LightSound: 6 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

Sedert ek tien jaar oud was, het ek met elektronika gepeuter. My pa, 'n radiotegnikus, het my die basiese beginsels geleer en hoe om 'n soldeerbout te gebruik. Ek skuld hom baie. Een van my eerste stroombane was 'n klankversterker met 'n mikrofoon, en ek was 'n rukkie lief daarvoor om my stem deur die gekoppelde luidspreker of geluide van buite te hoor toe ek die mikrofoon by my venster hang. Op 'n dag kom my pa met 'n spoel wat hy uit 'n ou transformator verwyder het, en hy sê: 'Koppel dit in plaas van u mikrofoon'. Ek het dit gedoen en dit was een van die wonderlikste oomblikke in my lewe. Skielik hoor ek vreemde bromgeluide, sisgeluide, skerp elektroniese gons en 'n paar geluide wat lyk soos verwronge stemme van mense. Dit was soos om te duik in 'n verborge wêreld wat voor my ore lê, wat ek tot op hierdie oomblik nie kon herken nie. Tegnies was daar niks magies daaraan nie. Die spoel haal elektromagnetiese geraas op uit allerhande huishoudelike toestelle, yskaste, wasmasjiene, elektriese bore, TV-stelle, radio's, straatligte, ens. Maar die ervaring was vir my deurslaggewend. Daar was iets om my wat ek nie kon waarneem nie, maar met 'n elektroniese mumbo-jumbo was ek daarin!

'N Paar jaar later het ek weer daaraan gedink en 'n idee het by my opgekom. Wat sal gebeur as ek 'n fototransistor aan die versterker koppel? Sou ek ook trillings hoor wat my oë te lui was om te herken? Ek het dit gedoen en weer was die ervaring ongelooflik! Die menslike oog is 'n baie gesofistikeerde orgaan. Dit bied die grootste inligtingsbandwydte van al ons organe, maar dit hou 'n paar koste in. Die vermoë om veranderinge waar te neem is redelik beperk. As die visuele inligting meer as 11 keer per sekonde verander, begin dinge vaag word. Dit is die rede waarom ons films in die bioskoop of op ons TV kan kyk. Ons oë kan nie meer die veranderinge volg nie en al die enkele stilstaande foto's word saamgesmelt tot een deurlopende beweging. Maar as ons lig in klank verander, kan ons ore daardie ossillasies perfek tot duisende ossillasies per sekonde waarneem!

Ek het 'n bietjie elektronies bedink om van my slimfoon 'n ligte ontvanger te maak, wat my ook die geluid kon opneem. Omdat die elektronika baie eenvoudig is, wil ek u die basiese beginsels van elektroniese ontwerp in hierdie voorbeeld wys. Ons duik dus redelik diep in transistors, weerstande en kapasitors. Maar moenie bekommerd wees nie, ek hou die wiskunde eenvoudig!

Stap 1: Elektroniese deel 1: Wat is 'n transistor?

Hier is u vinnige en nie-vuil inleiding tot bipolêre transistors. Daar is twee verskillende soorte daarvan. Die een het die naam NPN en dit is die een wat u op die foto kan sien. Die ander tipe is PNP en ons sal hier nie daaroor praat nie. Die verskil is net 'n kwessie van stroom- en spanningspolariteit en nie van verdere belang nie.

'N NPN-transistor is 'n elektroniese komponent wat stroom versterk. U het basies drie terminale. 'N Mens is altyd gegrond. In ons prentjie word dit die 'emitter' genoem. Dan het u die 'basis', wat die linkerkant is en die 'versamelaar', wat die boonste is. Enige stroom wat in die basis IB ingaan, veroorsaak dat 'n versterkte stroom deur die kollektor -IC dryf en deur die emitter terug in die grond gaan. Die stroom moet van 'n eksterne spanningsbron UB aangedryf word. Die verhouding van die versterkte stroom IC en die basisstroom IB is IC/IB = B. B word die gelykstroomstroomversterking genoem. Dit hang af van die temperatuur en hoe u u transistor in u stroombaan instel. Boonop is dit geneig tot ernstige produksietoleransies, dus dit is nie baie sinvol om met vaste waardes te bereken nie. Hou altyd in gedagte dat die huidige wins baie kan versprei. Afgesien van B, is daar 'n ander waarde met die naam "beta". Wile B kenmerk die versterking van 'n GS-sein, beta doen dieselfde vir AC-seine. Normaalweg verskil B en beta nie veel nie.

Saam met die ingangsstroom het die transistor ook 'n ingangsspanning. Die beperkings van die spanning is baie nou. In normale toepassings beweeg dit in 'n gebied tussen 0.62V..0.7V. Om 'n spanningsverandering op die basis af te dwing, sal dramatiese veranderinge in die kollektorstroom tot gevolg hê omdat hierdie afhanklikheid 'n eksponensiële kromme volg.

Stap 2: Elektroniese deel 2: Ontwerp die eerste fase van die versterker

Nou is ons oppad. Om gemoduleerde lig in klank om te skakel, benodig ons 'n fototransistor. 'N Fototransistor lyk baie soos die standaard NPN-transistor van die vorige stap. Maar dit is ook in staat om nie net die kollektorstroom te verander deur die basisstroom te beheer nie. Boonop is die kollektorstroom afhanklik van lig. Baie lig-baie stroom, minder lig-minder stroom. Dit is so maklik.

Spesifiseer die kragtoevoer

As ek hardeware ontwerp, moet ek eers besluit oor die kragtoevoer, want dit beïnvloed ALLES in u kring. Dit sou 'n slegte idee wees om 'n 1, 5V -battery te gebruik, want soos u in stap 1 geleer het, is die UBE van 'n transistor ongeveer 0, 65V en dus reeds halfpad tot 1, 5V. Ons moet meer reserwe voorsien. Ek hou van 9V batterye. Hulle is goedkoop en maklik om te hanteer en verg nie veel ruimte nie. Laat ons dus gaan met 9V. UB = 9V

Spesifiseer die versamelaarstroom

Dit is ook van kardinale belang en raak alles. Dit moet nie te klein wees nie, want dan word die transistor onstabiel en neem die seingeluid toe. Dit moet ook nie te hoog wees nie, want die transistor het altyd 'n ledige stroom en 'n spanning, en dit beteken dat dit krag verbruik wat in hitte verander word. Te veel stroom laat die batterye leegloop en kan die transistor weens hitte doodmaak. In my toepassings hou ek altyd die kollektorstroom tussen 1 … 5mA. In ons geval, gaan ons met 2mA. IC = 2mA.

Maak jou kragtoevoer skoon

As u versterkerfases ontwerp, is dit altyd 'n goeie idee om u DC-kragtoevoer skoon te hou. Die kragtoevoer is dikwels 'n bron van geraas en neurie, selfs as u 'n battery gebruik. Dit is omdat u gewoonlik redelike kabellengtes aan die toevoerrail gekoppel het wat as 'n antenna kan werk vir die oorvloedige kragbrom. Normaalweg lei ek die voedingsstroom deur 'n klein weerstand en verskaf ek 'n vet gepolariseerde kondensator aan die einde. Dit kort alle AC-seine teen die grond af. Op die foto is die weerstand R1 en die kapasitor C1. Ons moet die weerstand klein hou omdat die spanningsval wat dit genereer ons uitset beperk. Nou kan ek my ervaring inslaan en sê dat 1V spanningsval duldbaar is as u met 9V -kragtoevoer werk. UF = 1V.

Nou moet ons 'n bietjie op ons gedagtes wag. U sal later sien dat ons 'n tweede transistortrap byvoeg wat ook die voorraadstroom skoon moet maak. Die hoeveelheid stroom wat deur R1 vloei, word dus verdubbel. Die spanningsval oor R1 is R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. U kry nooit presies die weerstand wat u wil hê nie, want dit word in sekere waardeintervalle geproduseer. Die naaste aan ons waarde is 270 ohm, en dit sal goed gaan met ons. R1 = 270 Ohm.

Dan kies ons C1 = 220uF. Dit gee 'n hoekfrekwensie van 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Moenie te veel hieroor dink nie. Die hoekfrekwensie is die een waar die filter ac-seine begin onderdruk. Tot 2, 7Hz sal alles min of meer onversadig deurkom. Behalwe 2, 7Hz word die seine meer en meer onderdruk. Die verswakking van 'n eerste-orde laagdeurlaatfilter word beskryf deur A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Ons naaste vyand wat interferensie betref, is die 50Hz kraglyn neurie. Laat ons dus f = 50 toepas en ons kry A = 0, 053. Dit beteken dat slegs 5, 3% van die geraas deur die filter sal kom. Moet genoeg wees vir ons behoeftes.

Spesifiseer die kollektorspanningsvooroordeel

Die vooroordeel is die punt waar u u transistor in die rustige modus plaas. Dit spesifiseer sy strome en spannings as daar geen ingangsein is om te versterk nie. 'N Skone spesifikasie van hierdie vooroordeel is fundamenteel, want die spanningsvooroordeel op die kollektor spesifiseer byvoorbeeld die punt waar die sein sal omdraai wanneer die transistor werk. As u hierdie punt verkeerdelik uiteensit, sal dit 'n verwronge sein veroorsaak as die uitsetswaai die grond tref of die kragtoevoer. Dit is die absolute perke wat die transistor nie kan oorkom nie! Normaalweg is dit in ons geval (UB-UF)/2 = 4V 'n goeie idee om die voorspanning van die uitgangsspanning in die middel tussen grond en UB by UB/2 te plaas. Maar om een of ander rede sal u later verstaan, ek wil dit 'n bietjie laer stel. Eerstens het ons nie 'n groot uitsetswaai nodig nie, want selfs na versterking in hierdie eerste fase sal ons sein in die reeks millivolt wees. Tweedens sal 'n laer vooroordeel beter vaar vir die volgende transistorstadium, soos u sal sien. Laat ons dus die vooroordeel op 3V plaas. UA = 3V.

Bereken die kollektorweerstand

Nou kan ons die res van die komponente bereken. U sal sien as 'n kollektorstroom deur R2 vloei, sal ons 'n spanningsval van UB kry. Omdat UA = UB-UF-IC*R1 ons R1 kan onttrek en R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K kry. Weereens kies ons die volgende normwaarde en neem ons R1 = 2, 7K Ohm.

Bereken die basisweerstand

Vir die berekening van R3 kan ons 'n eenvoudige vergelyking aflei. Die spanning oor R3 is UA-UBE. Nou moet ons die basisstroom ken. Ek het jou vertel van die gelykstroomsterkte B = IC/IB, dus IB = IC/B, maar wat is die waarde van B? Ongelukkig het ek 'n fototransistor uit 'n oorskotverpakking gebruik, en daar is geen behoorlike merk op die komponente nie. Ons moet dus ons fantasie gebruik. Fototransistors het nie soveel versterking nie. Hulle is meer ontwerp vir spoed. Terwyl die DC-stroomversterking vir 'n normale transistor 800 kan bereik, kan die B-faktor van 'n fototransistor tussen 200..400 wees. Laat ons dus gaan met B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Dit is naby 360K Ohm. Ongelukkig het ek nie hierdie waarde in my boks nie, dus het ek 'n reeks van 240K+100K gebruik. R3 = 340K Ohm.

U kan uself afvra waarom ons die basisstroom uit die kollektor verwyder en nie uit UB nie. Laat ek jou dit vertel. Die vooroordeel van 'n transistor is 'n brose ding omdat 'n transistor geneig is tot produksietoleransies sowel as 'n ernstige afhanklikheid van temperatuur. Dit beteken dat as u u transistor direk vanaf UB vooroordeel, dit waarskynlik binnekort sal wegdryf. Om hierdie probleem op te los, gebruik hardeware -ontwerpers 'n metode wat 'negatiewe terugvoer' genoem word. Kyk weer na ons kring. Die basisstroom kom van die kollektorspanning. Stel jou nou voor dat die transistor warmer word en die B-waarde styg. Dit beteken dat meer kollektorstroom vloei en UA afneem. Maar minder UA beteken ook minder IB en die spanning UA styg weer 'n bietjie. As B verminder, het u dieselfde effek andersom. Dit is REGULASIE! Dit beteken dat ons deur slim bedrading die voorspanning van die transistor beperk kan hou. U sal ook in die volgende fase nog 'n negatiewe terugvoer sien. Terloops, negatiewe terugvoer verminder gewoonlik ook die versterking van die verhoog, maar daar is maniere om hierdie probleem te oorkom.

Stap 3: Elektroniese deel 3: Ontwerp van die tweede fase

Ek het 'n paar toetse gedoen deur die ligklanksein van die voorafversterkte stadium in die vorige stap op my slimfoon toe te pas. Dit was bemoedigend, maar ek het gedink dat 'n bietjie meer versterking beter sou doen. Ek het beraam dat 'n ekstra verhoging van faktor 5 die werk sou doen. So hier gaan ons met die tweede fase! Normaalweg stel ons die transistor weer in die tweede fase in met sy eie vooroordeel en voer die voorversterkte sein vanaf die eerste fase via 'n kapasitor daarin. Onthou dat kondensators nie DC deurlaat nie. Net die wisselsignaal kan verbygaan. Op hierdie manier kan u 'n sein deur die fases lei, en die vooroordeel van elke fase word nie beïnvloed nie. Maar laat ons dinge 'n bietjie interessanter maak en probeer om 'n paar komponente te stoor omdat ons die toestel klein en handig wil hou. Ons sal die uitsetvooroordeel van fase 1 gebruik om die transistor in fase 2 te vooroordeel!

Berekening van die emitterweerstand R5

In hierdie stadium word ons NPN-transistor direk bevooroordeeld teenoor die vorige fase. In die kringdiagram sien ons dat UE = UBE + ICxR5. Omdat UE = UA uit die vorige fase kan ons R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K Ohm onttrek. Ons maak dit 1, 2K Ohm, wat die naaste normwaarde is. R5 = 1, 2K Ohm.

Hier kan u 'n ander soort terugvoer sien. Kom ons sê terwyl UE konstant bly, styg die B -waarde van die transistor as gevolg van temperatuur. Ons kry dus meer stroom deur middel van versamelaar en emitter. Maar meer stroom deur R5 beteken meer spanning oor R5. Omdat UBE = UE - IC*R5 'n toename van IC beteken 'n afname van UBE en dus weer 'n afname van IC. Ook hier het ons regulering wat ons help om die vooroordeel stabiel te hou.

Berekening van die kollektorweerstand R4

Nou moet ons die uitsetswaai van ons kollektorsignaal UA dophou. Die onderste grens is die emitter vooroordeel van 3V-0, 65V = 2, 35V. Die boonste grens is die spanning UB-UB = 9V-1V = 8V. Ons sal ons versamelaarsvooroordeel in die middel plaas. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Nou is dit maklik om R4 te bereken. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Ons maak dit R4 = 1, 5K Ohm.

Wat van die versterking?

En wat van die faktor 5 van versterking wat ons wil verkry? Die spanningsversterking van wisselsignale in die stadium, soos u dit kan sien, word in 'n baie eenvoudige formule beskryf. Vu = R4/R5. Redelik eenvoudig, nè? Dit is die versterking van 'n transistor met negatiewe terugvoer oor die emitterweerstand. Onthou, ek het vir u gesê negatiewe terugvoer beïnvloed ook die versterking as u nie behoorlike middele daarteen neem nie.

As ons die versterking bereken met die gekose waardes van R4 en R5, kry ons V = R4/R5 = 1.5K/1.2K = 1.2. Hm, dit is redelik ver van 5. So, wat kan ons doen? Eerstens sien ons dat ons niks aan R4 kan doen nie. Dit word bepaal deur die uitsetvooroordeel en die spanningsbeperkings. Wat van R5? Kom ons bereken die waarde wat R5 behoort te hê as ons 'n versterking van 5. sou hê. Dit is maklik, want Vu = R4/R5 beteken dat R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, dit is goed, maar as ons 'n 300 Ohm in plaas van die 1.2K in ons stroombaan plaas, sal ons vooroordeel verval. Ons moet dus beide, 1.2K Ohm vir die DC -vooroordeel en 300 Ohm vir die negatiewe terugvoer van die AC plaas. Kyk na die tweede prentjie. U sal sien dat ek die 1, 2K Ohm weerstand in 'n 220 Ohm en 1K Ohm in reekse verdeel het. Boonop het ek 220 Ohm gekies omdat ek nie 'n weerstand van 300 Ohm gehad het nie. Die 1K word ook omseil deur 'n vet gepolariseerde kapasitor. Wat beteken dit? Wel, vir die DC -vooroordeel beteken dit dat die negatiewe terugvoer 'n 1, 2K Ohm "sien" omdat DC nie deur 'n kapasitor kan gaan nie, dus vir die DC -vooroordeel bestaan C3 net nie! Die wisselsignaal aan die ander kant "sien" net die 220 Ohm omdat elke wisselspanningval oor R6 kortsluit. Geen spanningsval, geen terugvoer nie. Slegs die 220 Ohm bly oor vir negatiewe terugvoer. Nogal slim, nè?

Om dit reg te laat werk, moet u C3 kies, sodat die impedansie baie laer as R3 is. 'N Goeie waarde is 10% van R3 vir die laagste moontlike werkfrekwensie. Gestel ons laagste frekwensie is 30 Hz. Die impedansie van 'n kapasitor is Xc = 1/(2*PI*f*C3). As ons C3 onttrek en die frekwensie en waarde van R3 insit, kry ons C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Om by die naaste normwaarde te pas, maak ons dit C3 = 47uF.

Sien nou die voltooide skema in die laaste prentjie. Ons is klaar!

Stap 4: Maak die meganika deel 1: lys materiaal

Ek het die volgende komponente gebruik vir die vervaardiging van die toestel:

• Alle elektroniese komponente uit die skematiese
• 'N Standaard plastiekkas van 80 x 60 x 22 mm met 'n ingeboude kompartement vir 9V -batterye
• 'N 9V -batteryklem
• 1 m 4pol klank kabel met aansluiting 3,5 mm
• 3pol. stereo -aansluiting 3,5 mm
• 'n skakelaar
• 'n stuk perfboard
• 'n 9V battery
• soldeer
• 2 mm koperdraad 0, 25 mm geïsoleerde gespande draad

Die volgende gereedskap moet gebruik word:

• Soldeerbout
• Elektriese boor
• Digitale multimeter
• 'n ronde rasp

Stap 5: Maak die meganika: Deel 2

Plaas die skakelaar en die 3,5 mm -aansluiting

Gebruik die rasp om twee halfgate in beide dele van die omhulsel (bo en onder) vas te maak. Maak die gat wyd genoeg sodat die skakelaar kan inpas. Doen nou dieselfde met die 3,5 mm -aansluiting. Die aansluiting sal gebruik word om oordopjes aan te sluit. Die klankuitsette van die 4pol. -aansluiting sal na die 3,5 mm -aansluiting gelei word.

Maak gate vir kabel en fototransistor

Boor 'n gat van 3 mm aan die voorkant en plak die fototransistor supergom vas sodat die terminale deur die gat gaan. Boor nog 'n gat met 'n deursnee van 2 mm aan die een kant. Die klankkabel met die 4 mm -aansluiting sal daardeur loop.

Soldeer die elektroniese

Soldeer nou die elektroniese komponente op die perfboard en dra dit aan die klankkabel en die 3,5 mm -aansluiting, soos in die skema getoon. Kyk na die prente wat die seinpenne op die aansluitings toon vir oriëntasie. Gebruik u DMM om te sien watter sein van die aansluiting op watter draad kom om dit te identifiseer.

As alles klaar is, skakel die toestel aan en kyk of die spanningsuitsette op die transistors min of meer binne die berekende omvang is. Indien nie, probeer om R3 in die eerste fase van die versterker aan te pas. Dit is waarskynlik die probleem as gevolg van die wydverspreide toleransies van die transistors wat u moontlik die waarde daarvan moet aanpas.

Stap 6: Toets

Ek het 'n meer gesofistikeerde toestel van hierdie tipe 'n paar jaar gelede gebou (sien video). Van hierdie tyd af het ek 'n klomp klankmonsters versamel wat ek vir u wil wys. Die meeste van hulle het ek ingesamel terwyl ek in my motor gery het en die fototransistor agter my voorruit geplaas.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Dit is die geluid van 'n eksterne LED-skerm op 'n bus wat verbyry
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Die flikker van 'n motor
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Die koplig van 'n motor
• "Neonreklame.mp3" neonligte
• "Schwebung.mp3" Die maat van twee inmengende motorligte
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Die geluid van 'n CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Die geluid van my ossilloskoopskerm met verskillende tydinstellings
• "Sound-PC Monitor.mp3" Die geluid van my PC-monitor
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Straatligte
• "Was_ist_das_1.mp3" 'n Dowwe en vreemde vreemdelingagtige geluid wat ek êrens opneem terwyl ek in my motor rondry

Ek hoop dat ek u eetlus kan verswak, en dat u die nuwe wêreld van liggeluide op u eie sal verken!