„LightSound“: 6 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:48

Nuo 10 metų užsiėmiau elektronika. Mano tėvas, radijo technikas, išmokė mane pagrindų ir lituoklio naudojimo. Aš jam daug skolingas. Viena iš pirmųjų mano grandinių buvo garso stiprintuvas su mikrofonu ir kurį laiką man patiko išgirsti savo balsą per prijungtą garsiakalbį arba garsus iš išorės, kai pakabinau mikrofoną iš savo lango. Vieną dieną mano tėvas atėjo su ritine, kurią jis išėmė iš seno transformatoriaus, ir pasakė: „Prijunkite tai, o ne mikrofoną“. Aš tai padariau ir tai buvo viena nuostabiausių akimirkų mano gyvenime. Staiga išgirdau keistus ūžesio garsus, šnypščiantį triukšmą, aštrų elektroninį zvimbimą ir kai kuriuos garsus, panašius į iškreiptus žmonių balsus. Tai buvo tarsi nardymas paslėptame pasaulyje, kuris gulėjo prieš mano ausis, kurių iki šiol negalėjau atpažinti. Techniškai tame nebuvo nieko stebuklingo. Ritė pajuto elektromagnetinį triukšmą, sklindantį iš visų buitinių prietaisų, šaldytuvų, skalbimo mašinų, elektrinių grąžtų, televizorių, radijo imtuvų, gatvės apšvietimo a.s.o. Tačiau patirtis man buvo lemtinga. Aplink mane buvo kažkas, ko negalėjau suvokti, bet su kažkokiu elektroniniu mumbo-jumbo aš buvau!

Po kelerių metų vėl apie tai pagalvojau ir man kilo viena mintis. Kas nutiktų, jei prie stiprintuvo prijungčiau fototransistorių? Ar taip pat girdėčiau vibracijas, kurių mano akys buvo tingios atpažinti? Aš tai padariau ir vėl patirtis buvo nuostabi! Žmogaus akis yra labai sudėtingas organas. Tai suteikia didžiausią visų mūsų organų informacijos pralaidumą, tačiau tai kainuoja. Gebėjimas suvokti pokyčius yra gana ribotas. Jei vizuali informacija keičiasi daugiau nei 11 kartų per sekundę, viskas ima migloti. Dėl šios priežasties galime žiūrėti filmus kine ar per televizorių. Mūsų akys nebepajėgia sekti pokyčių ir visos tos pavienės nejudančios nuotraukos susilieja į vieną nenutrūkstamą judesį. Bet jei šviesą paversime garsu, mūsų ausys gali puikiai suvokti tuos svyravimus iki kelių tūkstančių virpesių per sekundę!

Aš sugalvojau šiek tiek elektronikos, kad savo išmanųjį telefoną paversčiau šviesos garso imtuvu, taip pat suteikdamas galimybę įrašyti tuos garsus. Kadangi elektronika yra labai paprasta, šiame pavyzdyje noriu parodyti elektroninio dizaino pagrindus. Taigi mes gilinsimės į tranzistorius, rezistorius ir kondensatorius. Bet nesijaudinkite, aš padarysiu matematiką paprasta!

1 žingsnis: Elektroninė 1 dalis: Kas yra tranzistorius?

Dabar čia yra jūsų greitas ir nešvarus įvedimas į bipolinius tranzistorius. Yra du skirtingi jų tipai. Vienas iš jų yra pavadintas NPN, ir tai galite pamatyti paveikslėlyje. Kitas tipas yra PNP ir čia apie tai nekalbėsime. Skirtumas yra tik srovės ir įtampos poliškumo klausimas, o ne tolesnis susidomėjimas.

NPN tranzistorius yra elektroninis komponentas, stiprinantis srovę. Iš esmės turite tris terminalus. Vienas visada yra įžemintas. Mūsų paveikslėlyje jis vadinamas „skleidėju“. Tada turite „pagrindą“, kuris yra kairysis, ir „kolektorių“, kuris yra viršutinis. Bet kokia srovė, patenkanti į pagrindą IB, sukels sustiprintą srovę, plaukiančią per kolektoriaus IC ir einančią per emiterį atgal į žemę. Srovė turi būti maitinama iš išorinio įtampos šaltinio UB. Sustiprintos srovės IC ir bazinės srovės IB santykis yra IC/IB = B. B vadinamas nuolatinės srovės stiprinimu. Tai priklauso nuo temperatūros ir nuo to, kaip grandinėje nustatote tranzistorių. Be to, jis yra linkęs į didelius gamybos nuokrypius, todėl nėra prasmės skaičiuoti naudojant fiksuotas vertes. Visada atminkite, kad dabartinis pelnas gali labai išplisti. Be B, yra dar viena reikšmė, pavadinta „beta“. Wile B apibūdina nuolatinės srovės signalo stiprinimą, beta daro tą patį su kintamosios srovės signalais. Paprastai B ir beta nesiskiria.

Kartu su įvesties srove tranzistorius taip pat turi įėjimo įtampą. Įtampos apribojimai yra labai siauri. Įprastose programose jis judės 0,62V … 0,7V srityje. Priversdami keisti įtampą bazėje, dramatiškai pasikeis kolektoriaus srovė, nes ši priklausomybė eina pagal eksponentinę kreivę.

2 žingsnis: Elektroninė 2 dalis: Pirmojo stiprintuvo etapo projektavimas

Dabar mes pakeliui. Norėdami konvertuoti moduliuotą šviesą į garsą, mums reikia fototransistoriaus. Fototransistorius labai panašus į ankstesnio žingsnio standartinį NPN tranzistorių. Tačiau jis taip pat gali ne tik pakeisti kolektoriaus srovę, valdydamas bazinę srovę. Be to, kolektoriaus srovė priklauso nuo šviesos. Daug šviesos, daug mažiau šviesos. Tai taip lengva.

Maitinimo šaltinio nurodymas

Kai kuriu aparatūrą, pirmiausia turiu apsispręsti dėl maitinimo šaltinio, nes tai daro įtaką VISKUI jūsų grandinėje. Naudoti 1, 5 V bateriją būtų bloga idėja, nes, kaip jūs sužinojote atlikdami 1 veiksmą, tranzistoriaus UBE yra maždaug 0, 65 V, taigi jau pusę kelio iki 1, 5 V. Turėtume suteikti daugiau rezervo. Man patinka 9V baterijos. Jie yra pigūs ir lengvai valdomi ir neužima daug vietos. Taigi eikime su 9V. UB = 9V

Kolektoriaus srovės nustatymas

Tai taip pat labai svarbu ir daro įtaką viskam. Jis neturėtų būti per mažas, nes tada tranzistorius tampa nestabilus, o signalo triukšmas kyla. Jis taip pat neturi būti per didelis, nes tranzistorius visada turi tuščiosios eigos srovę ir įtampą, o tai reiškia, kad jis sunaudoja šilumą paverčiančią energiją. Per didelė srovė išsikrauna baterijas ir dėl šilumos gali nužudyti tranzistorių. Savo programose aš visada laikau kolektoriaus srovę tarp 1… 5 mA. Mūsų atveju eikime su 2 mA. IC = 2 mA.

Išvalykite maitinimo šaltinį

Jei projektuojate stiprintuvo pakopas, visada verta išlaikyti švarų nuolatinės srovės maitinimo šaltinį. Maitinimo šaltinis dažnai sukelia triukšmą ir triukšmą, net jei naudojate akumuliatorių. Taip yra todėl, kad paprastai prie maitinimo bėgio prijungtas tinkamo ilgio kabelis, kuris gali veikti kaip antena visam gausiam triukšmui. Paprastai aš nukreipiu maitinimo srovę per mažą rezistorių ir pabaigoje pateikiu riebalų poliarizuotą kondensatorių. Jis trumpina visus kintamosios srovės signalus nuo žemės. Paveikslėlyje rezistorius yra R1, o kondensatorius yra C1. Turėtume išlaikyti mažą rezistorių, nes jo sukuriamas įtampos kritimas riboja mūsų išėjimą. Dabar galiu pasinaudoti savo patirtimi ir pasakyti, kad 1 V įtampos kritimas yra toleruojamas, jei dirbate su 9 V maitinimo šaltiniu. UF = 1 V.

Dabar turime šiek tiek numatyti savo mintis. Pamatysite vėliau, mes pridėsime antrą tranzistorių pakopą, kuri taip pat turi išvalyti tiekimo srovę. Taigi srovės, tekančios per R1, kiekis padvigubėja. Įtampos kritimas per R1 yra R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 omų. Jūs niekada negausite tiksliai tokio rezistoriaus, kokio norite, nes jie gaminami tam tikrais verčių intervalais. Artimiausias mūsų vertei yra 270 omų, ir mums viskas bus gerai. R1 = 270 omų.

Tada pasirenkame C1 = 220uF. Tai suteikia kampo dažnį 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Negalvok apie tai per daug. Kampinis dažnis yra tas, kuriame filtras pradeda slopinti kintamosios srovės signalus. Iki 2, 7Hz viskas praeis daugiau ar mažiau nesusilpninta. Virš 2, 7 Hz signalai vis labiau slopinami. Pirmosios eilės žemo dažnio filtro slopinimas aprašytas A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Artimiausias mūsų priešas trukdžių atžvilgiu yra 50 Hz elektros linija. Taigi taikykime f = 50 ir gausime A = 0, 053. Tai reiškia, kad per filtrą pateks tik 5, 3% triukšmo. Turėtų pakakti mūsų poreikiams.

Kolektoriaus įtampos šališkumo nurodymas

Šališkumas yra taškas, į kurį įdedate tranzistorių, kai jis veikia laukimo režimu. Tai nurodo jo sroves ir įtampas, kai nėra įvesties signalo, kurį reikia sustiprinti. Švarus šio šališkumo nurodymas yra esminis, nes, pavyzdžiui, kolektoriaus įtampos šališkumas nurodo tašką, kuriame signalas suksis, kai tranzistorius veikia. Neteisingai išdėstžius šį tašką, signalas bus iškreiptas, kai išėjimo sūpynės atsitrenks į žemę arba į maitinimo šaltinį. Tai yra absoliučios ribos, kurių tranzistorius negali peržengti! Paprastai išėjimo įtampos poslinkį rekomenduojama nustatyti viduryje tarp žemės ir UB esant UB/2, mūsų atveju (UB-UF)/2 = 4V. Bet kažkodėl vėliau suprasite, noriu šiek tiek sumažinti. Pirmiausia mums nereikia didelio išėjimo sūpynės, nes net ir sustiprinus šį 1 etapą, mūsų signalas bus milivoltų diapazone. Antra, mažesnis šališkumas bus geresnis kitam tranzistoriaus etapui, kaip matysite. Taigi nustatykime šališkumą 3V. UA = 3V.

Apskaičiuokite kolektoriaus rezistorių

Dabar galime apskaičiuoti likusius komponentus. Pamatysite, ar kolektoriaus srovė teka per R2, mes gausime įtampos kritimą iš UB. Kadangi UA = UB-UF-IC*R1, mes galime išgauti R1 ir gauti R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Vėl pasirenkame kitą normos vertę ir imame R1 = 2, 7K omą.

Apskaičiuokite bazinį rezistorių

Norėdami apskaičiuoti R3, galime išvesti paprastą lygtį. R3 įtampa yra UA-UBE. Dabar turime žinoti bazinę srovę. Aš jums sakiau, kad nuolatinės srovės stipris B = IC/IB, taigi IB = IC/B, bet kokia yra B vertė? Deja, aš panaudojau fototransistorių iš perteklinės pakuotės ir ant komponentų nėra tinkamo žymėjimo. Taigi turime pasitelkti savo fantaziją. Fototransistoriai neturi tiek stiprinimo. Jie labiau skirti greičiui. Nors įprasto tranzistoriaus nuolatinės srovės stipris gali siekti 800, fototransistoriaus B koeficientas gali būti tarp 200..400. Taigi eikime su B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352 K omų. Tai beveik 360 K omų. Deja, šios vertės savo dėžutėje neturiu, todėl vietoj to naudoju 240K+100K. R3 = 340K omų.

Galite paklausti savęs, kodėl mes išleidžiame bazinę srovę iš kolektoriaus, o ne iš UB. Leiskite man tai pasakyti. Tranzistoriaus šališkumas yra trapus dalykas, nes tranzistorius yra linkęs į gamybos leistinus nuokrypius ir didelę priklausomybę nuo temperatūros. Tai reiškia, kad jei nukrypstate nuo tranzistoriaus tiesiai iš UB, greičiausiai jis greitai nutols. Norėdami išspręsti šią problemą, aparatūros dizaineriai naudoja metodą, vadinamą „neigiamais atsiliepimais“. Dar kartą pažvelk į mūsų grandinę. Bazinė srovė gaunama iš kolektoriaus įtampos. Dabar įsivaizduokite, kad tranzistorius tampa šiltesnis ir jo B vertė pakyla. Tai reiškia, kad teka daugiau kolektoriaus srovės ir sumažėja UA. Tačiau mažesnis UA taip pat reiškia mažesnį IB, o įtampa UA vėl šiek tiek pakyla. Sumažinus B, jūs turite tą patį poveikį atvirkščiai. Tai REGULIAVIMAS! Tai reiškia, kad sumaniais laidais galime išlaikyti ribines tranzistoriaus paklaidas. Kitame etape taip pat matysite dar vieną neigiamą atsiliepimą. Beje, neigiamas grįžtamasis ryšys paprastai taip pat sumažina scenos stiprinimą, tačiau yra būdų, kaip išspręsti šią problemą.

3 žingsnis: Elektroninė 3 dalis: Antrojo etapo projektavimas

Aš šiek tiek išbandžiau, pritaikydamas šviesos signalo signalą iš išankstinio stiprinimo etapo ankstesniame žingsnyje į savo išmanųjį telefoną. Tai padrąsino, bet maniau, kad šiek tiek daugiau stiprinimo bus geriau. Aš apskaičiavau, kad papildomas 5 faktoriaus padidėjimas turėtų atlikti šį darbą. Taigi, mes einame į antrąjį etapą! Paprastai mes vėl nustatytume tranzistorių antrame etape, turėdami savo šališkumą, ir į jį paduodame iš anksto sustiprintą signalą iš pirmojo etapo per kondensatorių. Atminkite, kad kondensatoriai neleidžia nuolatinės srovės. Tik AC signalas gali praeiti. Tokiu būdu galite nukreipti signalą per etapus ir kiekvieno etapo šališkumas nebus paveiktas. Tačiau padarykime dalykus šiek tiek įdomesnius ir pabandykime išsaugoti kai kuriuos komponentus, nes norime, kad įrenginys būtų mažas ir patogus. 1 pakopos išvesties šališkumą naudosime 2 pakopos tranzistoriaus nustatymui!

Skaičiuojant emiterio rezistorių R5

Šiame etape mūsų NPN tranzistorius yra tiesiogiai šališkas nuo ankstesnio etapo. Grandinės schemoje matome, kad UE = UBE + ICxR5. Kadangi UE = UA iš ankstesnio etapo galime išgauti R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K omų. Mes gauname 1, 2K omą, kuri yra artimiausia norminė vertė. R5 = 1, 2K omas.

Čia galite pamatyti kitos rūšies atsiliepimus. Tarkime, nors UE išlieka pastovi, tranzistoriaus B vertė didėja dėl temperatūros. Taigi mes gauname daugiau srovės per kolektorių ir emiterį. Tačiau didesnė srovė per R5 reiškia didesnę įtampą visoje R5. Kadangi UBE = UE - IC*R5, IC padidėjimas reiškia UBE sumažėjimą, taigi ir IC sumažėjimą. Čia vėl turime reguliavimą, kuris padeda išlaikyti stabilumą.

Kolektoriaus rezistoriaus R4 apskaičiavimas

Dabar turėtume stebėti mūsų kolektoriaus signalo UA išėjimo svyravimus. Apatinė riba yra 3V-0, 65V = 2, 35V spinduliuotės šališkumas. Viršutinė riba yra įtampa UB-UB = 9V-1V = 8V. Kolektoriaus šališkumą pateiksime viduryje. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Dabar lengva apskaičiuoti R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K omas. Padarome R4 = 1, 5K omą.

O kaip su stiprinimu?

Taigi ką apie 5 stiprinimo faktorių, kurį norime įgyti? Kintamosios srovės signalų įtampos stiprinimas etape, kaip matote, aprašytas labai paprasta formule. Vu = R4/R5. Gana paprasta a? Tai tranzistoriaus, turinčio neigiamą grįžtamąjį ryšį, stiprinimas per emiterio rezistorių. Atminkite, kad sakiau, kad neigiami atsiliepimai taip pat turi įtakos stiprinimui, jei nesiimsite tinkamų priemonių.

Jei apskaičiuosime stiprinimą pasirinktomis R4 ir R5 reikšmėmis, gausime V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, tai gana toli nuo 5. Taigi, ką mes galime padaryti? Na, pirmiausia matome, kad nieko negalime padaryti dėl R4. Jis nustatomas dėl išėjimo šališkumo ir įtampos apribojimų. O kaip su R5? Apskaičiuokime R5 vertę, jei jos stiprinimas būtų 5. Tai paprasta, nes Vu = R4/R5 tai reiškia, kad R5 = R4/Vu = 1.5K omas/5 = 300 omų. Gerai, tai gerai, bet jei į grandinę įvestume 300 omų, o ne 1,2K, mūsų šališkumas būtų sugadintas. Taigi turime įdėti abu: 1,2K omą, skirtą nuolatinės srovės šališkumui, ir 300 omų, kai gaunamas neigiamas kintamosios srovės grįžtamasis ryšys. Pažvelkite į antrą paveikslėlį. Pamatysite, kad aš padalijau 1, 2K omų rezistorių į 220 omų ir 1K omą nuosekliai. Be to, aš pasirinkau 220 omų, nes neturėjau 300 omų rezistoriaus. 1K taip pat apeina riebalų poliarizuotas kondensatorius. Ką tai reiškia? Na, o nuolatinės srovės šališkumas reiškia, kad neigiamas grįžtamasis ryšys „mato“1, 2K omą, nes nuolatinė srovė negali praeiti per kondensatorių, todėl nuolatinės srovės šališkumo C3 tiesiog nėra! Kita vertus, kintamosios srovės signalas tiesiog „mato“220 omų, nes kiekvienas kintamosios įtampos kritimas per R6 yra trumpai sujungtas su žeme. Nėra įtampos kritimo, nėra grįžtamojo ryšio. Neigiamam atsiliepimui lieka tik 220 omų. Gana protingas, ane?

Kad tai veiktų tinkamai, turite pasirinkti C3, kad jo varža būtų daug mažesnė nei R3. Gera vertė yra 10% R3, esant žemiausiam įmanomam darbo dažniui. Tarkime, mūsų žemiausias dažnis yra 30 Hz. Kondensatoriaus varža Xc = 1/(2*PI*f*C3). Jei išgauname C3 ir įvedame R3 dažnį ir vertę, gauname C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Kad atitiktų artimiausią normos vertę, padarykime ją C3 = 47uF.

Dabar peržiūrėkite užbaigtą schemą paskutinėje nuotraukoje. Baigėme!

4 žingsnis: Mechanikos gaminimas 1 dalis: Medžiagų sąrašas

Prietaisui gaminti naudoju šiuos komponentus:

• Visi elektroniniai komponentai iš schemos
• Standartinis plastikinis dėklas 80 x 60 x 22 mm su įterptu skyriumi 9 V baterijoms
• 9V akumuliatoriaus spaustukas
• 1 m 4pol garso kabelis su 3,5 mm lizdu
• 3pol. stereo lizdas 3,5 mm
• jungiklis
• perforatoriaus gabalas
• 9V baterija
• lituoklis
• 2 mm varinė viela 0, 25 mm izoliuota įtempta viela

Reikėtų naudoti šiuos įrankius:

• Lituoklis
• Elektrinis grąžtas
• Skaitmeninis multimetras
• apvalus rapsukas

5 žingsnis: mechanikos kūrimas: 2 dalis

Įdėkite jungiklį ir 3,5 mm lizdą

Naudokite raspą, kad padengtumėte dvi skylutes abiejose korpuso dalyse (viršutinėje ir apatinėje). Padarykite skylę pakankamai plačią, kad jungiklis tilptų. Dabar darykite tą patį su 3,5 mm lizdu. Lizdas bus naudojamas ausų kištukams prijungti. Garso išėjimai iš 4pol. lizdas bus nukreiptas į 3,5 mm lizdą.

Padarykite skyles kabeliui ir fototranzistoriui

Priekinėje pusėje išgręžkite 3 mm skylę ir superklijuokite fototransistorių, kad jo gnybtai eitų per skylę. Vienoje pusėje gręžkite kitą 2 mm skersmens skylę. Pro jį eis garso kabelis su 4 mm lizdu.

Lituokite elektroniką

Dabar lituokite elektroninius komponentus ant plokštės ir prijunkite prie garso kabelio ir 3,5 mm lizdo, kaip parodyta schemoje. Pažvelkite į paveikslėlius, kuriuose rodomi lizdų signalai. Naudokite savo DMM, kad pamatytumėte, kuris signalas iš lizdo išeina iš kurio laido, kad jį atpažintumėte.

Kai viskas bus baigta, įjunkite įrenginį ir patikrinkite, ar tranzistorių įtampos išėjimai yra daugiau ar mažiau apskaičiuotame diapazone. Jei ne, pabandykite sureguliuoti R3 pirmame stiprintuvo etape. Greičiausiai tai bus problema dėl plačiai paplitusių tranzistorių nuokrypių, todėl gali tekti pakoreguoti jo vertę.

6 žingsnis: bandymas

Prieš keletą metų sukūriau įmantresnį tokio tipo įrenginį (žr. Vaizdo įrašą). Nuo to laiko surinkau daugybę garso pavyzdžių, kuriuos noriu jums parodyti. Daugumą jų surinkau vairuodamas savo automobilį ir fototransistorių uždėjau už priekinio stiklo.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Tai išorinio LED ekrano garsas praeinančiame autobuse
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Automobilio mirksėjimas
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Automobilio žibintas
• „Neonreklame.mp3“neoninės lemputės
• "Schwebung.mp3" Dviejų trukdančių automobilio žibintų ritmas
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" CFL garsas
• "Sound_oscilloscope.mp3" Mano osciloskopo ekrano garsas su skirtingais laiko nustatymais
• "Sound-PC Monitor.mp3" Mano kompiuterio monitoriaus garsas
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Gatvės žibintai
• "Was_ist_das_1.mp3" Silpnas ir keistas į ateivius panašus garsas, kurį užfiksavau kažkur, kai važiuoju savo automobiliu

Tikiuosi, kad sušlapinsiu jūsų apetitą, o jūs toliau savarankiškai tyrinėsite naują šviesos garsų pasaulį!