LightSound: 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Olen harrastanut elektroniikkaa 10 -vuotiaasta lähtien. Isäni, radioteknikko, opetti minulle perusasiat ja juotosraudan käytön. Olen hänelle paljon velkaa. Yksi ensimmäisistä piireistäni oli äänivahvistin, jossa oli mikrofoni, ja jonkin aikaa rakastin kuulla ääneni liitetyn kaiuttimen kautta tai ääniä ulkopuolelta, kun ripustin mikrofonin ulos ikkunastani. Eräänä päivänä isäni tuli kelalle, jonka hän otti pois vanhasta muuntajasta ja sanoi: "Liitä tämä mikrofonin sijasta". Tein sen ja tämä oli yksi elämäni upeimmista hetkistä. Yhtäkkiä kuulin outoja humisevia ääniä, sihisevää kohinaa, terävää elektronista surinaa ja joitain ääniä, jotka muistuttivat vääristyneitä ihmisten ääniä. Se oli kuin sukellus piilotetussa maailmassa, joka makasi aivan korvieni edessä, jota en voinut tunnistaa tähän hetkeen asti. Teknisesti siinä ei ollut mitään maagista. Kela keräsi sähkömagneettista kohinaa kaikentyyppisistä kodinkoneista, jääkaapista, pesukoneista, sähköporakoneista, TV-sarjoista, radioista, katuvaloista yms. Mutta kokemus oli minulle ratkaiseva. Ympärilläni oli jotain, mitä en voinut havaita, mutta elektronisen mumbo-jumbon avulla olin mukana!

Muutamaa vuotta myöhemmin ajattelin sitä uudelleen ja yksi ajatus tuli mieleeni. Mitä tapahtuisi, jos liittäisin fototransistorin vahvistimeen? Kuulisinko myös tärinää, jota silmäni olivat liian laiskoja tunnistamaan? Tein sen ja taas kokemus oli mahtava! Ihmissilmä on erittäin hienostunut elin. Se tarjoaa suurimman tiedon kaistanleveyden kaikista elimistämme, mutta tämä aiheuttaa joitakin kustannuksia. Kyky havaita muutoksia on melko rajallinen. Jos visuaaliset tiedot muuttuvat yli 11 kertaa sekunnissa, asiat alkavat hämärtyä. Tästä syystä voimme katsella elokuvia elokuvissa tai televisiossamme. Silmämme eivät voi enää seurata muutoksia ja kaikki yksittäiset still -kuvat sulavat yhteen yhdeksi jatkuvana liikkeenä. Mutta jos muutamme valon ääneksi, korvani voivat havaita nämä värähtelyt täydellisesti jopa useita tuhansia värähtelyjä sekunnissa!

Suunnittelin pienen elektronisen laitteen, joka muutti älypuhelimeni valovastaanottimeksi ja antoi minulle mahdollisuuden tallentaa nämä äänet. Koska elektroniikka on hyvin yksinkertaista, haluan näyttää tässä esimerkissä sähköisen suunnittelun perusteet. Joten sukellamme melko syvälle transistoreihin, vastuksiin ja kondensaattoreihin. Mutta älä huoli, pidän matematiikan yksinkertaisena!

Vaihe 1: Elektroninen osa 1: Mikä on transistori?

Nyt tässä on nopea ja ei likainen johdanto bipolaarisiin transistoreihin. Niitä on kahta erilaista. Yksi on nimeltään NPN ja tämä näkyy kuvassa. Toinen tyyppi on PNP, emmekä puhu siitä täällä. Ero on vain virran ja jännitteen napaisuudesta eikä ole kiinnostavaa.

NPN-transistori on elektroninen komponentti, joka vahvistaa virtaa. Periaatteessa sinulla on kolme terminaalia. Yksi on aina maadoitettu. Kuvassamme sitä kutsutaan "emitteriksi". Sitten sinulla on "pohja", joka on vasen ja "keräilijä", joka on ylempi. Kaikki kantaan IB menevä virta aiheuttaa vahvistetun virran, joka kelluu keräimen IC: n läpi ja kulkee emitterin läpi takaisin maahan. Virta on johdettava ulkoisesta jännitelähteestä UB. Vahvistetun virran IC ja perusvirran IB suhde on IC/IB = B. B: tä kutsutaan DC-virran vahvistukseksi. Se riippuu lämpötilasta ja siitä, miten asennat transistorin piiriin. Lisäksi se on altis vakaville tuotantotoleransseille, joten ei ole kovin järkevää laskea kiinteillä arvoilla. Muista aina, että nykyinen voitto voi levitä paljon. B: n lisäksi on toinen arvo nimeltä "beta". Wile B luonnehtii DC-signaalin vahvistusta, beta tekee saman AC-signaaleille. Normaalisti B ja beta eivät eroa paljoa.

Yhdessä tulovirran kanssa transistorilla on myös tulojännite. Jännitteen rajoitukset ovat hyvin kapeat. Normaaleissa sovelluksissa se liikkuu alueella 0,62V … 0,7V. Jännitteenmuutoksen pakottaminen pohjaan aiheuttaa dramaattisia muutoksia kollektorivirrassa, koska tämä riippuvuus seuraa eksponentiaalista käyrää.

Vaihe 2: Elektroninen osa 2: Vahvistimen ensimmäisen vaiheen suunnittelu

Nyt olemme matkalla. Moduloidun valon muuttamiseksi ääneksi tarvitsemme fototransistorin. Fototransistori muistuttaa suuresti edellisen vaiheen standardin NPN-transistoria. Mutta se pystyy paitsi muuttamaan kollektorivirtaa säätämällä perusvirtaa. Lisäksi kollektorivirta riippuu valosta. Paljon valoa paljon, vähemmän valoa vähemmän virtaa. Se on niin helppoa.

Virtalähteen määrittäminen

Kun suunnittelen laitteistoa, teen ensimmäisenä ratkaisun virtalähteestä, koska tämä vaikuttaa KAIKKIIN piirissäsi. 1, 5 V: n akun käyttäminen olisi huono idea, koska kuten opit vaiheessa 1, transistorin UBE on noin 0, 65 V ja siten jo puolessa välissä jopa 1, 5 V. Meidän pitäisi varata enemmän. Rakastan 9V paristoja. Ne ovat halpoja ja helppokäyttöisiä eivätkä vie paljon tilaa. Joten mennään 9V: lla. UB = 9V

Keräimen virran määrittäminen

Tämä on myös tärkeää ja vaikuttaa kaikkeen. Sen ei pitäisi olla liian pieni, koska silloin transistori muuttuu epävakaaksi ja signaalikohina nousee. Se ei myöskään saa olla liian korkea, koska transistorilla on aina joutokäynti ja jännite, mikä tarkoittaa, että se kuluttaa sähköä, joka muuttuu lämmöksi. Liian suuri virta kuluttaa paristot ja voi kuolla transistorin. Sovelluksissani pidän aina kollektorivirran välillä 1… 5 mA. Meidän tapauksessamme mennään 2 mA: lla. IC = 2 mA.

Puhdista virtalähde

Jos suunnittelet vahvistinvaiheita, on aina hyvä pitää DC-virtalähde puhtaana. Virtalähde aiheuttaa usein melua ja huminaa, vaikka käytät akkua. Tämä johtuu siitä, että sinulla on yleensä kohtuulliset kaapelipituudet, jotka on kytketty syöttökiskoon ja jotka voivat toimia antennina kaikelle runsaalle teholle. Normaalisti johdan syöttövirran pienen vastuksen läpi ja annan lopussa rasvan polarisoidun kondensaattorin. Se katkaisee kaikki AC-signaalit maata vasten. Kuvassa vastus on R1 ja kondensaattori on C1. Pitäisimme pitää vastuksen pienenä, koska sen tuottama jännitehäviö rajoittaa tuotantoa. Nyt voin heittää kokemukseni ja sanoa, että 1 V: n jännitehäviö on siedettävä, jos työskentelet 9 V: n virtalähteen kanssa. UF = 1 V.

Nyt meidän on hieman ennakoitava ajatuksiamme. Näet myöhemmin, että lisäämme toisen transistorivaiheen, jonka on myös saatava syöttövirta puhtaana. Joten R1: n läpi virtaavan virran määrä kaksinkertaistuu. Jännitehäviö R1: ssä on R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 ohmia. Et koskaan saa täsmälleen haluamaasi vastusta, koska niitä tuotetaan tietyillä arvovälillä. Lähin arvoamme on 270 ohmia, ja se on kunnossa. R1 = 270 ohmia.

Sitten valitsemme C1 = 220uF. Tämä antaa kulman taajuuden 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7 Hz. Älä mieti tätä liikaa. Kulmataajuus on se, jossa suodatin alkaa tukahduttaa AC-signaaleja. Jopa 2, 7 Hz asti kaikki menee läpi enemmän tai vähemmän heikentämättä. 2, 7 Hz: n jälkeen signaalit vaimenevat yhä enemmän. Ensimmäisen asteen alipäästösuodattimen vaimennus kuvataan A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Lähin vihollisemme häiriöiden suhteen on 50 Hz: n voimalinja humina. Käytämme siis f = 50 ja saamme A = 0, 053. Tämä tarkoittaa, että vain 5, 3% melusta pääsee suodattimen läpi. Sen pitäisi riittää tarpeisiimme.

Kollektorijännitteen esijännitteen määrittäminen

Bias on kohta, johon laitat transistorin, kun se on lepotilassa. Tämä määrittää sen virrat ja jännitteet, kun vahvistettavaa tulosignaalia ei ole. Tämän esijännityksen puhdas määrittely on olennaisen tärkeää, koska esimerkiksi kollektorin jännitteen esijännite määrittää pisteen, jossa signaali kääntyy ympäri, kun transistori toimii. Tämän pisteen virheellinen asettaminen johtaa vääristyneeseen signaaliin, kun lähtönopeus osuu maahan tai virtalähteeseen. Nämä ovat absoluuttisia rajoja, joita transistori ei voi ylittää! Normaalisti on hyvä laittaa lähtöjännitteen esijännite maan ja UB: n väliin keskelle UB/2, meidän tapauksessamme (UB-UF)/2 = 4V. Mutta jostain syystä ymmärrätte myöhemmin, että haluan laittaa sen hieman alemmaksi. Ensinnäkin emme tarvitse suurta lähtövauhtia, koska jopa tämän ensimmäisen vaiheen vahvistuksen jälkeen signaalimme on millivoltin alueella. Toiseksi, pienempi esijännite tekee paremmin seuraavalle transistorivaiheelle, kuten näet. Joten asetetaan harha 3V: lle. UA = 3V.

Laske keräimen vastus

Nyt voimme laskea loput komponentit. Näet, jos kollektorivirta virtaa R2: n läpi, saamme jännitehäviön UB: stä. Koska UA = UB-UF-IC*R1, voimme poimia R1: n ja saada R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Valitsemme jälleen seuraavan normiarvon ja otamme R1 = 2, 7K ohmia.

Laske perusvastus

R3: n laskemiseksi voimme johtaa yksinkertaisen yhtälön. R3: n jännite on UA-UBE. Nyt meidän on tiedettävä perusvirta. Kerroin DC-virran vahvistuksen B = IC/IB, joten IB = IC/B, mutta mikä on B: n arvo? Valitettavasti käytin fototransistoria ylimääräisestä pakkauksesta, eikä komponenteissa ole asianmukaista merkintää. Joten meidän on käytettävä fantasiaamme. Fototransistoreilla ei ole niin paljon vahvistusta. Ne on suunniteltu enemmän nopeuteen. Vaikka normaalin transistorin DC-virran vahvistus voi saavuttaa 800, fototransistorin B-kerroin voi olla 200..400. Joten mennään B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352 K ohmia. Se on lähellä 360 K ohmia. Valitettavasti minulla ei ole tätä arvoa laatikossani, joten käytin 240K+100K sarjassa. R3 = 340 K ohmia.

Voit kysyä itseltäsi, miksi tyhjennämme perusvirran keräimestä emmekä UB: stä. Kerron teille tämän. Transistorin esijännitys on hauras asia, koska transistori on altis tuotantotoleransseille sekä voimakkaalle riippuvuudelle lämpötilasta. Tämä tarkoittaa sitä, että jos esijännität transistorisi suoraan UB: stä, se todennäköisesti ajautuu pois pian. Selviytyäkseen tästä ongelmasta laitteistosuunnittelijat käyttävät menetelmää nimeltä "negatiivinen palaute". Katsokaa kierrosta uudelleen. Perusvirta tulee kollektorijännitteestä. Kuvittele nyt, että transistori lämpenee ja sen B-arvo nousee. Tämä tarkoittaa, että keräysvirtaa virtaa enemmän ja UA pienenee. Mutta pienempi UA tarkoittaa myös pienempää IB: tä ja jännite UA nousee taas hieman. Kun B pienenee, sinulla on sama vaikutus toisinpäin. Tämä on SÄÄNTELY! Tämä tarkoittaa, että älykkäällä johdotuksella voimme pitää transistorin esijännityksen rajoissa. Näet myös toisen negatiivisen palautteen seuraavassa vaiheessa. Muuten, negatiivinen palaute yleensä myös pienentää vaiheen vahvistusta, mutta on olemassa keinoja päästä yli tästä ongelmasta.

Vaihe 3: Elektroninen osa 3: Toisen vaiheen suunnittelu

Tein joitain testejä soveltamalla valosignaalia esivahvistetusta vaiheesta edellisessä vaiheessa älypuhelimeeni. Se oli rohkaisevaa, mutta luulin, että hieman enemmän vahvistusta toimisi paremmin. Arvioin, että tekijän 5 lisävahvistuksen pitäisi tehdä työ. Joten tässä mennään toisen vaiheen kanssa! Normaalisti asensimme jälleen transistorin toiseen vaiheeseen omalla esijännitteellä ja syötimme esivahvistetun signaalin ensimmäisestä vaiheesta kondensaattorin kautta siihen. Muista, että kondensaattorit eivät päästä tasavirtaa läpi. Vain AC-signaali voi mennä ohi. Tällä tavalla voit reitittää signaalin vaiheiden läpi, eikä kunkin vaiheen esijännitys vaikuta siihen. Mutta tehdään asioista hieman mielenkiintoisempia ja yritetään tallentaa joitakin komponentteja, koska haluamme pitää laitteen pienenä ja kätevänä. Käytämme vaiheen 1 lähtöbiasia transistorin painottamiseen vaiheessa 2!

Emitterivastuksen R5 laskeminen

Tässä vaiheessa NPN-transistorimme on suoraan puolueellinen edellisestä vaiheesta. Kytkentäkaaviossa näemme, että UE = UBE + ICxR5. Koska UE = UA edellisestä vaiheesta, voimme poimia R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K ohmia. Teemme sen 1, 2K ohmiksi, joka on lähin normiarvo. R5 = 1, 2K ohmia.

Täältä näet toisenlaista palautetta. Sanotaan vaikka UE pysyy vakiona, transistorin B -arvo kasvaa lämpötilan vuoksi. Joten saamme enemmän virtaa keräilijän ja emitterin kautta. Mutta enemmän virtaa R5: n kautta tarkoittaa enemmän jännitettä R5: n yli. Koska UBE = UE - IC*R5, IC: n lisäys tarkoittaa UBE: n vähenemistä ja siten IC: n laskua uudelleen. Tässäkin meillä on sääntely, joka auttaa meitä pitämään puolueellisuuden vakaana.

Kollektorivastuksen R4 laskeminen

Nyt meidän pitäisi pitää silmällä keräinsignaalin UA ulostuloa. Alempi raja on emitterin esijännite 3V-0, 65V = 2, 35V. Yläraja on jännite UB-UB = 9V-1V = 8V. Laitamme keräilijän puolueellisuutemme keskelle. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2 V. Nyt on helppo laskea R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Teemme sen R4 = 1, 5K ohm.

Entä vahvistin?

Entä vahvistustekijä 5, jonka haluamme saada? Vaiheessa olevien AC-signaalien jännitteenvahvistusta kuvataan hyvin yksinkertaisella kaavalla. Vu = R4/R5. Aika simppeli vai? Tämä on transistorin vahvistaminen negatiivisella palautteella emitterivastuksen yli. Muista, että sanoin, että negatiivinen palaute vaikuttaa myös vahvistukseen, jos et käytä asianmukaisia keinoja sitä vastaan.

Jos laskemme vahvistuksen valituilla arvoilla R4 ja R5, saamme V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, se on melko kaukana viidestä. Joten mitä voimme tehdä? Ensin näemme, ettemme voi tehdä mitään R4: lle. Sen korjaavat lähtöviive ja jänniterajoitukset. Entä R5? Lasketaan arvon R5 pitäisi olla, jos meillä olisi vahvistus 5. Se on helppoa, koska Vu = R4/R5 tämä tarkoittaa, että R5 = R4/Vu = 1.5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, se on hienoa, mutta jos laitamme piiriin 300 ohmin 1,2 K: n sijasta, harhamme menevät sekaisin. Joten meidän on asetettava molemmat, 1,2 K ohmia tasavirran esijännitteelle ja 300 ohmia AC -negatiiviselle palautteelle. Katsokaa toista kuvaa. Näet, että jaoin 1, 2 K ohmin vastuksen 220 ohmiin ja 1 K ohmin sarjaan. Lisäksi valitsin 220 ohmia, koska minulla ei ollut 300 ohmin vastusta. 1K ohittaa myös rasvan polarisoitu kondensaattori. Mitä tämä tarkoittaa? No dc bias, joka tarkoittaa, että negatiivinen palaute "näkee" 1, 2K ohmia, koska tasavirta ei ehkä kulje kondensaattorin läpi, joten tasavirran esijännitystä C3 ei vain ole olemassa! Toisaalta AC-signaali vain "näkee" 220 ohmin, koska jokainen AC-jännitehäviö R6: ssa on oikosulussa maahan. Ei jännitehäviötä, ei palautetta. Vain 220 ohmia jää negatiivista palautetta varten. Aika fiksua, vai mitä?

Jotta tämä toimisi oikein, sinun on valittava C3 niin, että sen impedanssi on paljon pienempi kuin R3. Hyvä arvo on 10% R3 pienimmällä mahdollisella työskentelytaajuudella. Oletetaan, että alin taajuutemme on 30 Hz. Kondensaattorin impedanssi on Xc = 1/(2*PI*f*C3). Jos otamme C3: n ja laitamme R3: n taajuuden ja arvon, saamme C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Tehdään siitä C3 = 47uF, jotta se vastaisi lähimmän normin arvoa.

Katso nyt valmis kaavio viimeisessä kuvassa. Olemme valmiit!

Vaihe 4: Mekaniikan valmistus Osa 1: Materiaaliluettelo

Laitteen valmistuksessa käytin seuraavia komponentteja:

• Kaikki elektroniset komponentit kaaviosta
• Tavallinen muovikotelo 80 x 60 x 22 mm, jossa on upotettu lokero 9 V: n paristoille
• 9V akun pidike
• 1 m 4pol äänikaapeli 3,5 mm liittimellä
• 3pol. stereoliitäntä 3,5 mm
• kytkin
• pala perfboardia
• 9V akku
• juottaa
• 2 mm kuparilanka 0, 25 mm eristetty jännitetty lanka

Seuraavia työkaluja tulee käyttää:

• Juotin
• Sähköpora
• Digitaalinen yleismittari
• pyöreä rasp

Vaihe 5: Mekaniikan valmistus: Osa 2

Aseta kytkin ja 3,5 mm: n liitin

Viilaa raspilla kaksi puolireikää kotelon molemmissa osissa (ylempi ja alempi). Tee reikä tarpeeksi leveäksi, jotta kytkin mahtuu paikalleen. Tee nyt sama 3,5 mm: n liittimellä. Liitäntää käytetään korvatulppien liittämiseen. Äänilähdöt 4polista. liitäntä johdetaan 3,5 mm: n liitäntään.

Tee reikiä kaapelille ja fototransistorille

Poraa 3 mm reikä etupuolelle ja liimaa fototransistori siihen niin, että sen liittimet menevät reiän läpi. Poraa toinen reikä halkaisijaltaan 2 mm toiselle puolelle. 4 mm: n liittimellä varustettu audiokaapeli kulkee sen läpi.

Juotos elektroniikka

Juotetaan elektroniset komponentit perfboardille ja johdetaan audiokaapeliin ja 3,5 mm: n liittimeen kaavion mukaisesti. Katso kuvia, joissa näkyy liittimien signaaliputket suunnan määrittämiseksi. Käytä DMM: ääsi nähdäksesi, mikä signaali liittimestä tulee mistä johdosta sen tunnistamiseksi.

Kun kaikki on valmis, käynnistä laite ja tarkista, ovatko transistorien jännitelähdöt enemmän tai vähemmän lasketulla alueella. Jos ei, yritä säätää R3 vahvistimen ensimmäisessä vaiheessa. Todennäköisesti ongelma johtuu transistorien laajoista toleransseista, joten sinun on ehkä säädettävä sen arvoa.

Vaihe 6: Testaus

Rakensin tämän tyyppisen hienostuneemman laitteen muutama vuosi sitten (katso video). Tästä lähtien olen kerännyt joukon ääninäytteitä, jotka haluan näyttää sinulle. Suurin osa niistä kerättiin ajon aikana autossani ja asetin fototransistorin tuulilasin taakse.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Tämä on ulkoisen LED-näytön ääni ohitettavassa bussissa
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Auton vilkku
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Auton ajovalo
• "Neonreklame.mp3" neonvalot
• "Schwebung.mp3" Kahden häiritsevän auton ajovalon tahti
• "Sound_Florescent_Lamp.mp3" CFL -valon ääni
• "Sound_oscilloscope.mp3" Oskilloskooppinäytön ääni eri aika -asetuksilla
• "Sound-PC Monitor.mp3" PC-monitorini ääni
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Katuvalot
• "Was_ist_das_1.mp3" Heikko ja outo avaruusolentoinen ääni, jonka löysin jossain hämärässä ajaessani autossani

Toivon, että voisin kastella ruokahaluasi ja jatkat nyt tutustumalla valojen uuteen maailmaan itse!