LightSound: 6 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Kopš 10 gadu vecuma nodarbojos ar elektroniku. Mans tēvs, radiotehniķis, iemācīja man pamatus un to, kā lietot lodāmuru. Esmu viņam daudz parādā. Viena no manām pirmajām shēmām bija audio pastiprinātājs ar mikrofonu, un kādu laiku man patika dzirdēt savu balsi caur pievienoto skaļruni vai skaņas no ārpuses, kad izkāru mikrofonu pa logu. Kādu dienu mans tēvs atnāca ar spoli, ko viņš izņēma no vecā transformatora, un teica: "Pievienojiet to sava mikrofona vietā". Es to izdarīju, un tas bija viens no pārsteidzošākajiem brīžiem manā dzīvē. Pēkšņi es dzirdēju dīvainas dārdošas skaņas, šņukstējošu troksni, asu elektronisku dūzmi un dažas skaņas, kas atgādināja sagrozītas cilvēku balsis. Tas bija kā niršana slēptā pasaulē, kas gulēja tieši manās ausīs, un kuru līdz šim nevarēju atpazīt. Tehniski tajā nebija nekā maģiska. Spole uztvēra elektromagnētisko troksni, ko rada visu veidu sadzīves ierīces, ledusskapji, veļas mazgājamās mašīnas, elektriskie urbji, televizori, radio, ielu apgaismojums a.s.o. Bet pieredze man bija izšķiroša. Man apkārt bija kaut kas, ko es nevarēju uztvert, bet ar kādu elektronisku mumbo-jumbo es biju iekšā!

Pēc dažiem gadiem es atkal par to domāju un man ienāca prātā viena ideja. Kas notiktu, ja es pastiprinātājam pievienotu fototransistoru? Vai es dzirdētu arī vibrācijas, kuras manas acis bija pārāk slinkas atpazīt? Es to izdarīju, un atkal pieredze bija lieliska! Cilvēka acs ir ļoti sarežģīts orgāns. Tas nodrošina vislielāko informācijas joslas platumu no visiem mūsu orgāniem, taču tas rada zināmas izmaksas. Spēja uztvert izmaiņas ir diezgan ierobežota. Ja vizuālā informācija mainās vairāk nekā 11 reizes sekundē, lietas sāk kļūt neskaidras. Tas ir iemesls, kāpēc mēs varam skatīties filmas kinoteātrī vai televizorā. Mūsu acis vairs nespēj sekot izmaiņām, un visas šīs atsevišķās fotogrāfijas tiek apvienotas vienā nepārtrauktā kustībā. Bet, ja mēs mainām gaismu skaņā, mūsu ausis var pilnībā uztvert šīs svārstības līdz vairākiem tūkstošiem svārstību sekundē!

Es izdomāju mazliet elektronisku, lai viedtālruni pārvērstu par gaismas skaņas uztvērēju, dodot arī iespēju ierakstīt šīs skaņas. Tā kā elektronika ir ļoti vienkārša, šajā piemērā es vēlos jums parādīt elektroniskā dizaina pamatus. Tātad mēs diezgan dziļi ienirsim tranzistoros, rezistoros un kondensatoros. Bet neuztraucieties, es padarīšu matemātiku vienkāršu!

1. darbība. Elektroniskā 1. daļa: kas ir tranzistors?

Tagad šeit ir jūsu ātrā un netīrā ievadīšana bipolārajos tranzistoros. Ir divi dažādi to veidi. Viens ir nosaukts par NPN, un tas ir tas, ko varat redzēt attēlā. Otrs veids ir PNP, un mēs par to šeit nerunāsim. Atšķirība ir tikai strāvas un sprieguma polaritātes jautājums, nevis turpmāka interese.

NPN-tranzistors ir elektroniska sastāvdaļa, kas pastiprina strāvu. Būtībā jums ir trīs termināļi. Viens vienmēr ir iezemēts. Mūsu attēlā to sauc par "emitētāju". Tad jums ir "bāze", kas ir kreisā, un "kolekcionārs", kas ir augšējais. Jebkura strāva, kas nonāk IB pamatnē, izraisa pastiprinātu strāvu, kas peld caur kolektoru IC un iet caur emitētāju atpakaļ zemē. Strāva jāvada no ārējā sprieguma avota UB. Pastiprinātās strāvas IC un bāzes strāvas IB attiecība ir IC/IB = B. B sauc par līdzstrāvas pieaugumu. Tas ir atkarīgs no temperatūras un no tā, kā savā ķēdē iestatāt tranzistoru. Turklāt tas ir pakļauts nopietnām ražošanas pielaidēm, tāpēc nav jēgas aprēķināt ar fiksētām vērtībām. Vienmēr paturiet prātā, ka pašreizējais ieguvums var izplatīties daudz. Bez B ir vēl viena vērtība ar nosaukumu "beta". Wile B raksturo līdzstrāvas signāla pastiprināšanu, beta dara to pašu maiņstrāvas signāliem. Parasti B un beta daudz neatšķiras.

Kopā ar ieejas strāvu tranzistoram ir arī ieejas spriegums. Sprieguma ierobežojumi ir ļoti šauri. Parastos lietojumos tas pārvietosies apgabalā starp 0.62V..0.7V. Piespiežot sprieguma maiņu uz pamatnes, radīsies dramatiskas kolektora strāvas izmaiņas, jo šī atkarība seko eksponenciālai līknei.

2. darbība. Elektroniskā 2. daļa: Pastiprinātāja pirmā posma projektēšana

Tagad mēs esam ceļā. Lai pārveidotu modulēto gaismu skaņā, mums ir nepieciešams fototransistors. Fototranzistors ļoti atgādina iepriekšējā posma standarta NPN-tranzistoru. Bet tas spēj arī ne tikai mainīt kolektora strāvu, kontrolējot bāzes strāvu. Turklāt kolektora strāva ir atkarīga no gaismas. Daudz gaismas, daudz mazāk gaismas. Tas ir tik vienkārši.

Barošanas avota norādīšana

Projektējot aparatūru, pirmā lieta, ko es daru, ir pārdomāt barošanas avotu, jo tas ietekmē VISU jūsu ķēdē. 1, 5 V akumulatora izmantošana būtu slikta ideja, jo, kā jūs uzzinājāt 1. solī, tranzistora UBE ir aptuveni 0, 65 V un tādējādi jau pusceļā līdz 1, 5 V. Mums vajadzētu nodrošināt lielāku rezervi. Man patīk 9V baterijas. Tie ir lēti un viegli lietojami, un tie neaizņem daudz vietas. Tātad, iesim ar 9V. UB = 9V

Kolektora strāvas norādīšana

Tas ir arī izšķiroši un ietekmē visu. Tam nevajadzētu būt pārāk mazam, jo tad tranzistors kļūst nestabils un signāla troksnis palielinās. Tas nedrīkst būt arī pārāk augsts, jo tranzistoram vienmēr ir tukšgaitas strāva un spriegums, un tas nozīmē, ka tas patērē enerģiju, kas tiek pārvērsta siltumā. Pārāk liela strāva iztukšo baterijas un karstuma dēļ var nogalināt tranzistoru. Savās lietojumprogrammās es vienmēr turu kolektora strāvu starp 1… 5 mA. Mūsu gadījumā iesim ar 2mA. IC = 2 mA.

Notīriet barošanas avotu

Ja plānojat pastiprinātāja posmus, vienmēr ir ieteicams uzturēt tīru līdzstrāvas barošanas avotu. Barošanas avots bieži rada troksni un dārdu pat tad, ja izmantojat akumulatoru. Tas ir tāpēc, ka parasti pie barošanas sliedes ir pievienots saprātīgs kabeļa garums, kas var darboties kā antena visam bagātīgajam strūklas troksnim. Parasti es vadu barošanas strāvu caur nelielu rezistoru un beigās nodrošinu tauku polarizētu kondensatoru. Tas saīsina visus maiņstrāvas signālus pret zemi. Attēlā rezistors ir R1, un kondensators ir C1. Mums vajadzētu saglabāt rezistoru mazu, jo tā radītais sprieguma kritums ierobežo mūsu produkciju. Tagad es varu izmantot savu pieredzi un teikt, ka 1 V sprieguma kritums ir pieļaujams, ja strādājat ar 9 V barošanas avotu. UF = 1V.

Tagad mums ir nedaudz jāparedz savas domas. Jūs redzēsit vēlāk, ka mēs pievienosim otru tranzistora pakāpi, kurai arī ir jātīra tīra barošanas strāva. Tātad strāvas daudzums, kas plūst caur R1, tiek dubultots. Sprieguma kritums R1 ir R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 omi. Jūs nekad nesaņemsiet tieši tādu rezistoru, kādu vēlaties, jo tie tiek ražoti noteiktos vērtību intervālos. Tuvākais mūsu vērtībai ir 270 omi, un mums ar to viss būs kārtībā. R1 = 270 omi.

Tad mēs izvēlamies C1 = 220uF. Tas dod stūra frekvenci 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Nedomājiet par to pārāk daudz. Stūra frekvence ir tā, kur filtrs sāk nomākt maiņstrāvas signālus. Līdz 2, 7Hz viss tiks cauri vairāk vai mazāk vājinātam. Pārsniedzot 2, 7 Hz signāli tiek aizvien vairāk nomākti. Pirmās kārtas zemas caurlaidības filtra vājināšanos raksturo A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Mūsu tuvākais ienaidnieks traucējumu ziņā ir 50 Hz elektrolīnijas hum. Tātad pielietosim f = 50, un mēs iegūsim A = 0, 053. Tas nozīmē, ka tikai 5, 3% trokšņa nokļūs caur filtru. Tam vajadzētu pietikt mūsu vajadzībām.

Kolektora sprieguma novirzes norādīšana

Neobjektivitāte ir punkts, kurā jūs ievietojat tranzistoru, kad tas ir gaidīšanas režīmā. Tas nosaka tā strāvas un spriegumus, ja nav ieejas signāla, ko pastiprināt. Šī novirzes tīra specifikācija ir būtiska, jo, piemēram, kolektora sprieguma novirze norāda punktu, kurā signāls mainīsies, kad tranzistors darbojas. Kļūdains šī punkta izvietojums radīs izkropļotu signālu, kad izejas šūpošanās atsitīsies pret zemi vai barošanas avotu. Šīs ir absolūtās robežas, kuras tranzistors nevar pārvarēt! Parasti izejas sprieguma slīpumu ieteicams novietot vidū starp zemi un UB pie UB/2, mūsu gadījumā (UB-UF)/2 = 4V. Bet kādu iemeslu dēļ jūs vēlāk sapratīsit, ka es vēlos to nedaudz pazemināt. Pirmkārt, mums nav vajadzīgas lielas izejas svārstības, jo pat pēc pastiprināšanas šajā pirmajā posmā mūsu signāls būs milivoltu diapazonā. Otrkārt, zemāks slīpums būs labāks šādam tranzistora posmam, kā redzēsit. Tātad pieņemsim novirzi uz 3V. UA = 3V.

Aprēķiniet kolektora rezistoru

Tagad mēs varam aprēķināt pārējās sastāvdaļas. Jūs redzēsit, vai kolektora strāva plūst caur R2, mēs saņemsim sprieguma kritumu, kas nāk no UB. Tā kā UA = UB-UF-IC*R1, mēs varam iegūt R1 un iegūt R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Atkal mēs izvēlamies nākamo normas vērtību un ņemam R1 = 2, 7K omi.

Aprēķiniet bāzes rezistoru

R3 aprēķināšanai mēs varam iegūt vienkāršu vienādojumu. Spriegums starp R3 ir UA-UBE. Tagad mums jāzina bāzes strāva. Es jums teicu līdzstrāvas pieaugumu B = IC/IB, tātad IB = IC/B, bet kāda ir B vērtība? Diemžēl es izmantoju fototransistoru no pārpalikuma iepakojuma, un uz komponentiem nav atbilstoša marķējuma. Tāpēc mums jāizmanto fantāzija. Fototransistoriem nav tik daudz pastiprinājumu. Tie ir vairāk paredzēti ātrumam. Kamēr parastā tranzistora līdzstrāvas pieaugums var sasniegt 800, fototransistora B koeficients var būt no 200..400. Tātad, iesim ar B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352 K omi. Tas ir gandrīz 360 K omi. Diemžēl manā kastē nav šīs vērtības, tāpēc es sērijveidā izmantoju 240K+100K. R3 = 340K omi.

Jūs varat sev pajautāt, kāpēc mēs novadām bāzes strāvu no kolektora, nevis no UB. Ļaujiet man jums to pateikt. Tranzistora neobjektivitāte ir trausla lieta, jo tranzistors ir pakļauts ražošanas pielaidēm, kā arī smagai atkarībai no temperatūras. Tas nozīmē, ka, ja jūs nobīdīsit tranzistoru tieši no UB, tas, iespējams, drīz novirzīsies. Lai tiktu galā ar šo problēmu, aparatūras dizaineri izmanto metodi, ko sauc par “negatīvu atgriezenisko saiti”. Vēlreiz apskatiet mūsu ķēdi. Bāzes strāva nāk no kolektora sprieguma. Tagad iedomājieties, ka tranzistors kļūst siltāks un tā B vērtība paaugstinās. Tas nozīmē, ka plūst vairāk kolektora strāvas un UA samazinās. Bet mazāks UA nozīmē arī mazāku IB un spriegums UA atkal nedaudz palielinās. Samazinoties B, jums ir tāds pats efekts otrādi. Tas ir REGULĀCIJA! Tas nozīmē, ka ar gudru vadu palīdzību mēs varam ierobežot tranzistora novirzi. Arī nākamajā posmā jūs redzēsit vēl vienu negatīvu atgriezenisko saiti. Starp citu, negatīvas atsauksmes parasti samazina arī skatuves pastiprinājumu, taču ir līdzekļi, kā pārvarēt šo problēmu.

3. darbība. Elektroniskā 3. daļa: otrā posma projektēšana

Es veicu dažus testus, savā viedtālrunī piemērojot gaismas skaņas signālu no iepriekš pastiprinātās stadijas. Tas bija iepriecinoši, bet es domāju, ka nedaudz vairāk pastiprinājuma būtu labāks. Es novērtēju, ka, veicot papildu faktoru 5, vajadzētu paveikt šo darbu. Tātad, mēs ejam ar otro posmu! Parasti mēs atkal uzstādītu tranzistoru otrajā posmā ar savu neobjektivitāti un caur kondensatoru tajā ievadītu iepriekš pastiprināto signālu. Atcerieties, ka kondensatori neizlaiž līdzstrāvu. Var paiet tikai maiņstrāvas signāls. Tādā veidā jūs varat novirzīt signālu pa posmiem, un katra posma novirze netiks ietekmēta. Bet padarīsim lietas mazliet interesantākas un mēģināsim saglabāt dažas sastāvdaļas, jo mēs vēlamies, lai ierīce būtu maza un ērta. Mēs izmantosim 1. posma izejas slīpumu tranzistora novirzīšanai 2. posmā!

Emitētāja rezistora R5 aprēķināšana

Šajā posmā mūsu NPN-tranzistors kļūst tieši neobjektīvs no iepriekšējā posma. Shēmas shēmā redzam, ka UE = UBE + ICxR5. Tā kā UE = UA no iepriekšējā posma, mēs varam iegūt R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K omi. Mēs to padarām par 1, 2K omu, kas ir tuvākā normas vērtība. R5 = 1, 2K omi.

Šeit jūs varat redzēt cita veida atsauksmes. Pieņemsim, ka, kamēr UE paliek nemainīga, tranzistora B vērtība palielinās temperatūras dēļ. Tātad mēs iegūstam lielāku strāvu caur kolektoru un emitētāju. Bet lielāka strāva caur R5 nozīmē lielāku spriegumu visā R5. Tā kā UBE = UE - IC*R5, IC pieaugums nozīmē UBE samazināšanos un līdz ar to atkal IC samazināšanos. Arī šeit mums ir regulējums, kas palīdz mums saglabāt aizspriedumus stabilus.

Aprēķinot kolektora rezistoru R4

Tagad mums vajadzētu sekot līdzi mūsu kolektora signāla UA izejas svārstībām. Apakšējā robeža ir emitētāja novirze 3V-0, 65V = 2, 35V. Augšējā robeža ir spriegums UB-UB = 9V-1V = 8V. Mēs savās kolekcionāru novirzēsim tieši vidū. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Tagad ir viegli aprēķināt R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K omi. Mēs padarām to R4 = 1, 5K omi.

Kā ar pastiprinājumu?

Tātad, kā ir ar pastiprinājuma 5. faktoru, kuru mēs vēlamies iegūt? Ac-signālu sprieguma pastiprināšana stadijā, kā jūs to redzat, ir aprakstīta ļoti vienkāršā formulā. Vu = R4/R5. Diezgan vienkārši vai? Tas ir tranzistora pastiprinājums ar negatīvu atgriezenisko saiti pār emitera rezistoru. Atcerieties, ka es jums teicu, ka negatīvas atsauksmes ietekmē arī pastiprinājumu, ja jūs pret to nelietojat atbilstošus līdzekļus.

Ja mēs aprēķinām pastiprinājumu ar izvēlētajām R4 un R5 vērtībām, mēs iegūstam V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, tas ir diezgan tālu no 5. Tātad, ko mēs varam darīt? Vispirms mēs redzam, ka mēs nevaram neko darīt ar R4. To nosaka izejas novirze un sprieguma ierobežojumi. Kā ar R5? Aprēķināsim R5 vērtību, ja tai būtu pastiprinājums 5. Tas ir vienkārši, jo Vu = R4/R5 tas nozīmē, ka R5 = R4/Vu = 1.5K omi/5 = 300 omi. Labi, tas ir labi, bet, ja mēs savā ķēdē ievietotu 300 omus 1,2 K vietā, mūsu aizspriedumi kļūtu pieskrūvēti. Tāpēc mums ir jāliek abi, 1,2K omi līdzstrāvas neobjektivitātei un 300 omi maiņstrāvas negatīvajai atgriezeniskajai saitei. Apskatiet otro attēlu. Jūs redzēsit, ka es sadalīju 1, 2K omu rezistoru 220 omos un 1 K omu virknē. Turklāt es izvēlējos 220 omus, jo man nebija 300 omu rezistora. 1K apiet arī tauku polarizēts kondensators. Ko tas nozīmē? Nu līdzstrāvas aizspriedumiem, kas nozīmē, ka negatīvā atgriezeniskā saite "redz" 1, 2K omi, jo līdzstrāva var neiziet cauri kondensatoram, tāpēc līdzstrāvas aizspriedumiem C3 vienkārši nepastāv! No otras puses, maiņstrāvas signāls "redz" 220 omus, jo katrs maiņstrāvas sprieguma kritums visā R6 ir īssavienojums ar zemi. Nav sprieguma krituma, nav atgriezeniskās saites. Tikai 220 omi paliek negatīvām atsauksmēm. Diezgan gudrs, vai ne?

Lai tas darbotos pareizi, jums jāizvēlas C3, lai tā pretestība būtu daudz zemāka nekā R3. Laba vērtība ir 10% no R3 zemākajai iespējamai darba frekvencei. Pieņemsim, ka mūsu zemākā frekvence ir 30 Hz. Kondensatora pretestība ir Xc = 1/(2*PI*f*C3). Ja mēs iegūstam C3 un ievietojam R3 frekvenci un vērtību, mēs iegūstam C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Lai atbilstu tuvākajai normas vērtībai, padarīsim to par C3 = 47uF.

Tagad skatiet pabeigto shēmu pēdējā attēlā. Mēs esam pabeiguši!

4. solis: mehānikas izgatavošana 1. daļa: materiālu saraksts

Ierīces izgatavošanai es izmantoju šādas sastāvdaļas:

• Visas elektroniskās sastāvdaļas no shēmas
• Standarta plastmasas korpuss 80 x 60 x 22 mm ar iebūvētu nodalījumu 9V baterijām
• 9V akumulatora skava
• 1 m 4pol audio kabelis ar 3,5 mm ligzdu
• 3pol. stereo ligzda 3,5 mm
• slēdzis
• perforatora gabals
• 9V akumulators
• lodēt
• 2 mm vara stieple 0, 25 mm izolēta stieptā stieple

Jāizmanto šādi rīki:

• Lodāmurs
• Elektriskais urbis
• Digitālais multimetrs
• apaļš rapsis

5. solis: mehānikas izgatavošana: 2. daļa

Novietojiet slēdzi un 3,5 mm kontaktligzdu

Izmantojiet raspi, lai vīlētu divos caurumos abās apvalka daļās (augšējā un apakšējā). Padariet atveri pietiekami platu, lai slēdzis tajā ievietotos. Tagad dariet to pašu ar 3,5 mm ligzdu. Kontaktligzda tiks izmantota ausu aizbāžņu savienošanai. Audio izejas no 4pol. ligzda tiks novirzīta uz 3,5 mm ligzdu.

Izveidojiet caurumus kabelim un fototranzistoram

Izurbiet 3 mm caurumu priekšpusē un superlīmējiet tajā fototransistoru tā, lai tā spailes iet caur caurumu. Vienā pusē urbiet vēl 2 mm diametra caurumu. Caur to izies audio kabelis ar 4 mm ligzdu.

Lodēt elektronisko

Tagad lodējiet elektroniskos komponentus uz plātnes un pievienojiet to audio kabelim un 3,5 mm ligzdai, kā parādīts shēmā. Orientēšanās nolūkos apskatiet attēlus, kuros redzami signālu kontakti ligzdās. Izmantojiet savu DMM, lai redzētu, kurš signāls no ligzdas nāk uz kura stieples, lai to identificētu.

Kad viss ir pabeigts, ieslēdziet ierīci un pārbaudiet, vai tranzistoru sprieguma izejas ir vairāk vai mazāk aprēķinātajā diapazonā. Ja nē, mēģiniet pielāgot R3 pastiprinātāja pirmajā posmā. Tā, iespējams, būs problēma, pateicoties tranzistoru plaši izplatītajām pielaidēm, iespējams, būs jāpielāgo tā vērtība.

6. darbība: pārbaude

Pirms dažiem gadiem es uzbūvēju sarežģītāku šāda veida ierīci (skat. Video). Kopš šī laika es savācu virkni skaņas paraugu, kurus vēlos jums parādīt. Lielāko daļu no tiem es savācu, braucot ar savu automašīnu, un novietoju fototransistoru aiz sava priekšējā stikla.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Šī ir ārēja LED displeja skaņa garāmbraucošajā autobusā
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Automašīnas mirgošana
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Automašīnas lukturis
• "Neonreklame.mp3" neona gaismas
• "Schwebung.mp3" Divu traucējošu automašīnu lukturu sitiens
• "Sound_Florescent_Lamp.mp3" CFL skaņa
• "Sound_oscilloscope.mp3" Mana osciloskopa ekrāna skaņa ar dažādiem laika iestatījumiem
• "Sound-PC Monitor.mp3" Mana datora monitora skaņa
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Ielu apgaismojums
• "Was_ist_das_1.mp3" Vāja un dīvaina citplanētiešiem līdzīga skaņa, kuru es kaut kur noķēru, braucot manā automašīnā

Es ceru, ka es varētu saslapināt jūsu apetīti, un jūs turpināsit patstāvīgi izpētīt jauno gaismas skaņu pasauli!