舞台灯光自动换色器

大家知道，舞台上各种不同颜色灯光的变化，是舞台表演艺术的一种重要手段。有许多剧场，为了表现各种灯光色彩，常常需要设置大量的灯光器材，既耗费资金，操作时又费力气。我设计了一种利用电子电路控制的灯光自动换色器，其优点是只用一个灯泡就能达到换色目的。使用时，操作者只需控制一排按键，改变电路的工作状态，由电路去控制一个电机按要求转动，电机又去带动安装在灯泡前面的不同颜色的色纸卷转动，按要求改变灯泡前面色纸的颜色，从而达到换色的目的。

自动控制电路见图1，可以看出，这是一个输入端采用差动输入形式的放大器。当U\(_{i1}\)=Ui2幅值相等、相位相同时，输出端A点对地电压为零，电机不转动；当U\(_{i1}\)与Ui2相位相同、幅值不相等时，电路将只放大U\(_{i1}\)与Ui2的差值，输出端有输出，电机开始转动。

电动机转动时，其主轴通过变速机构同时带动色卷纸轴及图1中电位器W\(_{2}\)的转柄转动。我们令图中Ui1输入端为基准电压输入端，其基准电压值可通过调节W\(_{1}\)获得；另一个Ui2输入端作为状态电压输入端，其电压值通过调节W\(_{2}\)获得。Ui2为什么叫状态电压？这是因为W\(_{2}\)的转柄与色卷纸轴均由电动机的主轴带动，Ui2又受W\(_{2}\)控制，所以Ui2的大小间接反映了色卷纸每个颜色所处的状态，所以叫状态电压。假定色纸由十种不同颜色的彩色灯光片组成，那么反映到电位器W\(_{2}\)上的状态位置便是分成十种不同的转角，使W2每旋转一个角度，便代表某一种颜色的色纸。W\(_{1}\)、W2的两端接有共用的-5伏电压。当|U\(_{i1}\)|＞|Ui2|时，由于运放电路2端为反相输入端，所以6端输出为正U\(_{o}\)电压，此时D3导通，BG\(_{1}\)、BG2导通，D\(_{4}\)和BG3、BG\(_{4}\)截止，电机正转；当|Ui1|＜|U\(_{i2}\)|时，6端输出负U0电压，D\(_{4}\)导通，BG3、BG\(_{4}\)导通，D3和BG\(_{1}\)、BG2、截止，电机逆时针转动；当|U\(_{i1}\)|=|Ui2|时，6端输出电压U\(_{o}\)＝0，BG1～BG\(_{4}\)均不导通，电机停止转动。

由于电动机转速较快，所以联接时需经50∶1减速齿轮后再去带动色纸轴作卷片式转动（见图2）。同时再经一组50∶1减速齿轮与电位器W\(_{2}\)滑臂相连。相连的方式是使电动机正运转的方向与电位器W2滑臂使输出端由正电压趋向负电压的转动方向一致。例如，在初始状态时，调节基准电压 （由图3控制器上的一组按键KZJ2控制），使U\(_{i1}\)＝-1伏，这一档代表红色灯光片。状态电压Ui2此时也为-1伏，它们的电压相等，电机不转动，灯泡前方的色纸停止在原来的红色灯光片上。当控制器上的按键放在-2伏位置时，假定这一档代表蓝色，此时由于电路不平衡，BG\(_{1}\)、BG2将导通，电机正转，带动W\(_{2}\)滑臂旋转，使Ui2逐渐趋向负电压，直至与U\(_{i1}\)相等时电机才停止转动，这时蓝色色纸正好停留在灯泡前方。如果将Ui1调到其它数值，以代表其它不同颜色，同样可使电机自动运转，使色纸停留在所要求的颜色的位置上。

基准电压U\(_{i1}\)的数值是根据色纸的颜色所决定的，可通过调节W1决定。为了便于调整和控制，图3中W\(_{1}\)并不是单采用一只电位器，而是由一只设在面板上的十档琴键开关（KZJ2）和十只半可变电位器组成。各个电位器要事先调好，使按下各个按键时都能得到所需的Ui1电压值。图1中，R\(_{f}\)/R1的比值决定集成运算放大器的增益，改变R\(_{f}\)的阻值，可调节换色器的阻尼灵敏度，使电动机很快在平衡位置停下来，可减小色纸定位误差。二极管D3、D\(_{4}\)起鉴别运算放大器输出电压极性的作用。D3、D\(_{4}\)极不能接反，否则后级晶体管容易发烫烧毁。

为了减轻功放管的负荷，电机应选用高电压、小电流、功率约3瓦左右的直流电动机。电源部分可如图4所示选用30瓦OCL电源组件。

运算放大器除可选用5G23外，还可选用FC3、8FC3、5G24等，可根据供应情况而定。一般说来运用高增益的运算放大器容易提高换色器的精度。运算放大器的耐压应在±18伏以上；驱动电路部分的晶体管应选用穿透电流小、BV\(_{ceo}\)＞18V、热稳定性好的硅管；BG1、BG\(_{3}\)的β值应大于40，DD01的β值大于20即可，不需完全对称；D1～D\(_{4}\)选用2CP型二极管，反向电阻应大于100千欧；电动机选用上海市南汇中学生产的12伏直流电机，它具有空载电流小（40～60mA）、力矩大（180g／mm以上）、噪声小及无死点等优点；电路中所有的电阻最好选用金属膜电阻，W2 选用X型2.2千欧1瓦电位器。

本机机械变速系统采用模数=0.5的仪表齿轮（也可用玩具齿轮或钟表齿轮代替），具体尺寸及齿数见图5。电机经过三级齿轮减速后直接带动色纸卷轴转动。再经过三级齿轮减速后，通过一个大齿轮交连到电位器W\(_{2}\)的可动臂上。色卷轴的灯光片的颜色共有10种，每一种色片的长度大约是卷轴周长的四倍，在起始位置时，第一张色片不卷在轴上，其余9种色片应在轴上绕4×9=36圈。实际上多绕4圈（绕40圈），以留有余地。我们要求卷轴转40圈左右时，电位器W2转柄转动角度为270°。

换色器的传动正转时靠电机拖动卷片轴转动（见图6），逆转时靠装在换色器另一端卷轴上的弹簧卷片收卷。弹簧卷片盒可用北京测绘用品厂出的208型钢盒卷尺的塑料外壳改制，弹簧片用卷尺里的弹簧片，一般转40圈需要3.2米长。这样可保证换色器在使用时色纸始终保持绷紧状态。如果色纸的颜色少于十种，则卷尺弹簧可酌情减短。

彩色灯光片（即色纸）采用上海伟康染厂生产的涤沦色片，根据需要选十种色片。如果是用在碘钨云灯换色器上，则每张色片可裁成450×400mm形状，然后按照习惯的排列顺序，用缝纫机粗针缝合连接起来（目前还没有找到更好的办法用来粘合涤沦薄膜）。要求缝合平整，大小也要一致。否则会影响换片定位精度。然后将缝好的色片卷的一端用透明胶纸或白胶布粘贴在卷片轴上，并将色片收卷在轴上。换色器框架最好采用铝材制作，要求卷片轴转动灵活。

一套自动换色装置的电路板部分（电位器W\(_{1}\)除 外）、电动机、齿轮组、色纸卷等均组装在换色器框架上，构成换色器部分，其中电路部分最好用铝罩或铁皮屏蔽；装置的其他部分包括电源、指示灯及操作控制按键以及W1组成控制部分，装在控制箱内。

1. 集控式：这种控制方式较为简单，一个控制箱可控制若干台换色器同时换色。控制箱的面板结构图见图7，上面设有KZJ210H2—20型小型直键开关一只，按键上分别标有各种色片的颜色；X型2.2KΩ—1W微调电位器十只；状态指示灯十只。这种控制器与换色器之间只要用一根RVV型5芯×φ0.04塑料线连接就行。芯线两端与上述两大部分的连接处采用2AC10型插头座，这种插头、插座连接时能自锁，可提高工作时的可靠性。使用时，只要按下所需颜色的按键，灯具上的换色器则自动转到所需色片处定位。KZJ2直键开关有两组接点，一组接微调电位器，另一组接指示灯。灯具与灯具之间的连接此时都应采用并联相接的插头座。

调试时，先把每只换色器的随动反馈电位器W\(_{2}\)的可动滑臂转到最小，然后将色纸卷轴上的空头端拉出来，粘贴在另一个卷轴上。这时电位器W2处于起始位置，换色器上是第一张色纸。插上换色器与控制箱之间的五芯连接线，开启电源，按下第一个按键，这时换色器上的色纸可能转到其它位置上，可用小改锥调节图3中相应的半可变电位器W\(_{11}\)，使色纸转回到第一张位置。调整第二张色纸的办法同上，即按下第二按键，调节W12，使换色器固定在第二张色纸上。其它按键的调整依此类推。然后再反复微调，使换色器来回转动时各种颜色的色纸定位准确。最后在每一个按键上贴上相应颜色的色标，使用起来就很方便了。其他各个换色器都要按上述方法逐一调整。每个换色器配用在一台灯具上。

2．集控、分控组合式：图8为其控制线路图。这种控制方式的优点是既可以集中控制，又可以单独控制某个换色器的颜色。例如，当图8中的K\(_{1}\)～K8均拨向“集控”一边时，则八路灯具采用集中控制形式，即当操纵KJZ10H 8－20型直键开关时，八路灯具同时换色。如果想将某一路灯具单独控制其颜色，例如想单独控制第1路颜色，则可将K\(_{1}\)单独拨向“分控”端，此时调节W1阻值，使其定位在需要的颜色处，这一路就能单独自动转换到所需要的颜色，使用起来很方便。KZJ10H 8－20直键开关最多可控制八只换色器，各个换色器直接与控制器连接。调试时，每只换色器需分别单独调试定位。这种控制箱的面板图见图9。图10为图1的印刷电路图，可供参考。（茅云祥）