LightSound: 6 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Jeg havde puslet med elektronik, siden jeg var 10 år. Min far, en radiotekniker lærte mig det grundlæggende og hvordan man bruger et loddejern. Jeg skylder ham meget. Et af mine første kredsløb var en lydforstærker med en mikrofon, og i et stykke tid elskede jeg at høre min stemme gennem den tilsluttede højttaler eller lyde udefra, da jeg hang mikrofonen ud af mit vindue. En dag kom min far rundt med en spole, han fjernede fra en gammel transformer, og han sagde, "Tilslut dette i stedet for din mikrofon". Jeg gjorde det, og dette var et af de mest fantastiske øjeblikke i mit liv. Pludselig hørte jeg mærkelige nynnende lyde, hvæsende støj, skarp elektronisk summende og nogle lyde, der lignede forvrængede menneskelige stemmer. Det var som at dykke i en skjult verden, der lå lige foran mine ører, som jeg ikke kunne genkende indtil nu. Teknisk set var der ikke noget magisk ved det. Spolen opfanger elektromagnetisk støj fra alle slags husholdningsapparater, køleskabe, vaskemaskiner, elektriske boremaskiner, tv-sæt, radioer, gadebelysning osv. Men oplevelsen var afgørende for mig. Der var noget omkring mig, jeg ikke kunne opfatte, men med noget elektronisk mumbo-jumbo var jeg i!

Nogle år senere tænkte jeg over det igen, og der kom en idé til mig. Hvad ville der ske, hvis jeg ville slutte en fototransistor til forstærkeren? Ville jeg også høre vibrationer, som mine øjne var for dovne til at genkende? Jeg gjorde det, og igen var oplevelsen fantastisk! Det menneskelige øje er et meget sofistikeret organ. Det giver den største informationsbåndbredde for alle vores organer, men det medfører nogle omkostninger. Evnen til at opfatte ændringer er temmelig begrænset. Hvis den visuelle information ændrer sig mere end 11 gange i sekundet, begynder tingene at blive slørede. Dette er grunden til, at vi kan se film i biografen eller på vores tv. Vores øjne kan ikke følge ændringerne længere, og alle de enkelte stillbilleder smeltes sammen til en kontinuerlig bevægelse. Men hvis vi ændrer lys til lyd, kan vores ører opfatte disse svingninger perfekt op til flere tusinde svingninger i sekundet!

Jeg udtænkte lidt elektronisk til at gøre min smartphone til en lysmodtager, hvilket også gav mig mulighed for at optage disse lyde. Fordi elektronikken er meget enkel, vil jeg vise dig det grundlæggende i elektronisk design på dette eksempel. Så vi kommer til at dykke temmelig dybt ned i transistorer, modstande og kondensatorer. Men bare rolig, jeg vil holde matematikken enkel!

Trin 1: Elektronisk del 1: Hvad er en transistor?

Nu er her din hurtige og ikke-beskidte introduktion til bipolare transistorer. Der er to forskellige slags dem. Den ene hedder NPN, og det er den, du kan se på billedet. Den anden type er PNP, og vi vil ikke tale om det her. Forskellen er bare et spørgsmål om strøm og spændingspolaritet og ikke af yderligere interesse.

En NPN-transistor er en elektronisk komponent, der forstærker strøm. Grundlæggende har du tre terminaler. Man er altid jordet. På vores billede kaldes det "Emitter". Så har du "basen", som er den venstre og "Collector", som er den øverste. Enhver strøm, der går ind i basen IB, får en forstærket strøm til at flyde gennem kollektoren IC og gå gennem emitteren tilbage i jorden. Strømmen skal drives fra en ekstern spændingskilde UB. Forholdet mellem den forstærkede strøm IC og basisstrømmen IB er IC/IB = B. B kaldes DC-strømforstærkning. Det afhænger af temperaturen og hvordan du opsætter din transistor i dit kredsløb. Desuden er den tilbøjelig til alvorlige produktionstolerancer, så det giver ikke meget mening at beregne med faste værdier. Husk altid, at den aktuelle gevinst kan sprede sig meget. Bortset fra B er der en anden værdi, der hedder "beta". Wile B karakteriserer forstærkningen af et DC-signal, beta gør det samme for AC-signaler. Normalt er B og beta ikke meget forskellige.

Sammen med indgangsstrømmen har transistoren også en indgangsspænding. Spændingsbegrænsningerne er meget snævre. I normale applikationer vil den bevæge sig i et område mellem 0.62V..0.7V. At tvinge en spændingsændring på basen vil resultere i dramatiske ændringer af kollektorstrømmen, fordi denne afhængighed følger en eksponentiel kurve.

Trin 2: Elektronisk del 2: Design af første fase af forstærkeren

Nu er vi på vej. For at konvertere moduleret lys til lyd har vi brug for en fototransistor. En fototransistor ligner meget standard NPN-transistoren fra det foregående trin. Men det er også i stand til ikke kun at ændre kollektorstrømmen ved at styre basisstrømmen. Derudover afhænger kollektorstrømmen af lys. Meget lys-meget strøm, mindre lys-mindre strøm. Det er så let.

Angivelse af strømforsyning

Når jeg designer hardware, er det første, jeg gør, at bestemme mig for strømforsyningen, fordi dette påvirker ALT i dit kredsløb. Brug af et 1, 5V batteri ville være en dårlig idé, fordi, som du lærte i trin 1, er UBE for en transistor omkring 0, 65V og dermed allerede på halv vej op til 1, 5V. Vi burde give mere reserve. Jeg elsker 9V batterier. De er billige og lette at håndtere og bruger ikke meget plads. Så lad os gå med 9V. UB = 9V

Angivelse af Collector -strøm

Dette er også afgørende og påvirker alt. Den skal ikke være for lille, for så bliver transistoren ustabil, og signalstøjen stiger. Det må heller ikke være for højt, fordi transistoren altid har en inaktiv strøm og en spænding, og det betyder, at den forbruger strøm, der bliver til varme. For meget strøm dræner batterierne og kan dræbe transistoren på grund af varme. I mine applikationer holder jeg altid kollektorstrømmen mellem 1 … 5mA. I vores tilfælde lad os gå med 2mA. IC = 2mA.

Rengør din strømforsyning

Hvis du designer forstærkerfaser, er det altid en god ide at holde din DC-strømforsyning ren. Strømforsyningen er ofte en kilde til støj og brummen, selvom du bruger et batteri. Dette skyldes, at du normalt har rimelige kabellængder tilsluttet forsyningsskinnen, der kan fungere som en antenne til al den rigelige strømnynning. Normalt leder jeg forsyningsstrømmen gennem en lille modstand og giver en fedtpolariseret kondensator i slutningen. Det afkorter alle ac-signaler mod jorden. På billedet er modstanden R1 og kondensatoren er C1. Vi bør holde modstanden lille, fordi spændingsfaldet den genererer, begrænser vores output. Nu kan jeg smide min erfaring ind og sige, at 1V spændingsfald er acceptabelt, hvis du arbejder med 9V strømforsyning. UF = 1V.

Nu må vi foregribe vores tanker lidt. Du vil se senere, vi tilføjer et andet transistortrin, der også skal få strømmen ren. Så mængden af strøm, der strømmer gennem R1, er fordoblet. Spændingsfaldet over R1 er R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Du får aldrig nøjagtigt den modstand, du ønsker, fordi de produceres i bestemte værdiintervaller. Den nærmeste til vores værdi er 270 ohm, og vi har det fint med det. R1 = 270 ohm.

Derefter vælger vi C1 = 220uF. Det giver en hjørnefrekvens på 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Tænk ikke for meget over dette. Hjørnefrekvensen er den, hvor filteret begynder at undertrykke ac-signaler. Op til 2, 7Hz vil alt komme igennem mere eller mindre udempet. Ud over 2, 7Hz bliver signalerne mere og mere undertrykt. Dæmpningen af et førsteordens lavpasfilter er beskrevet af A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Vores nærmeste fjende med hensyn til interferens er 50Hz strømlinjen brummen. Så lad os anvende f = 50, og vi får A = 0, 053. Det betyder, at kun 5, 3% af støjen kommer igennem filteret. Bør være nok til vores behov.

Specificering af kollektorspændingsforspændingen

Bias er det punkt, hvor du sætter din transistor i, når den er i inaktiv tilstand. Dette angiver dets strømme og spændinger, når der ikke er noget indgangssignal, der skal forstærkes. En ren specifikation af denne bias er grundlæggende, fordi for eksempel spændingsforspændingen på kollektoren angiver det punkt, hvor signalet vil svinge rundt, når transistoren fungerer. At udlægge dette punkt fejlagtigt vil resultere i et forvrænget signal, når udgangssvinget rammer jorden eller strømforsyningen. Det er de absolutte grænser, transistoren ikke kan komme over! Normalt er det en god idé at placere udgangsspændingsforskydningen i midten mellem jorden og UB ved UB/2, i vores tilfælde (UB-UF)/2 = 4V. Men af en eller anden grund vil du forstå senere, jeg vil sige det lidt lavere. Først har vi ikke brug for et stort output -sving, for selv efter forstærkning i dette 1. trin vil vores signal ligge i intervallet millivolt. For det andet vil en lavere bias gøre det bedre for det følgende transistortrin, som du vil se. Så lad os sætte bias på 3V. UA = 3V.

Beregn kollektormodstanden

Nu kan vi beregne resten af komponenterne. Du vil se, om en kollektorstrøm strømmer gennem R2, vi får et spændingsfald fra UB. Fordi UA = UB-UF-IC*R1 kan vi udtrække R1 og få R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Igen vælger vi den næste normværdi, og vi tager R1 = 2, 7K Ohm.

Beregn basismodstanden

Til beregning af R3 kan vi udlede en simpel ligning. Spændingen over R3 er UA-UBE. Nu skal vi kende basestrømmen. Jeg fortalte dig DC-strømforstærkningen B = IC/IB, så IB = IC/B, men hvad er værdien af B? Desværre brugte jeg en fototransistor fra en overskydende pakke, og der er ingen ordentlig mærkning på komponenterne. Så vi er nødt til at bruge vores fantasi. Fototransistorer har ikke så meget forstærkning. De er mere designet til hastighed. Mens DC-strømforstærkningen for en normal transistor kan nå 800, kan B-faktoren for en fototransistor være mellem 200..400. Så lad os gå med B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Det er tæt på 360K Ohm. Desværre har jeg ikke denne værdi i min boks, så jeg brugte en 240K+100K i serie i stedet. R3 = 340K Ohm.

Du kan spørge dig selv, hvorfor vi dræner basisstrømmen fra kollektoren og ikke fra UB. Lad mig fortælle dig dette. Transistorens forspænding er en skrøbelig ting, fordi en transistor er tilbøjelig til produktionstolerancer såvel som en alvorlig afhængighed af temperatur. Det betyder, at hvis du bias din transistor direkte fra UB, vil den sandsynligvis glide væk snart. For at klare dette problem bruger hardware designere en metode kaldet "negativ feedback". Tag et kig på vores kredsløb igen. Grundstrømmen kommer fra kollektorspændingen. Forestil dig nu, at transistoren bliver varmere, og dens B-værdi stiger. Det betyder, at mere kollektorstrøm flyder, og UA falder. Men mindre UA betyder også mindre IB, og spændingen UA stiger lidt igen. Med B faldende har du den samme effekt omvendt. Dette er FORORDNING! Det betyder, at ved smart ledning kan vi holde transistorforspændingen i grænser. Du vil også se en anden negativ feedback i den næste fase. Forresten reducerer negativ feedback normalt også amplifikationen af scenen, men der er midler til at komme over dette problem.

Trin 3: Elektronisk del 3: Design af anden fase

Jeg lavede nogle test ved at anvende lyssignalet fra det forforstærkede trin i det foregående trin i min smartphone. Det var opmuntrende, men jeg troede, at lidt mere forstærkning ville gøre det bedre. Jeg vurderede, at et ekstra boost på faktor 5 skulle gøre jobbet. Så her går vi i gang med anden etape! Normalt ville vi igen oprette transistoren i det andet trin med sin egen bias og førte det forforstærkede signal fra det første trin via en kondensator ind i det. Husk kondensatorer, lad ikke DC komme igennem. Bare AC-signalet kan passere. På denne måde kan du dirigere et signal gennem stadierne, og forspændingen af hvert trin vil ikke blive påvirket. Men lad os gøre tingene lidt mere interessante og prøve at gemme nogle komponenter, fordi vi vil have enheden lille og praktisk. Vi vil bruge output bias fra trin 1 til at forspænde transistoren i trin 2!

Beregning af emittermodstanden R5

I dette trin bliver vores NPN-transistor direkte forudindtaget fra det foregående trin. I kredsløbsdiagrammet ser vi, at UE = UBE + ICxR5. Fordi UE = UA fra det foregående trin kan vi udtrække R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Vi gør det til 1, 2K Ohm, som er den nærmeste normværdi. R5 = 1, 2K Ohm.

Her kan du se en anden form for feedback. Lad os sige, at mens UE forbliver konstant, stiger transistorens B -værdi på grund af temperaturen. Så vi får mere strøm gennem samler og emitter. Men mere strøm gennem R5 betyder mere spænding over R5. Fordi UBE = UE - IC*R5 betyder en stigning i IC et fald i UBE og dermed et fald igen af IC. Her har vi igen regulering, der hjælper os med at holde bias stabil.

Beregning af kollektormodstand R4

Nu bør vi holde øje med output -svingningen af vores kollektorsignal UA. Den nedre grænse er emitter bias på 3V-0, 65V = 2, 35V. Den øvre grænse er spændingen UB-UB = 9V-1V = 8V. Vi vil sætte vores samlerbias lige i midten. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Nu er det let at beregne R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Vi gør det til R4 = 1, 5K Ohm.

Hvad med forstærkningen?

Så hvad med faktor 5 for forstærkning, vi ønsker at opnå? Spændingsforstærkning af ac-signaler i scenen, som du kan se det, er beskrevet i en meget enkel formel. Vu = R4/R5. Ret simpelt huh? Dette er forstærkning af en transistor med negativ feedback over emittermodstanden. Husk, jeg fortalte dig, at negativ feedback også påvirker forstærkningen, hvis du ikke tager ordentlige midler imod det.

Hvis vi beregner amplifikationen med de valgte værdier for R4 og R5, får vi V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, det er ret langt væk fra 5. Så hvad kan vi gøre? Først ser vi, at vi ikke kan gøre noget ved R4. Det er fastgjort af output bias og spændingsbegrænsningerne. Hvad med R5? Lad os beregne værdien R5 burde have, hvis vi ville have en forstærkning på 5. Det er let, for Vu = R4/R5 betyder, at R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, det er fint, men hvis vi ville sætte en 300 Ohm i stedet for 1,2K i vores kredsløb, ville vores bias blive ødelagt. Så vi er nødt til at sætte begge, 1,2K Ohm for DC -bias og 300 Ohms for ac negativ feedback. Tag et kig på det andet billede. Du vil se, at jeg opdelte 1, 2K Ohm modstanden i en 220 Ohm og 1K Ohm i serie. Desuden valgte jeg 220 Ohm, fordi jeg ikke havde en 300 Ohm modstand. 1K omgås også af en fedtpolariseret kondensator. Hvad betyder dette? Godt for DC -bias betyder det, at den negative feedback "ser" en 1, 2K Ohm, fordi DC muligvis ikke passerer gennem en kondensator, så for DC -bias eksisterer C3 bare ikke! AC-signalet på den anden side "ser" bare 220 Ohm, fordi hvert ac-spændingsfald over R6 kortsluttes til jorden. Intet spændingsfald, ingen feedback. Kun 220 Ohm er tilbage for negativ feedback. Ganske smart, hva '?

For at få dette til at fungere korrekt skal du vælge C3, så dets impedans er meget lavere end R3. En god værdi er 10% af R3 for den lavest mulige arbejdsfrekvens. Lad os sige, at vores laveste frekvens er 30 Hz. Impedansen for en kondensator er Xc = 1/(2*PI*f*C3). Hvis vi udtrækker C3 og indsætter frekvensen og værdien af R3, får vi C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. For at matche den nærmeste normværdi lad os gøre det til C3 = 47uF.

Se nu den færdige skematik i det sidste billede. Vi er færdige!

Trin 4: Gør mekanikken til del 1: Liste over materialer

Jeg brugte følgende komponenter til fremstilling af enheden:

• Alle elektroniske komponenter fra skematisk
• En standard plastkasse 80 x 60 x 22 mm med et indbygget rum til 9V batterier
• En 9V batteriklemme
• 1m 4pol lydkabel med stik 3,5 mm
• 3pol. stereostik 3,5 mm
• en switch
• et stykke perfboard
• et 9V batteri
• loddetin
• 2 mm kobbertråd 0, 25 mm isoleret spændt tråd

Følgende værktøjer skal bruges:

• Loddekolbe
• Elektrisk bor
• Digitalt multimeter
• en rund rasp

Trin 5: Fremstilling af mekanikken: Del 2

Placer kontakten og 3, 5 mm -stikket

Brug raspen til at fil i to halvhuller i begge dele af kabinettet (øvre og nedre). Gør hullet bredt nok til at kontakten kan passe ind. Gør nu det samme med 3,5 mm stikket. Stikket bruges til at tilslutte ørepropper. Lydudgangene fra 4pol. stikket ledes til 3,5 mm stikket.

Lav huller til kabel og fototransistor

Bor et 3 mm hul på forsiden og superlim fototransistoren ind i den, så dens terminaler går gennem hullet. Bor endnu et hul med en diameter på 2 mm på den ene side. Lydkablet med 4 mm stikket løber igennem det.

Lod den elektroniske

Nu loddes de elektroniske komponenter på perfboardet og ledes til lydkablet og 3,5 mm stikket som vist på skematisk. Se på billederne, der viser signalstikket på stikkene til orientering. Brug din DMM til at se, hvilket signal fra stikket der kommer ud på hvilken ledning til at identificere det.

Når alt er færdigt, skal du tænde for enheden og kontrollere, om spændingsudgange på transistorer er mere eller mindre i det beregnede område. Hvis ikke, prøv at justere R3 i forstærkerens første fase. Det vil sandsynligvis være problemet på grund af de udbredte tolerancer for transistorerne, du muligvis skal justere dens værdi.

Trin 6: Test

Jeg byggede en mere sofistikeret enhed af denne type for nogle år siden (se video). Fra dette tidspunkt har jeg samlet en masse lydprøver, jeg vil vise dig. De fleste af dem samlede jeg, mens jeg kørte i min bil og placerede fototransistoren bag min forrude.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Dette er lyden af et eksternt LED-display på en bus, der passerer
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" En blink i en bil
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Forlygten på en bil
• "Neonreklame.mp3" neonlys
• "Schwebung.mp3" Slaget på to forstyrrende billygter
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Lyden af en CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Lyden fra min oscilloskopskærm med forskellige tidsindstillinger
• "Sound-PC Monitor.mp3" Lyden fra min PC-monitor
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Gadebelysning
• "Was_ist_das_1.mp3" En svag og mærkelig fremmedlignende lyd, jeg fangede et eller andet sted, mens jeg kørte rundt i min bil

Jeg håber, jeg kunne væde din appetit, og du vil gå på opdagelse i den nye verden af lyslyde på egen hånd nu!