LightSound: 6 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Jeg drev med elektronikk siden jeg var 10 år gammel. Min far, en radiotekniker lærte meg det grunnleggende og hvordan jeg bruker et loddejern. Jeg skylder ham mye. En av mine første kretser var en lydforsterker med mikrofon, og en stund elsket jeg å høre stemmen min gjennom den tilkoblede høyttaleren eller lyder fra utsiden da jeg hengte mikrofonen ut av vinduet. En dag kom faren min rundt med en spole han fjernet fra en gammel transformator, og han sa: "Koble til denne i stedet for mikrofonen din". Jeg gjorde det, og dette var et av de mest fantastiske øyeblikkene i livet mitt. Plutselig hørte jeg merkelige nynnelyder, susende støy, skarp elektronisk summende og noen lyder som lignet forvrengte menneskelige stemmer. Det var som å dykke i en skjult verden som lå rett foran ørene mine som jeg ikke var i stand til å kjenne igjen til nå. Teknisk var det ikke noe magisk over det. Spolen tok opp elektromagnetisk støy fra alle slags husholdningsapparater, kjøleskap, vaskemaskiner, elektriske øvelser, TV-sett, radioer, gatelys osv. Men opplevelsen var avgjørende for meg. Det var noe rundt meg jeg ikke kunne oppfatte, men med litt elektronisk mumbo-jumbo var jeg inne!

Noen år senere tenkte jeg på det igjen, og jeg tenkte på en idé. Hva ville skje hvis jeg ville koble en fototransistor til forsterkeren? Ville jeg også høre vibrasjoner som øynene mine var for late til å kjenne igjen? Jeg gjorde det, og igjen var opplevelsen fantastisk! Det menneskelige øye er et veldig sofistikert organ. Det gir den største informasjonsbåndbredden til alle våre organer, men dette medfører noen kostnader. Evnen til å oppfatte endringer er ganske begrenset. Hvis den visuelle informasjonen endres mer enn 11 ganger i sekundet, begynner ting å bli uklare. Dette er grunnen til at vi kan se filmer på kino eller på TV -en vår. Øynene våre kan ikke følge endringene lenger, og alle de enkelte stillbildene smeltes sammen til en kontinuerlig bevegelse. Men hvis vi skifter lys til lyd, kan ørene våre oppfatte disse svingningene perfekt opptil flere tusen svingninger per sekund!

Jeg tenkte litt elektronisk for å gjøre smarttelefonen min til en lysmottaker, og ga meg også muligheten til å ta opp disse lydene. Fordi det elektroniske er veldig enkelt, vil jeg vise deg det grunnleggende om elektronisk design på dette eksemplet. Så vi kommer til å dykke ganske dypt ned i transistorer, motstander og kondensatorer. Men ikke bekymre deg, jeg holder matematikken enkel!

Trinn 1: Elektronisk del 1: Hva er en transistor?

Her er en rask og ikke-skitten introduksjon til bipolare transistorer. Det er to forskjellige typer dem. Den ene heter NPN, og dette er den du kan se på bildet. Den andre typen er PNP, og vi vil ikke snakke om det her. Forskjellen er bare et spørsmål om strøm og spenningspolaritet og ikke av ytterligere interesse.

En NPN-transistor er en elektronisk komponent som forsterker strøm. I utgangspunktet har du tre terminaler. Man er alltid jordet. På bildet vårt kalles det "Emitter". Så har du "basen", som er den venstre og "Samleren" som er den øvre. Enhver strøm som går inn i basen IB vil føre til at en forsterket strøm flyter gjennom kollektoren IC og går gjennom emitteren tilbake til bakken. Strømmen må drives fra en ekstern spenningskilde UB. Forholdet mellom den forsterkede strømmen IC og grunnstrømmen IB er IC/IB = B. B kalles DC-strømforsterkningen. Det avhenger av temperaturen og hvordan du konfigurerer transistoren i kretsen din. Videre er det utsatt for alvorlige produksjonstoleranser, så det gir ikke så mye mening å beregne med faste verdier. Husk alltid at den nåværende gevinsten kan spre seg mye. Bortsett fra B er det en annen verdi som heter "beta". Wile B karakteriserer forsterkningen av et DC-signal, beta gjør det samme for AC-signaler. Normalt er B og beta ikke veldig forskjellige.

Sammen med inngangsstrømmen har transistoren også en inngangsspenning. Spenningens begrensninger er svært smale. I normale applikasjoner vil den bevege seg i et område mellom 0.62V..0.7V. Å tvinge en spenningsendring på basen vil resultere i dramatiske endringer i kollektorstrømmen fordi denne avhengigheten følger en eksponentiell kurve.

Trinn 2: Elektronisk del 2: Design av første fase av forsterkeren

Nå er vi på vei. For å konvertere modulert lys til lyd trenger vi en fototransistor. En fototransistor ligner veldig på standard NPN-transistor fra forrige trinn. Men det er også i stand til ikke bare å endre kollektorstrømmen ved å kontrollere basestrømmen. I tillegg er kollektorstrømmen avhengig av lys. Mye lys-mye strøm, mindre lys-mindre strøm. Det er så enkelt.

Spesifiserer strømforsyningen

Når jeg designer maskinvare, er det første jeg gjør, å bestemme meg for strømforsyningen fordi dette påvirker ALT i kretsen din. Å bruke et 1, 5V batteri ville være en dårlig idé fordi, som du lærte i trinn 1, er UBE for en transistor rundt 0, 65V og dermed allerede halvveis opp til 1, 5V. Vi burde gi mer reserve. Jeg elsker 9V batterier. De er billige og enkle å håndtere og bruker ikke mye plass. Så la oss gå med 9V. UB = 9V

Spesifiserer samlerstrømmen

Dette er også avgjørende og påvirker alt. Den skal ikke være for liten, for da blir transistoren ustabil og signalstøyen stiger. Den må heller ikke være for høy fordi transistoren alltid har en ledig strøm og en spenning, og det betyr at den bruker strøm som blir til varme. For mye strøm tapper batteriene og kan drepe transistoren på grunn av varme. I mine applikasjoner holder jeg alltid kollektorstrømmen mellom 1 … 5mA. I vårt tilfelle, la oss gå med 2mA. IC = 2mA.

Rengjør strømforsyningen

Hvis du designer forsterkerfaser, er det alltid lurt å holde likestrømforsyningen ren. Strømforsyningen er ofte en kilde til støy og brum selv om du bruker et batteri. Dette er fordi du vanligvis har rimelige kabellengder koblet til forsyningsskinnen som kan fungere som en antenne for all rikelig strømnynning. Normalt leder jeg strømmen gjennom en liten motstand og gir en fettpolarisert kondensator på slutten. Den kutter alle AC-signaler mot bakken. På bildet er motstanden R1 og kondensatoren er C1. Vi bør holde motstanden liten fordi spenningsfallet den genererer begrenser utgangen vår. Nå kan jeg kaste inn min erfaring og si at 1V spenningsfall er tålelig hvis du jobber med 9V strømforsyning. UF = 1V.

Nå må vi forutse tankene våre litt. Du vil se senere vi vil legge til et andre transistortrinn som også må få strømmen ren. Så mengden strøm som strømmer gjennom R1 er doblet. Spenningsfallet over R1 er R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Du får aldri akkurat den motstanden du vil ha fordi de er produsert i bestemte verdiområder. Den nærmeste til vår verdi er 270 Ohm, og vi kommer til å ha det bra med det. R1 = 270 ohm.

Deretter velger vi C1 = 220uF. Det gir en hjørnefrekvens på 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Ikke tenk for mye på dette. Hjørnefrekvensen er den der filteret begynner å undertrykke ac-signaler. Opp til 2, 7Hz vil alt komme seg gjennom mer eller mindre ubemannet. Utover 2, 7Hz blir signalene mer og mer undertrykt. Dempningen av et førsteordens lavpassfilter er beskrevet av A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Vår nærmeste fiende når det gjelder interferens er 50Hz kraftlinjen. Så la oss bruke f = 50 og vi får A = 0, 053. Det betyr at bare 5, 3% av støyen kommer gjennom filteret. Bør være nok for våre behov.

Spesifisering av kollektorspenning

Skjevheten er punktet der du setter transistoren din i når den er i inaktiv modus. Dette spesifiserer dets strømmer og spenninger når det ikke er noe inngangssignal å forsterke. En ren spesifikasjon av denne forspenningen er grunnleggende fordi for eksempel spenningsforspenningen på kollektoren spesifiserer punktet der signalet vil svinge rundt når transistoren fungerer. Å legge dette punktet feil vil resultere i et forvrengt signal når utgangssvinget treffer bakken eller strømforsyningen. Dette er de absolutte grensene transistoren ikke kan komme over! Normalt er det en god idé å sette utspenningsforspenningen i midten mellom bakken og UB ved UB/2, i vårt tilfelle (UB-UF)/2 = 4V. Men av en eller annen grunn vil du forstå senere, jeg vil si det litt lavere. Først trenger vi ikke en stor utgangssving, for selv etter forsterkning i dette første trinnet vil signalet vårt være i området millivolt. For det andre vil en lavere skjevhet gjøre det bedre for det neste transistortrinnet som du vil se. Så la oss sette skjevheten på 3V. UA = 3V.

Beregn kollektormotstanden

Nå kan vi beregne resten av komponentene. Du vil se om en kollektorstrøm strømmer gjennom R2, vi får et spenningsfall fra UB. Fordi UA = UB-UF-IC*R1 kan vi trekke ut R1 og få R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Igjen velger vi den neste normverdien, og vi tar R1 = 2, 7K Ohm.

Beregn basismotstanden

For å beregne R3 kan vi utlede en enkel ligning. Spenningen over R3 er UA-UBE. Nå må vi kjenne grunnstrømmen. Jeg fortalte deg DC-strømforsterkningen B = IC/IB, så IB = IC/B, men hva er verdien av B? Dessverre brukte jeg en fototransistor fra en overskuddspakke, og det er ingen skikkelig merking på komponentene. Så vi må bruke fantasien vår. Fototransistorer har ikke så mye forsterkning. De er mer designet for fart. Mens DC-strømforsterkningen for en normal transistor kan nå 800, kan B-faktoren til en fototransistor være mellom 200..400. Så la oss gå med B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Det er nær 360K Ohm. Dessverre har jeg ikke denne verdien i boksen min, så jeg brukte en 240K+100K i serie i stedet. R3 = 340K Ohm.

Du kan spørre deg selv hvorfor vi tapper grunnstrømmen fra kollektoren og ikke fra UB. La meg fortelle deg dette. Skjevheten til en transistor er en skjør ting fordi en transistor er utsatt for produksjonstoleranser så vel som en alvorlig avhengighet av temperatur. Det betyr at hvis du forspenner transistoren din direkte fra UB, vil den sannsynligvis forsvinne snart. For å takle dette problemet bruker maskinvaredesignere en metode som kalles "negativ tilbakemelding". Ta en titt på kretsen vår igjen. Basestrømmen kommer fra kollektorspenningen. Tenk deg nå at transistoren blir varmere og at B-verdien stiger. Det betyr at mer kollektorstrøm flyter og UA synker. Men mindre UA betyr også mindre IB og spenningen UA går litt opp igjen. Med B synkende har du samme effekt omvendt. Dette er FORORDNING! Det betyr at med smarte ledninger kan vi holde transistorforspenningen i grenser. Du vil se en annen negativ tilbakemelding i neste fase også. Forresten, negativ tilbakemelding reduserer normalt også forsterkningen av scenen, men det er midler for å komme over dette problemet.

Trinn 3: Elektronisk del 3: Design av andre trinn

Jeg gjorde noen tester ved å bruke lyssignalet fra det forforsterkede stadiet i forrige trinn inn i smarttelefonen min. Det var oppmuntrende, men jeg trodde litt mer forsterkning ville gjøre det bedre. Jeg anslår at et ekstra løft med faktor 5 skulle gjøre jobben. Så her går vi på andre etappe! Normalt ville vi igjen sette opp transistoren i det andre trinnet med sin egen skjevhet og matet det forforsterkede signalet fra det første trinnet via en kondensator inn i den. Husk at kondensatorer ikke slipper DC gjennom. Bare ac-signalet kan passere. På denne måten kan du dirigere et signal gjennom trinnene, og forspenningen til hvert trinn vil ikke bli påvirket. Men la oss gjøre ting litt mer interessant og prøve å lagre noen komponenter fordi vi vil beholde enheten liten og praktisk. Vi vil bruke utgangsskjevheten til trinn 1 for å forspenne transistoren i trinn 2!

Beregner emittermotstanden R5

I dette stadiet blir vår NPN-transistor direkte partisk fra forrige trinn. I kretsdiagrammet ser vi at UE = UBE + ICxR5. Fordi UE = UA fra forrige trinn kan vi trekke ut R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Vi gjør det til 1, 2K Ohm som er den nærmeste normverdien. R5 = 1, 2K Ohm.

Her kan du se en annen type tilbakemelding. La oss si at mens UE forblir konstant, øker B -verdien til transistoren på grunn av temperaturen. Så vi får mer strøm gjennom samler og sender. Men mer strøm gjennom R5 betyr mer spenning over R5. Fordi UBE = UE - IC*R5 betyr en økning av IC en reduksjon av UBE og dermed en reduksjon igjen av IC. Her har vi igjen regulering som hjelper oss med å holde skjevheten stabil.

Beregner kollektormotstanden R4

Nå bør vi holde øye med utgangssvinget til vårt kollektorsignal UA. Den nedre grensen er emitter-skjevheten på 3V-0, 65V = 2, 35V. Den øvre grensen er spenningen UB-UB = 9V-1V = 8V. Vi vil sette vår samlerbias rett i midten. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Nå er det enkelt å beregne R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Vi gjør det til R4 = 1, 5K Ohm.

Hva med forsterkningen?

Så hva med faktor 5 for forsterkning vi ønsker å få? Spenningsforsterkningen av ac-signaler i scenen som du kan se er beskrevet i en veldig enkel formel. Vu = R4/R5. Ganske enkelt va? Dette er forsterkningen av en transistor med negativ tilbakemelding over emittermotstanden. Husk at jeg fortalte deg at negativ tilbakemelding også påvirker forsterkningen hvis du ikke tar riktige midler mot det.

Hvis vi beregner forsterkningen med de valgte verdiene til R4 og R5 får vi V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, det er ganske langt unna 5. Så hva kan vi gjøre? Vel, først ser vi at vi ikke kan gjøre noe med R4. Det er fikset av utgangsforspenningen og spenningsbegrensningene. Hva med R5? La oss beregne verdien R5 burde ha hvis vi ville ha en forsterkning på 5. Det er enkelt, for Vu = R4/R5 betyr at R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, det er greit, men hvis vi ville sette en 300 Ohm i stedet for 1.2K i kretsen vår, ville skjevheten vår bli ødelagt. Så vi må sette begge, 1,2K Ohm for likspenningsforspenningen og 300 Ohm for AC -negativ tilbakemelding. Se på det andre bildet. Du vil se at jeg delte 1, 2K Ohm motstanden i en 220 Ohm og 1K Ohm i serie. Dessuten valgte jeg 220 Ohm fordi jeg ikke hadde en 300 Ohm motstand. 1K omgås også av en fettpolarisert kondensator. Hva betyr dette? Vel for DC -forspenningen betyr det at den negative tilbakemeldingen "ser" en 1, 2K Ohm fordi DC ikke kan passere gjennom en kondensator, så for DC -forspenningen eksisterer C3 bare ikke! AC-signalet på den annen side bare "ser" 220 Ohm fordi hvert vekselstrømfall over R6 er kortsluttet til bakken. Ingen spenningsfall, ingen tilbakemelding. Bare 220 Ohm gjenstår for negativ tilbakemelding. Ganske smart, hva?

For å få dette til å fungere skikkelig må du velge C3 slik at impedansen er veldig mye lavere enn R3. En god verdi er 10% av R3 for lavest mulig arbeidsfrekvens. La oss si at vår laveste frekvens er 30 Hz. Impedansen til en kondensator er Xc = 1/(2*PI*f*C3). Hvis vi trekker ut C3 og legger inn frekvensen og verdien til R3 får vi C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. For å matche den nærmeste normverdien, la oss gjøre den til C3 = 47uF.

Se nå den fullførte skjematikken i det siste bildet. Vi er ferdige!

Trinn 4: Gjør mekanikken del 1: Liste over materialer

Jeg brukte følgende komponenter for å lage enheten:

• Alle elektroniske komponenter fra skjematisk
• En standard plastkasse 80 x 60 x 22 mm med et innebygd rom for 9V batterier
• En 9V batteriklemme
• 1m 4pol lydkabel med jack 3,5 mm
• 3pol. stereokontakt 3,5 mm
• en bryter
• et stykke perfboard
• et 9V batteri
• loddetinn
• 2 mm kobbertråd 0, 25 mm isolert sil

Følgende verktøy bør brukes:

• Loddejern
• Elektrisk drill
• Digitalt multimeter
• en rund rasp

Trinn 5: Making the Mechanics: Del 2

Plasser bryteren og 3, 5 mm -kontakten

Bruk raspen til å fil i to halvhull i begge deler av foringsrøret (øvre og nedre). Gjør hullet bredt nok til at bryteren kan passe inn. Gjør det samme med 3,5 mm -kontakten. Stikkontakten brukes til å koble til ørepropper. Lydutgangene fra 4pol. kontakten vil bli dirigert til 3,5 mm kontakten.

Lag hull for kabel og fototransistor

Bor et 3 mm hull på forsiden og lim fototransistoren inn i den slik at terminalene går gjennom hullet. Bor et nytt hull med en diameter på 2 mm på den ene siden. Lydkabelen med 4 mm -kontakten går gjennom den.

Lodde det elektroniske

Lodd nå de elektroniske komponentene på perfboardet og koble den til lydkabelen og 3,5 mm -kontakten som vist i skjematisk oversikt. Se på bildene som viser signaluttakene på kontaktene for orientering. Bruk DMM -en til å se hvilket signal fra jack som kommer ut på hvilken ledning for å identifisere det.

Når alt er ferdig, slå på enheten og sjekk om spenningsutgangene på transistorene er mer eller mindre i det beregnede området. Hvis ikke, prøv å justere R3 i forsterkerens første trinn. Det vil sannsynligvis være problemet på grunn av de utbredte toleransene til transistorene du må justere verdien.

Trinn 6: Testing

Jeg bygde en mer sofistikert enhet av denne typen for noen år siden (se video). Fra denne tiden samlet jeg en haug med lydprøver jeg vil vise deg. De fleste av dem samlet jeg mens jeg kjørte i bilen min og plasserte fototransistoren bak frontruten min.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Dette er lyden av en ekstern LED-display på en buss som går forbi
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Blinkeren til en bil
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Frontlyset på en bil
• "Neonreklame.mp3" neonlys
• "Schwebung.mp3" Slaget på to forstyrrende billykter
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Lyden av en CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Lyden fra oscilloskopskjermen min med forskjellige tidsinnstillinger
• "Sound-PC Monitor.mp3" Lyden fra PC-monitoren
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Gatelys
• "Was_ist_das_1.mp3" En svak og merkelig fremmedlignende lyd jeg fikk et sted mens jeg kjørte rundt i bilen min

Jeg håper jeg kunne våte appetitten din, og du vil utforske den nye verden av lyslyder på egen hånd nå!