LightSound: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

S elektronikom sam se petljao od svoje desete godine. Moj otac, radio tehničar, naučio me je osnovama i načinu upotrebe lemilice. Mnogo mu dugujem. Jedan od mojih prvih sklopova bilo je audio pojačalo s mikrofonom i neko vrijeme sam volio čuti svoj glas preko spojenog zvučnika 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". Uradio sam to i ovo je bio jedan od najnevjerojatnijih trenutaka u mom životu. Odjednom sam čuo čudne pjevušenje, šuštanje, oštro elektronsko zujanje i neke zvukove koji su podsjećali na iskrivljene ljudske glasove. Bilo je to kao ronjenje u skrivenom svijetu koji mi je ležao pred samim ušima koji do ovog trenutka nisam mogao prepoznati. Tehnički u tome nije bilo ničeg čarobnog. Zavojnica je pokupila elektromagnetsku buku koja dolazi od svih vrsta kućanskih uređaja, frižidera, mašina za pranje 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 elektronskim mumbo-jumbo-om bio sam unutra!

Nekoliko godina kasnije ponovo sam razmislio o tome i jedna ideja mi je pala na pamet. Što bi se dogodilo ako na pojačalo spojim fototranzistor? Da li bih čuo i vibracije koje su moje oči bile previše lijene da ih prepoznaju? Uspio sam i opet je iskustvo bilo odlično! Ljudsko oko je veoma sofisticiran organ. Pruža najveću propusnost informacija od svih naših organa, ali to dolazi s određenim troškovima. Sposobnost uočavanja promjena prilično je ograničena. Ako se vizualne informacije promijene više od 11 puta u sekundi, stvari počinju postajati mutne. To je razlog zašto možemo gledati filmove u kinu ili na televiziji. Naše oči više ne mogu pratiti promjene i sve te pojedinačne slike stopljene su u jedan kontinuirani pokret. Ali ako promijenimo svjetlo u zvuk, naše uši bi mogle savršeno opaziti te oscilacije do nekoliko hiljada oscilacija u sekundi!

Osmislio sam malu elektroniku da svoj pametni telefon pretvorim 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. Zato ćemo zaroniti prilično duboko u tranzistore, otpornike i kondenzatore. Ali ne brinite, matematiku ću držati jednostavnom!

Korak 1: Elektronski dio 1: Šta je tranzistor?

Evo kratkog i neprljavog uvoda u bipolarne tranzistore. Postoje dvije različite vrste istih. Jedan se zove NPN i ovo je onaj koji možete vidjeti na slici. Drugi tip je PNP i nećemo o tome ovdje govoriti. Razlika je samo pitanje 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 "emiter". 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 previše smisla računati s fiksnim vrijednostima. Uvijek imajte na umu da se trenutni dobitak može jako proširiti. Osim B, postoji još jedna vrijednost koja se zove "beta". Wile B karakteriše pojačanje DC-signala, beta radi isto za AC-signale. Obično se B i beta ne razlikuju mnogo.

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

Korak 2: Elektronski dio 2: Projektovanje 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 promijeniti struju kolektora kontroliranjem osnovne struje. Osim toga, struja kolektora ovisi o svjetlosti. Mnogo jače struje, manje struje bez svjetla. Tako je lako.

Određivanje izvora napajanja

Kada dizajniram hardver, prvo što moram učiniti je da se odlučim za napajanje 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 koraku 1, UBE tranzistora oko 0, 65 V, pa je tako već na pola puta do 1, 5 V. Trebali bismo osigurati veću rezervu. Obožavam 9V baterije. Jeftini su i laki za rukovanje i ne zauzimaju puno prostora. Idemo sa 9V. UB = 9V

Određivanje kolektorske struje

Ovo je takođe ključno i utiče 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 održavam struju kolektora između 1… 5mA. U našem slučaju idemo sa 2mA. IC = 2mA.

Očistite napajanje

Ako dizajnirate stupnjeve pojačala, uvijek je dobra ideja 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 šinu koja može funkcionirati kao antena za sve bučno napajanje. Obično vodim struju napajanja kroz mali otpornik i na kraju dajem polarizirani kondenzator. On skraćuje sve ac-signale prema tlu. Na slici je otpornik R1, a kondenzator C1. Trebamo držati otpornik 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 drugu fazu tranzistora koja 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 otpornik koji želite jer se proizvode u određenim intervalima vrijednosti. Najbliži našoj vrijednosti je 270 Ohma i s tim ćemo biti u redu. R1 = 270 Ohma.

Zatim odabiremo C1 = 220uF. To daje kutnu frekvenciju 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Ne razmišljajte previše o ovome. Ugaona frekvencija je ona gdje filter počinje potiskivati ac-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 na 50 Hz. 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 uključite tranzistor dok je u stanju mirovanja. Ovo specificira njegove struje i napone kada nema ulaznog signala za pojačavanje. Čista specifikacija ove pristranosti je fundamentalna 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! Obično je dobra ideja postaviti prednapon izlaznog napona u sredinu između zemlje i UB na UB/2, u našem slučaju (UB-UF)/2 = 4V. Ali iz nekog razloga kasnije ćete shvatiti da želim to spustiti malo niže. Prvo nam ne treba veliki zamah izlaza jer će i nakon pojačanja u ovoj prvoj fazi naš signal biti u rasponu od milivolta. Drugo, niža predrasuda će biti 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 izračunavanje 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 sa 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 koristio 240K+100K u seriji. R3 = 340K ohma.

Možete se zapitati zašto baznu struju ispuštamo iz kolektora, a ne iz UB -a. Reći ću vam ovo. Pristranost tranzistora je krhka stvar jer je tranzistor sklon tolerancijama proizvodnje, kao i velikoj ovisnosti o temperaturi. To znači da ako svoj tranzistor pomaknete izravno iz UB -a, on će se vjerojatno uskoro udaljiti. Da bi se nosili s tim problemom, dizajneri hardvera koriste metodu koja se naziva "negativna povratna informacija". Ponovo pogledajte naše kolo. Osnovna struja dolazi iz napona kolektora. Zamislite da tranzistor postaje topliji i njegova B vrijednost raste. To znači da struja više kolektora te opada UA. Ali manji UA znači i manji IB, a napon UA opet će malo porasti. Sa smanjenjem B imate isti efekat obrnuto. Ovo je UREDBA! 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 da se prevlada ovaj problem.

Korak 3: Elektronski dio 3: Dizajniranje druge faze

Obavio sam neka testiranja primjenom svjetlosnog signala iz unaprijed pojačane faze u prethodnom koraku na 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 prednamještanjem i u njega napajali pretpojačani signal iz prve faze putem kondenzatora. Zapamtite da kondenzatori ne propuštaju istosmjernu struju. Samo ac signal može proći. Na ovaj način možete usmjeravati signal kroz faze i to neće utjecati na preklapanje 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 prilagođavanje tranzistora u fazi 2!

Proračun otpornika emitera R5

U ovoj fazi naš NPN-tranzistor postaje izravno pristran u odnosu na prethodnu fazu. Na dijagramu 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 dobijamo više struje kroz kolektor i emiter. Ali veća struja kroz R5 znači veći napon na R5. Budući da je UBE = UE - IC*R5, povećanje IC znači smanjenje UBE -a, a time i ponovno smanjenje IC -a. Ovdje opet imamo propise koji nam pomažu da zadržimo pristrasnost stabilnom.

Proračun kolektorskog otpornika R4

Sada bismo trebali paziti na izlazni zamah našeg kolektorskog signala UA. Donja granica je prednapon emitera 3V-0, 65V = 2, 35V. Gornja granica je napon UB-UB = 9V-1V = 8V. Postavit ćemo našu pristranost kolektora 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.

Šta je sa pojačanjem?

Šta je sa faktorom 5 pojačanja koji želimo da dobijemo? Pojačanje napona izmjeničnih signala u fazi, kao što vidite, opisano je 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. Šta je sa 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 naše kolo naša bi pristranost bila zeznuta. Dakle, moramo staviti oboje, 1,2K ohma za istosmjernu struju i 300 ohma za negativnu povratnu vezu izmjenične struje. Pogledajte drugu sliku. Vidjet ćete da sam podijelio otpornik od 1, 2K ohma u 220 ohma i 1 ohma u nizu. Osim toga, odabrao sam 220 ohma jer nisam imao otpornik od 300 ohma. 1K zaobilazi i masno polarizirani kondenzator. Šta to znači? Pa za pristranost istosmjernog napona to znači da negativna povratna informacija "vidi" 1, 2K ohma jer dc možda neće proći kroz kondenzator, pa za pristranost istosmjernog napona C3 jednostavno ne postoji! S druge strane, izmjenični signal samo "vidi" 220 ohma jer je svaki pad izmjeničnog napona na R6 kratko spojen na masu. Nema pada napona, nema povratnih informacija. Samo 220 ohma ostaje za negativne povratne informacije. Prilično 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 je naša 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: Lista materijala

Za izradu uređaja koristio sam sljedeće komponente:

• Sve elektronske komponente sa šeme
• Standardno plastično kućište 80 x 60 x 22 mm sa ugrađenim pretincem za 9V baterije
• Obujmica za bateriju od 9V
• 1m 4pol audio kabl sa priključkom 3,5 mm
• 3pol. stereo utičnica 3,5 mm
• prekidač
• komad perfarda
• 9V baterija
• lemljenje
• 2 mm bakrena žica izolirana napeta žica 0,25 mm

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 sa utičnicom od 3,5 mm. Utičnica će se koristiti za povezivanje 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 na jednoj strani. Audio kabl sa utičnicom od 4 mm će prolaziti kroz njega.

Lemiti elektroniku

Sada lemite elektronske komponente na ploču i povežite ih sa audio kablom i utičnicom od 3,5 mm kao što je prikazano na shemi. Za orijentaciju pogledajte slike koje prikazuju signale na priključnicama. Upotrijebite svoj DMM da vidite koji signal iz utičnice izlazi na koju žicu da ga identificirate.

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

Korak 6: Testiranje

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

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Ovo je zvuk vanjskog LED ekrana 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 ekrana mog osciloskopa sa 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!