LightSound: 6 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:49

Ma tegelesin elektroonikaga juba 10 -aastaselt. Isa, raadiotehnik, õpetas mulle põhitõdesid ja jootekolvi kasutamist. Olen talle palju võlgu. Üks mu esimestest vooluahelatest oli mikrofoniga helivõimendi ja mulle meeldis mõnda aega mikrofoni aknast välja riputades kuulata oma häält ühendatud kõlari kaudu või väljast kostvaid helisid. Ühel päeval tuli mu isa ringi, mille ta eemaldas vanalt trafolt, ja ütles: "Ühendage see oma mikrofoni asemel." Ma tegin seda ja see oli üks hämmastavamaid hetki mu elus. Järsku kuulsin kummalisi sumisevaid helisid, susisevat müra, teravat elektroonilist suminat ja mõningaid helisid, mis meenutasid moonutatud inimhääli. See oli nagu sukeldumine varjatud maailmas, mis lamas mu kõrvade ees ja mida ma ei suutnud siiani ära tunda. Tehniliselt polnud selles midagi maagilist. Spiraal võttis vastu elektromagnetilist müra, mis pärineb igasugustest kodumasinatest, külmikutest, pesumasinatest, elektritrellidest, televiisoritest, raadiotest, tänavavalgustist jne. Kuid kogemus oli minu jaoks ülioluline. Minu ümber oli midagi, mida ma ei suutnud tajuda, kuid mõne elektroonilise mumbo-jumboga olin ma sees!

Mõni aasta hiljem mõtlesin sellele uuesti ja üks mõte tuli pähe. Mis juhtuks, kui ühendaksin võimendiga fototransistori? Kas ma kuuleks ka vibratsioone, mida mu silmad olid liiga laisad ära tundma? Ma tegin seda ja kogemus oli jällegi suurepärane! Inimese silm on väga keerukas organ. See pakub kõigi meie organite suurimat teabe ribalaiust, kuid sellega kaasnevad teatud kulud. Võimalus muutusi tajuda on üsna piiratud. Kui visuaalne teave muutub rohkem kui 11 korda sekundis, hakkavad asjad hägustuma. See on põhjus, miks me saame filme vaadata kinos või telerist. Meie silmad ei suuda enam muutusi jälgida ja kõik need üksikud pildid sulatatakse kokku üheks pidevaks liigutuseks. Kuid kui muudame valguse heliks, võivad meie kõrvad neid võnkumisi suurepäraselt tajuda kuni mitme tuhande võnkumiseni sekundis!

Mõtlesin välja väikese elektroonika, et muuta oma nutitelefon valgusheli vastuvõtjaks, andes mulle võimaluse ka neid helisid salvestada. Kuna elektroonika on väga lihtne, tahan selle näite abil näidata teile elektroonilise disaini põhitõdesid. Nii et sukeldume päris sügavale transistoridesse, takistitesse ja kondensaatoritesse. Aga ärge muretsege, ma jätan matemaatika lihtsaks!

Samm: elektrooniline osa 1: Mis on transistor?

Nüüd on siin teie kiire ja mitte määrdunud sissejuhatus bipolaarsetesse transistoridesse. Neid on kahte erinevat sorti. Üks neist kannab nime NPN ja see on see, mida näete pildil. Teine tüüp on PNP ja me ei räägi sellest siin. Erinevus on vaid voolu ja pinge polaarsuse küsimus ning ei paku edasist huvi.

NPN-transistor on elektrooniline komponent, mis võimendab voolu. Põhimõtteliselt on teil kolm terminali. Üks on alati maandatud. Meie pildil nimetatakse seda "kiirgajaks". Siis on teil "alus", mis on vasakpoolne ja "koguja", mis on ülemine. Igasugune baasi IB sisenev vool põhjustab võimendusvoolu, mis ujub läbi kollektori IC ja läheb läbi emitteri tagasi maasse. Vool tuleb juhtida välisest pingeallikast UB. Võimendatud voolu IC ja baasvoolu IB suhe on IC/IB = B. B nimetatakse alalisvoolu võimenduseks. See sõltub temperatuurist ja sellest, kuidas oma ahelasse transistorit seadistate. Lisaks on sellel kalduvus tõsistele tootmishälvetele, seega ei ole väga mõttekas arvutada fikseeritud väärtustega. Pidage alati meeles, et praegune kasu võib palju levida. Peale B on veel üks väärtus nimega "beeta". Wile B iseloomustab DC-signaali võimendust, beeta teeb sama AC-signaalide puhul. Tavaliselt ei erine B ja beeta palju.

Koos sisendvooluga on transistoril ka sisendpinge. Pinge piirangud on väga kitsad. Tavalistes rakendustes liigub see vahemikus 0,62V … 0,7V. Pinge muutmise sundimine alusele põhjustab kollektori voolu dramaatilisi muutusi, kuna see sõltuvus järgib eksponentsiaalset kõverat.

2. etapp: elektrooniline 2. osa: Võimendi esimese etapi kujundamine

Nüüd oleme teel. Moduleeritud valguse heliks muutmiseks vajame fototransistorit. Fototransistor sarnaneb väga eelmise sammu standardse NPN-transistoriga. Kuid see on võimeline mitte ainult muutma kollektorivoolu, kontrollides baasvoolu. Lisaks sõltub kollektori vool valgusest. Palju valgust, palju vähem voolu. Nii lihtne see ongi.

Toiteallika määramine

Riistvara projekteerides pean esimese asjana otsustama toiteallika osas, sest see mõjutab KÕIK teie vooluringis. 1, 5 V aku kasutamine oleks halb mõte, sest nagu 1. sammus õppisite, on transistori UBE umbes 0, 65 V ja seega juba poolel teel kuni 1, 5 V. Peaksime varuma rohkem. Ma armastan 9V akusid. Need on odavad ja hõlpsasti käsitsetavad ega võta palju ruumi. Nii et lähme 9V -ga. UB = 9V

Kollektori voolu määramine

See on samuti ülioluline ja mõjutab kõike. See ei tohiks olla liiga väike, sest siis muutub transistor ebastabiilseks ja signaalimüra tõuseb. Samuti ei tohi see olla liiga kõrge, sest transistoril on alati tühikäigu vool ja pinge ning see tähendab, et see tarbib soojuseks muudetud energiat. Liiga suur vool tühjendab patareid ja võib kuumuse tõttu transistori tappa. Oma rakendustes hoian kollektorivoolu alati vahemikus 1… 5 mA. Meie puhul lähme 2mA -ga. IC = 2 mA.

Puhastage oma toiteallikas

Kui kavandate võimendi etappe, on alati hea mõte hoida alalisvoolu toiteallikas puhtana. Toiteallikas tekitab sageli müra ja suminat isegi siis, kui kasutate akut. Selle põhjuseks on asjaolu, et tavaliselt on teil toitekaabliga ühendatud mõistliku pikkusega kaablid, mis võivad töötada antennina kogu rikkaliku võimsusega ümisemise korral. Tavaliselt suunan ma toitevoolu läbi väikese takisti ja annan lõpus rasva polariseeritud kondensaatori. See lühendab kõiki vahelduvvoolu signaale maapinna vastu. Pildil on takisti R1 ja kondensaator C1. Peaksime takistit väikeseks hoidma, sest selle tekitatud pingelangus piirab meie väljundit. Nüüd võin oma kogemusi kasutada ja öelda, et 1 V pingelangus on talutav, kui töötate 9 V toiteallikaga. UF = 1 V.

Nüüd peame oma mõtteid natuke ette nägema. Näete hiljem, et lisame teise transistorietapi, mis peab ka toitevoolu puhtaks saama. Seega kahekordistub R1 läbiva voolu hulk. Pingelangus R1 -s on R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 oomi. Te ei saa kunagi täpselt soovitud takistit, kuna need on toodetud teatud väärtusintervallides. Meie väärtusele lähim on 270 oomi ja sellega saame hakkama. R1 = 270 oomi.

Siis valime C1 = 220uF. See annab nurgasageduse 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Ära mõtle sellele liiga palju. Nurgasagedus on see, kus filter hakkab vahelduvvoolu signaale summutama. Kuni 2, 7Hz saab kõik enam -vähem nõrgenemata läbi. Peale 2, 7 Hz summutatakse signaalid üha enam. Esimese järgu madalpääsfiltri sumbumist kirjeldab A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Häirete osas on meie lähim vaenlane 50 Hz elektriliin. Nii et rakendame f = 50 ja saame A = 0, 053. See tähendab, et filtrist pääseb läbi ainult 5, 3% mürast. Meie vajadustele peaks piisama.

Kollektori pinge nihke määramine

Bias on punkt, kuhu paned oma transistori ooterežiimis. See määrab selle voolud ja pinged, kui võimendamiseks puudub sisendsignaal. Selle nihke puhas spetsifikatsioon on põhiline, sest näiteks kollektori pingepinge määrab punkti, kus signaal transistori töötamise ajal ringi liigub. Selle punkti ekslik paigutamine põhjustab signaali moonutamist, kui väljundkiik tabab maad või toiteallikat. Need on absoluutsed piirid, millest transistor üle ei saa! Tavaliselt on hea mõte panna väljundpinge eelpinge maapinna ja UB vahele, UB/2, meie puhul (UB-UF)/2 = 4V. Kuid mingil põhjusel saate hiljem aru, et tahan selle natuke madalamale panna. Esiteks ei vaja me suurt väljundkiiret, sest isegi pärast selle esimese etapi võimendamist jääb meie signaal millivoltide vahemikku. Teiseks, madalam eelarvamus läheb järgneva transistori etapi jaoks paremini, nagu näete. Paneme siis eelarvamuse 3V peale. UA = 3V.

Arvutage kollektori takisti

Nüüd saame arvutada ülejäänud komponendid. Näete, kui kollektorivool voolab läbi R2, saame UB -lt pingelanguse. Kuna UA = UB-UF-IC*R1, saame R1 ekstraheerida ja saada R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Jällegi valime järgmise normi väärtuse ja võtame R1 = 2, 7K Ohm.

Arvutage baastakisti

R3 arvutamiseks saame tuletada lihtsa võrrandi. R3 pinge on UA-UBE. Nüüd peame teadma baasvoolu. Ütlesin teile, et alalisvoolu võimendus B = IC/IB, seega IB = IC/B, aga mis on B väärtus? Kahjuks kasutasin üleliigse pakendi fototransistorit ja komponentidel pole õiget märgistust. Seega peame kasutama oma fantaasiat. Fototransistoridel pole nii palju võimendust. Need on mõeldud rohkem kiirusele. Kui tavalise transistori alalisvoolu võimendus võib ulatuda 800-ni, võib fototransistori B-tegur olla vahemikus 200..400. Nii et lähme B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K oomi. See on peaaegu 360 000 oomi. Kahjuks pole mul seda väärtust karbis, nii et kasutasin selle asemel järjestikku 240K+100K. R3 = 340K oom.

Võite endalt küsida, miks me tühjendame baasvoolu kollektorist, mitte UB -st. Las ma ütlen teile seda. Transistori eelarvamus on habras asi, kuna transistor on altid nii tootmishälvetele kui ka tugevale sõltuvusele temperatuurist. See tähendab, et kui te oma transistori otse UB -st kallutate, eemaldub see tõenäoliselt varsti. Selle probleemiga toimetulemiseks kasutavad riistvara disainerid meetodit, mida nimetatakse negatiivseks tagasisideks. Heitke pilk meie ringrajale uuesti. Alusvool pärineb kollektori pingest. Kujutage nüüd ette, et transistor muutub soojemaks ja selle B-väärtus tõuseb. See tähendab, et kollektorivool voolab rohkem ja UA väheneb. Kuid väiksem UA tähendab ka väiksemat IB -d ja pinge UA tõuseb jälle natuke. Kui B väheneb, on teil sama efekt vastupidi. See on MÄÄRUS! See tähendab, et nutika juhtmestiku abil saame hoida transistori nihke piirides. Järgmisel etapil näete ka teist negatiivset tagasisidet. Muide, negatiivne tagasiside vähendab tavaliselt ka lava võimendust, kuid on võimalusi sellest probleemist üle saada.

3. samm: elektrooniline 3. osa: teise etapi kujundamine

Tegin mõningaid katseid, rakendades nutitelefonile eelmises etapis eelvaliku etapilt tule helisignaali. See oli julgustav, kuid arvasin, et natuke rohkem võimendust teeb paremini. Ma hindasin, et teguri 5 täiendav suurendamine peaks selle töö ära tegema. Nii et läheme teise etapi juurde! Tavaliselt seadistame uuesti transistori teise etapi oma eelpingega ja sisestame kondensaatori kaudu esimese astme eelvõimendatud signaali. Pidage meeles, et kondensaatorid ei lase alalisvoolu läbi. Lihtsalt vahelduvvool võib mööduda. Sel viisil saate signaali suunata etappide kaudu ja see ei mõjuta iga etapi nihkeid. Kuid muudame asjad natuke huvitavamaks ja proovime mõned komponendid salvestada, sest tahame seadme väikese ja käepärase hoida. Kasutame 1. etapi väljundpinget transistori nihutamiseks 2. etapis!

Emittertakisti R5 arvutamine

Selles etapis on meie NPN-transistor eelmisest etapist otseselt kallutatud. Lülitusskeemil näeme, et UE = UBE + ICxR5. Kuna UE = UA eelmisest etapist, saame välja võtta R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K oomi. Me teeme selle 1, 2K oomi, mis on lähim normväärtus. R5 = 1, 2K oom.

Siin näete teist tüüpi tagasisidet. Oletame, et kui UE jääb konstantseks, suureneb transistori B väärtus temperatuuri mõjul. Nii saame koguja ja emitteri kaudu rohkem voolu. Kuid suurem vool läbi R5 tähendab suuremat pinget R5 -s. Kuna UBE = UE - IC*R5 tähendab IC suurenemine UBE vähenemist ja seega IC taas vähenemist. Ka siin on meil regulatsioon, mis aitab meil eelarvamusi stabiilsena hoida.

Kollektori takisti R4 arvutamine

Nüüd peaksime oma kollektorisignaali UA väljundkiirel silma peal hoidma. Alumine piir on emitteri nihke 3V-0, 65V = 2, 35V. Ülemine piir on pinge UB-UB = 9V-1V = 8V. Paneme oma koguja eelarvamused otse keskele. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Nüüd on R4 arvutamine lihtne. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K oomi. Me teeme selle R4 = 1, 5K oomi.

Aga võimendus?

Mis saab siis võimendustegurist 5, mida me tahame saada? Nagu näete, on vahelduvvoolu signaalide pingevõimendus kirjeldatud väga lihtsas valemis. Vu = R4/R5. Päris lihtne jah? See on transistori võimendus negatiivse tagasisidega üle emittertakisti. Pidage meeles, et ma ütlesin teile, et negatiivne tagasiside mõjutab ka võimendust, kui te ei võta selle vastu sobivaid vahendeid.

Kui arvutame võimenduse valitud väärtustega R4 ja R5, saame V = R4/R5 = 1.5K/1.2K = 1.2. Hm, see on päris kaugel 5. Mida me siis teha saame? Noh, kõigepealt näeme, et me ei saa R4 -ga midagi teha. Selle määravad väljundpinge ja pingepiirangud. Aga R5? Arvutame väärtuse R5, mis peaks olema, kui meil oleks võimendus 5. See on lihtne, sest Vu = R4/R5 tähendab see, et R5 = R4/Vu = 1.5K oomi/5 = 300 oomi. Ok, see on okei, aga kui me paneksime oma vooluringi 1,2 k asemel 300 oomi, läheks meie eelarvamus segamini. Seega peame panema mõlemad, alalisvoolu nihke jaoks 1,2 K oomi ja vahelduvvoolu negatiivse tagasiside jaoks 300 oomi. Vaadake teist pilti. Näete, et jagasin 1, 2K oomi takisti 220 oomi ja 1 K oomi järjestikku. Pealegi valisin 220 oomi, kuna mul polnud 300 oomi takistit. 1K -st möödub ka rasva polariseeritud kondensaator. Mida see tähendab? Noh, alalisvoolu eelarvamuste puhul tähendab see, et negatiivne tagasiside "näeb" 1, 2K oomi, kuna alalisvool ei pruugi kondensaatorist läbi minna, seega alalisvoolu jaoks ei ole C3 lihtsalt olemas! Seevastu vahelduvvoolusignaal lihtsalt "näeb" 220 oomi, sest iga vahelduvvoolu pingelangus R6-s on lühisega maapinnale. Pingelangust pole, tagasisidet pole. Ainult 220 oomi jääb negatiivseks tagasisideks. Päris tark, mis?

Selle nõuetekohaseks toimimiseks peate valima C3, nii et selle takistus oleks palju väiksem kui R3. Hea väärtus on 10% R3 -st madalaima võimaliku töösageduse korral. Oletame, et meie madalaim sagedus on 30 Hz. Kondensaatori takistus on Xc = 1/(2*PI*f*C3). Kui ekstraheerida C3 ja sisestada R3 sagedus ja väärtus, saame C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Lähima normväärtuse sobitamiseks teeme selle C3 = 47uF.

Nüüd vaadake valmis skeemi viimasel pildil. Oleme valmis!

4. samm: mehaanika valmistamine 1. osa: materjalide loend

Seadme valmistamiseks kasutasin järgmisi komponente:

• Kõik elektroonilised komponendid skemaatiliselt
• Tavaline plastkorpus 80 x 60 x 22 mm, sisseehitatud sahtliga 9 V akudele
• 9 V akuklamber
• 1 m 4pol audiokaabel koos pistikuga 3,5 mm
• 3pol. stereo pesa 3,5 mm
• lüliti
• tükk perfboardi
• 9V aku
• jootma
• 2 mm vasktraat 0, 25 mm isoleeritud pingutatud traat

Kasutada tuleks järgmisi tööriistu:

• Jootekolb
• Elektriline puur
• Digitaalne multimeeter
• ümmargune raps

5. samm: mehaanika valmistamine: 2. osa

Asetage lüliti ja 3,5 mm pistikupesa

Kasutage raspi viilimiseks korpuse mõlemas osas (ülemine ja alumine) kahes poolaugus. Tehke ava piisavalt laiaks, et lüliti sinna sisse mahuks. Nüüd tehke sama ka 3,5 mm pesaga. Pistikupesa kasutatakse kõrvatroppide ühendamiseks. Heliväljundid 4pol. pistik suunatakse 3,5 mm pesasse.

Tehke augud kaabli ja fototransistori jaoks

Puurige esiküljele 3 mm auk ja liimige fototransistor sinna nii, et selle klemmid läbiksid augu. Puurige ühele küljele teine auk läbimõõduga 2 mm. Sellest läbib 4 mm pistikuga audiokaabel.

Elektroonika jootmine

Nüüd jootke elektroonilised komponendid perfboardil ja ühendage see helikaabli ja 3,5 mm pesaga, nagu on näidatud skeemil. Orienteerumiseks vaadake pilte, millel on pesade signaalipesad. Kasutage oma DMM -i, et näha, milline pistikupesa signaal millise juhtme kaudu välja tuleb.

Kui kõik on valmis, lülitage seade sisse ja kontrollige, kas transistoride pingeväljundid on enam -vähem arvutatud vahemikus. Kui ei, siis proovige võimendi esimeses etapis R3 reguleerida. Tõenäoliselt on see probleem transistoride laialdaste tolerantside tõttu, mille tõttu peate võib -olla selle väärtust kohandama.

6. etapp: testimine

Ehitasin mõned aastad tagasi seda tüüpi keerukama seadme (vt videot). Sellest ajast olen kogunud hulga helinäiteid, mida tahan teile näidata. Enamiku neist kogusin autoga sõites ja panin fototransistori esiklaasi taha.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" See on välise LED-ekraani heli mööduvas bussis
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Auto vilkur
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Auto esilatern
• "Neonreklame.mp3" neoontuled
• "Schwebung.mp3" Kahe segava auto esitule löök
• "Sound_Florescent_Lamp.mp3" CFL -i heli
• "Sound_oscilloscope.mp3" Minu ostsilloskoobi ekraani heli koos erinevate ajaseadetega
• "Sound-PC Monitor.mp3" Minu arvutimonitori heli
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Tänavavalgustid
• "Was_ist_das_1.mp3" Nõrk ja kummaline tulnukataoline heli, mille tabasin kuskil nutikas autoga ringi sõites

Loodan, et suudan teie isu märjaks teha ja lähete nüüd iseseisvalt valgustugede uut maailma avastama!