LightSound: 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:06

Z elektroniko sem se ukvarjal že od svojega desetega leta. Moj oče, radijski tehnik, me je naučil osnov in uporabe spajkalnika. Veliko mu dolgujem. Eno mojih prvih vezij je bil zvočni ojačevalnik z mikrofonom in nekaj časa sem rad slišal svoj glas skozi priključen zvočnik ali zvoke od zunaj, ko sem mikrofon obesil skozi okno. Nekega dne je prišel moj oče s tuljavo, ki jo je odstranil iz starega transformatorja, in rekel: "Priključi to namesto svojega mikrofona". To sem storil in to je bil eden najbolj neverjetnih trenutkov v mojem življenju. Nenadoma sem zaslišal čudne brneče zvoke, sikanje, ostro elektronsko brenčanje in nekaj zvokov, ki so spominjali na popačene človeške glasove. Bilo je kot potapljanje v skritem svetu, ki mi je ležal pred ušesi, česar do tega trenutka nisem mogel prepoznati. Tehnično ni bilo nič čarobnega. Tuljava je prevzela elektromagnetni hrup, ki prihaja iz vseh vrst gospodinjskih naprav, hladilnikov, pralnih strojev, električnih vrtalnikov, TV-sprejemnikov, radijskih aparatov, ulične luči a.s.o. Toda izkušnja je bila zame ključna. Okoli mene je bilo nekaj, česar nisem mogel zaznati, toda z nekaj elektronskega mumbo-jumbo sem bil notri!

Nekaj let kasneje sem o tem znova razmišljal in na misel mi je prišla ena ideja. Kaj bi se zgodilo, če bi na ojačevalnik priključil fototranzistor? Ali bi slišal tudi vibracije, ki so jih moje oči preveč lenobe prepoznale? Uspelo mi je in spet je bila izkušnja čudovita! Človeško oko je zelo prefinjen organ. Zagotavlja največjo pasovno širino informacij od vseh naših organov, vendar to povzroča nekaj stroškov. Sposobnost zaznavanja sprememb je precej omejena. Če se vizualne informacije spremenijo več kot 11 -krat na sekundo, se stvari začnejo zamegljevati. To je razlog, zakaj lahko gledamo filme v kinu ali na televiziji. Naše oči ne morejo več slediti spremembam in vse te posamične slike se stopijo v eno neprekinjeno gibanje. Če pa svetlobo spremenimo v zvok, bi lahko naša ušesa odlično zaznala ta nihanja do nekaj tisoč nihanj na sekundo!

Razvil sem malo elektronike, da bi svoj pametni telefon spremenil v svetlobni sprejemnik, kar mi je dalo tudi možnost snemanja teh zvokov. Ker je elektronika zelo preprosta, vam želim na tem primeru pokazati osnove elektronskega oblikovanja. Zato se bomo poglobili v tranzistorje, upore in kondenzatorje. Ampak ne skrbite, matematiko bom poenostavil!

1. korak: Elektronski del 1: Kaj je tranzistor?

Tukaj je vaš hiter in ne umazan uvod v bipolarne tranzistorje. Obstajata dve različni vrsti. Eden se imenuje NPN in to je tisti, ki ga vidite na sliki. Druga vrsta je PNP in o tem tukaj ne bomo govorili. Razlika je le v polarnosti toka in napetosti in ne v nadaljnjem interesu.

NPN-tranzistor je elektronska komponenta, ki ojača tok. V bistvu imate tri terminale. Eden je vedno utemeljen. Na naši sliki se imenuje "oddajnik". Potem imate "bazo", ki je leva, in "zbiralnik", ki je zgornja. Vsak tok, ki gre v bazo IB, bo povzročil ojačan tok, ki lebdi skozi kolektorsko IC in gre skozi oddajnik nazaj v zemljo. Tok mora poganjati zunanji vir napetosti UB. Razmerje med ojačanim tokom IC in baznim tokom IB je IC/IB = B. B se imenuje dobiček enosmernega toka. Odvisno je od temperature in od tega, kako tranzistor nastavite v vezje. Poleg tega je nagnjen k hudim odstopanjem proizvodnje, zato ni smiselno računati s fiksnimi vrednostmi. Vedno imejte v mislih, da se lahko trenutni dobiček zelo razširi. Poleg B obstaja še ena vrednost, imenovana "beta". Wile B označuje ojačanje enosmernega signala, beta pa enako za AC-signale. Običajno se B in beta ne razlikujeta veliko.

Skupaj z vhodnim tokom ima tranzistor tudi vhodno napetost. Omejitve napetosti so zelo ozke. V običajnih aplikacijah se bo premikal na območju med 0,62V..0,7V. Prisilno spreminjanje napetosti na osnovi bo povzročilo dramatične spremembe kolektorskega toka, ker ta odvisnost sledi eksponentni krivulji.

2. korak: Elektronski del 2: Oblikovanje prve stopnje ojačevalnika

Zdaj smo na poti. Za pretvorbo modulirane svetlobe v zvok potrebujemo fototranzistor. Fototranzistor je zelo podoben standardnemu NPN-tranzistorju iz prejšnjega koraka. Vendar pa je zmožen ne samo spremeniti kolektorski tok z nadzorom osnovnega toka. Poleg tega je kolektorski tok odvisen od svetlobe. Veliko svetlobe-veliko toka, manj svetlobe-manj toka. Tako enostavno je.

Določanje napajalnika

Ko načrtujem strojno opremo, se najprej odločim za napajanje, ker to vpliva na VSE v vašem vezju. Uporaba 1, 5V baterije bi bila slaba ideja, saj je, kot ste izvedeli v prvem koraku, UBE tranzistorja okoli 0, 65V in tako že na polovici poti do 1, 5V. Morali bi zagotoviti več rezerve. Obožujem 9V baterije. So poceni in enostavni za uporabo ter ne zajemajo veliko prostora. Gremo torej z 9V. UB = 9V

Določanje kolektorskega toka

To je tudi ključno in vpliva na vse. Ne sme biti premajhen, ker potem tranzistor postane nestabilen in signalni šum narašča. Prav tako ne sme biti previsok, ker ima tranzistor vedno tok v prostem teku in napetost, kar pomeni, da porabi energijo, ki se pretvori v toploto. Preveč toka izprazni baterije in lahko zaradi vročine ubije tranzistor. V svojih aplikacijah vedno vzdržujem kolektorski tok med 1… 5mA. V našem primeru gremo z 2mA. IC = 2mA.

Očistite napajalnik

Če načrtujete ojačevalne stopnje, je vedno dobro, da vaš DC napajalnik ostane čist. Napajanje je pogosto vir hrupa in šumenja, tudi če uporabljate baterijo. To je zato, ker imate običajno na napajalno tirnico priključene primerne dolžine kablov, ki lahko delujejo kot antena za vse obilno napajanje. Običajno usmerjam napajalni tok skozi majhen upor in na koncu priskrbim polariziran kondenzator. S tem prekine vse izmenične signale proti tlom. Na sliki je upor R1, kondenzator pa C1. Upor naj bo majhen, ker padec napetosti, ki ga ustvari, omejuje našo moč. Zdaj lahko napišem svoje izkušnje in rečem, da je 1V padec napetosti sprejemljiv, če delate z 9V napajalnikom. UF = 1V.

Zdaj moramo malo predvideti svoje misli. Videli boste kasneje, da bomo dodali drugo stopnjo tranzistorja, ki mora prav tako očistiti napajalni tok. Tako se količina toka, ki teče skozi R1, podvoji. Padec napetosti na R1 je R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohmov. Nikoli ne boste dobili ravno tistega upora, ki ga želite, ker se proizvaja v določenih vrednostih. Najbližje naši vrednosti je 270 ohmov in s tem bo vse v redu. R1 = 270 ohmov.

Nato izberemo C1 = 220uF. To daje kotno frekvenco 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Ne razmišljajte preveč o tem. Vogalna frekvenca je tista, pri kateri filter začne zatirati izmenične signale. Do 2, 7Hz bo vse minilo bolj ali manj brez oslabitve. Poleg 2, 7Hz se signali vse bolj zatirajo. Slabljenje nizkoprepustnega filtra prvega reda je opisano z A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Naš najbližji sovražnik v smislu motenj je 50 Hz daljnovoda. Torej uporabimo f = 50 in dobimo A = 0, 053. To pomeni, da bo skozi filter prišlo le 5,3% hrupa. Za naše potrebe bi moralo biti dovolj.

Določanje pristranskosti napetosti kolektorja

Pristranskost je točka, kamor tranzistor vklopite, ko je v stanju mirovanja. To določa njegove tokove in napetosti, ko ni vhodnega signala za ojačanje. Čista specifikacija te pristranskosti je temeljnega pomena, ker na primer pristranskost napetosti na zbiralniku določa točko, kjer se bo signal obračal, ko tranzistor deluje. Napačna postavitev te točke bo povzročila popačen signal, ko izhodni zamah zadene tla ali napajalnik. To so absolutne meje, ki jih tranzistor ne more premagati! Običajno je dobro, da izhodno napetost nastavite na sredino med zemljo in UB pri UB/2, v našem primeru (UB-UF)/2 = 4V. Toda iz nekega razloga boste kasneje razumeli, da ga želim postaviti nekoliko nižje. Najprej ne potrebujemo velikega izhoda, ker bo tudi po ojačitvi na tej 1. stopnji naš signal v območju milivoltov. Drugič, kot vidite, bo spodnja pristranskost boljša za naslednjo stopnjo tranzistorja. Torej dajmo pristranskost na 3V. UA = 3V.

Izračunajte kolektorski upor

Zdaj lahko izračunamo preostale komponente. Boste videli, če kolektorski tok teče skozi R2, bomo dobili upad napetosti iz UB. Ker je UA = UB-UF-IC*R1, lahko ekstrahiramo R1 in dobimo R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Spet izberemo naslednjo vrednost norme in vzamemo R1 = 2, 7K Ohm.

Izračunajte osnovni upor

Za izračun R3 lahko izpeljemo preprosto enačbo. Napetost na R3 je UA-UBE. Zdaj moramo poznati osnovni tok. Rekel sem vam, da dobiček DC-tok B = IC/IB, torej IB = IC/B, toda kakšna je vrednost B? Na žalost sem uporabil fototranzistor iz presežnega paketa in na komponentah ni ustrezne oznake. Zato moramo uporabiti svojo domišljijo. Fototranzistorji nimajo toliko ojačanja. Bolj so zasnovani za hitrost. Medtem ko lahko dobiček enosmernega toka za normalni tranzistor doseže 800, je lahko faktor B fototranzistorja med 200..400. Gremo torej z B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. To je skoraj 360K ohmov. Žal te vrednosti nimam v škatli, zato sem namesto tega serijsko uporabil 240K+100K. R3 = 340K ohm.

Lahko se vprašate, zakaj bazni tok odvajamo iz kolektorja in ne iz UB. Naj vam to povem. Pristranskost tranzistorja je krhka, ker je tranzistor nagnjen k tolerancam proizvodnje in hudi odvisnosti od temperature. To pomeni, da če tranzistor usmerite neposredno iz UB, bo verjetno kmalu odšel. Za rešitev te težave oblikovalci strojne opreme uporabljajo metodo, imenovano "negativne povratne informacije". Ponovno si oglejte naš krog. Osnovni tok prihaja iz napetosti kolektorja. Zdaj si predstavljajte, da se tranzistor segreje in njegova vrednost B se dvigne. To pomeni, da teče več kolektorskega toka in se UA zmanjšuje. Manjši UA pa pomeni tudi manjši IB in napetost UA se spet nekoliko dvigne. Z zmanjšanjem B imate enak učinek obratno. To je UREDBA! To pomeni, da lahko s pametnim ožičenjem omejimo pristranskost tranzistorja. Tudi v naslednji fazi boste videli še eno negativno oceno. Mimogrede, negativne povratne informacije običajno tudi zmanjšajo ojačitev odra, vendar obstajajo načini, kako to težavo premagati.

3. korak: Elektronski 3. del: Oblikovanje druge stopnje

Nekaj sem preizkusil tako, da sem svetlobni signal iz predhodno ojačane stopnje v prejšnjem koraku vnesel v svoj pametni telefon. To je bilo spodbudno, vendar sem mislil, da bi bilo boljše boljše. Ocenil sem, da bi dodatno povečanje faktorja 5 moralo opraviti delo. Torej gremo na drugo stopnjo! Običajno bi na drugi stopnji spet postavili tranzistor z lastno pristranskostjo in vanj preko kondenzatorja napajali predojačevalni signal iz prve stopnje. Ne pozabite, da kondenzatorji ne puščajo enosmernega toka. Morda bo prešel samo ac-signal. Na ta način lahko usmerite signal po stopnjah in to ne vpliva na pristranskost vsake stopnje. Toda naredimo stvari nekoliko bolj zanimive in poskušajmo shraniti nekatere komponente, ker želimo, da je naprava majhna in priročna. Izhodno pristranskost stopnje 1 bomo uporabili za premikanje tranzistorja v drugi fazi!

Izračun oddajnega upora R5

Na tej stopnji se naš NPN-tranzistor neposredno premakne s prejšnje stopnje. Na diagramu vezja vidimo, da je UE = UBE + ICxR5. Ker UE = UA iz prejšnje stopnje lahko izvlečemo R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Naredimo 1,22 Ohma, kar je najbližja norma. R5 = 1, 2K ohm.

Tu lahko vidite drugo vrsto povratnih informacij. Recimo, medtem ko UE ostane konstanten, se vrednost B tranzistorja poveča zaradi temperature. Tako dobimo več toka skozi zbiralnik in oddajnik. Toda večji tok skozi R5 pomeni večjo napetost na R5. Ker je UBE = UE - IC*R5, povečanje IC pomeni zmanjšanje UBE in s tem spet zmanjšanje IC. Tu imamo spet uredbo, ki nam pomaga ohraniti pristranskost stabilno.

Izračun kolektorskega upora R4

Zdaj bi morali paziti na izhodni zamah našega kolektorskega signala UA. Spodnja meja je pristranskost oddajnika 3V-0, 65V = 2, 35V. Zgornja meja je napetost UB-UB = 9V-1V = 8V. Svojo pristranskost zbiralca bomo postavili na sredino. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Zdaj je enostavno izračunati R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Naj bo R4 = 1, 5K Ohm.

Kaj pa ojačanje?

Kaj pa faktor 5 ojačanja, ki ga želimo pridobiti? Napetostno ojačanje ac-signalov v fazi, kot jo vidite, je opisano v zelo preprosti formuli. Vu = R4/R5. Precej preprosto kajne? To je ojačanje tranzistorja z negativno povratno zvezo nad oddajnim uporom. Ne pozabite, da sem vam rekel, da negativne povratne informacije vplivajo tudi na povečanje, če temu ne nasprotujete.

Če izračunamo ojačanje z izbranimi vrednostmi R4 in R5, dobimo V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, to je precej daleč od 5. Torej, kaj lahko storimo? No, najprej vidimo, da glede R4 ne moremo storiti ničesar. Odpravlja se z izhodno pristranskostjo in napetostnimi omejitvami. Kaj pa R5? Izračunajmo vrednost R5, ki bi jo morali imeti, če bi imeli ojačanje 5. To je enostavno, ker Vu = R4/R5 to pomeni, da je R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. V redu, če bi v svoje vezje namestili 300 ohmov namesto 1,2 k, bi bila naša pristranskost zajebana. Zato moramo postaviti oboje, 1,2K Ohm za enosmerni tok in 300 Ohm za negativno povratno informacijo. Oglejte si drugo sliko. Videli boste, da sem 1, 2K ohmski upor razdelil na 220 ohmov in 1 k ohmov zaporedno. Poleg tega sem izbral 220 ohmov, ker nisem imel 300 ohmskega upora. 1K obide tudi maščobno polariziran kondenzator. Kaj to pomeni? No za pristranskost enosmernega toka to pomeni, da negativna povratna informacija "vidi" 1, 2K ohm, ker dc morda ne bo šel skozi kondenzator, zato za pristranskost enosmernega toka C3 preprosto ne obstaja! AC-signal na drugi strani "vidi" 220 ohmov, ker je vsak padec izmenične napetosti na R6 kratek stik z maso. Brez padca napetosti, brez povratnih informacij. Za negativne povratne informacije ostane le 220 ohmov. Precej pametno, kaj?

Za pravilno delovanje morate izbrati C3, tako da je njegova impedanca zelo nižja od R3. Dobra vrednost je 10% R3 za najnižjo možno delovno frekvenco. Recimo, da je naša najnižja frekvenca 30 Hz. Impedanca kondenzatorja je Xc = 1/(2*PI*f*C3). Če izvlečemo C3 in vnesemo frekvenco in vrednost R3, dobimo C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Za ujemanje najbližje vrednosti norme naj bo C3 = 47uF.

Zdaj si oglejte dokončano shemo na zadnji sliki. Končali smo!

4. korak: Izdelava mehanike 1. del: Seznam materialov

Za izdelavo naprave sem uporabil naslednje komponente:

• Vse elektronske komponente iz sheme
• Standardno plastično ohišje 80 x 60 x 22 mm z vgrajenim predelkom za 9V baterije
• 9V sponka za baterijo
• 1m 4pol zvočni kabel s priključkom 3,5 mm
• 3pol. stereo vtičnica 3,5 mm
• stikalo
• kos perfboard -a
• 9V baterija
• spajkanje
• 2 mm bakrena žica 0, 25 mm izolirana napeta žica

Uporabiti je treba naslednja orodja:

• Spajkalnik
• Električni vrtalnik
• Digitalni multimeter
• okrogla rašpa

5. korak: Izdelava mehanike: 2. del

Namestite stikalo in 3,5 mm vtičnico

Z rašpo vložite v dve pol luknji v obeh delih ohišja (zgornji in spodnji). Naredite luknjo dovolj široko, da se stikalo prilega. Zdaj naredite enako s 3,5 mm vtičnico. Vtičnica bo uporabljena za priključitev ušesnih čepkov. Zvočni izhodi iz 4pol. vtičnica bo priključena na 3,5 mm vtičnico.

Naredite luknje za kabel in fototransistor

Na sprednji strani izvrtajte 3 mm luknjo in vanj lepite fototransistor, tako da njegovi priključki gredo skozi luknjo. Na eni strani izvrtajte še eno luknjo s premerom 2 mm. Avdio kabel s 4 -milimetrskim vtičem bo speljan skozi njega.

Spajkajte elektronsko

Zdaj spajkajte elektronske komponente na ploščo in jih priključite na avdio kabel in 3,5 -milimetrski priključek, kot je prikazano na shemi. Za orientacijo si oglejte slike, ki prikazujejo izhodne signale na priključkih. Z DMM -jem preverite, kateri signal iz vtičnice prihaja na kateri žici, da ga prepoznate.

Ko je vse končano, vklopite napravo in preverite, ali so napetostni izhodi na tranzistorjih bolj ali manj v izračunanem območju. Če ne poskusite nastaviti R3 na prvi stopnji ojačevalnika. To bo verjetno težava zaradi razširjenih toleranc tranzistorjev, ki jih boste morda morali prilagoditi.

6. korak: Testiranje

Pred nekaj leti sem izdelal bolj izpopolnjeno tovrstno napravo (glej video). Od takrat sem zbral kup zvočnih vzorcev, ki vam jih želim pokazati. Večino sem jih zbral med vožnjo v avtu in postavil fototranzistor za vetrobransko steklo.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" To je zvok zunanjega LED-zaslona na avtobusu, ki gre mimo
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Utripač avtomobila
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Žaromet avtomobila
• "Neonreklame.mp3" neonske luči
• "Schwebung.mp3" Utrip dveh motečih avtomobilskih žarometov
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Zvok CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Zvok zaslona mojega osciloskopa z različnimi nastavitvami časa
• "Sound-PC Monitor.mp3" Zvok mojega računalniškega monitorja
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Ulične luči
• "Was_ist_das_1.mp3" Tih in nenavaden zvok, podoben vesolju, sem ujel nekje, kako se vozi v mojem avtu

Upam, da bi vam lahko zmočil apetit in zdaj boste sami odkrivali nov svet svetlobnih zvokov!