СВЕТОМУЗЫКАЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ
       

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СВЕТОМУЗЫКАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТАРИЯ


ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СВЕТОМУЗЫКАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТАРИЯ

5. Выходное оптическое устройство

Казалось бы, ВОУ - самый простой в светомузыкальном устройстве блок. Именно эта простота и расхолаживает обычно конструктора, особенно, если он имеет смутное представление о художественной цели эксперимента. Именно она заставляет конструктора идти на невероятные ухищрения при разработке электронного блока и в то же время делает уверенным в том, что с ВОУ трудностей не будет.

Во многих технических статьях о светомузыке (например, в журналах "Радио", "Юный техник" и др.) даны подробнейшие схемы всех электронных узлов, иногда весьма сложных, а на выходе - три маленькие лампы. И больше о ВОУ - ни слова, как о чем-то второстепенном, необязательном. И радиолюбитель зачастую удовлетворя­ется добросовестным монтажом электронного блока и успокаивается на этом. Но ведь не этим же блоком должен любоваться зритель, а той красочной картиной, которая воспроизводится на экране ВОУ!

Именно этот узел требует наибольшего внимания конструкторов. Электронику же ни в коем случае не нужно превращать в самоцель. Она должна способствовать реше­нию поставленных художником задач. Ведь существует немало СМИ, остроумных по своему конструктивному решению и впечатляющих по воздействию, в которых нет ни одного транзистора или электронной лампы. И наоборот, известны случаи создания сложнейших электронных установок, которые хорошо справляются с одной лишь за­дачей - раздражать зрение...

В лучших светомузыкальных устройствах электроника и светотехника выступают в единстве, в равной мере содействуя достижению необходимого художественного, эф­фекта. Но, начиная работу над светомузыкальным устройством, прежде всего следует продумать конструкцию ВОУ, которая в большой мере определяет функциональную схему электронных узлов БУ и БУМ.

Материалом, которым пользуется в своем творчестве светохудожник, является цветной свет, организованный в определенные формы различной фактуры, изменяю­щиеся во времени.
Рассмотрим действие простейшего элемента ВОУ - светофильтров, применение которых неизбежно при использовании источников света со сплошным спектром излучения (т. е. источников белого света). Встречаются, но очень редко, и случаи применения монохроматических источников света (лазеры, газоразрядные трубки, люминофоры).

Чтобы объяснить действие светофильтров, напомним некоторые сведения из коло­риметрии. В качественном отношении световые потоки могут отличаться по цветности, которая задается двумя параметрами - цветовым тоном и насыщенностью (чистотой цвета). Цветовой тон определяется длиной волны л светового излучения, измеряемой в нанометрах. Насыщенность характеризует степень разбавленности цвета белым све­том. Основные цвета, имеющиеся в природе, представлены спектром, наблюдаемым при разложении белого (солнечного) света призмой или дифракционной решеткой.

Теперь обратимся непосредственно к технике получения цветного света. Светофильт­ры как устройства, выполняющие эту функцию, должны иметь различные значения коэффициента пропускания тл в разных зонах спектра. Наибольшее распространение при конструировании СМИ получили абсорбционные фильтры, т. е. такие, которые в зависимости от своего химического состава избирательно поглощают излучение одно­го цвета и пропускают другие цвета. Свойства светофильтра описывают кривые пропус­кания, показывающие как меняется коэффициент тл по отношению к различным цветам.

Площадь, заключенная под кривой пропускания тл, характеризует количество све­тового излучения, прошедшего через фильтр. Эта площадь, естественно, уменьшается, когда, стремясь добиться большей избирательной способности фильтра (т. е. большей насыщенности прошедшего света), увеличивают толщину и тем самым оптическую плотность фильтра. Для светомузыкальных установок лучше всего использовать стек­лянные фильтры, выбранные по специальному каталогу цветного стекла, в котором указаны цветовые характеристики и кривые изменения тл.

Чаще всего приходится применять стандартные театральные фильтры из стекла или пленки (их характеристики показаны на рис. 11).





При нагревании стеклянные фильтры (особенно синие при использовании в качестве источника света лампы накаливания) сильно перегреваются и лопаются. Для предупреждения этого явления необходимо разрезать стекло на узкие полоски или принимать другие меры по охлаждению свето­фильтра. Выпускается весьма широкий ассортимент пленочных фильтров. Они выдерживают еще меньшую температуру, чем стеклянные, и при долговременной работе вы­цветают (особенно синие).



Рис. 11. Характеристики пропускания набора цветных стеклянных филь­тров

При отсутствии стеклянных или пленочных триацетатных фильтров можно изготав­ливать жидкостные - водные растворы анилиновых красителей в плоской кювете или фильтры из целлофана, окрашенного этими красителями. Радиолюбители изготавлива­ют и фильтры из желатины. Размоченную и подогретую желатину окрашивают водным раствором анилиновых красителей, разливают на стекло и, высушив, снимают в виде тонкой, довольно хрупкой пленки.

Некоторые радиолюбители к проблеме выбора светофильтров относятся весьма не­брежно, ограничиваясь окрашиванием ламп различными цветными лаками- Но их цветовые характеристики очень низки, имеют большой разброс, причем ассортимент их цветов невелик. Поэтому применение окрашенных ламп следует ограничивать прос­тейшими АСМУ. При изготовлении СМИ лаки используют лишь в специфических ситуа­циях (ручное изготовление рисованных цветных слайдов и т. п.). Следует иметь при этом в виду, что многие лаки разного цвета при смешивании приобретают грязный от­тенок. Поэтому лучше всего иметь как можно больше лаков чистых цветов, а если и рассчитывать на смешивание, то лишь с проверкой результата на стадии подготовки красителя.

Подобное смешивание красителей, цветных лаков, а также составление многослой­ных пленочных фильтров всегда связано с уменьшением интенсивности проходящего через них света. Ввиду того, что цветной свет получается здесь путем вычитания из бе­лого, этот способ цветного смешивания называют субтрактивным (вычитательным).


Но существует и другой способ смешения цветов — аддитивный, непосредственно на экране, когда на него подают световые потоки разного цвета. Яркость экрана, естест­венно, увеличивается, а результирующая цветность зависит от цветовых характеристик слагаемых потоков. Естественно, аддитивное и субтрактивное смешение цветов проис­ходит по своим законам, что иногда упускают из виду при работе с цветом на палитре и на экране.

Одно из распространенных заблуждений любителей светомузыки - попытка полу­чить все разнообразие цветов на экране суммированием трех основных цветов в разных пропорциях. Да, теоретически это возможно, но если только цвета взяты с максималь­ной насыщенностью (а ее могут обеспечить лишь лазер, высококачественные люмино­форы и красители). Реальные же светофильтры для этих целей чаще всего непригодны, и суммирование всегда приводит к белесым цветовым смесям.

Поэтому многие конструкторы не ограничиваются трехцветными источниками света, а подбирают возможно большее число фильтров разных цветов и поочередно используют их без особого расчета на особенности аддитивного смешения. А если возни­кает необходимость изменения цвета по ходу действия определенного светового обра­за, то применяют сложные светофильтры, например в виде диска, составленного из узких секторов разного цвета. Если диск медленно вращать перед объективом диапро­ектора, то границы между секторами не будут заметными, и мы увидим на экране плав­ное изменение цвета по спектру.

Известны и другие методы плавного изменения цвета путем взаимного перемеще­ния элементов составных фильтров или использования растровых фильтровых уст­ройств. Можно получать цветовую динамику на основе эффекта хроматической поля­ризации - при этом цвет изменяется уже непосредственно с помощью электрическо­го сигнала.

Следует иметь в виду, что цвет на выходе светофильтра зависит не только от вида кривой его пропускания, но и от характеристик самого проходящего через фильтр света.


Во всех наших предыдущих рассуждениях имелось в виду, что через светофильтр пропускали белый свет. Большинство реальных источников излучает свет, в большей или меньшей степени отличающийся от того, что дает нам природное светило - Солнце.



Рис. 12. Зависимость основных параметров ламп накаливания от напря­жения

А если смотреть шире, то выбирать источники света при создании ВОУ следует по следующим основным признакам: по характеру излучения и его цветовым характерис­тикам; роду используемого тока; значению номинального напряжения Uном; значе­нию мощности Рпом (и связанного с ней светового потока Фном); световой отдаче ф (т. е. отношению светового потока Ф к затрачиваемой для его получения электри­ческой мощности Р); вольт-амперной характеристике; инерционности; габаритам и форме светящегося тела (и связанной с этим кривой силы света). Следует также учи­тывать необходимость в пускорегулирующей аппаратуре и ее сложность, характер из­менения светового потока от изменения напряжения (или тока), способы и пределы управления световым потоком, изменение цветовых характеристик при управлении световым потоком.

Для характеристики распределения мощности излучения по спектру используют масштабное отображение (чаще всего в относительных величинах) мощности излуче­ния Fл на той или иной длине волны (или в интервале волн ДЛ.).

Лампы накаливания - самые дешевые и распространенные источники света, имеют более тысячи наименований, различающихся по напряжению, мощности, габаритам, форме баллона, наполняющему их газу, формам цоколя и нити накала. Они не тре­буют специальной пускорегулирующей аппаратуры и почти все могут работать в лю­бом положении. Средняя продолжительность работы Н = 1000 ч. Нить накала некото­рых ламп близка к точечной и может быть выполнена в виде сплошного светящего прямоугольника (кино- и прожекторные лампы). Световой поток можно регулиро­вать от нуля до максимума изменением напряжения питания V. Характер изменения параметров Р, I, Ф, ф, Н от напряжения U нелинейный (рис. 12).



Нелинейность электрических характеристик объясняется тем, что нить накала ме­няет свое сопротивление от температуры (у холодной лампы оно в 8-14 раз меньше, чем у горящей). С этим, кстати, связано явление броска тока при включении лампы. У ламп небольшой мощности нить невелика и нагревается быстро, в доли секунды (0,2 - 0,5 с). При включении же мощных ламп с массивной спиралью это время может достигать секунды.

Еще большая нелинейность световых характеристик объясняется законами тепло­вого излучения, согласно которым суммарный поток излучения (а значит, и света в видимом диапазоне) увеличивается от температуры в степенной зависимости. Особенностями теплового излучения объясняются и некоторые другие свойства лампы нака-ливания: малый энергетический КПД лампы, излучающей в видимой части спектра лишь 10% своей энергии; среднее значение световой отдачи Ф равно всего 13 лм/Вт [Максимальное значение Ф для идеального источника равно 683 лм/Вт. Для ламп накаливания предел ф = 50 лм/Вт, а реальный верхний уровень, достигнутый современ­ными лампами накаливания с галогенным циклом, равен лишь 25 — 30 лм/Вт.] ; сильное нагревание (более 100° С) баллона; большая разница в значении мощности излучения Рх для красной и синей части спектра (рис. 13). И, наконец, главный недос-таток - это изменение спектрального состава излучения лампы при изменении напря-жения питания ("покраснение" свечения при уменьшении напряжения). Объясняется эхо тем, что максимум излучательной способности нити накала при разной температу­ре Т приходится на разную длину волны Лмакс.

Несмотря на эти недостатки (многие из которых, кстати, можно в определенной мере скомпенсировать), лампы накаливания остаются пока основными источниками света для любительского светомузыкального конструирования. Поэтому полезно бо­лее подробно ознакомиться со всеми другими специфическими особенностями этих, казалось бы несложных, устройств для преобразования электрической энергии в све­товую.

Например, если поставлена задача получить ВОУ с малой инерционностью источни­ков света, то лучше всего подойдут обычные осветительные сетевые лампы на напря­жение 127 и 220 В.


Если наоборот, необходимо, чтобы включение и выключение проис­ходило с некоторой задержкой, более плавно, то для этой цели лучше всего подходят низковольтные лампы, с толстой нитью. С уменьшением номинального напряжения связана и возможность уменьшения длины этой нити, т. е. приближение источника све­та к точечному. Из обычных сетевых ламп меньшие размеры нити у би спиральных. Для получения общей равномерной засветки экрана можно применять лампы с мато­вой колбой. Экономичны лампы с зеркальным (или матовым) отражающим покры­тием, нанесенным на баллон вблизи цоколя; они излучают - в телесном угле 80° вдоль оси не менее 50% всего светового потока.



Рис. 13. Распределение энергии излучения в спектре семейства газонапол­ненных ламп накаливания

Применяемые обычно в быту лампы общего назначения разделяют на следующие группы: В — вакуумные, Г — газонаполненные, Б - биспиральные, К - биспираль-ные криптоновые. Эти лампы на напряжение 127 и 220 В имеют такую шкалу мощноо х-ей: 15, 25, 40, 60, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 750, 1000, 1500 Вт (до 300 Вт цоколь Е-27, более 300 Вт - Е-40).

Кроме этого, выпускают лампы транспортные и специального назначения, среди которых можно найти источники света не только разной мощности, но и на разное на­пряжение питания, что особенно важно при использовании БУМ на транзисторах. Это лампы низковольтные местного освещения - МО, железнодорожные - Ж, судовые -С, автомоблльные и тракторные - А, самолетные - СМ, прожекторные - ПЖ, кино­прожекторные - КПЖ, кинопроекционные - К, для маяков - ММ, сигнальные - СГ, миниатюрные низкого напряжения - МН и т. д. В мощных установках, предназначен­ных для подсветки зданий и для светозвуковых спектаклей на открытом воздухе, перспективно использование зеркальных ламп ЗК, ЗС и ЗШ, а также галогенных ламп с йодным циклом - КИ, КГ, КГМ, КИМ.

По конструктивному исполнению лампы накаливания различают по виду цоколя (резьбовой, штифтовый и т. д.). Например, Е-27 - резьбовой, диаметром 27 мм; 2Ш-15-штифтовый, диаметром 15 мм, двух контактный; 1Ф-С-22 - фокусирующий, секторный, диаметром 22 мм, одноконтактный.



Характеристики всех ламп накаливания, как, впрочем, и других, можно найти в специальных каталогах, например СИ-4 ("Светотехнические изделия"), и справочни­ках [28].

Люминесцентные лампы обладают большей, чем лампы накаливания, светоотдачей Ф (40 — 60 лм/Вт), имеют хорошие цветовые характеристики, но неудобны для приме­нения в СМИ из-за больших размеров и трудности управления яркостью. Последнее свойство присуще и ксеноновым лампам, хотя близость по спектру их излучения к сол­нечному свету, большая яркость при малых габаритах и делают притягательным их применение в СМИ. Конструкторы находят выход, используя их в мощных СМИ с опти-комеханическим регулированием яркости.

Для некоторых специальных световых эффектов в СМИ используют и импульсные газоразрядные лампы в режиме одиночных вспышек или стробоскопическом. Более полные сведения об этих источниках света представлены в [24, 25, 28].

Подробнее остановимся еще на одном источнике света, получившем в последнее время большое распространение в СМИ. Речь идет о лазерах, у которых излучение, ин­дуцированное внешним энергетическим воздействием, в отличие от излучения обычных источников света, когерентное (т.е. согласованное по фазе и направлению). С этим свойством связана монохроматичность излучения лазера и возможность концентрации света в узкий луч. Для получения индуцированного излучения создается активная сре­да - ею может служить твердое тело или газ. Активную среду твердотельных лазеров возбуждают импульсными газоразрядными лампами. Такие лазеры работают в основ­ном в импульсном режиме. В непрерывном режиме работают газовые лазеры. Здесь активную среду возбуждают генерированием электрического разряда в газе, при этом происходит последовательное индуцированное излучение уже когерентного света.

Коэффициент полезного действия твердотельных лазеров 1-2%, а у газовых дости­гает 25 %. Газовые лазеры даютизлучение различного цвета: аргоновый - синий (488 нм) и зеленый (514,5 нм); гелиево-неоновый - красный (632,8 нм).


Красный свет излу­ чает также лазер на криптоне. Именно эти лазеры пригодны для использования в ВОУ.

Следует иметь в виду, что разработчиков ВОУ лазеры пока привлекают не тем, что их когерентное излучение позволяет получать объемные изображения. Техника голо­графии, особенно для многоцветного подвижного изображения, вообще разработана еще весьма слабо. Да и нет для светомузыки принципиальной необходимости иметь именно объемное изображение. (Хотя можно наметить интересные направления -синтезирование искусственных голограмм с помощью ЭВМ и съемка их мультспособом, что позволит получать несуществующие в природе фигуры и движения.) И теат­ральная светотехника, и светомузыка используют пока лазер лишь в качестве "фона­ря". Правда, фонарь этот - со 100%-ной чистотой цвета и очень ярким узким лучом. И уже эти свойства сами по себе рождают броские, запоминающиеся эффекты - в ярком луче светится сам воздух (пылинки в нем, дым). А если пустить луч между зеркалами в объеме зала, все пространство заполнится паутиной стремительных линий.

Кроме того, свойство когерентности лазерного излучения проявляется для зрите­ля в том, что свет при отражении от экрана имеет своеобразную подвижно-зернистую структуру, похожую на переливающееся марево. Объясняется это явление сцинтил­ляции дифракцией и интерференцией света при отражении от поверхности экрана. Размер необычно мерцающего пятна можно регулировать помещением на пути луча отрицательных или положительных линз. Если лазерный луч неподвижен, он высвечи­вает на экране яркую точку, а при быстром движении вычерчивает тонкую линию (для этого достаточно управлять небольшим зеркальцем от руки). Интересный эффект по­лучается при дополнительной модуляции яркости луча сигналом высокой частоты -линия распадается в штриховой рисунок. Этот прием можно применять также при ос-циллографической развертке луча, когда причудливые фигуры Лиссажу на большом экране превращаются в своеобразное ажурное кружево.

Можно использовать лазерный луч и в телевизионных системах воспроизведения.


При этом необходимо учитывать, что в результате развертки световой поток лазера распределяется по площади, в миллионы раз превышающей площадь пятна от луча, а значит, экран не будет очень ярким. Например, для аргонового лазера с мощностью излучения 1 Вт (а это довольно мощный лазер) световой поток будет равным 300 лм. Если площадь экрана 3 X 3 м, коэффициент яркости 1, то, даже если допустить, что коэф­фициент полезного действия оптической системы равен 100%, яркость экрана не пре­высит 10 кд/м2 (а это в несколько раз меньше нормы яркости экрана кино и теле­видения) .

Так же, исходя из распределения светового потока на экране, следует подсчитывать яркость изображения при управлении лазерного света просвечиванием преломляющих оптических сред (куска стекла, кристаллов, натеков прозрачных смол, кюветы с жид­костью и т. д.). При плавном перемещении этих оптических формообразователей на эк­ране появятся подвижные образы, причем с большим количеством полутонов, создаю­щих впечатление объемности изображения. Интересные эффекты получаются при про­пускании лазерного луча через дифракционную решетку, с распределением луча в про­странстве с помощью волоконной оптики. При необходимости управлять интенсив­ностью лазерного луча можно применять оптические клинья или (в системах с раз­верткой луча) модуляторы с использованием поляризационных световых клапанов. Большие перспективы открываются при освоении возможностей так называемого ла­зерного кинескопа, изобретенного советскими учеными.

Но во всех случаях использования лазера - это надо запомнить - необходимо исклю­чить попадание луча, прямого или отраженного от зеркала, в глаза зрителей и исполни­телей. Особую осторожность надо соблюдать при экспериментах в ходе конструирова­ния лазерного СМИ.

Как мы видим из этого краткого обзора, лазер можно использовать в несколь­ких режимах формирования визуальных объектов - проекция самого источника све­та, наблюдение объекта в отраженном свете, проекция на просвет, как это показано на рис. 6, а-в. Для обычных же источников света основным является вариант в, в различных его модификациях представленный на рис. 7.


Рассмотрим эти способы со­здания и использования формообразующих элементов в отдельности.

Если между источником света и экраном поместить непрозрачный предмет, то на экра­не возникает теневое изображение данного предмета. Конечно, теневая, или, как ее еще называют, транспарантная проекция, основанная на подобном принципе (в отли­чие от диапроекции и эпипроекции, использующих линзовую оптику), не позволяет получать на экране четких изображений. Но возможностями этого простого в понима­нии и доступного в конструктивном решении способа формообразования отнюдь не следует пренебрегать.

Размеры тени А, как видно из рис. 14, зависят от расстояния между лампой и тра­фаретом следующим образом: A /a =L/l.

При малых l любое незначительное перемещение трафарета относительно источни­ка света (или наоборот) вызывает заметные изменения размеров тени и ее движения. Степень размытости краев тени "зависит от того, насколько близок источник света к точечному, т.е. насколько малы размеры светящей поверхности. Если размеры этой поверхности значительны, края изображения на экране будут размытыми. Особенно большой и заметной становится зона полутени при смещении источника света к тра­фарету.

Если нить накала имеет сложную форму и большие размеры, на экране могут воз­никать очень интересные полутени неожиданной конфигурации, причудливо меняющи­еся от вращения и покачивания лампы. Но наблюдаемый процесс формообразования почти не поддается управлению, так как характер изменения форм жестко связан с конструкцией лампы. Однако, имея набор ламп с разными нитями, конструктор мо­жет выбирать необходимую, зная, какой световой эффект достигается от каждой из них. Только при использовании ламп с точечной нитью теневые эффекты предсказуе­мы и повторимы в любых условиях.

Особенно сильное искажение теней наблюдается при применении ламп с отражате­лем или с зеркальным покрытием на колбе. В некоторых случаях, при работе в режи­ме рис. 7, б, для увеличения степени причудливости получающихся теневых форм конст­рукторы сознательно выбирают такие лампы, причем с заведомо неточечной нитью.


Американский светохудожник Т. Уилфред сам изготавливал лампы с особыми фигур­ными нитями.

Трафареты теневой проекции по своей конструкции могут быть самыми разнооб­разными (рис. 15). Все они основаны на общем принципе наложения теней. Цилиндри­ческие (или конические) барабаны 2 с прорезями изготавливают из жесткого непро­зрачного листового материала (дюралюминиевая фольга, бумага, электрокартон и т.п.) или из прозрачных пластиков и стекла, на которые наносят графический рисунок (рис. 15, а-е). Источники света 1 устанавливают или внутри барабана, или вне его - з этом случае свет проходит через трафарет дважды, что позволяет получить при вращении барабана встречное перемещение теней. Но, разумеется, тени от ближней к лампе зо­ны барабана будут очень размытыми и рисунка проекции они не определяют. Ось вра­щения может быть как горизонтальной, так и вертикальной, в зависимости от жела­емого направления движения теней. Для простоты условимся неподвижный трафарет 3 называть далее статором, а подвижный 2 - ротором.

На рис. 15, ж показано, как формирует изображение дисковый ротор 2 в сочетании со статором 3. Интересный эффект получается при одновременном просвечивании та­кого трафарета несколькими источниками света, одного или разных цветов. Разнооб­разия и неповторяемости теней достигают совмещением двух вращающихся дисков (рис. 15, з иллюстрирует оба этих приема). Направление вращения дисковых рото­ров 2 чаще всего выбирают встречным. Если расстояние между дисками сделано мини­мальным, то резкость теневых изображений от каждого из трафаретов почти одинако­ва. Следует учесть, что при одной и той же угловой скорости линейная скорость движу­щихся теней будет различной: чем дальше от оси вращения, тем больше скорость. Частота вращения дисковых трафаретов (да и барабанных тоже) должна быть очень небольшой - 0-,5 -3 мин-1. Для этой цели можно использовать любой редуктор с фрик­ционной, зубчатой или червячной передачей. Электродвигатели помещают или на оси вращения, или у края дисков (барабанов).





Рис. 14. Схема транспарантной проекции

Фигурные отверстия в трафаретах высверливают или выпиливают по разметке, а в картонных или бумажных - выжигают или вырезают. При изготовлении плоских трафаретов эффективен такой метод — стекло покрывают непрозрачной краской, ко­торую затем снимают по контуру изображения. Если на стекле надо что-то нарисовать акварельными красками или тушью, его поверхность покрывают впитывающим слоем, например желатины или прозрачного цапонлака. Удобны для этой цели фотопластинки, обработанные в закрепителе.

Если возникают затруднения с высверливанием в стекле отверстия под ось враще­ния, то в центре диска приклеивают переходную втулку, которую насаживают на ко­нец оси.

Дисковые и барабанные трафареты получили самое широкое распространение у раз­работчиков светоинструментов. Опыт показывает, что оптимальным является совме­щение этих методов, что, кстати, подтверждается многолетней практикой их исполь­зования в театре [Бронников А. Театральные световые эффекты. — М.: Искусство, 1962, с. 61-62.].

Диапроекция предполагает наличие уже специальной аппаратуры. Изготовить ее в любительских условиях довольно сложно, да, вероятно, и нецелесообразно. Существу­ет большое число разновидностей фильмоскопов, диапроекторов ("Этюд", "Свет", ЛЭТИ, "Протон", "Альфа", "Свитязь", "Диана", "Пеленг", "Киев") и кинопроекторов, которые после небольших переделок могут быть использованы в качестве ВОУ светому­зыкальных устройств.

Принцип диапроекции объясняет рис. 16.

Размеры диапозитива а и изображения на экране Л связаны друг с другом соотноше­нием : а/А =f0 /L.

В зависимости от того, что является исходной величиной, можно определить или раз­мер А при заданном L, или при этих известных длинах требуемое фокусное расстояние f0 объектива.

В светомузыкальных устройствах вместо неподвижного диапозитива в фильмовом канале помещают подвижные трафареты, которые в отличие от трафаретов теневой про­екции могут быть не только графическими и контурными, но и со всеми возможными светотеневыми переходами.


Примеры их размещения между конденсором и объекти­вом представлены на рис. 17.



Рис. 15. Разные виды теневых светоэффектных проекторов

В системе на рис. 17, а ось вращения трафаретов совпадает с оптической осью: тра­фарет закрепляют внутри охватывающего его кольца. Один диск-трафарет может рабо­тать на четыре оптические системы (рис. 11,6). В системе на рис. 17,г плоские трафаре­ты совершают встречно-поступательные колебательные движения, а на рис. 17,в трафа­рет в виде бесконечной ленты перематывается вокруг двух валов. Варианты на рис. 17,д и е являются диапроекционными аналогами теневых проекторов на рис. 15,а и ж.

При использовании диапроекции особенно перспективно применение стеклянных трафаретов с изображением, полученным посредством фотомонтажа. Для этого на лист картона наклеивают фотоснимки минералов, жидких кристаллов, звездного неба, фра­гменты репродукций абстрактных картин, орнаменты и т. д., объединенные в компози­ционно цельную последовательность. Этот коллаж переснимают на фотопленку, из кото­рой затем и вырезают трафарет. Очень своеобразный эффект муара получается при нало­жении пленок с растровыми рисунками - точечными или линейными (обычно использу­емыми в полиграфии или так называемом оптическом искусстве). "Муаровый эффект" проявляется как появление крупных симметричных скоплений элементов мелкого ра­стра. Вы сами сможете наблюдать его, двигая два сложенных вместе куска мелкосетча­той капроновой ткани.

Своеобразный эффект при диапроекции создают и рельефные трафареты, изготов­ленные из прозрачных материалов с неровной поверхностью, например декоративного стекла или литого пластика с ячеистой структурой поверхности.



Рис. 16. Схема диапроекции



Рис. 17. Варианты расположения подвижных трафаретов при диапроекции

В некоторых светомузыкальных устройствах используют набор плоских кювет с прозрачной жидкостью, в которую в необходимый момент вспрыскивают краситель (тушь, аналин, чернила), что позволяет получать на экране разного рода взрывоподоб-ные картины.


Особый эффект создает взаимодействие несмешивающихся цветных жидкостей. Как и во всех предыдущих случаях изображение на экране относительно диапозитива воспроизводится в перевернутом виде.

При работе с жидкостями удобнее преобразовать проектор в перископ, чтобы кюве­та находилась в горизонтальном положении (рис. 18). В этом случае оператор может свободнее управлять состоянием "жидкого диапозитива". Смешивая разные красите­ли, реактивы, окрашиваемые при соединении, или химикаты, заставляющие жидкость "кипеть", подгоняя вращение жидкости в кювете тонкой струей (из медицинского шприца), можно получить удивительные световые образы. Проекторы такого типа вы­пускаются серийно ("Полилюкс", "Лектор-2000").

В этих приемах проявляется стремление иметь диапозитив с рисунком, меняющим­ся по желанию исполнителя. Однако возможности описанных выше методов, как это очевидно, довольно ограниченные. Но инженеры нашли оригинальный способ, позво­ляющий получать в буквальном смысле "живой" диапозитив, изменяемый в очень ши­роких пределах. Этот диапозитив изготавливают из веществ, которые меняют свои оптические свойства под действием электронного или ультрафиолетового луча. Диапо­зитив помещают, как обычно, поперек оси оптической системы. Под небольшим углом к оси на него направлены электронные прожекторы (такие же, как в кинескопе) или ультрафиолетовый лазер. Точка на диапозитиве, на которую падает луч, перестает пропускать свет, но стоит луч убрать, как она становится снова прозрачной, - имен­но поэтому такую технику называют светоклапанной. Сканируя последовательной раз­верткой луча поверхность диапозитива и модулируя луч, можно получить любое жела­емое изображение. По такому принципу работает большинство проекционных телеви­зоров. Конечно, радиолюбителю не под силу создание подобного проектора, но более простые системы светоклапанного управления, прежде всего с использованием поля­ризованного света, вполне доступны для школьных, а тем более вузовских лабора­торий.



Самостоятельным приемом формообразования является использование подвиж­ных зеркал (плоских, выпуклых, вогнутых), линз и другого рода деформирующих изображение элементов, помещаемых на пути луча. Поворотом легких зеркал, установ­ленных на пути луча, можно перемещать изображение по экрану при неподвижном про­екторе. Большие возможности заложены в применении в ВОУ лавсановой зеркальной пленки.



Рис. 18. Схема диапроектора с поворотом луча

В подобных случаях трудно давать теоретические рекомендации, и конструктор чаще всего вынужден полагаться на эксперимент, в ходе которого из всех получающихся све­товых эффектов отбирает нужные. Совмещение их с возможностями транспарантной и диапроекции позволит ввести столь необходимое для световой композиции ощущение движения света в глубину и изменения фактуры изображения.

Без использования кривых зеркал, подвижных линз очень трудно получить вихреоб-разные перемещения светотени, трудно получить и плавное "перетекание" одной пласти­ческой формы в другую. Без всего этого плоскостное движение теней на экране обычно начинает утомлять, каким бы сложным и разнообразным рисунок ни был.

Каждый конструктор может дополнить, развить этот перечень приемов. Существен­ную помощь окажет изучение и использование светотехнической аппаратуры, применя­емой обычно в театре. Промышленность выпускает так называемые эффектные пристав­ки к стандартным театральным диапроекторам. В приставке ПРЭ-1 находится один дис­ковый трафарет, установленный так, как показано на рис. 17,е. Приставка УПП-ЭФ со­держит два соосных диска, вращаемых или встречно, или в одном направлении с разной скоростью (можно просвечивать трафареты через два объектива): ПП-2 работает по схеме, изображенной на рис. 17, г; ПРЭ-3 - по схеме рис. 17, д; ДП-3 - по схеме рис. 17, в. К ним прилагают стандартные наборы трафаретов для получения изображения под­вижного пламени, снега, туч, дождя, мерцающих звезд, волн. Изобретательные худож­ники воспроизводят с их помощью взрывы, фейерверки, облака пыли, луну [17].


Тер­пение плюс воображение - и эти приборы превратятся в ВОУ светомузыкальных инстру­ментов, создающие световые эффекты, которым уже трудно дать словесные описания...

Вполне вероятно, что у некоторых читателей может возникнуть сомнение: "Разве все это может иметь отношение к высокому искусству - кюветы с жидкостью, лампы, тра­фареты, моторы?" Но тогда как объяснить наше неослабевающее внимание, наше волне­ние, когда скрипач водит туго натянутым конским волосом по овечьим жилам? А в ки­но - все те же лампы, моторы? . .. Пусть вас это не смущает. Главное в искусстве - не сложность и солидность применяемых средств, а как и для каких целей их используют.

Много полезного можно почерпнуть разработчику ВОУ и в таких периодических из­даниях, как "Сценическая техника и технология", "Техника кино и телевидения", "Светотехника" (СССР); "Interscaena", "Acta scaenographica" (ЧССР); "Leonardo" (Англия); "International lighting review" (Голландия).

Рассмотрим теперь те устройства, которые приводят в движение формообразующие элементы.

Электрические исполнительные механизмы можно подразделить на три группы -соленоиды, электродвигатели и сельсины.

Соленоиды могут работать как на переменном, так и на постоянном токе. Однако соленоиды переменного тока имеют значительно худшие параметры (большие размеры, меньшую чувствительность, более жесткую характеристику управления и т. д.).

Двигатели в зависимости от конкретных целей и возможностей выбирают постоян­ного или переменного тока, с регулируемой или постоянной частотой вращения ротора, реверсивные или нереверсивные.

Коллекторные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянного магни­та имеют широкие пределы регулирования частоты вращения, небольшие размеры и массу. Это серии ДП, ПДЗ, ДПМ, ДПР. Так, например, у серии ДПМ в маркировке циф­ра означает диаметр корпуса в миллиметрах, а сочетание HI или Н2 - число выходных концов вала, с одного или обеих сторон корпуса (например, ДПМ-20-Н1).


Напряжение питания двигателей ДПМ и ДПР - 6, 12 и 27 В.

Наиболее распространены асинхронные двигатели переменного тока. Для наших це­лей целесообразно использовать однофазные конденсаторные двигатели серий УАД, ДАМ, ЭДГ, АКД, АДТ, ДАУ.

Синхронные двигатели переменного тока имеют высокую стабильность частоты вра­щения ротора (серии Г, ДС) и при питании от однофазной сети также требуют конденсаторного включения. Изменение частоты вращения ротора возможно при изменении ча­стоты питающего тока. Конструкторы ВОУ не всегда имеют возможность использовать этот способ регулирования из-за его сложности. Они чаще применяют редуктор в виде набора шкивов разного диаметра. Все эти двигатели обладают большой частотой враще­ния ротора - сотни и тысячи оборотов в минуту. Промышленность выпускает несколь­ко серий двигателей со встроенным редуктором — асинхронные РД-09 (с частотой вра­щения выходного вала 192; 77; 30,8; 16,8; 8,75; 4,5; 2,5 и 1,8 мин"1) и синхронные PC, ДСД иДСМ (1,2, 15, 60 мин-1).

Иногда требуется очень медленное вращение или перемещение элементов ВОУ с пе­риодическими остановками — например, дискового или полосчатого светофильтра пе­ред объективом диапроектора. В этом случае следует применять так называемые шаго­вые электродвигатели, преобразующие сигнал в виде импульсов в поворот вала на фик­сированный угол (серии ШДА, ШДР, ШДИ; напряжение питания чаще всего 27 В). Угол (шаг) поворота ротора от одного импульса обычно равен 3-20°. Результирующий угол строго соответствует числу прошедших импульсов, которое задает коммутатор, работающий в комплекте с таким двигателем. Направление поворота вала связано с по­рядком переключения обмоток управления двигателя, а частота вращения зависит от частоты переключения.

Для медленного и плавного вращения линз, трафаретов, зеркал в ВОУ можно приме­нять и сельсины. Эти индукционные устройства служат для передачи на расстояние уг­лового перемещения (преобразованного в угловое механическим преобразователем).


Между одним сельсином, задающим угол (датчиком), и другим (приемником) имеется дистанционная электрическая связь. Сельсины отличают по маркировке - БД и БС (или ДБС). Буква Б означает бесконтактный. Для контактных сельсинов - соответ­ственно НД (или ДН} и НС. Один датчик может управлять несколькими приемниками.

Если перемещаемый элемент ВОУ не требует больших усилий, то возможна работа сельсина в индикаторном режиме, когда при повороте вала датчика (от руки, с пульта СМИ) вал приемника синхронно поворачивается на тот же угол. В противном случае необходимо использовать трансформаторный режим работы сельсина, в котором пе­редаваемый по линии дистанционной связи маломощный сигнал усиливается и в итоге приводит в движение мощный сельсин-приемник. Вал приемника поворачивается до тех пор, пока угол рассогласования между датчиком и приемником не станет равным нулю. Следует учесть, что сельсины, рассчитанные на работу в сети с частотой 50 Гц, довольно громоздки. Малыми габаритами обладают сельсины, работающие на частоте 400 или 500 Гц.

Вся кропотливая, как в том убедился уже читатель, работа над ВОУ может быть сведена на нет, если у конструктора не хватит терпения выбрать наиболее подходящий экран, на котором будет воплощен в зримую реальность конструкторский, а затем и художественный замысел.

Экраны разделяют на два вида — прямой (фронтальной) и обратной (рир) про­екции.

При фронтальной проекции непрозрачный экран освещается, как в обычном кино, из зала, со стороннзрителей. Разумеется, в этом случае целесообразно максимально ис­пользовать опыт кинопроецирования. В зависимости от конкретно поставленной задачи (условий демонстрации, размеров зала и т. п.) можно использовать экраны с различ­ным видом рассеянного отражения.

Применение экранов с беломатовой поверхностью, обеспечивающей диффузное отражение, иногда может оказаться малоэкономичным. Зато для зрителя, сидящего в зале и, к примеру, на балконе, экран будет виден одинаково ярким. При использовании экранов направленного отражения зрители в зале будут в лучших условиях, чем сидя­щие на балконе.


Интересный эффект создают так называемые жемчужные экраны, поверхность которых покрыта слоем мелкого стеклянного бисера. Столь же впечатля­юща проекция на белый бархат.

Для предупреждения мешающей самозасветки, возникающей из-за возвращения на экран света, отраженного от потолка и стен, интерьер зала должен быть особенно оформлен, а все предметы со светлой и блестящей поверхностью удалены.

При рирпроекции изображение на полупрозрачный экран проецируют с обратной по отношению -к зрителю стороны. Как и в случае отражающего экрана, здесь следует учитывать изменение яркости его поверхности от угла наблюдения. При работе с мате­риалами, у которых это изменение резко выражено, на просветном экране появляется так называемая "горячая точка", передвигающаяся вместе со зрителем, меняющим угол наблюдения. Это искажает изображение и вместе с тем ставит в неравноценные ус­ловия зрителей, находящихся в разных местах зала. Поэтому необходимо или пытаться экран сделать более плотным, что часто уменьшает его общую яркость, или ограничи­вать угол наблюдения.

Подбирая материал для экрана рирпроекции — а им могут служить органическое стекло, папиросная бумага, бумажная и лавсановая калька, шелк, обработанный спе­циальным составом (например, глицерин с тальком), аркозоль и разные пластико­вые пленки широкого потребления, обработанные наждачной бумагой, меняя толщи­ну этих материалов, по различному комбинируя их, можно получать различные эффек­ты [30,34].

Способ рирпроекции применяют иногда в кинемотографе, еще чаще в театре, в рек­ламе, на выставках. В светомузыкальных же установках, особенно в камерных и инди­видуального назначения, он особенно удобен. В чем же заключаются его преимущества?

При этом способе проекции не видны сами источники света или луч, идущий от них к экрану. Зрители не могут помешать демонстрации. И главное, если качество фронталь­ной проекции сильно зависит от посторонней засветки, что не позволяет сочетать ее с актер­ской игрой и другими действиями, требующими введения дополнительного освещения, то рирпроекция свободна от этого недостатка.


Коэффициент отражения экрана со сто­ роны зрителей должен быть как можно меньшим.

Недостатком же рирпроекции является необходимость пространства за экраном — шахты, длина которой должна быть особенно значительной при использовании диапро­екторов. Ее можно сократить с помощью оборачивающих зеркал.

Частным, специфическим случаем рирпроекции являются светомузыкальные устрой­ства с подсвечиваемым изнутри объемным экраном, выполненным в виде сферы, кри­сталла, растрового поля из стеклянных труб или стержней и т. п., что применимо, в ос­новном, при сопровождении музыки бесформным светом.

Иногда светомузыку исполняют в обычных помещениях с плоскими экранами (светотеатр Т. Уилфреда, А. Ласло, Ф. Бентама, залы в Харькове, Москве, Ужгороде, студия светомузыки в казанском Доме молодежи). Но наилучшие условия для ее демонстрации могут быть, вероятно, созданы в специальных залах, в которых экран не плоский, а сферический, охватывающий зрителя со всех сторон, как это мечтал ви­деть Скрябин, предполагал строить Гидони, предлагает сделать Шеффер во Франции, и что неоднократно было реализовано на временно действующих выставках (ЭКСПО-58, ЭКСПО-67, ЭКСПО-70, ЭКСПО-75, ЭКСПО-85).

В определенной мере была воплощена в жизнь мечта Скрябина в Московской студии электронной музыки, где в свое время функционировал зал в четверть сферы вмести­мостью 30 — 50 человек. Сотрудники СКБ "Прометей" убедились в перспективности скрябинской идеи лет 20 назад, пытаясь приспособить для исполнения светомузыки помещение планетария. На основе этого опыта СКБ совместно с архитекторами Каза­ни разработало проект эллипсоидного по форме зала со свободной пространственной динамикой звука, который совместйо со световыми эффектами может описывать "линии" на плоскости экрана (см. рйс. 80) . Пробные светоконцерты начали проводить недавно в Московском планетарии [45].

Усвоив основные сведения об источниках света, светофильтрах, экранах, можно попытаться установить значение электрической мощности Р источников, обеспечивающее требуемую световую мощность.



Коэффициент полезного действия оптической системы кош определяется отношени­ем полезно используемого светового потока фПол к потоку Ф, излучаемому лампой. Отсюда если известна световая отдача Ф источника света, то значение используемого потока



(1)

и яркость В, кд/м2,



(2)

Здесь Г)а — коэффициент яркости экрана, зависящий от угла наблюдения (X; Е — осве­щенность, лк; Ф - световой поток, S — площадь, м2, Р — электрическая мощность, Вт.

При транспарантной проекции, если считать источник света точечным, kопт определя­ется отношением телесного угла cj, в котором заключен Фпол, к 4п.

При диапроекции &опт обычно равен приблизительно 5 — 8 %, т. е. можно считать, что у лампы накаливания на каждый ватт электрической мощности приходится прибли­зительно 1 лм светового потока, дошедшего до экрана. При эпипроекции яркость еще в 10-15 раз меньше, что, по сути дела, и ограничивает область ее применения в ВОУ.

В обоих случаях не учтены потери в светофильтре и формообразующих трафаретах, влияние которых можно задать соответствующими коэффициентами пропускания. У трафаретов они зависят от структуры и плотности рисунка, у светофильтров - от их спектральной характеристики и толщины. К примеру, у театральных стеклянных фильт­ров толщиной 2 мм коэффициент пропускания т для красного цвета равен 0,16, для желтого - 0,87, зеленого - 0,22, синего - 0,18.

Вообще же, так как светомузыкальные устройства еще не унифицированы и опыт в этой области еще невелик, конструктору пока приходится ориентироваться на аналогич­ные области техники, в которых подобная информация уже имеется и зафиксирована (кинематограф, телевидение, индикация). Но лучше всего для выбора уровня яркости экрана ВЭК руководствоваться более общими соображениями: при необходимости получить изображение с проработкой всех полутонов, контрастность изображения К должна быть не менее 100. Если при этом посторонняя засветка фона равна Bф ,то Вэк должна быть не меньше 100 Дф. Если достаточно проработки штрихового рисунка, то Вэк = 25 Вф (предел для телевидения).


Так что, ориентируясь на опыт индикации, телевидения, на конкретные светомузыкальные устройства, следует иметь некоторый запас по мощности в БУМ или при ограниченной мощности понижать любым способом уровень внешней засветки.

Если вопрос об абсолютных значениях яркости не имеет однозначного ответа, то раз­личие относительных значений световых (и электрических) мощностей в различных цветовых каналах следует обязательно учитывать, что особенно важно при работе с лампами накаливания, у которых (см. рис. 12) мощность синего излучения, например, с л = 480 нм в 6 раз меньше мощности красного с л = 680 нм. Поэтому в канале синего света необходимо использовать более мощные лампы или заставлять лампы работать хотя бы с небольшим перекалом, что ведет к заметному посинению спектра излучения (но, увы, к такому же заметному сокращению срока службы лампы).

Учитывая эти и другие факторы для обычных стеклянных театральных светофильт­ров и ламп накаливания, красные и зеленые лампы надо брать приблизительно одной мощности, желтые и белые - в 2-3 раза меньше, а синие и фиолетовые - в 3-4 раза большей. Обычно вместо синих берутся светлосиние или голубые фильтры, что позво­ляет приблизить яркость этого канала к зеленому и красному.

Завершая эту главу, приведем краткие данные стандартной театральной светоаппа-ратуры, пригодной для использования в ВОУ.

Имеется ряд линзовых прожекторов, создающих световое поле разного диаметра: ПР-025-100, ПР-05-115М, ПР-05-150М, ПР-1-212М, ПР-3-250М (маркировка означает: ПР - прожектор, 025 - мощность лампы, кВт, 100 — диаметр светового отверстия, мм). Многие из этих приборов могут работать как диапроекторы в комплекте со съемными конденсорными обоймами ОСК-150 М и ОСК-200, а также с упомянутыми выше свето-эффектными насадками. Прежде всего, этоПРУ-1 -212МУ — универсальный), который совмещается с приставками ПРЭ-1М, ПП-2, УПП-ЭФ. Его модификациями являются прожекторы ПКП-1-250М (лампа ДКсШ-1000-2), ПрТЛ-1 (лампа КПЖ220-1000). Нала­жен выпуск специальных театральных диапроекторов, работающих со слайдами 13 X X 13 см: ДМ-1 (с галогенной лампой КГМ484000), ДТ-05 (с лампой КГМ-220-500).



Часть прожекторов изготавливают с устройствами дистанционного управления. В этом случае меняется их маркировка: ПРДУ-1-212М, ПРДУ-1-150М, ПРДУ-3-250М. Подобные прожекторы по сигналу с пульта можно поворачивать по горизонтали и вер­тикали (в случае необходимости вместе с устройством смены четырех светофильтров КУСС-4).

Не следует ожидать, что использование этих мощных и дорогостоящих приборов гарантирует получение требуемого результата. Скорее наоборот, конструктор должен внести свою долю изобретательности, чтобы превратить эти проекторы в выходное оптическое устройство СМИ, заставляя работать их в необычных краевых режимах.

Конструктор должен помнить, что простые по устройству транспарантные проекто­ры, очевидно, останутся основным элементом светомузыкальных установок. Диапро-екция все же страдает налетом привычности, "фотографизма", "вещественности", в то время как теневая проекция в сочетании с подвижными линзами, призмами, зеркалами позволяет получить необычные, фантастические образы. Было бы непростительным сно­бизмом отказываться от огромных возможностей, заключенных в теневой проекции, открывающихся лишь терпеливому и пытливому уму. Следует ожидать, что сейчас, с появлением мощных низковольтных ламп серии ПЖ-24, лазеров, шаровых ксеноновых ламп и галогенных источников КГК и КГМ, будут разработаны промышленные прибо­ры транспарантной проекции.

Когда-то композитор Гектор Берлиоз писал, что музыкальным инструментом можно считать любой звучащий предмет, не разрушающийся при издавании звука. Продолжив его шутку, можно отнести к светоинструментарию все, что светит и светиться - лишь бы при этом световые аппараты не разлетались на части при излучении световых про­екций.

А если всерьез, эксперименты со всей этой мошной техникой необходимо проводить с соблюдением общепринятых правил безопасности. В еще большей мере это преду­преждение относится к конструкторам самодельных установок домашнего пользова­ния — осторожность здесь должна выходить за рамки соблюдения правил привычных радиолюбительских работ.


СМИ с большим выделением тепла иногда собирают в неболь­ших футлярах, подобно телевизорам. Светофильтры же и экраны чаще всего нетепло­стойки и горючи. Чтобы не превращать светомузыкальное устройство в самодельную бомбу замедленного действия - заложенную в собственном доме, чтобы предохранить от выгорания светофильтры, кроме обязательных конвекционных отверстий, необхо­димо предусматривать принудительную вентиляцию. И вообще, перед тем, как запус­тить прибор в эксплуатацию, следует провести основательную проверку его "на го­рючесть".

6. Блок управления мощностью

Как уже отмечалось выше, БУМ является неотъемлемым элементом во всех цепях светового инструментария (см. рис. 9). Чтобы свободнее оперировать при выборе этого элемента, рассмотрим, какие существуют способы регулирования мощ­ности.



Рис. 19. Методы управления световым потоком

Источниками света и электрическими машинами можно управлять двумя способами: в электрическом канале и непосредственно на выходе устройства. Основные прие­мы управления световым потоком в оптическом канале указаны на рис. 19. Простей­ший "механический" способ - перекрытие светового луча круглой, щелевой или иного вида диафрагмой. Другой подобный прием - изменение коэффициента пропускания яркостного фильтра. Это или перемещаемый поперек луча оптический клин (а чаще -два движущихся встречно клина) или пара поляризаторов, вращающихся один относи­тельно другого. Такие приемы известны уже давно. А появившаяся в последнее время светоклапанная техника позволяет, как уже отмечалось выше, изменять непосредствен­но сам коэффициент пропускания яркостного фильтра. В фотохромном способе этого достигают выбором материала, реагирующего на определенный вид излучения. Суть электронно-оптического способа состоит в том, что под действием электрической энергии меняются некоторые свойства материала фильтра - диэлектрическая про­ницаемость, коэффициент преломления, степень анизотропности и т.


п. Оптическая си­стема у световых клапанов построена так, что эти изменения визуализируются и пред­стают как изменения оптической плотности фильтра.

Все эти способы регулирования привлекают тем, что они не влияют на спектральную характеристику светового потока. Механический способ к тому же доступен и прост. При необходимости дистанционного управления в устройствах механического перекры­тия светового потока могут быть использованы разного рода электрические машины весьма малой мощности, так как их функции - перемещать рьиажки диафрагмы, пово­рачивать на пути луча листки фольги, вращать поляризаторы и т. д. - не требуют боль­ших усилий. Правда, у этих механических устройств есть недостаток - инерционность. Но тем не менее они уже нашли применение в различных СМИ.

Рассмотрим теперь регулирование мощности в электрическом канале (рис. 20).

Простейший способ - использование трансформаторных регуляторов напряжения -обеспечивает управление мощности до нескольких киловатт (в основном вручную). Электрические усилители позволяют управлять значительной мощностью в цепи нагруз­ки с помощью очень слабых сигналов. Среди полупроводниковых усилителей транзисто­ры обеспечивают регулирование мощности до 2,5 кВт, тиристоры до 100 кВт. Верхняя реальная граница электронных усилителей на вакуумных лампах широкого применения 100 Вт, тиратрона примерно К) кВт, магнитные усилители - сравнимы по мощности с тиристорами.



Рис. 20. Способы регулирования мощности в электрическом канале

Способы управления .электрической мощностью можно разделить на два основных вида. Амплитудное регулирование - это изменение амплитуды напряжения или тока в нагрузке. Его реализуют посредством переменных резисторов, регулировочных транс­форматоров, магнитных, электронных (в том числе и полупроводниковых) усилителей. Импульсное регулирование основано на периодическом прерывании тока, протекающе­го через нагрузку. При управлении источником света при частоте прерывания более 50 Гц из-за инерционности зрения и самого источника пульсации яркости становятся незаметными.


Изменяя соотношение между временем протекания и отсутствия тока или, иначе говоря, меняя скважность импульсов, можно менять среднюю мощность, а следовательно, и яркость источника света или скорость электродвигателя. Импульсное регулирование реализуют с помощью тиратронов, тиристоров, электронных ламп, тран­зисторов и магнитных усилителей, работающих в ключевом режиме.

Этот вид управления позволяет полностью использовать энергетические возмож­ности электронных приборов за счет снижения рассеиваемой на них мощности, однако по схеме БУМ получается сложнее, чем при амплитудном регулировании. Кроме того, при большом токе из-за крутых фронтов и спадов импульсов эти регуляторы создают значительные сетевые и радиопомехи, для борьбы с которыми необходимы тщательная экранировка всего устройства и применение заградительных фильтров на входе и вы­ходе БУМ.

После этого краткого обзора следует указать на особенности управления различны­ми источниками света и электрическими машинами.

Для ламп накаливания одинаково пригодны и амплитудный и импульсный методы управления мощностью. Из-за возникновения бросков тока при включении этих ламп БУМ в течение некоторого времени должен выдерживать ток, значительно превышаю­щий номинальный. Это особенно необходимо учитывать в случае применения приборов с малой перегрузочной способностью (транзисторов, тиристоров). Это же явление су­щественно усложняет расчет импульсных регуляторов. При уменьшении длительности импульсов среднее значение мощности, подводимой к лампе, невелико, следовательно, нить работает при пониженной температуре и сопротивление ее падает. Так как при этом амплитудное значение напряжения в импульсе сохраняется, амплитудное значение тока заметно возрастает (в 2-3 раза) по сравнению с номинальным. Предупреждению этих неприятных явлений способствует подпитывание ламп пороговым напряжением Uпор = 10 - 15 % UHOM, когда нить накала уже нагрета, но еще не светится: R « (2 --3) Rо [28].

Для изменения яркости люминесцентной лампы также используют оба метода регу­лирования.


Регулирующее звено включает в сеть последовательно с лампой и балласт­ ной нагрузкой. На постоянном токе после зажигания лампы ее яркость можно изменять обычным реостатом от максимальной до определенного нижнего предела, за которым ее горение становится неустойчивым. В качестве балластного звена используют ре­зистор. При подключении к источнику переменного тока в лампе в каждом полупериоде происходит очередное возникновение разряда. В этом случае балластной нагрузкой служит дроссель (при замене дросселя резистором отдача уменьшается почти вдвое, и для восстановления яркости необходимо увеличивать напряжение).

У ксеноновых ламп и при амплитудном, и при импульсном управлении мгновенное значение тока не должно опускаться ниже определенного значения - тока гашения. Поэтому уменьшать световой поток до нуля приходится посредством диафрагмы.

У импульсных ламп, работающих в стробоскопическом режиме, можно управлять средней мощностью излучения увеличением частоты следования вспышек. Но следует иметь в виду, что превышение некоторой предельной частоты сопряжено с уменьшением энергии каждой вспышки, а далее - с появлением самопроизвольных вспышек.

Управление интенсивностью лазера осуществляется с помощью специальных безынер­ционных фотоэлектронных модуляторов, позволяющих изменять интенсивность луча согласно любой частоте управляющего сигнала.

Обратимся теперь к особенностям управления исполнительными механизмами.

Для соленоидов изменение направления тока в обмотке не влияет на характер работы. Способ регулирования мощности может быть любым. В зависимости от кон­струкции характеристика соленоида может быть линейной или нелинейной.

Частотой вращения ротора электродвигателей постоянного тока управляют регули­рованием мощности либо в цепи ротора, либо в цепи обмотки главных полюсов при постоянном напряжении на роторе. Причем для роторного управления подходят и амп­литудный и импульсный способы регулирования. Импульсное регулирование в сочета­нии с механическим или электрическим торможением обеспечивает высокую стабиль­ность и точность работы.



Для асинхронных двигателей применяют амплитудный и фазовый способы управле­ния частотой вращения ротора. При амплитудном управлении частота зависит от напря­жения на обмотке возбуждения, при фазовом - от сдвига фаз токов в обмотках воз­буждения и управления. Сдвиг фаз обеспечивает фазорегулятор. Этот способ по сравне­нию с амплитудным обеспечивает большую линейность регулировочной характеристики при постоянной жесткости механической характеристики.

Рассмотрим основные виды БУМ, ограничивая обзор полупроводниковыми узлами (другие применяют сейчас в СМИ довольно редко; подробнее о них можно узнать в предыдущих изданиях [24, 25]).

Среди транзисторных БУМ наибольшее распространение в практике СМИ получили блоки, работающие в импульсном режиме. В них управляющий сигнал с выхода детек­тора преобразуется широтно-импульсным модулятором (ШИМ) в импульсы с перемен­ной длительностью, соответствующей управляющему напряжению. Сформированные импульсы после усиления мощности поступают к источникам света. Если частота следо­вания импульсов находится в пределах 50-400 Гц и фронты импульсов крутые, рассеи­ваемая на транзисторах мощность определяется, в основном, сопротивлением тран­зисторов в режиме насыщения.

Тиристор - это полупроводниковый аналог тиратрона, применяемый для импульс­ного управления мощностью в цепях переменного тока. Тиристор выбирают по средне­му значению тока в нагрузке и значениям прямого к обратного напряжений. Предельные значения тока и напряжения тиристора сильно зависят от эффективности отвода тепла от его кристалла, поэтому важно обеспечить его надежное охлаждение.

Тиристором, как и тиратроном, управляют, изменяя время подачи напряжения на управляющий электрод относительно начала полупериода питающего напряжения. После открывания тиристора цепь управления уже не влияет на его состояние, поэтому в качестве управляющего можно применять пульсирующее или импульсное напряже­ние. Обычно используют один из четырех основных способов управления тиристорами: амплитудный, фазовый, фазо-импульсный и так называемый вертикальный1.



Удобнее использовать в БУМ симметричные тиристоры - симисторы, которые позволяют пропускать и блокировать ток любой полярности при одном и том же управ­ляющем напряжении. Симистор является совмещением в одном корпусе двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Схемы включения симисторов не отличаются от тиристорных, но здесь требуется больший ток в цепи управляющего электрода.

В настоящее время в связи с появлением новых полупроводниковых приборов, появилась возможность упростить схемы управления тиристорами. В качестве управ­ляющего элемента широкое распространение получил одно переходный транзистор или, как его еще называют, двухбазовый диод - своеобразный аналог тиратрона тлеющего разряда. Схема БУМ с его использованием приведена на рис. 21.

Разработанный в СКБ "Прометей", этот БУМ долгое время использовался в различ­ных установках как основной модульный элемент управления яркостью. Управляющее напряжение может быть двух типов: переменным и постоянным. В первом случае его подают через согласующую цепь C1R1 и диод VD1 на базу усилительного транзисто­ра VT1. Во втором случае - на элементы R3R5 резистивного моста R2 - R5, в диаго­наль которого и включен диод VD1. Изменяют уровень напряжения смещения в делите­ле R4R5 переменным резистором R10, приоткрыв или, наоборот, закрыв транзистор VT1. В зависимости от этого изменяется время заряда конденсатора С4 до уровня от­крывания однопереходного транзистора VT3. В этот момент конденсатор С4 разря­жается через этот транзистор и обмотку I импульсного трансформатора 77. Форми­руемый в обмотке II импульс открывает тринистор VS1, последовательно с которым включена лампа EL1. Возможен и комбинированный способ управления: постоянным напряжением с резистора R10 задают исходный постоянный уровень свечения нити на­кала лампы EL1, а изменяющимся по амплитуде переменным напряжением моделируют яркость лампы. Переменные резисторы R10 - Rk выносят на переднюю панель пульта управления БУМ и ими управляют уже дистанционно яркостью ламп ВОУ [Эти способы подробно описаны в статье Крылова В.


Методы управления тиристо­рами. — В кн.: В помощь радиолюбителю, вып. 43, М.: ДОСААФ, 1973, с. 44-54.].

Узел управления синхронизирует с частотой сети переменного тока посредством ступени на транзисторе VT4, работающей в ключевом режиме. На базу транзистора по­дают пульсирующее напряжение с блока питания БП, а с коллектора снимают прямо­угольные импульсы, которые после дифференцирования идут на базу синхронизи­рующего транзистора VT2. В момент прихода синхроимпульса - в начале каждого по­лупериода - транзистор открывается, разряжает конденсатор С4 и возвращает весь узел управления тринистором в исходное состояние.

Число регуляторов Rfc равно числу каналов управления. Переменным резистором R11 устанавливают начальную пороговую яркость во всех каналах одновременно. Три­нистор VS1 и лампа подключены к выходу выпрямительного моста VD2 - VD5. Если их включить без моста, следует выбирать лампы накаливания на напряжение 127 или 110 В. Лучше всего в узле использовать симистор. Схема БУМ остается при этом без из­менений.



Рис. 21. Схема узла управления тиристором на однопереходном тран­зисторе

Необходимо помнить, что тиристоры обладают чувствительностью к токовым пере­грузкам. Если трехкратное повышение номинального значения тока нагрузки они мо­гут выдерживать в течение целой секунды, то при коротком замыкании нарастание тока за полпериода (сотые доли секунды) приводит к пробою тиристора. Обычные плавкие предохранители не успевают сработать за столь короткий промежуток времени. Защищают тиристоры от короткого замыкания путем автоматического их закрывания с помощью реле максимального тока (токовый трансформатор на выходе БУМ и т. п.) или быстродействующими плавкими предохранителями.

Существенно облегчить работу над СМИ может использование готовых серийных тиристорных световых регуляторов бытового назначения (например, "Светон-300", с выходной мощностью 300 Вт). Для мощных светомузыкальных установок коллек­тивного пользования могут быть применены промышленные тиристорные БУМ серки РТ, предназначенные для регулирования источников света в театре [16, 41, 45].При оснащении специальным устройством защиты от пусковых импульсов тока, возникаю­щих при включении ламп накаливания, в качестве БУМ можно использовать и регуляторы серий РНТО, предназначеннные для управления электроприводом. Краткие характе­ристики всех этих регуляторов приведены в табл. 1.


Содержание раздела