, а каскаде с СI1/C — схему инвертора. Коэффициент усиления каждого каскада зависит от значений сопротивлений резисторов R6, R7, R9, R10 и потенциометра Р1. Конденсаторы СЗ, С4 и С5 обеспечивают развязку постоянных составляющих различных каскадов.

НЧ сигнал усиливается, а затем выпрямляется однополупериодным выпрямителем, собранным на третьем операционном усилителе CI1/D, входящем в состав микросхемы LM324. Интегрирование выпрямленного сигнала производится с помощью конденсатора С7 и резистора R13, которые определяют постоянную времени интегрирования.

Последний каскад усиливает проинтегрированное постоянное напряжение в два раза. В зависимости от типа используемого электродвигателя для ограничения максимальной скорости мотора это усиление можно уменьшить, исключив из схемы резистор R15, чтобы получить повторитель напряжения, или увеличивая его сопротивление, чтобы получить промежуточное усиление.

Принципиальная схема каскадов управления приведена на рис. 2.

Рис. 2. Электрическая схема блока управления приставки.

Изготовление
Хотя разводка достаточно плотная, изготовить плату весьма несложно. Для того чтобы облегчить выполнение соединений, в каждой точке подключения (A, F, M1, M2, (+)) устанавливается контактный лепесток.

К собранной и проверенной плате не подключается лазерный диод и электродвигатели. До включения питания плавкий предохранитель должен быть закрыт крышечкой. После подачи питания следует проверить напряжение +8 В между контрольной точкой С и контактом (-).

Для проверки диапазона изменений напряжения каскадов усиления мощности и управления электродвигателями можно включить вольтметр параллельно выходам схемы управления или мощного каскада.

С помощью шнура, снабженного зажимами, соединяются контакты F и M1, затем М2. При этом вращением ручки потенциометра РЗ можно вручную управлять скоростью вращения электродвигателей (или контролировать изменение напряжения от 0 до 8 В на контакте F и в диапазоне от 0 до 6 В на выходах МОТОР1 и МОТОР2).

Теперь соединяются контакты M1 или М2 с контрольной точкой А. Вращение электродвигателей должно изменяться во времени. При регулировке потенциометра Р2 эти изменения должны происходить быстрее или медленнее. Кроме того, ограничение скорости контролируется с помощью подстрочного резистора Aj1 (напряжение, измеренное на контакте А, должно изменяться между 2 и 6 В).

Соединив контакт S с M1, а затем с М2, можно проверить выход музыкального сигнала. При более или менее сильном посвистывании скорость вращения двигателей должна меняться. Чувствительность микрофона регулируется с помощью потенциометра Р1.

После всех проверок разрешается подключить к схеме лазерный диод. Необходимо соблюдать осторожность, так как при неверном включении он может быть поврежден. Внешний вид и цоколевка этого прибора показаны на рис. 3.



Рис. 3. Цоколевка лазерного диода.

Следует внимательно рассмотреть цоколевку лазерного диода (общий вывод соединен с корпусом).

В качестве примера на рис. 4 приведен габаритно-монтажный чертеж лазерного диода CQL80.



Рис. 4. Габаритно-монтажный чертеж лазерного диода CQL80.

Рабочая температура лазерного диода не должна превышать 50°С.

Для лучшего теплоотвода лазерный диод следует установить на краю печатной платы, чтобы прижать его алюминиевой пластиной, как показано на рис. 5.



Рис. 5. Монтаж лазерного диода.

Разводка печатной платы цветомузыкальной приставки показана на рис. 6, радиодетали на плате размещаются в соответствии с рис. 7.



Рис. 6. Разводка печатной платы приставки.



Рис. 7. Схема размещения радиодеталей на плате приставки.

Получить тонкий и очень сконцентрированный луч можно с помощью собирающей линзы, расположенной параллельно алюминиевой пластине. Фокусное расстояние (между радиатором и плоскостью линзы) зависит от используемой оптики и определяется опытным путем.

Для настройки яркости лазерного луча Aj1 устанавливается в крайнее правое положение, чтобы получить большее сопротивление.

К выводам резистора R28 (47 Ом) подключается вольтметр (на пределе измерений 20 В (DCV)). Если измеряемое напряжение около 2 В, ток через лазерный диод составляет примерно 40 мА, при 3 В — 60 мА (3/47).

Только после этого можно подать на схему питание.

С этого момента на визирной поверхности (листе чистой бумаги) должно появиться красное пятно. Напряжение, измеренное на выводах резистора R28, не должно превышать 4 В.

Наблюдая за световым пятном, медленным изменением Aj1 настройте желаемую яркость. Максимально допустимый для лазерного диода ток составляет 90 мА.

На этой стадии можно провести фокусировку лазерного пучка перемещением линзы. Луч, направленный на стену с расстояния нескольких метров, должен иметь минимальный диаметр светового пятна. Если лазерный диод имеет коллимационную систему, то манипуляции существенно упрощаются. Для установки фокусного расстояния достаточно подкрутить или ослабить регулировочные винты держателя внутренней линзы.

На следующем этапе сборки можно установить электродвигатели, оснащенные зеркалами, для отклонения лазерного луча.

Сначала на осях моторов следует закрепить держатели зеркал. Например, можно из пластмассового листа толщиной 4–6 мм вырезать кружок диаметром 3 см или квадрат со стороной 4 см. Эта маленькая пластина с просверленным в центре отверстием, немного большим, чем диаметр оси мотора, насаживается на ось (впоследствии ее необходимо приклеить).

К пластмассовому держателю приклеивается зеркало таким образом, чтобы между зеркалом и держателем, перпендикулярным оси электромотора, образовался угол.

Затем первый мотор устанавливается так, чтобы зеркало, которое на нем закреплено, располагалось под углом 45° к оси лазерного диода. Второй мотор размещают на расстоянии 10 см таким образом, чтобы повторное отражение способствовало распространению лазерного луча параллельно первоначальному направлению (не учитывая малого угла между зеркалом и держателем).

Электродвигатели можно закрепить при помощи установочных приспособлений или хомутиков, используемых в электротехнике для фиксации на стенах электрических рукавов.