LightSound: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Pohrával som si s elektronikou od svojich 10 rokov. Otec, rádiotechnik, ma naučil základy a používanie spájkovačky. Som mu veľa dlžný. Jeden z mojich prvých obvodov bol zvukový zosilňovač s mikrofónom a chvíľu som miloval počuť svoj hlas prostredníctvom pripojeného reproduktora alebo zvuky zvonku, keď som zavesil mikrofón z okna. Jedného dňa prišiel môj otec s cievkou, ktorú odstránil zo starého transformátora, a povedal: „Pripojte to namiesto mikrofónu“. Urobil som to a toto bol jeden z najúžasnejších momentov v mojom živote. Zrazu som počul zvláštne bzučanie, syčanie, ostré elektronické bzučanie a niektoré zvuky, ktoré pripomínali skreslené ľudské hlasy. Bolo to ako potápať sa v skrytom svete, ktorý mi ležal priamo pred ušami, čo som doteraz nedokázal rozpoznať. Technicky na tom nebolo nič magické. Cievka zachytáva elektromagnetický hluk pochádzajúci zo všetkých domácich spotrebičov, chladničiek, práčok, elektrických vŕtačiek, televízorov, rádií, pouličného osvetlenia a.s. Ale skúsenosť bola pre mňa zásadná. Okolo mňa bolo niečo, čo som nemohol vnímať, ale s nejakým elektronickým mumbo-jumbo som bol in!

O niekoľko rokov neskôr som o tom znova premýšľal a napadol ma jeden nápad. Čo by sa stalo, keby som k zosilňovaču pripojil fototranzistor? Počul by som tiež vibrácie, ktoré moje oči boli lenivé rozpoznať? Urobil som to a opäť ten zážitok bol úžasný! Ľudské oko je veľmi sofistikovaný orgán. Poskytuje najväčšiu šírku pásma informácií zo všetkých našich orgánov, ale s tým sú spojené určité náklady. Schopnosť vnímať zmeny je dosť obmedzená. Ak sa vizuálne informácie menia viac ako 11 -krát za sekundu, veci začínajú byť rozmazané. To je dôvod, prečo môžeme sledovať filmy v kine alebo v televízii. Naše oči už nedokážu sledovať zmeny a všetky tieto jednotlivé statické obrázky sú zlúčené do jedného nepretržitého pohybu. Ale ak zmeníme svetlo na zvuk, naše uši môžu tieto kmity vnímať dokonale až niekoľko tisíc kmitov za sekundu!

Vymyslel som malú elektroniku, aby sa môj smartphone zmenil na svetelný zvukový prijímač, čo mi tiež umožní tieto zvuky nahrávať. Pretože je elektronika veľmi jednoduchá, chcem vám na tomto príklade ukázať základy elektronického dizajnu. Ponoríme sa teda poriadne hlboko do tranzistorov, rezistorov a kondenzátorov. Ale nebojte sa, nechám matematiku jednoduchú!

Krok 1: Elektronická časť 1: Čo je to tranzistor?

Tu je váš rýchly a nie špinavý úvod do bipolárnych tranzistorov. Existujú dva rôzne druhy. Jeden sa volá NPN a toto je ten, ktorý môžete vidieť na obrázku. Druhým typom je PNP a tu o tom nebudeme hovoriť. Rozdiel je len vecou polarity prúdu a napätia a nie je predmetom ďalšieho záujmu.

NPN tranzistor je elektronická súčiastka, ktorá zosilňuje prúd. V zásade máte tri terminály. Jeden je vždy uzemnený. Na našom obrázku sa to nazýva „vysielač“. Potom máte „základňu“, ktorá je ľavá, a „zberateľ“, ktorá je horná. Akýkoľvek prúd vstupujúci do základne IB spôsobí, že zosilnený prúd bude plávať cez kolektorový integrovaný obvod a bude prechádzať emitorom späť do zeme. Prúd musí byť napájaný z externého zdroja napätia UB. Pomer zosilneného prúdu IC a základného prúdu IB je IC/IB = B. B sa nazýva zosilnenie jednosmerného prúdu. Závisí to od teploty a od toho, ako nastavíte tranzistor vo svojom obvode. Navyše je náchylný na vážne výrobné tolerancie, takže nemá veľký zmysel počítať s fixnými hodnotami. Vždy majte na pamäti, že aktuálny zisk sa môže veľmi rozšíriť. Okrem B existuje ešte jedna hodnota s názvom „beta“. Wile B charakterizuje zosilnenie DC signálu, beta robí to isté pre AC signály. Normálne sa B a beta veľmi nelíšia.

Spolu so vstupným prúdom má tranzistor aj vstupné napätie. Obmedzenia napätia sú veľmi úzke. V bežných aplikáciách sa bude pohybovať v oblasti medzi 0,62V..0,7V. Vynútenie zmeny napätia na základni bude mať za následok dramatické zmeny kolektorového prúdu, pretože táto závislosť sleduje exponenciálnu krivku.

Krok 2: Elektronická časť 2: Navrhovanie prvej etapy zosilňovača

Teraz sme na ceste. Na premenu modulovaného svetla na zvuk potrebujeme fototranzistor. Fototranzistor sa veľmi podobá na štandardný NPN tranzistor z predchádzajúceho kroku. Je však tiež schopný nielen meniť kolektorový prúd riadením základného prúdu. Kolektorový prúd navyše závisí od svetla. Veľa svetla-veľa prúdu, menej svetla-menej prúdu. Je to také ľahké.

Špecifikácia napájacieho zdroja

Keď navrhujem hardvér, prvá vec, ktorú urobím, je rozhodnúť sa o napájacom zdroji, pretože to ovplyvňuje VŠETKO vo vašom obvode. Použitie 1, 5V batérie by bol zlý nápad, pretože, ako ste sa dozvedeli v kroku 1, UBE tranzistora je okolo 0, 65V, a teda už v polovici cesty až do 1, 5V. Mali by sme poskytnúť väčšiu rezervu. Milujem 9V batérie. Sú lacné a ľahko sa s nimi manipuluje a nezaberajú veľa miesta. Poďme teda na 9V. UB = 9V

Špecifikácia kolektorového prúdu

Toto je tiež kľúčové a ovplyvňuje všetko. Nemalo by byť príliš malé, pretože potom sa tranzistor stane nestabilným a šum signálu stúpa. Tiež nesmie byť príliš vysoký, pretože tranzistor má vždy nečinný prúd a napätie a to znamená, že spotrebúva energiu, ktorá sa zmení na teplo. Príliš veľký prúd vybíja batérie a môže vplyvom tepla zabiť tranzistor. V mojich aplikáciách vždy udržujem kolektorový prúd medzi 1 … 5mA. V našom prípade poďme s 2mA. IC = 2mA.

Vyčistite napájanie

Ak navrhujete stupne zosilňovača, je vždy dobré udržiavať napájanie jednosmerným prúdom čisté. Napájanie je často zdrojom hluku a hukotu, aj keď používate batériu. Dôvodom je, že obvykle máte k napájacej koľajnici pripojené rozumné dĺžky káblov, ktoré môžu fungovať ako anténa pre všetky silné bzučania. Normálne smerujem napájací prúd malým odporom a na konci poskytnem tukovo polarizovaný kondenzátor. Skratuje všetky striedavé signály voči zemi. Na obrázku je odpor R1 a kondenzátor C1. Rezistor by sme mali ponechať malý, pretože pokles napätia, ktorý generuje, obmedzuje náš výkon. Teraz môžem povedať svoje skúsenosti a povedať, že pokles napätia 1 V je tolerovateľný, ak pracujete s napájaním 9 V. UF = 1V.

Teraz musíme trochu predvídať svoje myšlienky. Neskôr uvidíte, že pridáme druhý tranzistorový stupeň, ktorý tiež potrebuje vyčistiť napájací prúd. Takže množstvo prúdu pretekajúceho R1 je dvojnásobné. Pokles napätia na R1 je R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 ohmov. Nikdy nedostanete presne taký odpor, aký by ste chceli, pretože sa vyrábajú v určitých hodnotových intervaloch. Najbližšia hodnota je 270 ohmov a budeme s ňou v poriadku. R1 = 270 ohmov.

Potom zvolíme C1 = 220uF. To dáva rohovú frekvenciu 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7 Hz. Na toto príliš nemysli. Rohová frekvencia je tá, kde filter začína potláčať striedavé signály. Až do 2, 7 Hz prejde všetko viac -menej neoslabene. Pri frekvenciách nad 2, 7 Hz sú signály čoraz viac potlačené. Útlm dolného priepustného filtra prvého rádu je opísaný ako A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Našim najbližším nepriateľom z hľadiska rušenia je bzučanie elektrického vedenia 50 Hz. Použime teda f = 50 a dostaneme A = 0, 053. To znamená, že filtrom prejde iba 5, 3% hluku. Na naše potreby by to malo stačiť.

Špecifikácia predpätia napätia kolektora

Predpätie je bod, do ktorého vložíte tranzistor, keď je v pokojovom režime. Toto určuje jeho prúdy a napätia v prípade, že nie je k dispozícii žiadny vstupný signál na zosilnenie. Čistá špecifikácia tejto odchýlky je zásadná, pretože napríklad predpätie napätia na kolektore určuje bod, v ktorom sa signál bude otáčať, keď pracuje tranzistor. Chybné rozloženie tohto bodu bude mať za následok skreslený signál, keď sa výstupný výboj dotkne zeme alebo napájacieho zdroja. Toto sú absolútne limity, cez ktoré sa tranzistor nemôže dostať! Normálne je dobré dať predpätie výstupného napätia do stredu medzi zem a UB na UB/2, v našom prípade (UB-UF)/2 = 4V. Ale z nejakého dôvodu neskôr pochopíte, že to chcem dať trochu nižšie. Najprv nepotrebujeme veľký výstupný výkyv, pretože aj po zosilnení v tomto 1. stupni bude náš signál v rozsahu milivoltov. Za druhé, nižší posun bude lepšie fungovať pre nasledujúci tranzistorový stupeň, ako uvidíte. Položme teda predpätie na 3V. UA = 3V.

Vypočítajte kolektorový odpor

Teraz môžeme vypočítať ostatné komponenty. Uvidíte, či kolektorový prúd preteká R2, dostaneme pokles napätia prichádzajúci z UB. Pretože UA = UB-UF-IC*R1 môžeme extrahovať R1 a získať R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2,55. Opäť zvolíme nasledujúcu normálnu hodnotu a vezmeme R1 = 2, 7K Ohm.

Vypočítajte základný odpor

Na výpočet R3 môžeme odvodiť jednoduchú rovnicu. Napätie na R3 je UA-UBE. Teraz musíme poznať základný prúd. Povedal som vám zisk jednosmerného prúdu B = IC/IB, takže IB = IC/B, ale akú hodnotu má B? Bohužiaľ som použil fototranzistor z prebytočného obalu a na komponentoch nie je správne označenie. Musíme teda použiť svoju fantáziu. Fototranzistory nemajú toľko zosilnenia. Sú viac navrhnuté pre rýchlosť. Zatiaľ čo zisk jednosmerného prúdu pre normálny tranzistor môže dosiahnuť 800, faktor B fototranzistora môže byť medzi 200..400. Poďme teda na B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. To je blízko 360K Ohm. Túto hodnotu bohužiaľ v krabici nemám, takže som namiesto toho použil sériu 240K+100K. R3 = 340 K Ohm.

Môžete si položiť otázku, prečo odoberáme základný prúd z kolektora a nie z UB. Poviem vám to. Predpätie tranzistora je krehká vec, pretože tranzistor je náchylný na výrobné tolerancie, ako aj na silnú závislosť od teploty. To znamená, že ak ovplyvníte svoj tranzistor priamo z UB, pravdepodobne sa čoskoro stratí. Na vyriešenie tohto problému používajú návrhári hardvéru metódu nazývanú „negatívna spätná väzba“. Skúste sa ešte raz pozrieť na náš okruh. Základný prúd pochádza z kolektorového napätia. Teraz si predstavte, že tranzistor sa zahrieva a jeho hodnota B sa zvyšuje. To znamená, že tečie viac kolektorového prúdu a klesá UA. Ale menšie UA znamená aj menšie IB a napätie UA opäť mierne stúpa. S poklesom B máte rovnaký účinok aj naopak. Toto je NARIADENIE! To znamená, že šikovným zapojením dokážeme udržať predpätie tranzistora v medziach. V ďalšej fáze uvidíte aj ďalšiu negatívnu spätnú väzbu. Mimochodom, negatívna spätná väzba zvyčajne tiež znižuje zosilnenie javiska, ale existujú spôsoby, ako sa s týmto problémom dostať.

Krok 3: Elektronická časť 3: Navrhovanie druhej etapy

Vykonal som nejaké testovanie použitím svetelného zvukového signálu z predzosilneného stupňa v predchádzajúcom kroku do svojho smartfónu. Bolo to povzbudzujúce, ale myslel som si, že trochu viac zosilnenia bude lepšie. Odhadoval som, že prácu by malo zvládnuť ďalšie zvýšenie faktora 5. Takže ideme na druhú fázu! Normálne by sme opäť nastavili tranzistor v druhom stupni s jeho vlastným zaujatím a priviedli do neho predzosilnený signál z prvého stupňa cez kondenzátor. Pamätajte si, že kondenzátory neprepúšťajú DC. Len ac-signál môže prejsť. Týmto spôsobom môžete smerovať signál cez fázy a ovplyvnenie každého stupňa nebude ovplyvnené. Urobme však veci trochu zaujímavejšie a pokúsme sa uložiť niektoré súčasti, pretože chceme, aby bolo zariadenie malé a praktické. Na predpätie tranzistora v stupni 2 použijeme predpätie výstupu stupňa 1!

Výpočet rezistora emitora R5

V tejto fáze je náš NPN tranzistor priamo predpätý z predchádzajúceho stupňa. Na schéme zapojenia vidíme, že UE = UBE + ICxR5. Pretože UE = UA z predchádzajúceho stupňa môžeme extrahovať R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Urobíme to 1, 2K Ohm, čo je najbližšia normálna hodnota. R5 = 1, 2K Ohm.

Tu môžete vidieť ďalší druh spätnej väzby. Povedzme, že kým UE zostane konštantné, hodnota B tranzistora sa zvyšuje v dôsledku teploty. Vďaka kolektoru a emitoru tak získame viac prúdu. Ale viac prúdu cez R5 znamená viac napätia na R5. Pretože UBE = UE - IC*R5, zvýšenie IC znamená zníženie UBE a tým opäť zníženie IC. Opäť tu máme reguláciu, ktorá nám pomáha udržať zaujatosť stabilnú.

Výpočet kolektorového odporu R4

Teraz by sme mali sledovať výstupný výkyv nášho kolektorového signálu UA. Dolná hranica je odchýlka emitora 3V-0, 65V = 2, 35V. Hornou hranicou je napätie UB-UB = 9V-1V = 8V. Predpätie nášho kolektora dáme do stredu. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Teraz je ľahké vypočítať R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Urobíme to R4 = 1, 5K Ohm.

A čo zosilnenie?

Čo teda s faktorom 5 zosilnenia, ktorý chceme získať? Zosilnenie napätia ac-signálov v štádiu, ako ho vidíte, je popísané vo veľmi jednoduchom vzorci. Vu = R4/R5. Celkom jednoduché čo? Toto je zosilnenie tranzistora s negatívnou spätnou väzbou cez emitorový odpor. Pamätajte si, povedal som vám, že negatívna spätná väzba má vplyv aj na zosilnenie, ak proti nemu neberiete vhodné prostriedky.

Ak vypočítame zosilnenie so zvolenými hodnotami R4 a R5, dostaneme V = R4/R5 = 1,5 K/1,2 K = 1,2. Hm, to je od 5. dosť ďaleko. Čo teda môžeme urobiť? Najprv vidíme, že s R4 nemôžeme nič urobiť. Je to fixované odchýlkou výstupu a obmedzeniami napätia. A čo R5? Vypočítajme hodnotu, ktorú by mala mať R5, ak by sme mali zosilnenie 5. To je jednoduché, pretože Vu = R4/R5 to znamená, že R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, to je v poriadku, ale ak by sme do nášho obvodu vložili 300 Ohm namiesto 1,2 K, naša zaujatosť by sa pokazila. Musíme teda dať oboje, 1,2 K Ohm pre predpätie jednosmerného prúdu a 300 ohmov pre striedavú negatívnu spätnú väzbu. Pozrite sa na druhý obrázok. Uvidíte, že som rozdelil odpor 1, 2K Ohm na 220 Ohm a 1K Ohm v sérii. Okrem toho som si vybral 220 ohmov, pretože som nemal odpor 300 ohmov. 1K je tiež obídený tukovo polarizovaným kondenzátorom. Čo to znamená? No pre zaujatosť jednosmerného prúdu to znamená, že negatívna spätná väzba „vidí“1, 2K Ohm, pretože jednosmerný prúd nemusí prejsť kondenzátorom, takže pre zaujatosť jednosmerného prúdu C3 jednoducho neexistuje! AC signál na druhej strane len „vidí“220 ohmov, pretože každý pokles striedavého napätia na R6 je skratovaný k zemi. Žiadny pokles napätia, žiadna spätná väzba. Pre negatívnu spätnú väzbu zostáva iba 220 ohmov. Celkom múdre, čo?

Aby to fungovalo správne, musíte zvoliť C3, aby jeho impedancia bola oveľa nižšia ako R3. Dobrá hodnota je 10% R3 pre najnižšiu možnú pracovnú frekvenciu. Povedzme, že naša najnižšia frekvencia je 30 Hz. Impedancia kondenzátora je Xc = 1/(2*PI*f*C3). Ak extrahujeme C3 a zadáme frekvenciu a hodnotu R3, dostaneme C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Aby sa zhodovala s najbližšou normálnou hodnotou, urobme to C3 = 47uF.

Teraz pozrite dokončenú schému na poslednom obrázku. Skončili sme!

Krok 4: Výroba mechaniky Časť 1: Zoznam materiálov

Na výrobu zariadenia som použil nasledujúce komponenty:

• Všetky elektronické súčiastky zo schémy
• Štandardné plastové puzdro 80 x 60 x 22 mm so vstavanou priehradkou na 9V batérie
• Klip na 9V batériu
• 1m 4pólový zvukový kábel s konektorom 3,5 mm
• 3pol. stereo zásuvka 3,5 mm
• prepínač
• kus perfboardu
• 9V batéria
• spájka
• 2 mm medený drôt 0, 25 mm izolovaný namáhaný drôt

Mali by sa použiť nasledujúce nástroje:

• Spájkovačka
• Elektrická vŕtačka
• Digitálny multimetr
• okrúhla rašpľa

Krok 5: Výroba mechaniky: časť 2

Umiestnite vypínač a 3,5 mm zásuvku

Rašpľou zapilujte v dvoch polovičných dierach v oboch častiach plášťa (hornom aj dolnom). Otvor urobte dostatočne široký, aby sa doň spínač zmestil. Teraz urobte to isté s 3,5 mm zásuvkou. Zásuvka bude slúžiť na pripojenie štupľov do uší. Audio výstupy zo 4pol. konektor bude vedený do 3,5 mm zásuvky.

Vytvorte otvory pre kábel a fototranzistor

Na prednej strane vyvŕtajte 3 mm otvor a super prilepte do neho fototranzistor tak, aby jeho svorky prechádzali otvorom. Na jednej strane vyvŕtajte ďalší otvor s priemerom 2 mm. Prostredníctvom neho bude vedený zvukový kábel so 4 mm konektorom.

Spájkujte elektroniku

Teraz spájkujte elektronické súčiastky na doske a prepojte ich s audio káblom a 3,5 mm konektorom podľa schémy. Orientáciu si pozrite na obrázkoch, ktoré znázorňujú signálne kolíky na konektoroch. Pomocou DMM zistite, ktorý signál z konektora vychádza na ktorom kábli, aby ste ho identifikovali.

Keď je všetko hotové, zapnite zariadenie a skontrolujte, či sú napäťové výstupy na tranzistoroch viac alebo menej vo vypočítanom rozsahu. Ak nie, skúste nastaviť R3 v prvom stupni zosilňovača. Pravdepodobne to bude problém kvôli rozsiahlym toleranciám tranzistorov, ktoré budete musieť upraviť jeho hodnotu.

Krok 6: Testovanie

Prepracovanejšie zariadenie tohto typu som postavil pred niekoľkými rokmi (pozri video). Odvtedy som zhromaždil veľa zvukových ukážok, ktoré vám chcem ukázať. Väčšinu z nich som zozbieral počas jazdy v aute a umiestnil som fototranzistor za čelné sklo.

• „Bus_Anzeige_2.mp3“Toto je zvuk externého LED displeja na okoloidúcom autobuse
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Blikač auta
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Svetlomet automobilu
• Neónové svetlá „Neonreklame.mp3“
• „Schwebung.mp3“Tlkot dvoch rušivých svetlometov auta
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Zvuk CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Zvuk obrazovky môjho osciloskopu s rôznym nastavením času
• "Sound-PC Monitor.mp3" Zvuk môjho monitora PC
• Pouličné osvetlenie „Strassenlampen_Sequenz.mp3“
• „Was_ist_das_1.mp3“Slabý a zvláštny zvuk podobný mimozemšťanom, ktorý som zachytil niekde, keď som sa šoféroval v aute.

Dúfam, že som mohol zmáčať vašu chuť k jedlu a teraz sa pustíte do objavovania nového sveta svetelných zvukov sami!