LightSound: 6 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Mă ocupam de electronică de când aveam 10 ani. Tatăl meu, un tehnician radio, m-a învățat elementele de bază și cum să folosesc un fier de lipit. Îi datorez mult. Unul dintre primele mele circuite a fost un amplificator audio cu microfon și pentru o vreme mi-a plăcut să-mi aud vocea prin difuzorul conectat sau sunetele din exterior când am atârnat microfonul în fereastra mea. Într-o zi, tatăl meu a venit cu o bobină pe care a scos-o dintr-un transformator vechi și a spus: „Conectează-l în loc de microfonul tău”. Am făcut-o și acesta a fost unul dintre cele mai uimitoare momente din viața mea. Dintr-o dată am auzit sunete ciudate de zumzet, zgomot șuierător, bâzâit electronic electronic și câteva sunete care semănau cu voci umane distorsionate. A fost ca scufundarea într-o lume ascunsă care zăcea chiar în fața urechilor mele, pe care nu am putut să o recunosc până în acest moment. Din punct de vedere tehnic, nu era nimic magic. Bobina a captat zgomotul electromagnetic provenit de la tot felul de dispozitive de uz casnic, frigidere, mașini de spălat, burghiu electric, televizoare, aparate de radio, iluminat stradal etc. Dar experiența a fost crucială pentru mine. A fost ceva în jurul meu pe care nu l-am putut percepe, dar cu niște mumbo-jumbo electronice în care mă aflam!

Câțiva ani mai târziu m-am gândit din nou la asta și mi-a venit în minte o idee. Ce s-ar întâmpla dacă aș conecta un fototranzistor la amplificator? Aș mai auzi și vibrații pe care ochii mei erau prea leneși să le recunoască? Am făcut-o și din nou experiența a fost minunată! Ochiul uman este un organ foarte sofisticat. Oferă cea mai mare lățime de bandă a informațiilor dintre toate organele noastre, dar acest lucru vine cu unele costuri. Capacitatea de a percepe schimbările este destul de limitată. Dacă informațiile vizuale se schimbă mai mult de 11 ori pe secundă, lucrurile încep să devină neclare. Acesta este motivul pentru care putem viziona filme la cinema sau la televizorul nostru. Ochii noștri nu mai pot urmări schimbările și toate acele poze statice sunt topite împreună într-o singură mișcare continuă. Dar dacă schimbăm lumina în sunet, urechile noastre ar putea percepe aceste oscilații perfect până la câteva mii de oscilații pe secundă!

Am conceput un pic electronic pentru a-mi transforma smartphone-ul într-un receptor de sunet, oferindu-mi și capacitatea de a înregistra acele sunete. Deoarece electronicul este foarte simplu, vreau să vă arăt elementele de bază ale designului electronic în acest exemplu. Așa că ne vom scufunda destul de adânc în tranzistoare, rezistențe și condensatori. Dar nu vă faceți griji, voi păstra matematica simplă!

Pasul 1: Partea electronică 1: Ce este un tranzistor?

Iată acum introducerea ta rapidă și nepurată în tranzistoarele bipolare. Există două tipuri diferite de ele. Unul se numește NPN și acesta este cel pe care îl puteți vedea în imagine. Celălalt tip este PNP și nu vom vorbi despre asta aici. Diferența este doar o chestiune de polaritate a curentului și a tensiunii și nu de interes suplimentar.

Un tranzistor NPN este o componentă electronică care amplifică curentul. Practic aveți trei terminale. Unul este întotdeauna întemeiat. În imaginea noastră se numește „Emițător”. Apoi aveți „baza”, care este cea stângă și „Colectorul” care este cea superioară. Orice curent care intră în baza IB va provoca un curent amplificat plutind prin IC-ul colectorului și trecând prin emițător înapoi în sol. Curentul trebuie alimentat de la o sursă externă de tensiune UB. Raportul dintre curentul amplificat IC și curentul de bază IB este IC / IB = B. B se numește câștig de curent continuu. Depinde de temperatură și de modul în care vă configurați tranzistorul în circuit. În plus, este predispus la toleranțe severe de producție, deci nu are prea mult sens să se calculeze cu valori fixe. Rețineți întotdeauna că câștigul actual se poate răspândi foarte mult. În afară de B, există o altă valoare numită „beta”. Wile B caracterizează amplificarea unui semnal DC, beta face același lucru pentru semnalele AC. În mod normal, B și beta nu diferă prea mult.

Împreună cu curentul de intrare, tranzistorul are și o tensiune de intrare. Constrângerile tensiunii sunt foarte înguste. În aplicații normale se va deplasa într-o zonă cuprinsă între 0,62V..0,7V. Forțarea unei modificări de tensiune pe bază va avea ca rezultat schimbări dramatice ale curentului colector, deoarece această dependență urmează o curbă exponențială.

Pasul 2: Partea electronică 2: Proiectarea primei etape a amplificatorului

Acum suntem pe drum. Pentru a converti lumina modulată în sunet avem nevoie de un fototransistor. Un fototranzistor seamănă foarte mult cu tranzistorul NPN standard al pasului anterior. Dar este, de asemenea, capabil nu numai să schimbe curentul colector prin controlul curentului de bază. În plus, curentul colectorului depinde de lumină. Multă lumină-mult curent, mai puțin lumină-mai puțin curent. Este atât de ușor.

Specificarea sursei de alimentare

Când proiectez hardware, primul lucru pe care îl fac este să mă hotărâm cu privire la sursa de alimentare, deoarece acest lucru afectează TOTUL din circuitul dvs. Folosirea unei baterii de 1, 5V ar fi o idee proastă, deoarece, după cum ați aflat la pasul 1, UBE al unui tranzistor este în jur de 0, 65V și, astfel, deja pe jumătate până la 1, 5V. Ar trebui să oferim mai multă rezervă. Ador bateriile de 9V. Sunt ieftine și ușor de manevrat și nu consumă mult spațiu. Deci, să mergem cu 9V. UB = 9V

Specificarea curentului colector

Acest lucru este, de asemenea, crucial și afectează totul. Nu ar trebui să fie prea mic, deoarece tranzistorul devine instabil și zgomotul semnalului crește. De asemenea, nu trebuie să fie prea mare, deoarece tranzistorul are întotdeauna un curent de ralanti și o tensiune și asta înseamnă că consumă energie transformată în căldură. Prea mult curent scurge bateriile și poate ucide tranzistorul din cauza căldurii. În aplicațiile mele, păstrez întotdeauna curentul colectorului între 1 … 5mA. În cazul nostru să mergem cu 2mA. IC = 2mA.

Curățați sursa de alimentare

Dacă proiectați etape de amplificare, este întotdeauna o idee bună să vă mențineți curentul de alimentare cu curent continuu. Sursa de alimentare este adesea o sursă de zgomot și zumzet chiar dacă utilizați o baterie. Acest lucru se datorează faptului că, de obicei, aveți lungimi de cablu rezonabile conectate la șina de alimentare, care pot funcționa ca o antenă pentru zumzetul de putere. În mod normal, dirijez curentul de alimentare printr-un rezistor mic și ofer un condensator polarizat la grăsime la final. Acesta scurtează toate semnalele ac împotriva solului. În imagine rezistența este R1 și condensatorul este C1. Ar trebui să menținem rezistența mică deoarece căderea de tensiune generată ne limitează ieșirea. Acum pot să îmi arăt experiența și să spun că scăderea tensiunii de 1V este tolerabilă dacă lucrați cu o sursă de alimentare de 9V. UF = 1V.

Acum trebuie să ne anticipăm puțin gândurile. Veți vedea mai târziu, vom adăuga un al doilea stadiu de tranzistor, care trebuie, de asemenea, să curățe curentul de alimentare. Deci cantitatea de curent care trece prin R1 este dublată. Căderea de tensiune pe R1 este R1 = UF / (2xIC) = 1V / 4mA = 250 Ohmi. Nu veți obține niciodată exact rezistența dorită, deoarece acestea sunt produse în anumite intervale de valori. Cea mai apropiată de valoarea noastră este de 270 Ohmi și vom fi bine cu asta. R1 = 270 Ohmi.

Apoi alegem C1 = 220uF. Aceasta oferă o frecvență de colț de 1 / (2 * PI * R1 * C1) = 2, 7Hz. Nu te gândi prea mult la asta. Frecvența de colț este cea în care filtrul începe să suprime semnalele ac. Până la 2, 7Hz totul va trece mai mult sau mai puțin neatenat. Dincolo de 2, 7Hz semnalele sunt din ce în ce mai suprimate. Atenuarea unui filtru trece jos de ordinul întâi este descrisă de A = 1 / (2 * PI * f * R1 * C1). Cel mai apropiat inamic al nostru în ceea ce privește interferența este zumzetul liniei de alimentare de 50Hz. Deci, haideți să aplicăm f = 50 și obținem A = 0, 053. Asta înseamnă că doar filtrul va ajunge la 5, 3% din zgomot. Ar trebui să fie suficient pentru nevoile noastre.

Specificarea polarizării tensiunii colectorului

Bias-ul este punctul în care îți pui tranzistorul în modul inactiv. Aceasta specifică curenții și tensiunile sale atunci când nu există semnal de intrare de amplificat. O specificație curată a acestei polarizări este fundamentală, deoarece, de exemplu, polarizarea tensiunii de pe colector specifică punctul în care semnalul se va roti când tranzistorul funcționează. Așezarea eronată a acestui punct va duce la un semnal distorsionat atunci când leagănul de ieșire lovește solul sau sursa de alimentare. Acestea sunt limitele absolute pe care tranzistorul nu le poate trece! În mod normal, este o idee bună să puneți polarizarea tensiunii de ieșire la mijloc între masă și UB la UB / 2, în cazul nostru (UB-UF) / 2 = 4V. Dar, dintr-un anumit motiv, veți înțelege mai târziu, vreau să-l pun puțin mai jos. Mai întâi nu avem nevoie de un swing mare de ieșire, deoarece chiar și după amplificare în această etapă 1, semnalul nostru va fi în intervalul milivolților. În al doilea rând, o prejudecată mai mică se va descurca mai bine pentru următoarea etapă a tranzistorului, așa cum veți vedea. Deci, să punem părtinirea pe 3V. UA = 3V.

Calculați rezistența colectorului

Acum putem calcula restul componentelor. Veți vedea dacă un curent de colector trece prin R2 vom primi o cădere de tensiune provenind de la UB. Deoarece UA = UB-UF-IC * R1 putem extrage R1 și obține R1 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-3V) / 2mA = 2, 5K. Din nou alegem următoarea valoare a normei și luăm R1 = 2, 7K Ohm.

Calculați rezistența de bază

Pentru calcularea R3 putem obține o ecuație simplă. Tensiunea pe R3 este UA-UBE. Acum trebuie să cunoaștem curentul de bază. Ți-am spus câștigul de curent continuu B = IC / IB, deci IB = IC / B, dar care este valoarea lui B? Din păcate, am folosit un fototranzistor dintr-un pachet de surplus și nu există marcaje adecvate pe componente. Deci, trebuie să ne folosim fantezia. Fototransistorele nu au atât de multă amplificare. Sunt mai concepute pentru viteză. În timp ce câștigul de curent continuu pentru un tranzistor normal poate ajunge la 800, factorul B al unui fototransistor poate fi între 200..400. Deci, să mergem cu B = 300. R3 = (UA-UBE) / IB = B * (UA-UBE) / IC = 352K Ohm. Este aproape de 360K Ohm. Din păcate, nu am această valoare în cutia mea, așa că am folosit un 240K + 100K în serie. R3 = 340K Ohm.

Vă puteți întreba de ce curgem curentul de bază din colector și nu din UB. Lasă-mă să-ți spun asta. Particularitatea unui tranzistor este un lucru fragil, deoarece un tranzistor este predispus la toleranțe de producție, precum și la o dependență severă de temperatură. Asta înseamnă că, dacă vă polarizați tranzistorul direct de la UB, probabil că se va îndepărta în curând. Pentru a face față acestei probleme, proiectanții hardware folosesc o metodă numită „feedback negativ”. Uitați-vă din nou la circuitul nostru. Curentul de bază provine din tensiunea colectorului. Acum imaginați-vă că tranzistorul devine mai cald și valoarea B crește. Asta înseamnă că curge mai mult curent de colector și scade UA. Dar un UA mai mic înseamnă, de asemenea, un IB mai mic, iar tensiunea UA crește din nou puțin. Cu scăderea B aveți același efect invers. Aceasta este REGULARE! Asta înseamnă că prin cabluri inteligente putem menține polarizarea tranzistorului în limite. Veți vedea un alt feedback negativ și în etapa următoare. Apropo, feedback-ul negativ în mod normal scade și amplificarea scenei, dar există mijloace pentru a trece peste această problemă.

Pasul 3: Partea electronică 3: Proiectarea celei de-a doua etape

Am făcut câteva teste aplicând semnalul sonor de la etapa preamplificată din pasul anterior în smartphone-ul meu. A fost încurajator, dar am crezut că un pic mai multă amplificare va merge mai bine. Am estimat că o creștere suplimentară a factorului 5 ar trebui să facă treaba. Deci, iată-ne cu etapa a doua! În mod normal, am configura din nou tranzistorul în a doua etapă cu propriul prejudecată și am alimentat semnalul preamplificat din prima etapă printr-un condensator în el. Amintiți-vă că condensatorii nu lasă curentul continuu. Doar semnalul ac poate trece. În acest fel, puteți direcționa un semnal prin etape și polarizarea fiecărei etape nu va fi afectată. Dar să facem lucrurile puțin mai interesante și să încercăm să salvăm unele componente, deoarece vrem să menținem dispozitivul mic și la îndemână. Vom folosi polarizarea de ieșire a etapei 1 pentru polarizarea tranzistorului în etapa 2!

Calculând rezistența emițătorului R5

În această etapă, tranzistorul nostru NPN devine direct părtinitor față de etapa anterioară. În diagrama circuitului vedem că UE = UBE + ICxR5. Deoarece UE = UA din etapa anterioară putem extrage R5 = (UE-UBE) / IC = (3V-0.65V) / 2mA = 1, 17K Ohm. Îl facem 1, 2K Ohm, care este cea mai apropiată valoare normală. R5 = 1, 2K Ohm.

Aici puteți vedea un alt tip de feedback. Să presupunem că, în timp ce UE rămâne constantă, valoarea B a tranzistorului crește din cauza temperaturii. Deci, obținem mai mult curent prin colector și emițător. Dar mai mult curent prin R5 înseamnă mai multă tensiune pe R5. Deoarece UBE = UE - IC * R5 o creștere a IC înseamnă o scădere a UBE și deci o scădere din nou a IC. Din nou, avem reglementări care ne ajută să menținem tendința stabilă.

Calculul rezistenței colectorului R4

Acum ar trebui să fim cu ochii pe leagănul de ieșire al semnalului nostru colector UA. Limita inferioară este polarizarea emițătorului de 3V-0, 65V = 2, 35V. Limita superioară este tensiunea UB-UB = 9V-1V = 8V. Vom pune părtinirea colecționarului chiar în mijloc. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V) / 2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Acum este ușor să calculați R4. R4 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-5, 2V) / 2mA = 1, 4K Ohm. Îl facem R4 = 1, 5K Ohm.

Dar amplificarea?

Deci, ce zici de factorul 5 de amplificare pe care vrem să-l câștigăm? Amplificarea tensiunii semnalelor ac în scenă așa cum o puteți vedea este descrisă într-o formulă foarte simplă. Vu = R4 / R5. Destul de simplu nu? Aceasta este amplificarea unui tranzistor cu feedback negativ asupra rezistorului emițătorului. Amintiți-vă că v-am spus că feedback-ul negativ afectează și amplificarea dacă nu luați mijloace adecvate împotriva acestuia.

Dacă calculăm amplificarea cu valorile alese de R4 și R5 obținem V = R4 / R5 = 1,5K / 1,2K = 1,2. Hm, este destul de departe de 5. Deci, ce putem face? Ei bine, mai întâi vedem că nu putem face nimic în legătură cu R4. Este fixat de polarizarea de ieșire și constrângerile de tensiune. Dar R5? Să calculăm valoarea pe care ar trebui să o aibă R5 dacă am avea o amplificare de 5. Asta este ușor, deoarece Vu = R4 / R5 asta înseamnă că R5 = R4 / Vu = 1,5K Ohm / 5 = 300 Ohm. Ok, e în regulă, dar dacă am pune un circuit de 300 Ohm în loc de 1,2K în circuitul nostru, prejudecățile noastre ar fi înșelate. Deci, trebuie să punem ambele, 1,2K Ohm pentru polarizarea de curent continuu și 300 Ohmi pentru feedback-ul negativ de curent alternativ. Uită-te la a doua poză. Veți vedea că am împărțit rezistorul de 1, 2K Ohm într-un 220 Ohm și 1K Ohm în serie. În plus, am ales 220 Ohmi pentru că nu aveam un rezistor de 300 Ohmi. 1K este, de asemenea, ocolit de un condensator polarizat de grăsime. Ce înseamnă asta? Ei bine, pentru tendința de curent continuu, aceasta înseamnă că feedback-ul negativ „vede” 1, 2K Ohm, deoarece DC poate să nu treacă printr-un condensator, deci pentru tendința de curent continuu C3 pur și simplu nu există! Pe de altă parte, semnalul alternativ „vede” 220 Ohm, deoarece fiecare cădere de tensiune alternativă pe R6 este scurtcircuitată la masă. Fără cădere de tensiune, fără feedback. Doar 220 Ohm rămâne pentru feedback negativ. Destul de inteligent, nu?

Pentru ca acest lucru să funcționeze corect, trebuie să alegeți C3 astfel încât impedanța să fie mult mai mică decât R3. O valoare bună este 10% din R3 pentru cea mai mică frecvență de lucru posibilă. Să presupunem că frecvența noastră cea mai mică este de 30 Hz. Impedanța unui condensator este Xc = 1 / (2 * PI * f * C3). Dacă extragem C3 și punem frecvența și valoarea lui R3 obținem C3 = 1 / (2 * PI * f * R3 / 10) = 53uF. Pentru a se potrivi cu cea mai apropiată valoare a normei, să o facem C3 = 47uF.

Vedeți acum schema finalizată în ultima imagine. Au fost efectuate!

Pasul 4: Realizarea mecanicii Partea 1: Lista materialelor

Am folosit următoarele componente pentru realizarea dispozitivului:

• Toate componentele electronice din schemă
• O carcasă standard din plastic de 80 x 60 x 22 mm cu un compartiment încorporat pentru baterii de 9V
• O clemă de baterie de 9V
• 1m cablu audio 4pol cu mufă de 3,5 mm
• 3pol. mufă stereo de 3,5 mm
• un comutator
• o bucată de perfboard
• o baterie de 9V
• lipit
• Sârmă de cupru de 2 mm 0, sârmă tensionată izolată de 25 mm

Ar trebui utilizate următoarele instrumente:

• Ciocan de lipit
• Bormasina electrica
• Multimetru digital
• o rază rotundă

Pasul 5: Realizarea mecanicii: Partea 2

Așezați comutatorul și mufa de 3, 5mm

Folosiți raspatul pentru a lima în două jumătăți de găuri în ambele părți ale carcasei (superior și inferior). Faceți gaura suficient de largă pentru a se potrivi comutatorul. Acum faceți același lucru cu mufa de 3,5 mm. Priza va fi utilizată pentru conectarea dopurilor pentru urechi. Ieșirile audio de la 4pol. mufa va fi direcționată către mufa de 3,5 mm.

Faceți găuri pentru cablu și fototranzistor

Găuriți o gaură de 3 mm în partea din față și super-lipiți fototransistorul în ea, astfel încât bornele sale să treacă prin gaură. Faceți o altă gaură de 2 mm diametru pe o parte. Cablul audio cu mufa de 4 mm va trece prin el.

Lipiți electronicul

Acum lipiți componentele electronice de pe perfboard și conectați-le la cablul audio și la mufa de 3,5 mm așa cum se arată în schemă. Uitați-vă la imaginile care arată pinouturile de semnal de pe mufe pentru orientare. Folosiți DMM-ul dvs. pentru a vedea ce semnal de la mufă iese pe ce fir să-l identifice.

Când totul este terminat, porniți dispozitivul și verificați dacă ieșirile de tensiune ale tranzistoarelor sunt mai mult sau mai puțin în intervalul calculat. Dacă nu, încercați să reglați R3 în prima etapă a amplificatorului. Probabil va fi problema din cauza toleranțelor pe scară largă a tranzistoarelor pe care este posibil să le aveți pentru a-i ajusta valoarea.

Pasul 6: Testarea

Am construit un dispozitiv mai sofisticat de acest tip acum câțiva ani (vezi video). Din acest moment am colectat o grămadă de probe de sunet pe care vreau să vi le arăt. Cele mai multe dintre ele le-am colectat în timp ce conduceam în mașină și am plasat fototranzistorul în spatele parbrizului.

• „Bus_Anzeige_2.mp3” Acesta este sunetul unui afișaj LED extern pe un autobuz care trece pe lângă acesta
• „Fahrzeug mit Blinker.mp3” Clipirea unei mașini
• „LED_Scheinwerfer.mp3” Farul unei mașini
• Luminile de neon „Neonreklame.mp3”
• „Schwebung.mp3” Bătăile a două faruri care interferează cu mașina
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Sunetul unui CFL
• „Sound_oscilloscope.mp3” Sunetul ecranului osciloscopului meu cu diferite setări de timp
• „Sound-PC Monitor.mp3” Sunetul monitorului PC-ului meu
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Faruri
• „Was_ist_das_1.mp3” Un sunet slab și ciudat, de tip extraterestru, pe care l-am prins undeva în timp ce conduceam în mașină

Sper că ți-aș putea uda pofta de mâncare și vei continua să explorezi singură noua lume a sunetelor luminoase!