LightSound: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

S elektronikom sam se petljao od svoje desete godine. Moj otac, radiotehničar, naučio me osnovama i načinu korištenja lemilice. Dugujem mu puno. Jedan od mojih prvih sklopova bilo je audio pojačalo s mikrofonom i neko sam vrijeme volio čuti svoj glas kroz spojeni zvučnik ili zvukove izvana kad sam objesio mikrofon kroz prozor. Jednog dana moj je otac došao sa zavojnicom koju je skinuo sa starog transformatora i rekao: "Spoji ovo umjesto svog mikrofona". Uspio sam to i ovo je bio jedan od najnevjerojatnijih trenutaka u mom životu. Odjednom sam čuo čudne zvukove pjevušenja, šuštanje, oštro elektronsko zujanje i neke zvukove koji su nalikovali iskrivljenim ljudskim glasovima. Bilo je to poput ronjenja u skrivenom svijetu koji mi je ležao pred samim ušima, što do sada nisam mogao prepoznati. Tehnički u tome nije bilo ništa čarobno. Zavojnica je pokupila elektromagnetski šum koji dolazi iz svih vrsta kućanskih uređaja, hladnjaka, perilica rublja, električnih bušilica, televizora, radija, ulične rasvjete a.s.o. Ali iskustvo mi je bilo presudno. Bilo je nešto oko mene što nisam mogao opaziti, ali s nekim elektroničkim mumbo-jumbo-om sam bio unutra!

Nekoliko godina kasnije ponovno sam razmislio o tome i pala mi je na pamet jedna ideja. Što bi se dogodilo da na pojačalo spojim fototranzistor? Bih li čuo i vibracije koje su mi oči bile previše lijene da ih prepoznaju? Uspio sam i opet je iskustvo bilo sjajno! Ljudsko oko je vrlo sofisticiran organ. Pruža najveću propusnost informacija od svih naših organa, no to dolazi s određenim troškovima. Sposobnost uočavanja promjena prilično je ograničena. Ako se vizualne informacije promijene više od 11 puta u sekundi, stvari postaju mutne. To je razlog zašto možemo gledati filmove u kinu ili na televizoru. Naše oči više ne mogu pratiti promjene i sve te pojedinačne fotografije stopljene su u jedan kontinuirani pokret. Ali ako promijenimo svjetlo u zvuk, naše bi uši mogle savršeno opaziti te oscilacije do nekoliko tisuća oscilacija u sekundi!

Osmislio sam malu elektroniku kako bih svoj pametni telefon pretvorio u svjetlosni prijemnik, dajući mi i mogućnost snimanja tih zvukova. Budući da je elektronika vrlo jednostavna, želim vam na ovom primjeru pokazati osnove elektroničkog dizajna. Pa ćemo zaroniti prilično duboko u tranzistore, otpornike i kondenzatore. Ali ne brinite, matematiku ću pojednostaviti!

Korak 1: Elektronički dio 1: Što je tranzistor?

Evo kratkog i neprljavog uvoda u bipolarne tranzistore. Postoje dvije njihove različite vrste. Jedan se zove NPN i ovo je onaj koji možete vidjeti na slici. Drugi tip je PNP i ovdje nećemo o tome. Razlika je samo stvar trenutnog i naponskog polariteta, a ne daljnji interes.

NPN-tranzistor je elektronička komponenta koja pojačava struju. U osnovi imate tri terminala. Jedan je uvijek utemeljen. Na našoj slici se naziva "emitirač". Zatim imate "bazu", koja je lijeva i "Sakupljač" koja je gornja. Svaka struja koja ide u bazu IB uzrokovat će pojačanu struju koja pluta kroz IC kolektora i ide kroz odašiljač natrag u zemlju. Struja se mora pokretati iz vanjskog izvora napona UB. Odnos pojačane struje IC i osnovne struje IB je IC/IB = B. B se naziva dobitak istosmjerne struje. Ovisi o temperaturi i načinu postavljanja tranzistora u krug. Nadalje, sklon je ozbiljnim tolerancijama proizvodnje, pa nema smisla računati s fiksnim vrijednostima. Uvijek imajte na umu da se trenutni dobitak može jako proširiti. Osim B, postoji još jedna vrijednost pod nazivom "beta". Wile B karakterizira pojačanje istosmjernog signala, beta čini isto za AC-signale. U pravilu se B i beta ne razlikuju mnogo.

Zajedno s ulaznom strujom tranzistor ima i ulazni napon. Ograničenja napona su vrlo uska. U normalnim primjenama kretat će se u području između 0,62V..0,7V. Prisilno mijenjanje napona na bazi rezultirat će dramatičnim promjenama struje kolektora jer ta ovisnost slijedi eksponencijalnu krivulju.

Korak 2: Elektronički dio 2: Projektiranje prve faze pojačala

Sad smo na putu. Za pretvaranje modulirane svjetlosti u zvuk potreban nam je fototranzistor. Fototranzistor jako podsjeća na standardni NPN-tranzistor iz prethodnog koraka. Ali također je sposoban ne samo mijenjati kolektorsku struju kontrolirajući osnovnu struju. Osim toga, struja kolektora ovisi o svjetlosti. Puno svjetla mnogo struje, manje svjetla manje struje. To je tako jednostavno.

Određivanje izvora napajanja

Prilikom projektiranja hardvera prvo što moram učiniti je odlučiti se o napajanju jer to utječe na SVE u vašem krugu. Korištenje baterije od 1, 5 V bila bi loša ideja jer je, kao što ste naučili u prvom koraku, UBE tranzistora oko 0, 65 V, pa je tako već na pola puta do 1, 5 V. Trebali bismo osigurati veću rezervu. Volim 9V baterije. Jeftini su i laki za rukovanje i ne zauzimaju puno prostora. Pa idemo s 9V. UB = 9V

Određivanje kolektorske struje

Ovo je također ključno i utječe na sve. Ne bi trebao biti premalen jer tada tranzistor postaje nestabilan i šum signala raste. Također ne smije biti previsok jer tranzistor uvijek ima struju u praznom hodu i napon, a to znači da troši energiju koja se pretvara u toplinu. Previše struje troši baterije i može uzrokovati smrt tranzistora zbog topline. U svojim aplikacijama uvijek držim kolektorsku struju između 1… 5mA. U našem slučaju idemo s 2mA. IC = 2mA.

Očistite napajanje

Ako projektirate stupnjeve pojačala, uvijek je dobro održavati istosmjerno napajanje čistim. Napajanje je često izvor buke i brujanja čak i ako koristite bateriju. To je zato što obično imate razumnu duljinu kabela spojenu na opskrbnu tračnicu koja može funkcionirati kao antena za sve bučno napajanje. Obično usmjeravam opskrbnu struju kroz mali otpornik i na kraju dajem polarizirani kondenzator. Prekida sve izmjenične signale o tlo. Na slici je otpornik R1, a kondenzator je C1. Otpornik bismo trebali držati malim jer pad napona koji generira ograničava naš izlaz. Sada mogu dodati svoje iskustvo i reći da je pad napona od 1 V prihvatljiv ako radite s napajanjem od 9 V. UF = 1V.

Sada moramo malo predvidjeti svoje misli. Vidjet ćete kasnije da ćemo dodati drugi stupanj tranzistora koji također treba očistiti napajanje. Tako se količina struje koja teče kroz R1 udvostručuje. Pad napona na R1 je R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohma. Nikada nećete dobiti baš onaj otpornik koji želite jer se proizvode u određenim vrijednosnim intervalima. Najbliži našoj vrijednosti je 270 Ohma i s tim ćemo biti u redu. R1 = 270 Ohma.

Zatim odaberemo C1 = 220uF. To daje kutnu frekvenciju 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Ne razmišljajte previše o ovome. Ugaona frekvencija je ona u kojoj filter počinje potiskivati izmjenične signale. Do 2, 7Hz sve će proći manje -više bez slabljenja. Iznad 2, 7Hz signali se sve više potiskuju. Slabljenje niskopropusnog filtera prvog reda opisano je sa A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Naš najbliži neprijatelj u smislu smetnji je brujanje dalekovoda od 50Hz. Primijenimo f = 50 i dobivamo A = 0, 053. To znači da će samo 5,3% šuma proći kroz filter. Trebalo bi biti dovoljno za naše potrebe.

Određivanje pristranosti napona kolektora

Pristranost je točka u koju stavljate tranzistor dok je u stanju mirovanja. Ovo određuje njegove struje i napone kada nema ulaznog signala za pojačanje. Čista specifikacija ove pristranosti temeljna je jer, na primjer, prednapon napona na kolektoru određuje točku u kojoj će se signal njihati dok tranzistor radi. Pogrešno postavljanje ove točke rezultirat će iskrivljenim signalom kada izlazni zamah udari u tlo ili u izvor napajanja. Ovo su apsolutna ograničenja koja tranzistor ne može prijeći! Normalno je dobra prednapon izlaznog napona staviti u sredinu između tla i UB na UB/2, u našem slučaju (UB-UF)/2 = 4V. Ali iz nekog ćete razloga kasnije razumjeti da to želim spustiti malo niže. Prvo nam ne treba veliki izlazni zamah jer će i nakon pojačanja u ovoj prvoj fazi naš signal biti u rasponu milivolti. Drugo, niža predrasuda bit će bolja za sljedeću fazu tranzistora, kao što ćete vidjeti. Pa stavimo pristranost na 3V. UA = 3V.

Izračunajte otpornik kolektora

Sada možemo izračunati ostale komponente. Vidjet ćete ako struja kolektora teče kroz R2, dobit ćemo pad napona koji dolazi iz UB. Budući da je UA = UB-UF-IC*R1, možemo izvući R1 i dobiti R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Opet odabiremo sljedeću vrijednost norme i uzimamo R1 = 2, 7K Ohm.

Izračunajte osnovni otpornik

Za izračun R3 možemo izvesti jednostavnu jednadžbu. Napon na R3 je UA-UBE. Sada moramo znati baznu struju. Rekao sam vam DC-strujni dobitak B = IC/IB, dakle IB = IC/B, ali kolika je vrijednost B? Nažalost, koristio sam fototranzistor iz viška pakiranja i nema odgovarajućih oznaka na komponentama. Zato moramo koristiti svoju maštu. Fototranzistori nemaju toliko pojačanje. Oni su više dizajnirani za brzinu. Dok pojačanje istosmjerne struje za normalni tranzistor može doseći 800, B-faktor fototranzistora može biti između 200..400. Pa idemo s B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohma. To je blizu 360K ohma. Nažalost, nemam tu vrijednost u kutiji pa sam umjesto toga koristila 240K+100K u seriji. R3 = 340K ohma.

Možda ćete se zapitati zašto baznu struju ispuštamo iz kolektora, a ne iz UB -a. Reći ću vam ovo. Pristranost tranzistora krhka je stvar jer je tranzistor sklon tolerancijama proizvodnje, kao i velikoj ovisnosti o temperaturi. To znači da ako svoj tranzistor izravnate s UB -a, vjerojatno će se uskoro udaljiti. Kako bi se nosili s tim problemom dizajneri hardvera koriste metodu koja se naziva "negativna povratna informacija". Ponovno pogledajte naš krug. Osnovna struja dolazi iz napona kolektora. Zamislite da tranzistor postaje topliji i njegova B vrijednost raste. To znači da više kolektorske struje teče i UA se smanjuje. No manji UA znači i manji IB, a napon UA opet će malo porasti. S smanjenjem B imate isti učinak i obrnuto. Ovo je PROPIS! To znači da pametnim ožičenjem možemo držati tranzistorsku pristranost u granicama. U sljedećoj ćete fazi vidjeti još jednu negativnu povratnu informaciju. Usput, negativna povratna sprega obično također smanjuje pojačanje pozornice, ali postoje načini za prevladavanje ovog problema.

Korak 3: Elektronički dio 3: Dizajniranje druge faze

Napravio sam neka testiranja primjenom svjetlosnog signala iz unaprijed pojačane faze u prethodnom koraku u svoj pametni telefon. Bilo je ohrabrujuće, ali mislio sam da bi malo više pojačanja bilo bolje. Procijenio sam da bi dodatno povećanje faktora 5 trebalo obaviti posao. Pa idemo s drugom fazom! Obično bismo ponovno postavili tranzistor u drugoj fazi s vlastitom pristranošću i u njega napajali pretpojačani signal iz prve faze putem kondenzatora. Zapamtite da kondenzatori ne propuštaju istosmjernu struju. Može proći samo ac-signal. Na ovaj način možete usmjeravati signal kroz stupnjeve i to neće utjecati na prednapon svake faze. No učinimo stvari malo zanimljivijima i pokušajmo spremiti neke komponente jer želimo uređaj držati malim i pri ruci. Koristit ćemo izlaznu pristranost stupnja 1 za pomicanje tranzistora u fazi 2!

Izračunavanje otpornika emitera R5

U ovoj fazi naš NPN-tranzistor postaje izravno pristran u odnosu na prethodnu fazu. Na shemi kola vidimo da je UE = UBE + ICxR5. Budući da je UE = UA iz prethodne faze možemo izdvojiti R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Učinimo to 1,22 Ohma što je najbliža vrijednost norme. R5 = 1,2K ohma.

Ovdje možete vidjeti drugu vrstu povratnih informacija. Recimo, dok UE ostaje konstantan, vrijednost B tranzistora raste zbog temperature. Tako dobivamo više struje kroz kolektor i odašiljač. Ali veća struja kroz R5 znači veći napon na R5. Budući da je UBE = UE - IC*R5, povećanje IC znači smanjenje UBE, a time i ponovno smanjenje IC. Ovdje opet imamo propise koji nam pomažu zadržati pristranost stabilnom.

Proračun otpornika kolektora R4

Sada bismo trebali pripaziti na izlazni zamah našeg kolektorskog signala UA. Donja granica je pristranost emitera od 3V-0, 65V = 2, 35V. Gornja granica je napon UB-UB = 9V-1V = 8V. Našu pristranost kolektora stavit ćemo točno u sredinu. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Sada je lako izračunati R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Neka bude R4 = 1, 5K Ohm.

Što je s pojačanjem?

Što je s faktorom 5 pojačanja koji želimo dobiti? Pojačanje napona izmjeničnih signala u fazi kao što vidite je opisano u vrlo jednostavnoj formuli. Vu = R4/R5. Prilično jednostavno ha? Ovo je pojačanje tranzistora s negativnom povratnom spregom preko otpornika emitera. Upamtite da sam vam rekao da negativne povratne informacije utječu i na pojačanje ako protiv toga ne poduzimate odgovarajuća sredstva.

Izračunamo li pojačanje s odabranim vrijednostima R4 i R5 dobivamo V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, to je prilično daleko od 5. Dakle, što možemo učiniti? Pa, prvo vidimo da ne možemo ništa učiniti s R4. Fiksira se izlaznom pristranošću i naponskim ograničenjima. Što je s R5? Izračunajmo vrijednost koju bi R5 trebao imati da imamo pojačanje 5. To je lako, jer Vu = R4/R5 to znači da je R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, to je u redu, ali ako bismo stavili 300 Ohma umjesto 1.2K u naš krug, naša bi pristranost bila zeznuta. Dakle, moramo staviti oboje, 1,2K Ohm za istosmjernu struju i 300 Ohma za izmjeničnu negativnu povratnu vezu. Pogledajte drugu sliku. Vidjet ćete da sam 1, 2K ohmski otpornik podijelio u 220 ohma i 1 ohma u nizu. Osim toga, odabrao sam 220 ohma jer nisam imao otpornik od 300 ohma. 1K također zaobilazi polarizirani masni kondenzator. Što to znači? Pa za DC pristranost to znači da negativna povratna informacija "vidi" 1, 2K Ohm jer dc možda neće proći kroz kondenzator, pa za DC pristranost C3 jednostavno ne postoji! S druge strane, izmjenični signal samo "vidi" 220 ohma jer svaki pad izmjeničnog napona na R6 ima kratki spoj na masu. Nema pada napona, nema povratnih informacija. Samo 220 ohma ostaje za negativne povratne informacije. Baš pametno, ha?

Da biste pravilno funkcionirali, morate odabrati C3 tako da impedancija bude znatno niža od R3. Dobra vrijednost je 10% R3 za najnižu moguću radnu frekvenciju. Recimo da nam je najniža frekvencija 30 Hz. Impedancija kondenzatora je Xc = 1/(2*PI*f*C3). Ako izdvojimo C3 i stavimo frekvenciju i vrijednost R3 dobivamo C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Da odgovara najbližoj normi, neka bude C3 = 47uF.

Sada pogledajte dovršenu shemu na posljednjoj slici. Gotovi smo!

Korak 4: Izrada mehanike 1. dio: Popis materijala

Za izradu uređaja koristio sam sljedeće komponente:

• Sve elektroničke komponente iz sheme
• Standardno plastično kućište 80 x 60 x 22 mm s ugrađenim pretincem za 9V baterije
• Spona za bateriju od 9V
• 1m 4pol audio kabel s utičnicom 3,5 mm
• 3pol. stereo utičnica 3,5 mm
• prekidač
• komad perfarda
• 9V baterija
• lem
• 2 mm bakrena žica 0,25 mm izolirana napeta žica

Treba koristiti sljedeće alate:

• Lemilica
• Električna bušilica
• Digitalni multimetar
• okrugla rašpa

Korak 5: Izrada mehanike: 2. dio

Postavite prekidač i utičnicu od 3,5 mm

Upotrijebite rašpu za turpijanje u dvije polu-rupe na oba dijela kućišta (gornji i donji). Učinite rupu dovoljno širokom da se prekidač uklopi. Sada učinite isto s utičnicom od 3,5 mm. Utičnica će se koristiti za spajanje čepova za uši. Audio izlazi iz 4pol. utičnica će biti usmjerena na utičnicu od 3,5 mm.

Napravite rupe za kabel i fototransistor

Izbušite rupu od 3 mm na prednjoj strani i super-zalijepite fototranzistor u njega tako da njegovi priključci prolaze kroz rupu. Izbušite još jednu rupu promjera 2 mm s jedne strane. Audio kabel s utičnicom od 4 mm će prolaziti kroz njega.

Lemiti elektroniku

Sada lemite elektroničke komponente na ploču i povežite ih s audio kabelom i utičnicom od 3,5 mm kao što je prikazano na shemi. Za orijentaciju pogledajte slike koje prikazuju signale na priključnicama. Pomoću svog DMM -a provjerite koji signal iz utičnice izlazi na koju žicu kako biste ga identificirali.

Kad sve završi, uključite uređaj i provjerite jesu li izlazi napona na tranzistorima više ili manje u izračunatom rasponu. Ako ne pokušate namjestiti R3 u prvoj fazi pojačala. Vjerojatno će to biti problem zbog raširenih tolerancija tranzistora koje ćete možda morati prilagoditi.

Korak 6: Testiranje

Izgradio sam sofisticiraniji uređaj ove vrste prije nekoliko godina (vidi video). Od tada sam prikupio hrpu zvučnih uzoraka koje vam želim pokazati. Većinu sam sakupio dok sam se vozio u automobilu i postavio fototranzistor iza vjetrobrana.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Ovo je zvuk vanjskog LED-zaslona na autobusu koji prolazi
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Treptač automobila
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Prednje svjetlo automobila
• "Neonreklame.mp3" neonska svjetla
• "Schwebung.mp3" Takt dva ometajuća svjetla automobila
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Zvuk CFL -a
• "Sound_oscilloscope.mp3" Zvuk zaslona mog osciloskopa s različitim postavkama vremena
• "Sound-PC Monitor.mp3" Zvuk mog PC-monitora
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Ulična svjetla
• "Was_ist_das_1.mp3" Slab i čudan zvuk nalik vanzemaljcima koji sam uhvatio negdje kako se vozika u svom autu

Nadam se da bih vam mogao ublažiti apetit, a vi ćete sada sami krenuti u istraživanje novog svijeta svjetla!