LightSound: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Majstrowałem przy elektronice od 10 roku życia. Podstaw i obsługi lutownicy nauczył mnie mój ojciec, technik radiowy. Wiele mu zawdzięczam. Jednym z moich pierwszych obwodów był wzmacniacz audio z mikrofonem i przez chwilę uwielbiałem słyszeć swój głos przez podłączony głośnik lub dźwięki z zewnątrz, gdy zawiesiłem mikrofon za oknem. Pewnego dnia mój ojciec przyszedł z cewką, którą wyjął ze starego transformatora i powiedział: „Podłącz to zamiast mikrofonu”. Zrobiłem to i to był jeden z najbardziej niesamowitych momentów w moim życiu. Nagle usłyszałem dziwne buczenie, syczący dźwięk, ostre elektroniczne brzęczenie i dźwięki przypominające zniekształcone ludzkie głosy. To było jak nurkowanie w ukrytym świecie, który leżał tuż przed moimi uszami, którego do tej pory nie byłem w stanie rozpoznać. Technicznie nie było w tym nic magicznego. Cewka wychwytuje zakłócenia elektromagnetyczne pochodzące z wszelkiego rodzaju urządzeń gospodarstwa domowego, lodówek, pralek, wiertarek elektrycznych, telewizorów, radioodbiorników, oświetlenia ulicznego itp. Ale doświadczenie było dla mnie kluczowe. Było coś wokół mnie, czego nie mogłem dostrzec, ale z jakimś elektronicznym bzdurą, w której byłem!

Kilka lat później znów się nad tym zastanowiłem i wpadł mi do głowy jeden pomysł. Co by się stało, gdybym do wzmacniacza podłączył fototranzystor? Czy słyszałbym również wibracje, których moje oczy były zbyt leniwe, by je rozpoznać? Zrobiłem to i znowu doświadczenie było niesamowite! Ludzkie oko to bardzo wyrafinowany narząd. Zapewnia największą przepustowość informacji ze wszystkich naszych narządów, ale wiąże się to z pewnymi kosztami. Zdolność dostrzegania zmian jest dość ograniczona. Jeśli informacja wizualna zmienia się częściej niż 11 razy na sekundę, rzeczy zaczynają się rozmywać. To jest powód, dla którego możemy oglądać filmy w kinie lub na telewizorze. Nasze oczy nie mogą już śledzić zmian, a wszystkie te pojedyncze nieruchome obrazy zlewają się w jeden ciągły ruch. Ale jeśli zamienimy światło na dźwięk, nasze uszy mogą perfekcyjnie odbierać te drgania nawet do kilku tysięcy drgań na sekundę!

Wymyśliłem trochę elektroniki, aby zamienić mój smartfon w odbiornik światła, dając mi również możliwość nagrywania tych dźwięków. Ponieważ elektronika jest bardzo prosta, chcę pokazać podstawy projektowania elektronicznego na tym przykładzie. Zagłębimy się więc dość głęboko w tranzystory, oporniki i kondensatory. Ale nie martw się, matematyka będzie prosta!

Krok 1: Część elektroniczna 1: Co to jest tranzystor?

Oto szybkie i niebrudzące wprowadzenie do tranzystorów bipolarnych. Są dwa różne ich rodzaje. Jeden nazywa się NPN i to jest ten, który widzisz na zdjęciu. Drugi rodzaj to PNP i nie będziemy o tym tutaj mówić. Różnica jest tylko kwestią polaryzacji prądu i napięcia, a nie dalszego zainteresowania.

Tranzystor NPN to element elektroniczny, który wzmacnia prąd. Zasadniczo masz trzy terminale. Jeden jest zawsze uziemiony. Na naszym zdjęciu nazywa się to „Emiterem”. Następnie masz "podstawę", która jest lewa i "Kolekcjonerkę", która jest górna. Każdy prąd wchodzący do podstawy IB spowoduje, że wzmocniony prąd przepływa przez układ scalony kolektora i przechodzi przez emiter z powrotem do ziemi. Prąd musi być zasilany z zewnętrznego źródła napięcia UB. Stosunek wzmocnionego prądu IC i prądu bazowego IB wynosi IC/IB=B. B nazywa się wzmocnieniem prądu stałego. Zależy to od temperatury i sposobu ustawienia tranzystora w obwodzie. Ponadto jest podatny na poważne tolerancje produkcyjne, więc nie ma sensu obliczanie ze stałymi wartościami. Zawsze pamiętaj, że obecny zysk może się znacznie rozprzestrzenić. Oprócz B istnieje inna wartość o nazwie „beta”. Wile B charakteryzuje wzmocnienie sygnału DC, beta robi to samo dla sygnałów AC. Zwykle B i beta nie różnią się zbytnio.

Wraz z prądem wejściowym tranzystor ma również napięcie wejściowe. Ograniczenia napięcia są bardzo wąskie. W normalnych zastosowaniach będzie poruszał się w obszarze pomiędzy 0,62V…0,7V. Wymuszenie zmiany napięcia na podstawie spowoduje dramatyczne zmiany prądu kolektora, ponieważ ta zależność jest zgodna z krzywą wykładniczą.

Krok 2: Część elektroniczna 2: Projektowanie pierwszego stopnia wzmacniacza

Teraz jesteśmy w drodze. Do zamiany modulowanego światła na dźwięk potrzebny jest fototranzystor. Fototranzystor bardzo przypomina standardowy tranzystor NPN z poprzedniego kroku. Ale jest również w stanie nie tylko zmienić prąd kolektora, kontrolując prąd bazy. Dodatkowo prąd kolektora zależy od światła. Dużo światła, dużo prądu, mniej światła mniej prądu. To jest takie proste.

Określanie zasilania

Kiedy projektuję sprzęt, pierwszą rzeczą, którą robię, jest podjęcie decyzji o zasilaniu, ponieważ wpływa to na WSZYSTKO w twoim obwodzie. Używanie baterii 1,5 V byłoby złym pomysłem, ponieważ, jak nauczyłeś się w kroku 1, UBE tranzystora wynosi około 0,55 V, a więc już w połowie drogi do 1,5 V. Powinniśmy zapewnić większą rezerwę. Uwielbiam baterie 9V. Są tanie i łatwe w obsłudze oraz nie zajmują dużo miejsca. Więc chodźmy z 9V. UB=9V

Określanie prądu kolektora

To też jest kluczowe i wpływa na wszystko. Nie powinien być zbyt mały, ponieważ wtedy tranzystor staje się niestabilny i szum sygnału rośnie. Nie może też być zbyt wysoka, ponieważ tranzystor zawsze ma prąd jałowy i napięcie, a to oznacza, że pobiera energię, która jest zamieniana na ciepło. Zbyt duży prąd rozładowuje baterie i może zabić tranzystor z powodu ciepła. W moich aplikacjach zawsze utrzymuję prąd kolektora między 1…5mA. W naszym przypadku chodźmy z 2mA. IC=2mA.

Wyczyść zasilacz

Jeśli projektujesz stopnie wzmacniacza, zawsze dobrym pomysłem jest utrzymywanie zasilacza prądu stałego w czystości. Zasilacz często jest źródłem szumów i przydźwięków, nawet jeśli używasz baterii. Dzieje się tak, ponieważ zwykle masz kable o rozsądnej długości podłączone do szyny zasilającej, która może działać jako antena dla całego obfitego szumu mocy. Zwykle kieruję prąd zasilania przez mały rezystor i dostarczam gruby spolaryzowany kondensator na końcu. Łączy wszystkie sygnały AC z ziemią. Na rysunku rezystor to R1, a kondensator to C1. Powinniśmy zachować mały rezystor, ponieważ spadek napięcia, jaki generuje, ogranicza naszą moc wyjściową. Teraz mogę dorzucić swoje doświadczenie i powiedzieć, że spadek napięcia 1V jest znośny, jeśli pracujesz z zasilaczem 9V. UF=1V.

Teraz musimy trochę uprzedzić nasze myśli. Zobaczysz później, dodamy drugi stopień tranzystorowy, który również musi być czysty. Tak więc ilość prądu przepływającego przez R1 jest podwojona. Spadek napięcia na R1 wynosi R1=UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Nigdy nie dostaniesz dokładnie takiego rezystora, jaki chcesz, ponieważ są one produkowane w określonych przedziałach wartości. Najbliższa naszej wartości to 270 Ohm i nam się to nie spodoba. R1=270 omów.

Następnie wybieramy C1=220uF. Daje to częstotliwość narożną 1/(2*PI*R1*C1) = 2,7Hz. Nie myśl o tym za dużo. Częstotliwość narożna to ta, w której filtr zaczyna tłumić sygnały przemienne. Do 2,7 Hz wszystko przejdzie mniej lub bardziej nietłumione. Powyżej 2,7 Hz sygnały są coraz bardziej tłumione. Tłumienie filtra dolnoprzepustowego pierwszego rzędu jest opisane przez A=1/(2*PI*f*R1*C1). Naszym najbliższym wrogiem pod względem zakłóceń jest szum linii energetycznej 50Hz. Zastosujmy więc f=50 i otrzymamy A=0,053. Oznacza to, że tylko 5,3% szumu przejdzie przez filtr. Powinno wystarczyć na nasze potrzeby.

Określanie polaryzacji napięcia kolektora

Odchylenie to punkt, w którym wkładasz tranzystor, gdy jest w trybie bezczynności. Określa jego prądy i napięcia, gdy nie ma sygnału wejściowego do wzmocnienia. Czysta specyfikacja tego odchylenia jest fundamentalna, ponieważ na przykład napięcie odchylenia na kolektorze określa punkt, w którym sygnał będzie się kołysał, gdy tranzystor pracuje. Błędne ustawienie tego punktu spowoduje zniekształcenie sygnału, gdy kołysanie wyjścia uderzy w ziemię lub zasilanie. To są absolutne granice, których tranzystor nie może przekroczyć! Normalnie dobrym pomysłem jest umieszczenie polaryzacji napięcia wyjściowego pośrodku między masą a UB na UB/2, w naszym przypadku (UB-UF)/2 = 4V. Ale z jakiegoś powodu zrozumiesz później, chcę to nieco obniżyć. Po pierwsze nie potrzebujemy dużego kołysania wyjściowego, bo nawet po wzmocnieniu w tym pierwszym stopniu nasz sygnał będzie się mieścił w zakresie miliwoltów. Po drugie, jak zobaczysz, niższe bias będzie lepsze dla kolejnego stopnia tranzystora. Więc ustawmy odchylenie na 3V. UA=3V.

Oblicz rezystor kolektora

Teraz możemy obliczyć pozostałe składniki. Zobaczysz, czy prąd kolektora przepływa przez R2, dostaniemy spadek napięcia pochodzący z UB. Ponieważ UA = UB-UF-IC*R1 możemy wyodrębnić R1 i otrzymać R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2,5K. Ponownie wybieramy kolejną wartość normy i przyjmujemy R1 = 2, 7K Ohm.

Oblicz rezystor bazowy

Do obliczenia R3 możemy wyprowadzić proste równanie. Napięcie na R3 to UA-UBE. Teraz musimy znać prąd podstawowy. Powiedziałem, że zysk prądu stałego B = IC / IB, więc IB = IC / B, ale jaka jest wartość B? Niestety użyłem fototranzystora z nadmiarowego opakowania i nie ma odpowiedniego oznaczenia na podzespołach. Więc musimy wykorzystać naszą fantazję. Fototranzystory nie mają tak dużego wzmocnienia. Są bardziej zaprojektowane z myślą o szybkości. Podczas gdy wzmocnienie prądu stałego dla normalnego tranzystora może osiągnąć 800, współczynnik B fototranzystora może wynosić od 200 do 400. Więc chodźmy z B=300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. To blisko 360K Ohm. Niestety nie mam tej wartości w moim pudełku, więc zamiast tego użyłem serii 240K + 100K. R3 = 340K Ohm.

Możesz zadać sobie pytanie, dlaczego prąd bazowy odprowadzamy z kolektora, a nie z UB. Pozwól, że ci to powiem. Błąd polaryzacji tranzystora jest delikatną rzeczą, ponieważ tranzystor jest podatny na tolerancje produkcyjne, a także na poważną zależność od temperatury. Oznacza to, że jeśli spolaryzujesz tranzystor bezpośrednio z UB, prawdopodobnie wkrótce odpłynie. Aby poradzić sobie z tym problemem, projektanci sprzętu używają metody zwanej „negatywną informacją zwrotną”. Spójrz ponownie na nasz tor. Prąd bazy pochodzi z napięcia kolektora. Teraz wyobraź sobie, że tranzystor staje się cieplejszy i jego wartość B rośnie. Oznacza to, że płynie większy prąd kolektora i spada UA. Ale mniejsze UA oznacza również mniejsze IB, a napięcie UA znowu trochę rośnie. Z malejącym B masz ten sam efekt na odwrót. To jest ROZPORZĄDZENIE! Oznacza to, że dzięki sprytnemu okablowaniu możemy ograniczyć obciążenie tranzystora. W następnym etapie zobaczysz też kolejną negatywną opinię. Nawiasem mówiąc, negatywne sprzężenie zwrotne zwykle również zmniejsza wzmocnienie sceny, ale są sposoby na pokonanie tego problemu.

Krok 3: Część elektroniczna 3: Projektowanie drugiego etapu

Zrobiłem kilka testów, wprowadzając sygnał świetlny z etapu przedwzmacnianego w poprzednim kroku do mojego smartfona. To było zachęcające, ale pomyślałem, że trochę większe wzmocnienie byłoby lepsze. Oceniłem, że dodatkowy boost czynnika 5 powinien załatwić sprawę. Więc zaczynamy z drugim etapem! Normalnie ponownie ustawilibyśmy tranzystor w drugim stopniu z własnym biasem i wprowadzilibyśmy do niego wstępnie wzmocniony sygnał z pierwszego stopnia przez kondensator. Pamiętaj, że kondensatory nie przepuszczają prądu stałego. Tylko sygnał AC może przejść. W ten sposób można poprowadzić sygnał przez etapy, a polaryzacja każdego etapu nie zostanie naruszona. Zróbmy jednak trochę ciekawiej i spróbujmy zaoszczędzić trochę komponentów, ponieważ chcemy, aby urządzenie było małe i poręczne. Użyjemy polaryzacji wyjściowej etapu 1 do polaryzacji tranzystora w etapie 2!

Obliczanie rezystora emiterowego R5

Na tym etapie nasz tranzystor NPN jest bezpośrednio obciążony z poprzedniego etapu. Na schemacie widzimy, że UE = UBE + ICxR5. Ponieważ UE = UA z poprzedniego etapu możemy wyodrębnić R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Robimy to 1, 2K Ohm, co jest najbliższą wartością normy. R5 = 1, 2K Ohm.

Tutaj możesz zobaczyć inny rodzaj opinii. Powiedzmy, że podczas gdy UE pozostaje stałe, wartość B tranzystora wzrasta pod wpływem temperatury. Więc dostajemy więcej prądu przez kolektor i emiter. Ale większy prąd przez R5 oznacza większe napięcie na R5. Ponieważ UBE = UE - IC*R5 wzrost IC oznacza spadek UBE i tym samym ponownie spadek IC. Tutaj znowu mamy przepisy, które pomagają nam utrzymać stabilne nastawienie.

Obliczanie rezystora kolektora R4

Teraz powinniśmy zwrócić uwagę na wahania wyjścia naszego sygnału kolektora UA. Dolna granica to odchylenie emitera wynoszące 3V-0,65V=2,35V. Górna granica to napięcie UB-UB=9V-1V=8V. Umieścimy nasze nastawienie kolekcjonera dokładnie pośrodku. UA = 2, 35 V + (8 V-2, 35 V)/2 = 5, 2 V. UA = 5, 2V. Teraz łatwo obliczyć R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC =(9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Robimy to R4 = 1, 5K Ohm.

A co ze wzmocnieniem?

A co z współczynnikiem 5 wzmocnienia, który chcemy uzyskać? Wzmocnienie napięciowe sygnałów przemiennych w stopniu, jak widać, jest opisane bardzo prostym wzorem. Vu = R4/R5. Całkiem proste co? Jest to wzmocnienie tranzystora z ujemnym sprzężeniem zwrotnym na rezystorze emiterowym. Pamiętaj, że powiedziałem ci, że negatywne opinie wpływają również na wzmocnienie, jeśli nie podejmujesz odpowiednich środków przeciwko niemu.

Jeśli obliczymy wzmocnienie z wybranymi wartościami R4 i R5 otrzymamy V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, to dość daleko od 5. Więc co możemy zrobić? Cóż, najpierw widzimy, że nie możemy nic zrobić z R4. Jest to ustalane przez odchylenie wyjściowe i ograniczenia napięciowe. A co z R5? Obliczmy wartość, jaką powinna mieć R5, gdybyśmy mieli wzmocnienie równe 5. To proste, ponieważ Vu =R4/R5 oznacza to, że R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, w porządku, ale gdybyśmy umieścili w naszym obwodzie 300 Ohm zamiast 1.2K, nasze nastawienie by się popsuło. Więc musimy umieścić oba, 1.2K Ohm dla polaryzacji DC i 300 Ohm dla ujemnego sprzężenia AC. Spójrz na drugie zdjęcie. Zobaczysz, że podzieliłem rezystor 1, 2K Ohm na szeregowo 220 Ohm i 1K Ohm. Poza tym wybrałem 220 Ohm, ponieważ nie miałem rezystora 300 Ohm. 1K jest również bocznikowany przez gruby kondensator spolaryzowany. Co to znaczy? Cóż, dla odchylenia DC oznacza to, że ujemne sprzężenie zwrotne „widzi” 1, 2K Ohm, ponieważ DC może nie przechodzić przez kondensator, więc dla odchylenia DC C3 po prostu nie istnieje! Z drugiej strony sygnał AC po prostu „widzi” 220 Ohm, ponieważ każdy spadek napięcia AC na R6 jest zwarty do masy. Bez spadku napięcia, bez sprzężenia zwrotnego. Tylko 220 Ohm pozostaje dla negatywnego sprzężenia zwrotnego. Całkiem sprytny, co?

Aby to działało poprawnie, musisz wybrać C3, aby jego impedancja była znacznie niższa niż R3. Dobra wartość to 10% R3 dla najniższej możliwej częstotliwości pracy. Powiedzmy, że nasza najniższa częstotliwość to 30 Hz. Impedancja kondensatora wynosi Xc = 1/(2*PI*f*C3). Jeśli wyodrębnimy C3 i wstawimy częstotliwość oraz wartość R3, otrzymamy C3=1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Aby dopasować najbliższą wartość normy, niech C3 = 47uF.

Teraz zobacz gotowy schemat na ostatnim obrazku. Skończyliśmy!

Krok 4: Tworzenie mechaniki Część 1: Lista materiałów

Do wykonania urządzenia użyłem następujących komponentów:

• Wszystkie elementy elektroniczne ze schematu
• Standardowa obudowa plastikowa 80 x 60 x 22 mm z wbudowaną komorą na baterie 9V
• Zacisk na baterię 9 V
• Kabel audio 1m 4pol z wtykiem 3,5mm
• 3pol. gniazdo stereo 3,5mm
• przełącznik
• kawałek płyty perforowanej
• bateria 9V
• lutować
• 2mm drut miedziany 0, 25mm izolowany drut napięty

Należy użyć następujących narzędzi:

• Lutownica
• Wiertarka elektryczna
• Cyfrowy multimetr
• okrągły zgrzyt

Krok 5: Tworzenie mechaniki: część 2

Umieść przełącznik i gniazdo 3,5 mm

Za pomocą tarnika spiłować dwa półotwory w obu częściach obudowy (górnej i dolnej). Zrób otwór na tyle szeroki, aby zmieścił się przełącznik. Teraz zrób to samo z gniazdem 3,5 mm. Gniazdo służy do podłączania zatyczek do uszu. Wyjścia audio z 4pol. Jack zostanie poprowadzony do gniazda 3,5 mm.

Wykonaj otwory na kabel i fototranzystor

Wywierć 3mm otwór z przodu i super wklej w niego fototranzystor tak, aby jego zaciski przechodziły przez otwór. Z jednej strony wywierć kolejny otwór o średnicy 2 mm. Przejdzie przez nią kabel audio z gniazdem 4 mm.

Przylutuj elektronikę!

Teraz przylutuj elementy elektroniczne do płyty perforowanej i podłącz je do kabla audio i gniazda 3,5 mm, jak pokazano na schemacie. Spójrz na zdjęcia przedstawiające pinouty sygnału na gniazdach dla orientacji. Użyj multimetru cyfrowego, aby zobaczyć, który sygnał z gniazda wychodzi na którym przewodzie, aby go zidentyfikować.

Gdy wszystko się skończy, włącz urządzenie i sprawdź, czy wyjścia napięciowe na tranzystorach mieszczą się mniej więcej w obliczonym zakresie. Jeśli nie, spróbuj wyregulować R3 w pierwszym stopniu wzmacniacza. Prawdopodobnie będzie to problem ze względu na szerokie tolerancje tranzystorów, które mogą wymagać dostosowania jego wartości.

Krok 6: Testowanie

Kilka lat temu zbudowałem bardziej wyrafinowane urządzenie tego typu (zobacz wideo). Od tego czasu zebrałem kilka próbek dźwiękowych, które chcę wam pokazać. Większość z nich zebrałem podczas jazdy samochodem i umieściłem fototranzystor za przednią szybą.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" To jest dźwięk zewnętrznego wyświetlacza LED na przejeżdżającym autobusie
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Migacz samochodu
• „LED_Scheinwerfer.mp3” Reflektor samochodu
• Neony „Neonreklame.mp3”
• „Schwebung.mp3” Rytm dwóch przeszkadzających reflektorów samochodowych
• „Sound_Fluurescent_Lamp.mp3” Dźwięk CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Dźwięk mojego ekranu oscyloskopu z różnymi ustawieniami czasu
• "Sound-PC Monitor.mp3" Dźwięk mojego monitora PC
• „Strassenlampen_Sequenz.mp3” Oświetlenie uliczne
• „Was_ist_das_1.mp3” Słaby i dziwny dźwięk przypominający kosmitę, który usłyszałem gdzieś jadąc samochodem

Mam nadzieję, że zaspokoję Twój apetyt i już teraz będziesz odkrywać nowy świat dźwięków świetlnych!