Led a ritmo di musica fai da te

Le luci a ritmo di musica sono una delle cose più richieste. Tutti le vorrebbero ma pochi hanno conoscenze adeguate e, durante i due anni e mezzo di partecipazione alla Comunità di EY ho visto l' argomento trattato molte volte con utenti che cercano la soluzione più semplice. Sappiamo tutti che non esiste e quindi ho deciso di scrivere questo articolo per fare un po' di chiarezza e per avere un link da dare agli utenti che vorrebbero le "luci a ritmo di musica" con un circuito il più semplice possibile.
In rete si trovano diversi circuiti più o meno validi ma si trovano anche delle porcate (concedetemi il termine), circuiti concettualmente sbagliati che funzionano per caso stressando inutilmente i componenti. E' questo il caso di un famigerato circuito realizzato utilizzando un solo transistor TIP31, circuito da evitare e profondamente sbagliato. Secondo me vale quindi la pena di utilizzare un numero di componenti maggiore realizzando un circuito che abbia un senso e che faccia quello che deve fare nel modo corretto. L'articolo è improntato su un tipo di elettronica stile "volemose bbene" che farà di sicuro venire l' orticaria agli elettronici (io sento già il prurito) ma tant' è.

Indice

• 1 La musica
• 2 Il circuito minimo
• 3 Un circuito più ricercato
• 4 Pilotare i LED
• 5 Conclusioni

La musica

Cercando di sintetizzare il più possibile il concetto individuo due caratteristiche salienti della musica: il ritmo e l' inviluppo. So di fare un' enorme semplificazione ma questo è il traguardo: scrivere qualcosa di semplice e comprensibile anche a scapito della correttezza tecnica, anche se come elettronico e musicista non dovrei farlo.
Ritmo ed inviluppo sono più o meno la stessa cosa perché hanno come riferimento l' intensità del segnale. Il ritmo è una caratteristica intrinseca di un brano musicale mentre l' inviluppo si può considerare come il livello del segnale così come lo si vedrebbe ad esempio su un VU-meter a lancetta realizzato con una colonnina di LED. Quando la grancassa "picchia" la colonnina balla al ritmo della musica, stessa cosa se ci sono le mani (il "clap") che va dietro al ritmo. Nella musica contemporanea il ritmo è dato dalla grancassa, ha un inviluppo notevole e si suppone dovrebbe far accendere i LED assai. Se manca la grancassa c' è qualcosa d' altro a dare il ritmo che può essere una voce, una chitarra, un piatto, qualsiasi cosa.
Quello che bisogna fare per fare in modo che i LED lampeggino a ritmo di musica è appunto ottenere un segnale che rappresenta l' inviluppo del segnale che, quando va al di sopra di una certa soglia, faccia accendere i LED.

Il circuito minimo

Se si è proprio alle primissime armi si può utilizzare questo circuito

Ecco come funziona. Il segnale (deve essere un' uscita audio per cuffie o meglio di un altoparlante dell' autoradio) viene regolato tramite il potenziometro P1. Il condensatore C1 ed il diodo D1 eliminano la componente continua e fanno in modo che il segnale vada da -0,7V all' ampiezza picco picco del segnale stesso meno 0,7V. La resistenza R1 è necessaria per limitare la corrente di base di Q1 e la resistenza R2 serve per dare un riferimento a massa. Il transistor Q1 è un darligton (quindi con guadagno elevato) e così polarizzato entra in conduzione quando la tensione alla sua base supera 1,2/1,5V tagliando via i segnali di ampiezza inferiore.
Non è un gran che però, facendolo funzionare, si vedono il LED che vanno a ritmo di musica.
Al posto del BDX53 si può anche montare un BC337 a patto che i LED da pilotare siano pochi perché c'è il rischio che il transistor lavori in zona lineare e quindi dissiperebbe potenza. In altre parole un BC337 non avrebbe vita lunga.

Un circuito più ricercato

Questo è il circuito che ho realizzato, provato e che funziona.

Il circuito di uscita che ho effettivamente provato è questo

La differenza sta nel fatto che invece di utilizzare un mosfet usa un transistor darligton che può sopportare una corrente massima di 8A. Purtroppo il darlington ha una tensione di saturazione elevata (va da 0,9V per 1A fino a 2V per 8A a seconda del carico) della quale occorre tener conto per il dimensionamento della resistenza in serie al ramo di LED, mentre i MOSFET hanno una resistenza ON dell' ordine di 30 mohm e sopportano tranquillamente una corrente di 20A il che vuol dire 1000 rami di led a 20mA in parallelo. Sono quindi preferibili e con la corrente che reggono si può illuminare anche una discoteca.
Questo è un circuito stereo, per spiegarne il funzionamento faccio riferimento al canale sinistro (L), quello disegnato nella parte superiore. Il segnale entra attraverso C1 che ne elimina la componente contnua, i diodi D1 e D2 raddrizzano il segnale e, insieme a R1 e C2 fungono da rivelatore d' inviluppo. Otteniamo così una tensione che varia seguendo l' ampiezza del segnale.
C2 si carica in modo veloce ma si scarica lentamente con una costante di tempo di 100 ms. Se si vuole rendere il circuito più reattivo all' inviluppo è sufficiente diminuire il valore di R2 riducendo la costante di tempo.
Questo segnale entra nell' ingresso non invertente del comparatore U1. L' ingresso invertente è collegato al cursore di P1 (usare un potenziometro logaritmico è un' ottima idea). Con il valore di Rs indicato si può regolare la soglia del comparatore da 0 a 2V circa. Per segnali più ampi (ad esempio prelevando ilsegnale dagli altoparlanti dell' autoradio) può essere necessario diminuire la sensibilità del circuito diminuendo il valore di Rs oppure non montandola addirittura.
L' uscita del comparatore è open collector e quindi necessita di una resistenza di pull-up che è R2.

Pilotare i LED

I LED vanno pilotati in corrente e quindi è sempre necessario mettere in serie al LED o alla stringa di LED una resistenza. Il valore della resistenza dipende dalla tensione di alimentazione della stringa, dal numero di LED in serie e dalla tensione diretta dei LED. I LED rossi hanno una tensione diretta di circa 1,8V mentre per i LED verdi,blu e bianchi siamo intorno ai 3,5/4V. Non è mia intenzione descrivere nel dettaglio come calcolare con esattezza le stringhe quindi porterò due semplici esempi per stringhe di LED rossi e BLU per una tensione di alimentazione di 12V.

Per il calcolo delle resistenze ho considerato una corrente di pilotaggio dei LED di 20mA. Per i LED blu ho considerato una caduta di tensione diretta di 3,5V mentre per i led rossi di 1,8V. Nel disegno il terminale OUT va collegato al terminale omonimo dei circuiti disegnati sopra. Utilizzando il secondo circuito di questi rami se ne possono mettere in parallelo una gran quantità.

Conclusioni

In questo breve articolo ho cercato di fornire una soluzione a questo argomento che si ripete di continuo nel forum. Ci sono tantissime imprecisioni ed approssimazioni ma penso di aver dato la possibilità al più-che-principiante di cimentarsi e fare accendere questi benedetti LED a tempo di musica senza combinare grossi pasticci o utilizzare improbabili circuiti. Spero che gli elettronici del sito non me ne vogliano. Neanche a me piace questo tipo di elettronica stile "pappa pronta" e calcoli a spanne, ma forse questo articolo potrà essere utile a qualcuno. Almeno questa è la speranza.