LightSound: 6 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Аз се занимавах с електроника от 10 -годишна. Баща ми, радиотехник, ме научи на основите и как да използвам поялник. Дължа му много. Една от първите ми вериги беше аудио усилвател с микрофон и известно време обичах да чувам гласа си през свързания високоговорител или звуци отвън, когато окачих микрофона през прозореца си. Един ден баща ми се появи с бобина, която извади от стар трансформатор и каза: "Свържи това вместо микрофона си". Направих го и това беше един от най -невероятните моменти в живота ми. Изведнъж чух странни бръмчещи звуци, съскане, остър електронен бръмчене и някои звуци, наподобяващи изкривени човешки гласове. Беше като гмуркане в скрит свят, който лежеше точно пред самите ми уши, който не можех да разпозная до този момент. Технически нямаше нищо вълшебно в това. Бобината улавя електромагнитен шум, идващ от всякакви домакински устройства, хладилници, перални машини, електрически бормашини, телевизори, радиостанции, улично осветление a.s.o. Но опитът беше решаващ за мен. Имаше нещо около мен, което не можех да възприема, но с малко електронно мумбо-джамбо бях вътре!

Няколко години по -късно се замислих отново и една идея ми хрумна. Какво би станало, ако свържа фототранзистор към усилвателя? Бих ли чул и вибрации, които очите ми бяха твърде мързеливи, за да разпознаят? Направих го и отново преживяването беше страхотно! Човешкото око е много сложен орган. Той осигурява най -голямата информационна честотна лента от всички наши органи, но това идва с някои разходи. Способността за възприемане на промените е доста ограничена. Ако визуалната информация се промени повече от 11 пъти в секунда, нещата започват да се замъгляват. Това е причината да можем да гледаме филми в киното или по нашия телевизор. Очите ни вече не могат да следят промените и всички тези единични неподвижни снимки се сливат в едно непрекъснато движение. Но ако променим светлината в звук, ушите ни биха могли да възприемат тези трептения перфектно до няколко хиляди трептения в секунда!

Измислих малко електронно устройство, което да превърне смартфона ми в приемник със светлинен звук, давайки ми и възможност да записвам тези звуци. Тъй като електронният е много прост, искам да ви покажа основите на електронния дизайн на този пример. Така че ще се потопим доста дълбоко в транзистори, резистори и кондензатори. Но не се притеснявайте, аз ще поддържам математиката проста!

Стъпка 1: Електронна част 1: Какво е транзистор?

Сега ето вашето бързо и не мръсно въведение в биполярните транзистори. Има два различни вида от тях. Единият се казва NPN и това е този, който можете да видите на снимката. Другият тип е PNP и тук няма да говорим за това. Разликата е само въпрос на полярност на тока и напрежението, а не на допълнителен интерес.

NPN-транзистор е електронен компонент, който усилва тока. По принцип имате три терминала. Човек винаги е заземен. На нашата снимка се нарича "Излъчвател". След това имате "основата", която е лявата и "Колекторът", която е горната. Всеки ток, преминаващ в базата IB, ще предизвика усилен ток, плаващ през IC на колектора и преминаващ през излъчвателя обратно в земята. Токът трябва да се задвижва от външен източник на напрежение UB. Съотношението на усиления ток IC и базовия ток IB е IC/IB = B. B се нарича усилване на постоянен ток. Зависи от температурата и от това как сте настроили транзистора във вашата схема. Освен това е склонен към тежки производствени толеранси, така че няма много смисъл да се изчислява с фиксирани стойности. Винаги имайте предвид, че текущата печалба може да се разпространи много. Освен В има и друга стойност, наречена "бета". Wile B характеризира усилването на DC-сигнал, бета прави същото за AC-сигнали. Обикновено B и бета не се различават много.

Заедно с входния ток транзисторът има и входно напрежение. Ограниченията на напрежението са много тесни. При нормални приложения той ще се движи в зона между 0.62V..0.7V. Принуждаването на промяна на напрежението на базата ще доведе до драматични промени на тока на колектора, тъй като тази зависимост следва експоненциална крива.

Стъпка 2: Електронна част 2: Проектиране на първия етап на усилвателя

Сега сме на път. За да преобразуваме модулирана светлина в звук, се нуждаем от фототранзистор. Фототранзистор много прилича на стандартния NPN-транзистор от предишната стъпка. Но също така е в състояние не само да променя колекторния ток, като контролира базовия ток. Освен това токът на колектора зависи от светлината. Много светлинен ток, по-малко ток без светлина. Толкова е лесно.

Посочване на захранването

Когато проектирам хардуер, първото нещо, което правя, е да реша въпроса за захранването, защото това засяга ВСИЧКО във вашата схема. Използването на 1, 5V батерия би било лоша идея, тъй като, както научихте в стъпка 1, UBE на транзистор е около 0, 65V и по този начин вече на половината път до 1, 5V. Трябва да осигурим повече резерви. Обичам 9V батерии. Те са евтини и лесни за работа и не заемат много място. Така че нека да продължим с 9V. UB = 9V

Определяне на тока на колектора

Това също е от решаващо значение и засяга всичко. Той не трябва да е твърде малък, защото тогава транзисторът става нестабилен и шумът на сигнала се увеличава. Той също не трябва да бъде твърде висок, защото транзисторът винаги има ток на празен ход и напрежение и това означава, че той консумира енергия, която се превръща в топлина. Твърде много ток изтощава батериите и може да убие транзистора поради топлина. В моите приложения винаги поддържам тока на колектора между 1… 5mA. В нашия случай нека отидем с 2mA. IC = 2mA.

Почистете захранването

Ако проектирате етапи на усилвател, винаги е добра идея да поддържате DC захранването си чисто. Захранването често е източник на шум и бръмчене, дори ако използвате батерия. Това е така, защото обикновено имате приемлива дължина на кабела, свързана към захранващата шина, която може да работи като антена за всичките обилни шумове. Обикновено насочвам захранващия ток през малък резистор и осигурявам маслено поляризиран кондензатор в края. Той прекъсва всички променливи сигнали срещу земята. На снимката резисторът е R1, а кондензаторът е C1. Трябва да поддържаме резистора малък, тъй като падащото напрежение, което генерира, ограничава нашата продукция. Сега мога да добавя моя опит и да кажа, че 1V спад на напрежението е допустим, ако работите с 9V захранване. UF = 1V.

Сега трябва да предвидим малко мислите си. Ще видите по -късно, че ще добавим втори транзисторен етап, който също трябва да почисти тока на захранване. Така че количеството ток, протичащ през R1, се удвоява. Падането на напрежението в R1 е R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 ома. Никога няма да получите точно резистора, който искате, защото те се произвеждат в определени интервали от стойности. Най -близкият до стойността ни е 270 ома и ще се справим с това. R1 = 270 ома.

След това избираме C1 = 220uF. Това дава честота на ъгъла 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Не мислете твърде много за това. Ъгловата честота е тази, при която филтърът започва да потиска ac-сигналите. До 2, 7Hz всичко ще премине горе -долу без отслабване. Отвъд 2, 7Hz сигналите се потискат все повече и повече. Затихването на нискочестотен филтър от първи ред се описва с A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Най -близкият ни враг по отношение на смущенията е 50Hz бръмчене на електропровода. Така че нека приложим f = 50 и получаваме A = 0, 053. Това означава, че само 5, 3% от шума ще премине през филтъра. Трябва да е достатъчно за нашите нужди.

Задаване на отклонение на напрежението на колектора

Отклонението е точката, в която поставяте транзистора си в режим на готовност. Това определя неговите токове и напрежения, когато няма входен сигнал за усилване. Чистата спецификация на това отклонение е от основно значение, тъй като например напрежението на колектора определя точката, в която сигналът ще се люлее, когато транзисторът работи. Погрешното излагане на тази точка ще доведе до изкривен сигнал, когато люлката на изхода удари земята или захранването. Това са абсолютните граници, които транзисторът не може да преодолее! Обикновено е добра идея да поставите отклонението на изходното напрежение в средата между земята и UB при UB/2, в нашия случай (UB-UF)/2 = 4V. Но по някаква причина по -късно ще разберете, че искам да го сложа малко по -ниско. Първо, не се нуждаем от голям изходен изход, защото дори след усилване на този първи етап нашият сигнал ще бъде в диапазона от миливолта. Второ, по -ниското отклонение ще се справи по -добре за следващия етап на транзистора, както ще видите. Така че нека да поставим пристрастието на 3V. UA = 3V.

Изчислете резистора на колектора

Сега можем да изчислим останалите компоненти. Ще видите дали колекторният ток преминава през R2, ще получим спад на напрежението, идващ от UB. Тъй като UA = UB-UF-IC*R1 можем да извлечем R1 и да получим R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Отново избираме следващата нормативна стойност и приемаме R1 = 2, 7K Ohm.

Изчислете базовия резистор

За изчисляване на R3 можем да изведем просто уравнение. Напрежението на R3 е UA-UBE. Сега трябва да знаем базовия ток. Казах ви печалба DC-ток B = IC/IB, така че IB = IC/B, но каква е стойността на B? За съжаление използвах фототранзистор от излишна опаковка и няма подходяща маркировка на компонентите. Така че трябва да използваме фантазията си. Фототранзисторите нямат толкова усилване. Те са по -скоро проектирани за скорост. Докато усилването на постоянния ток за нормален транзистор може да достигне 800, В-факторът на фототранзистор може да бъде между 200..400. Така че нека да продължим с B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Това е близо до 360K Ohm. За съжаление нямам тази стойност в кутията си, затова вместо това използвах 240K+100K последователно. R3 = 340K ома.

Може да се запитате защо източваме базовия ток от колектора, а не от UB. Нека ви кажа това. Отклонението на транзистора е крехко нещо, тъй като транзисторът е склонен към производствени толеранси, както и към силна зависимост от температурата. Това означава, че ако пристрастите транзистора си директно от UB, той вероятно ще се отдалечи скоро. За да се справят с този проблем, хардуерните дизайнери използват метод, наречен „отрицателна обратна връзка“. Разгледайте отново нашата верига. Базовият ток идва от напрежението на колектора. Сега си представете, че транзисторът става по-топъл и стойността му се повишава. Това означава, че тече повече колекторен ток и UA намалява. Но по -малък UA също означава по -малък IB и напрежението UA отново се повишава малко. С намаляването на В имате същия ефект и обратното. Това е РЕГЛАМЕНТ! Това означава, че чрез интелигентно окабеляване можем да ограничим пристрастията на транзисторите. На следващия етап също ще видите друга отрицателна обратна връзка. Между другото, отрицателната обратна връзка обикновено също намалява усилването на сцената, но има начини да се преодолее този проблем.

Стъпка 3: Електронна част 3: Проектиране на втория етап

Направих някои тестове, като приложих светлинния звуков сигнал от предварително усиления етап в предишната стъпка в моя смартфон. Това беше обнадеждаващо, но мислех, че малко повече усилване ще се справи по -добре. Изчислих, че допълнителен тласък на фактор 5 трябва да свърши работа. И така, отиваме с втория етап! Обикновено отново бихме настроили транзистора на втория етап със собствено отклонение и захранвахме предварително усиления сигнал от първия етап чрез кондензатор в него. Не забравяйте, че кондензаторите не пропускат постоянен ток. Само променливотоковият сигнал може да премине. По този начин можете да насочите сигнал през етапите и отклонението на всеки етап няма да бъде засегнато. Но нека направим нещата малко по -интересни и се опитаме да запазим някои компоненти, защото искаме да поддържаме устройството малко и удобно. Ще използваме изходното отклонение на етап 1 за отклонение на транзистора в етап 2!

Изчисляване на емитерния резистор R5

На този етап нашият NPN-транзистор се отклонява директно от предишния етап. В електрическата схема виждаме, че UE = UBE + ICxR5. Тъй като UE = UA от предишния етап можем да извлечем R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Правим го 1, 2K Ohm, което е най -близката нормална стойност. R5 = 1, 2K Ohm.

Тук можете да видите друг вид обратна връзка. Да кажем, докато UE остава постоянна, стойността на B на транзистора се увеличава поради температурата. Така получаваме повече ток чрез колектор и излъчвател. Но повече ток през R5 означава по -голямо напрежение в R5. Тъй като UBE = UE - IC*R5 увеличение на IC означава намаляване на UBE и по този начин отново намаляване на IC. Тук отново имаме регулация, която ни помага да поддържаме пристрастието стабилно.

Изчисляване на колекторния резистор R4

Сега трябва да следим изхода на изхода на нашия колекторен сигнал UA. Долната граница е отклонението на излъчвателя от 3V-0, 65V = 2, 35V. Горната граница е напрежението UB-UB = 9V-1V = 8V. Ще поставим нашето колекторно пристрастие точно в средата. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Сега е лесно да се изчисли R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Правим го R4 = 1, 5K Ohm.

Ами усилването?

И така, какво ще кажете за фактора 5 на усилването, който искаме да спечелим? Усилването на напрежението на променливи сигнали в етапа, както можете да видите, е описано в много проста формула. Vu = R4/R5. Доста просто, а? Това е усилване на транзистор с отрицателна обратна връзка над емитерния резистор. Не забравяйте, че ви казах, че отрицателната обратна връзка също влияе на усилването, ако не предприемате подходящи средства срещу него.

Ако изчислим усилването с избраните стойности на R4 и R5, получаваме V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Хм, това е доста далеч от 5. И така, какво можем да направим? Е, първо виждаме, че не можем да направим нищо по отношение на R4. Той се фиксира от изходното отклонение и ограниченията на напрежението. Ами R5? Нека изчислим стойността, която R5 трябва да има, ако искаме усилване 5. Това е лесно, тъй като Vu = R4/R5 това означава, че R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Добре, това е добре, но ако поставим 300 Ohm вместо 1.2K в нашата верига, нашето пристрастие ще се обърка. Така че трябва да поставим и двете, 1.2K Ohm за постояннотоковото отклонение и 300 Ohms за променливотоковата отрицателна обратна връзка. Разгледайте втората снимка. Ще видите, че разделих резистора 1, 2K Ohm на 220 Ohm и 1K Ohm последователно. Освен това избрах 220 ома, защото нямах резистор от 300 ома. 1K също се заобикаля от мастно поляризиран кондензатор. Какво означава това? Ами за постояннотоковото отклонение това означава, че отрицателната обратна връзка "вижда" 1, 2K ома, защото постоянен ток може да не премине през кондензатор, така че за постоянен ток отклонение C3 просто не съществува! Променливотоковият сигнал от друга страна просто "вижда" 220 ома, защото всеки спад на променливотоково напрежение в R6 е късо съединение към масата. Няма спад на напрежението, няма обратна връзка. Само 220 ома остава за отрицателна обратна връзка. Доста умно, а?

За да работи правилно, трябва да изберете C3, така че импедансът му да е много по -нисък от R3. Добра стойност е 10% от R3 за възможно най -ниската работна честота. Да речем, че най -ниската ни честота е 30 Hz. Импедансът на кондензатор е Xc = 1/(2*PI*f*C3). Ако извлечем C3 и поставим честотата и стойността на R3, получаваме C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. За да съответства на най -близката нормална стойност, нека я направим C3 = 47uF.

Сега вижте завършената схема на последната снимка. Свършихме!

Стъпка 4: Изработване на механиката Част 1: Списък на материалите

Използвах следните компоненти за направата на устройството:

• Всички електронни компоненти от схемата
• Стандартна пластмасова кутия 80 x 60 x 22 mm с вградено отделение за 9V батерии
• Щипка за батерия 9V
• 1m 4pol аудио кабел с жак 3.5mm
• 3pol. стерео гнездо 3,5 мм
• превключвател
• парче перфорирана дъска
• 9V батерия
• спойка
• 2 мм медна жица 0, 25 мм изолирана опъната жица

Трябва да се използват следните инструменти:

• Поялник
• Електрическа бормашина
• Цифров мултицет
• кръгла расп

Стъпка 5: Изработване на механиката: Част 2

Поставете превключвателя и 3,5 мм гнездото

Използвайте рашпа, за да напилите в две полуотвори в двете части на корпуса (горна и долна). Направете отвора достатъчно широк, за да може да се вмъкне превключвателят. Сега направете същото с 3,5 мм гнездото. Гнездото ще се използва за свързване на тапи за уши. Аудио изходите от 4pol. жакът ще бъде насочен към 3,5 мм гнездо.

Направете дупки за кабел и фототранзистор

Пробийте 3 мм отвор от предната страна и залепете супертранзистора в него, така че клемите му да преминават през отвора. Пробийте още една дупка с диаметър 2 мм от едната страна. Аудио кабелът с 4 мм жак ще мине през него.

Запоявайте електронното

Сега запойте електронните компоненти на перфорираната дъска и ги свържете към аудио кабела и 3,5 мм жака, както е показано на схемата. Погледнете снимките, показващи изводите на сигнала на жаковете за ориентация. Използвайте вашия DMM, за да видите кой сигнал от жака излиза върху кой проводник, за да го идентифицирате.

Когато всичко приключи, включете устройството и проверете дали изходите за напрежение на транзисторите са повече или по -малко в изчисления диапазон. Ако не опитате да регулирате R3 в първия етап на усилвателя. Вероятно това ще бъде проблемът поради широко разпространените допустими отклонения на транзисторите, може да се наложи да коригирате стойността му.

Стъпка 6: Тестване

Създадох по -сложно устройство от този тип преди няколко години (вижте видеото). От този момент събрах куп звукови мостри, които искам да ви покажа. Повечето от тях събрах, докато карах в колата си, и поставих фототранзистора зад предното стъкло.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Това е звукът на външен LED-дисплей на автобус, преминаващ покрай
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Мигачката на кола
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Фарът на автомобил
• "Neonreklame.mp3" неонови светлини
• "Schwebung.mp3" Ритъмът на два смущаващи фара на автомобила
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Звукът на CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Звукът на екрана на моя осцилоскоп с различни настройки на времето
• "Sound-PC Monitor.mp3" Звукът на моя компютър-монитор
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Улични светлини
• "Was_ist_das_1.mp3" Слаб и странен звук, подобен на извънземно, който улових някъде, докато се движа в колата си

Надявам се, че бих могъл да ви овладея апетита и ще продължите да изследвате сами новия свят на светлината!