Digitalisieren von Superachtfilmen

'Geregelte Dimmersteuerung'

 

4.1 'Geregelte Dimmersteuerung'

4.1.1 Konzept des geregelten 'Dimmers'
Für diejenigen, die bereits bis zu diesem Punkt vorgedrungen sind, die also wissen, daß ihr Projektor sich mittels Dimmer steuern läßt und die vor einer Elektronikbastelei nicht zurückschrecken, möchte ich meine Erfahrungen mit einem geregelten Triac-Steller beisteuern. (Die Bezeichnung Triac-Steller oder 'Wechselstromsteller mit Triac' paßt hier besser als Dimmer. Sie beschreibt die gleiche Technik, die hinter dem Begriff Dimmer steckt, mit Dimmer meint man aber speziell ein Gerät, mit dem man Licht abdunkelt.)

Bemerkung: Es handelt sich nicht um ein serienreifes Gerät, das ohne weiteres mit jedem Projektor läuft. Einen Nachbau sollte nur wagen, wer in der Lage ist, eventuell auch die Schaltung zu modifizieren.

Für die Schaltung habe ich Details aus den in den oben genannten Webseiten beschriebenen Konzepten (das Einverständnis Autoren voraussetzend) übernommen.

Der Vorteil meiner Steuerung liegt darin, daß man (bis auf die Versorgung der Projektionslampe) nicht in die Schaltung des Projektors eingreifen muß - lediglich eine Lichtschranke zur Beobachtung der Sektorenblende muß eingebaut werden. Die Steuerung wird einfach vor den Netzanschluß des Projektors geschaltet.
Es versteht sich von selbst, daß die Projektionslampe nicht über den Dimmer versorgt werden darf. Um das beste Ergebnis zu erzielen, wird man aber sowieso direkt die Filmebene des Projektors abfilmen und zu diesem Zweck die Projektionslampe z.B. durch die 'LUMILED LED-Beleuchtung' von http://www.telecine.de/ mit einer separaten Spannungsversorgung ersetzen.

Der hier verwendete Projektor ist übrigens ein 'Norimat spezial D'.

4.1.2 Schaltung
4.1.2.1 Prinzipdarstellung


Der Camcorder liefert an seinem AV-Ausgang das Videosignal, aus dem der 'Video Sync Separator' für jedes Bild ein Synchronisiersignal in Form eines Rechtecksignals herausfiltert. Ein zweites Rechtecksignal liefert die Lichtschranke, die während eines Projektorbildes drei mal unterbrochen wird. Die steigenden Flanken beider Rechtecksignale werden in einem 'PLL'-Baustein in Bezug auf Frequenz und Phasenlage (zeitlicher Zuordnung) verglichen. Er liefert am Ausgang eine Gleichspannung, die
- Null ist, wenn die (dreifache) Projektorbildfrequenz unter der Camcorderbildfrequenz liegt
- unter der halben Versorgungsspannung liegt, wenn beide Geräte synchron laufen, aber das Signal vom Projektor dem des Camcorders nacheilt,
- der halben Versorgungsspannung entspricht, wenn beide Signale die gleiche Frequenz haben und in Phase sind (d.h. die steigenden Flanken der Rechtecksignale decken sich),
- über der halben Versorgungsspannung liegt, wenn beide Geräte synchron laufen, aber das Signal vom Projektor dem des Camcorders voreilt,
- und dem Wert der Versorgungsspannung entspricht, wenn die (dreifache) Projektorbildfrequenz über der Camcorderbildfrequenz liegt

Der Regler verarbeitet die PLL-Ausgangsspannung zu einer Steuerspannung für die Triac-Ansteuerung. Durch den Triac-Steller wird die Versorgungsspannung und damit die Drehzahl des Antriebsmotors des Projektors so eingestellt, daß dieser die gewünschte Bildfrequenz liefert.

4.1.2.2 Schaltbild

Man findet oben links die Lichtschranke wieder und den 'Video Sync Separator' LM1881N(IC5). Der PLL-Baustein 4046N (IC4) bildet zusammen mit den vier Operationsverstärkern des Bausteins LM324N (IC3A-B-C-D) die Phasenregelung. Die Reglerausgangsspannung gelangt zum Phasenanschnitt-Baustein TCA785 (IC6), der über den Optokoppler MOC3023 den Triac TIC226N ansteuert. Unten links ist die Spannungsversorgung dargestellt.

4.1.2.2.1 Anschnittsteuerung
Die 230V-Wechselspannung aus der Steckdose hat bekanntlich einen sinusförmigen Verlauf, d.h. positive und negative Sinus-Halbwellen wechseln sich ab. Der Triac besteht im Prinzip aus zwei steuerbaren Strom-Ventilen - ein Ventil für jede Stromrichtung des Wechselstromkreises. Im Ruhezustand sind beide Ventile gesperrt. In dem Moment, wo der Triac einen Steuerimpuls erhält, wird er für die gerade aktuelle Spannungsrichtung leitend (das entsprechende Ventil öffnet) und es kann ein Strom in diese Richtung fließen. Wenn der Strom am Ende der jeweiligen Halbwelle (oder - wenn man keine Lampe, sondern eine 'induktive Last' wie einen Projektor anschließt - etwas später) zu Null wird, sperrt der Triac wieder und bleibt gesperrt, bis er in der folgenden Halbwelle einen neuen Zündimpuls erhält.
Je später man den Triac innerhalb einer Halbwelle zündet, desto kürzere Zeit ist er leitend, da er am Ende wieder sperrt, und desto geringer ist die Spannung, die der Projektor erhält. Die geringere Spannung läßt den Motor langsamer laufen, und wir erhalten - wenn wir den Triac immer im richtigen Zeitpunkt zünden - statt der 18 Bilder pro Sekunde nur noch die gewünschten 16 2/3. Der richtige Zündzeitpunkt wir vom Baustein TCA785 (IC6) erzeugt, wenn dieser die richtige Steuerspannung erhält. Die richtige Steuerspannung zu erzeugen, ist Aufgabe des Reglers.

4.1.2.2.2 Funktion des Reglers
Das Funktionsprinzip des geschlossenen Regelkreises besteht darin, daß er die tatsächliche Motordrehzahl des Projektors ('Regelgröße') mit der vom Camcorder vorgegebenen Drehzahl ('Führungsgröße') vergleicht. Wenn er eine Differenz ('Regelabweichung') feststellt, steuert der Regler gegen, um diese Differenz möglichst auf Null zu reduzieren. Das Gegensteuern erfolgt über die 'Stellgröße', in unserem Fall ist das die Motorspannung des Projektors. Die Regelabweichung entsteht durch 'Störgrößen', z.B. durch Reibung im Projektor, die sich abhängig von der Temperatur und von den Einflüssen des Filmtransportes verändert.

Die Lichtschranke wird so montiert, daß ihr Lichtstrahl von den Flügeln der Sektorenblende im Projektor unterbrochen wird. (Im obigen Bild ist das nicht ganz deutlich zu sehen: Die Lichtschranke taucht nach unten durch die Plexiglas-Trägerplatte hindurch, so daß die Flügel durch sie hindurchlaufen.) Bei unterbrochenem Lichtstrahl liegt am PLL-Eingang SIGIN null Volt, und wenn die Lichtschranke freigegeben wird, springt diese Spannung auf den Wert der Versorgungsspannung. Wenn sich die Sektorenblende dreht, entsteht so ein Rechtecksignal. Die Frequenz der Lichtschranken-Signale ist unser Maß für die Motordrehzahl. Wegen der drei Flügel messen wir eigentlich die dreifache Motordrehzahl, aber diese entspricht der Bildfrequenz, die uns eigentlich interessiert. Die (ebenfalls dreifache) Soll-Drehzahl wird in Form der Frequenz der Synchronimpulse vorgegeben, die aus dem AV-Signal des Camcorders gewonnen wurden.
Im PLL-Baustein (IC4) erfolgt der Vergleich der Frequenzen und Phasenlagen der beiden Signale. Da das PLL-Ausgangssignal bei einer Regelabweichung von Null aber nicht ebenfalls Null beträgt, sondern der halben Versorgungsspannung entspricht, subtrahieren wir mittels IC3C diese halbe Versorgungsspannung, die mit dem Potentiometer R1 eingestellt wird. IC3C liefert also am Ausgang die Regelabweichung. Mit R1 können wir statt Null auch eine bestimmte Differenz der Phasenlagen als Regelabweichung Null definieren, indem wir eine andere Spannung einstellen. Wir können so (in den Grenzen, die die Schaltung vorgibt) auf eine bestimmte Phasenlage der Signale regeln, d.h. die Signale zeitlich gegeneinander verschieben.
Der PLL-Baustein funktioniert nur in einem relativ eng begrenzten Arbeitsbereich. D.h. er erreicht die Grenzen seiner Ausgangsspannung schon bei einer relativ geringen Differenz der Phasenlagen der beiden Rechteck-Eingangssignale. Bezogen auf den Bereich, in dem die Motordrehzahl schwanken kann, würde er deshalb wie ein 'Zweipunktregler' funktionieren, d.h. er würde ständig zwischen Null und Maximum hin- und herschalten, dadurch in unserem Fall große Drehzahlschwingungen erzeugen, und die gewünschte Drehzahl würde nie erreicht werden.
Wir müssen also dafür sorgen, daß der PLL-Baustein nur innerhalb seines Arbeitsbereiches betrieben wird, so daß er nie an die Grenzen seiner Ausgangsspannung kommt. Wir erreichen das durch zwei Maßnahmen:
1. Wir legen den Arbeitspunkt des Reglers über das Potentiometer R2 schon möglichst genau fest. (Das entspricht praktisch der 'Drehzahleinstellung mittels Dimmer'.) Der Regler ('Proportionalregler' IC3B) muß dann nur noch in einem eng begrenzten Bereich um diesen Arbeitspunkt herum arbeiten, zu große Regelabweichungen werden vermieden.
2. Um diesen eng begrenzten Arbeitsbereich nicht verlassen zu müssen, sehen wir noch einen 'Integral-Regler' vor (IC3A), der sich langsam ändernde Einflüsse (z.B. durch die Erwärmung des Projektors) kompensiert. Dadurch wird der oben festgelegte Arbeitspunkt praktisch nachgeführt.

Die drei Spannungen von P-Regler, I-Regler und Arbeitspunkt-Potentiometer R2 werden mittels IC3D addiert und bilden in der Summe die Steuerspannung für die Phasenanschnittsteuerung (IC6).

4.1.2.2.3 Spannungsversorgung
Der Trafo mit zwei getrennten Sekundärwicklungen dient der Erzeugung einer positiven und einer negativen Versorgungsspannung für den Regler. Die zweite Wicklung liefert außerdem das Signal VSYN für die Netz-Synchronisierung der Anschnittsteuerung.

 

4.1.3 Aufbau

Sicherheitshinweis:

ACHTUNG: 230V AUF DER PLATINE!
Die Steuerung ist zwar vom 230V-Netz durch den Trafo und den Optokoppler galvanisch getrennt. Wenn man aber Steuerung und 230V-Kreis auf einer Platine anordnet, ist höchste Vorsicht geboten. Man sollte immer den Netzstecker ziehen und so hinlegen, daß man ihn im Blickwinkel hat, bevor man an der Schaltung hantiert oder ein Meßgerät anschließt! Lediglich die unumgängliche Einstellung der Potentiometer ist unter Spannung erlaubt (isolierter Schraubendreher!). Jeder ist selbst verantwortlich für die Vermeidung von Unfällen!

Zur Sicherheit könnte man auch den 230 V-Teil (Netzschalter S1, Netzsicherung F3, Trafo TR1 und den Optokoppler) vom Rest der Steuerung trennen und in ein separates Gehäuse einbauen.

Die Schaltung wurde auf einer Lochrasterplatte 160 x 85 mm etappenweise aufgebaut und in Betrieb genommen in der Reihenfolge
· Spannungsversorgung (1)
· Video Sync Separator (2)
· Anschnittsteuerung (3) und Triac (4)
· PLL (5) und Regler (6)

(Das Foto zeigt außerdem: Netzschalter S1 (7), Netzsicherung F3 (8), Stereo-Klinkenbuchse für Lichtschrankensignale (9), LED1 (10) und Cinch-Steckbuchse für Videosignal (11).)

230 V-Kreis und Steuerung wurden räumlich getrennt.

Wenn man einen Klinkenstecker für die Lichtschrankensignale verwendet, kann man beim Stecken einen Kurzschluss erzeugen! Daher besser einen anderen Steckertyp verwenden.)

4.1.4 Inbetriebnahme und Justierung

4.1.4.1 Lichtschranke
Die Funktion der Lichtschranke kann man prüfen, indem man langsam die Sektorenblende von Hand dreht (Netzstecker des Projektors ziehen!) und die Spannung über R11 mißt. Diese sollte nahezu 0V bzw. die Versorgungsspannung erreichen. Erreicht man nicht 0V, ragt die Blende nicht tief genug in die Lichtschranke.

4.1.4.2 Einstellung der Potentiometer
1. Der Projektor ist noch ausgeschaltet. Mit R3 stellt man zunächst den Spitzenwert der Sägezahnspannung von IC6 Pin10 auf Versorgungsspannung minus 2V. Wenn man kein Oszilloskop hat, sollte man zunächst versuchen, eine Einstellung zu finden, bei der man eine 230V-Lampe dimmen kann. Wenn man mit dem Triac eine Lampe dimmen kann, sich der Projektor jedoch nicht rührt, ist evtl. diese Spannung noch zu hoch eingestellt. (Ich habe am Abgriff von R3 2,21 V eingestellt.)

2. Mit R1 (Phasenlage) stellt man die Spannung an TP2 auf halbe Versorgungsspannung.

3. Jetzt kann man den Camcorder anschließen und den Projektor, zunächst ohne Film, einschalten. Man stellt mit R2 die höchstmögliche Projektordrehzahl ein und reduziert dann langsam die Drehzahl.
Den Arbeitspunkt hat man nahezu richtig eingestellt, wenn die PLL-Spannung an TP3 nicht mehr an einem Anschlag steht, sondern sich frei ca. um die halbe Versorgungsspannung bewegt. (Zeigerinstrument benutzen!)

4. Ein weiteres Kriterium für R2 ist, daß sich die Spannung an IC3A Pin1 in der Nähe von Null bewegt bzw. weder im kalten noch im warmen Zustand des Projektors der positiven oder negativen Versorgungsspannung zu nahe kommt. (Vorsicht beim Messen an Pin1: beim versehentlichen Verbinden mit Pin 2 schließt man den Kondensator kurz!)

5. Mit R1 kann man jetzt, wenn man möchte, die Phasenlage verstellen, als Folge ändert sich die PLL-Spannung an TP3. Wenn man mit einer Belichtungszeit von 1/1000 s experimentieren möchte, hängt die richtige Einstellung von der Position der Lichtschranke ab. Man muß mit beiden Größen experimentieren: Grobeinstellung der Lichtschranke, Feinabgleich mit R1.

6. Für die endgültige Einstellung sollte ein Film durch den Projektor laufen. Die PLL-Spannung ist dann durch die Einflüsse des Filmtransportes erheblich unruhiger. Jetzt noch einmal Punkt 4 überprüfen.

4.1.5 Hier noch einige Hinweise:
- Bei stehendem Projektor läuft die Ausgangsspannung des I-Reglers (IC3A) an den Anschlag, da sich der Kondensator auflädt. Um zu vermeiden, daß der Regler beim Start erst aus der Sättigung kommen muß, sollte man zuerst den Projektor und dann den Triacsteller einschalten. Andernfalls kann es lange dauern, bis die Regelung 'sich fängt'.
- Man sollte den Projektor vor dem Überspielen ein paar Minuten einlaufen lassen.
- Vor der Aufnahme sollte man für ein paar Sekunden Vorlauf im Film sorgen, damit sich die Regelung auf den Arbeitspunkt einschwingen kann.

4.1.6 Idee zur Verbesserung
Anstelle der Drehzahl-Arbeitspunkteinstellung mit R2 könnte man (neben der Phasenregelung) eine echte Drehzahlregelung vorsehen. Um die Soll- und Istwerte der Drehzahl zu erzeugen, könnte man die Frequenzen der Rechtecksignale von Camcorder und Projektor in Gleichspannungen umwandeln.

 

 

Viel Erfolg!

Für Rückfragen stehe ich gerne zur Verfügung,

über Erfahrungsberichte würde ich mich freuen,

Kritik ist ausdrücklich erwünscht.

 

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