LightSound: 6 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

התעסקתי באלקטרוניקה מאז שהייתי בן 10. אבי, טכנאי רדיו לימד אותי את היסודות וכיצד להשתמש במגהץ. אני חייב לו הרבה. אחד המעגלים הראשונים שלי היה מגבר אודיו עם מיקרופון ולזמן מה אהבתי לשמוע את הקול שלי דרך הרמקול המחובר או צלילים מבחוץ כאשר תליתי את המיקרופון מהחלון שלי. יום אחד הגיע אבי עם סליל שהוריד מהשנאי הישן והוא אמר, "חבר את זה במקום המיקרופון שלך". עשיתי את זה וזה היה אחד הרגעים המדהימים בחיי. פתאום שמעתי קולות זמזום מוזרים, רעש שריקות, זמזום אלקטרוני חד וכמה קולות שדמו לקולות אנושיים מעוותים. זה היה כמו לצלול בעולם נסתר ששכב ממש מול האוזניים שלי שלא יכולתי לזהות עד לרגע זה. טכנית לא היה בזה שום דבר קסום. הסליל הרים רעש אלקטרומגנטי שמגיע מכל מיני מכשירים ביתיים, מקררים, מכונות כביסה, מקדחות חשמליות, מערכות טלוויזיה, מכשירי רדיו, פנסי רחוב וכו '. אבל הניסיון היה קריטי עבורי. היה משהו סביבי שלא יכולתי לקלוט אבל עם כמה ממבבו-ג'מבו אלקטרוני שהייתי בו!

כמה שנים אחר כך חשבתי על זה שוב ועלה לי בראש רעיון אחד. מה היה קורה אם הייתי מחבר פוטו טרנזיסטור למגבר? האם גם אני אשמע רעידות שהעיניים שלי עצלות מכדי לזהות? עשיתי את זה ושוב החוויה הייתה מדהימה! העין האנושית היא איבר מתוחכם מאוד. הוא מספק את רוחב פס המידע הגדול ביותר של כל האיברים שלנו, אך הדבר כרוך בעלויות מסוימות. היכולת לתפוס שינויים היא די מוגבלת. אם המידע החזותי משתנה יותר מ -11 פעמים בשנייה הדברים מתחילים להיות מטושטשים. זו הסיבה מדוע אנו יכולים לצפות בסרטים בקולנוע או בטלוויזיה שלנו. עינינו אינן יכולות לעקוב אחר השינויים וכל תמונות הסטילס היחידות האלה נמסות יחד לתנועה אחת רציפה. אבל אם נשנה את האור לקול האוזניים שלנו עלולות לתפוס את התנודות האלה בצורה מושלמת עד כמה אלפי תנודות בשנייה!

תכננתי קצת אלקטרוני כדי להפוך את הסמארטפון שלי למקלט של אור, ונותן לי גם את האפשרות להקליט את הצלילים האלה. מכיוון שהאלקטרוניקה פשוטה מאוד אני רוצה להראות לך את היסודות של עיצוב אלקטרוני בדוגמה זו. אז נצלול די עמוק לתוך טרנזיסטורים, נגדים וקבלים. אבל אל תדאג, אני אשאיר את המתמטיקה פשוטה!

שלב 1: חלק אלקטרוני: מהו טרנזיסטור?

הנה ההקדמה המהירה והלא מלוכלכת שלך לטרנזיסטורים דו קוטביים. ישנם שני סוגים שונים שלהם. האחד נקרא NPN וזהו אותו אתה יכול לראות בתמונה. הסוג השני הוא PNP ולא נדבר על זה כאן. ההבדל הוא רק עניין של קוטביות זרם ומתח ולא עניין נוסף.

טרנזיסטור NPN הוא רכיב אלקטרוני שמעצים את הזרם. בעצם יש לך שלושה מסופים. אחד תמיד מבוסס. בתמונה שלנו זה נקרא "פולט". אז יש לך את "הבסיס", שהוא השמאלי וה"אספן "שהוא העליון. כל זרם שנכנס לבסיס IB יגרום לזרם מוגבר שצף דרך אספן IC ועובר דרך הפולט בחזרה לאדמה. הזרם חייב להיות מונע ממקור מתח חיצוני UB. היחס בין הזרם המוגבר IC לבין זרם הבסיס IB הוא IC/IB = B. B נקרא רווח זרם DC. זה תלוי בטמפרטורה ובאופן ההתקנה של הטרנזיסטור במעגל שלך. יתר על כן, הוא נוטה לסובלנות ייצור חמורה, כך שלא הגיוני במיוחד לחשב עם ערכים קבועים. זכור תמיד כי הרווח הנוכחי עשוי להתפשט רבות. מלבד B יש ערך נוסף בשם "בטא". Wile B מאפיין את ההגברה של אות DC, בטא עושה את אותו הדבר עבור אותות AC. בדרך כלל B ובטא אינם שונים זה מזה.

יחד עם זרם הכניסה לטרנזיסטור יש גם מתח כניסה. אילוצי המתח צרים מאוד. ביישומים רגילים הוא ינוע באזור שבין 0.62V..0.7V. כפיית שינוי מתח על הבסיס תגרום לשינויים דרמטיים של זרם הקולט מכיוון שתלות זו עוקבת אחר עקומה מעריכית.

שלב 2: חלק אלקטרוני: עיצוב השלב הראשון של המגבר

עכשיו אנחנו בדרך. כדי להמיר אור מאופנן לקול אנו זקוקים לפוטו טרנזיסטור. פוטוטרנזיסטור דומה מאוד לטרנזיסטור NPN הסטנדרטי של השלב הקודם. אך הוא מסוגל לא רק לשנות את זרם הקולט על ידי שליטה בזרם הבסיס. בנוסף זרם הקולט תלוי באור. הרבה אור הרבה זרם, פחות זרם פחות אור. זה כזה קל.

ציון ספק הכוח

כשאני מתכנן חומרה הדבר הראשון שאני עושה הוא להחליט על אספקת החשמל כי זה משפיע על הכל במעגל שלך. שימוש בסוללה של 1, 5V יהיה רעיון גרוע מכיוון שכפי שלמדת בשלב 1 UBE של טרנזיסטור הוא בסביבות 0, 65V וכך כבר בחצי הדרך עד 1, 5V. עלינו לספק יותר מילואים. אני אוהב סוללות 9V. הם זולים וקלים לטיפול ואינם צורכים הרבה מקום. אז בוא נלך עם 9V. UB = 9V

ציון זרם האספנים

זה גם קריטי ומשפיע על הכל. זה לא צריך להיות קטן מדי כי אז הטרנזיסטור הופך להיות לא יציב ורעש האות עולה. הוא גם לא צריך להיות גבוה מדי מכיוון שלטרנזיסטור תמיד יש זרם סרק ומתח וזה אומר שהוא צורך צריכת חשמל שהופכת לחום. יותר מדי זרם מנקז את הסוללות ועלול להרוג את הטרנזיסטור בגלל חום. ביישומים שלי אני תמיד שומר את הזרם הקולט בין 1… 5mA. במקרה שלנו נלך עם 2mA. IC = 2mA.

נקה את ספק הכוח שלך

אם אתה מתכנן שלבי מגבר, תמיד כדאי לשמור על אספקת החשמל DC נקייה. ספק הכוח הוא לעתים קרובות מקור לרעש וזמזום גם אם אתה משתמש בסוללה. הסיבה לכך היא שבדרך כלל יש לך אורכי כבלים סבירים המחוברים למסילת האספקה שעשויה לפעול כאנטנה לזמזום החשמל השופע. בדרך כלל אני מנתב את זרם האספקה דרך נגד קטן ומספק קבל מקוטב שומן בסוף. הוא מקצר את כל אותות AC נגד הקרקע. בתמונה הנגד הוא R1 והקבל הוא C1. עלינו לשמור על הנגד קטן מכיוון שירידת המתח שהוא מייצר מגבילה את התפוקה שלנו. עכשיו אני יכול לזרוק את הניסיון שלי ולומר שירידת מתח של 1V נסבלת אם אתה עובד עם ספק כוח 9V. UF = 1V.

כעת עלינו לצפות מעט במחשבותינו. תראה מאוחר יותר נוסיף שלב טרנזיסטור שני שצריך גם לגרום לנקה הנוכחי שלו להיות נקי. כך שכמות הזרם הזורם דרך R1 מוכפלת. ירידת המתח על פני R1 היא R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 אוהם. לעולם לא תקבל בדיוק את הנגד שאתה רוצה מכיוון שהוא מיוצר במרווחי ערך מסוימים. הקרוב ביותר לערך שלנו הוא 270 אוהם ויהיה בסדר עם זה. R1 = 270 אוהם.

ואז אנו בוחרים C1 = 220uF. זה נותן תדר פינתי של 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. אל תחשוב יותר מדי על זה. תדר הפינה הוא זה שבו המסנן מתחיל לדכא אותות AC. עד 2, 7Hz הכל יעבור פחות או יותר ללא השמנה. מעבר ל -2, 7Hz האותות נדחקים יותר ויותר. הנחתה של מסנן נמוך נמוך ממדרגה ראשונה מתוארת על ידי A = 1/(2*PI*f*R1*C1). האויב הקרוב ביותר שלנו מבחינת הפרעות הוא זמזום קו החשמל של 50 הרץ. אז בואו ניישם f = 50 ונקבל A = 0, 053. כלומר רק 5, 3% מהרעש יעבור דרך המסנן. אמור להספיק לצרכים שלנו.

ציון הטיית מתח הקולט

ההטיה היא הנקודה שבה אתה מכניס את הטרנזיסטור שלך כשהוא במצב סרק. זה מציין את הזרמים והמתחים שלו כאשר אין אות קלט להגברה. מפרט נקי של הטיה זו הוא עקרוני מכיוון שהטיית המתח על הקולט למשל מציינת את הנקודה שבה האות יתנדנד כאשר הטרנזיסטור פועל. פריסת נקודה זו בטעות תגרום לאות מעוות כאשר תנופת הפלט תפגע בקרקע או באספקת החשמל. אלו הם הגבולות המוחלטים שהטרנזיסטור לא יכול להתגבר עליהם! בדרך כלל כדאי לשים את הטיית מתח היציאה באמצע בין הקרקע ל- UB ב- UB/2, במקרה שלנו (UB-UF)/2 = 4V. אבל מסיבה כלשהי תבינו אחר כך אני רוצה לשים את זה קצת יותר נמוך. ראשית איננו זקוקים לתנופת פלט גדולה מכיוון שגם לאחר ההגברה בשלב הראשון הזה האות שלנו יהיה בטווח של מיליוולט. שנית, הטיה נמוכה תעשה טוב יותר לשלב הטרנזיסטור הבא כפי שתראו. אז בואו נשים את ההטיה על 3V. UA = 3V.

חשב את הנגד אספן

כעת נוכל לחשב את שאר המרכיבים. תראה אם זרם אספן זורם דרך R2 נקבל ירידת מתח המגיעה מ- UB. מכיוון UA = UB-UF-IC*R1 אנו יכולים לחלץ R1 ולקבל R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. שוב אנו בוחרים את ערך הנורמה הבא ואנו לוקחים R1 = 2, 7K אוהם.

חשב את הנגד הבסיסי

לחישוב R3 נוכל להפיק משוואה פשוטה. המתח על פני R3 הוא UA-UBE. כעת עלינו לדעת את זרם הבסיס. אמרתי לך רווח זרם DC B = IC/IB, אז IB = IC/B, אבל מה הערך של B? למרבה הצער השתמשתי בפוטוטרנזיסטור מחבילת עודפים ואין סימון מתאים על הרכיבים. אז עלינו להשתמש בפנטזיה שלנו. לצילום טרנזיסטורים אין כל כך הרבה הגברה. הם מיועדים יותר למהירות. בעוד שהרווח של זרם DC עבור טרנזיסטור רגיל יכול להגיע ל -800, גורם B של פוטוטרנזיסטור עשוי להיות בין 200..400. אז בוא נלך עם B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K אוהם. זה קרוב ל 360K אוהם. למרבה הצער אין לי ערך זה בתיבה שלי אז השתמשתי במקום 240K+100K בסדרה. R3 = 340K אוהם.

אתה עשוי לשאול את עצמך מדוע אנו מרוקנים את זרם הבסיס מהאספן ולא מ- UB. תן לי לספר לך את זה. הטיה של טרנזיסטור היא דבר שביר מכיוון שטרנזיסטור מועד לסובלנות ייצור וכן לתלות חמורה מהטמפרטורה. זה אומר שאם אתה מטה את הטרנזיסטור שלך ישירות מ- UB סביר להניח שהוא יסתלק בקרוב. כדי להתמודד עם בעיה זו מעצבי חומרה משתמשים בשיטה שנקראת "משוב שלילי". תסתכל שוב על המעגל שלנו. זרם הבסיס מגיע ממתח הקולט. עכשיו דמיינו שהטרנזיסטור הופך להיות חם יותר וזה ערך B עולה. כלומר יותר זרם אספנים זורם ו- UA יורד. אבל פחות UA פירושו גם פחות IB והמתח UA עולה שוב מעט. כאשר B יורד יש לך את אותו אפקט להיפך. זו תקנה! כלומר, באמצעות חיווט חכם נוכל לשמור על הטיית הטרנזיסטור בגבולות. גם בשלב הבא תראה משוב שלילי נוסף. אגב, משוב שלילי בדרך כלל גם מקטין את הגברת הבמה, אבל יש אמצעים להתגבר על הבעיה הזו.

שלב 3: חלק אלקטרוני: עיצוב השלב השני

עשיתי כמה בדיקות על ידי החלת אות הקול מהשלב המוגבר בשלב הקודם לתוך הסמארטפון שלי. זה היה מעודד אבל חשבתי שקצת יותר הגברה תעשה טוב יותר. הערכתי שדחיפה נוספת של גורם 5 אמורה לעשות את העבודה. אז הנה עם השלב השני! בדרך כלל שוב היינו מקימים את הטרנזיסטור בשלב השני עם הטיה משלו ומזינים את האות המוגבר מראש מהשלב הראשון באמצעות קבלים לתוכו. זכור שקבלים לא נותנים ל- DC לעבור. רק האות AC עשוי לעבור. בדרך זו תוכל לנתב אות דרך השלבים וההטיה של כל שלב לא תושפע. אבל בואו נעשה את הדברים קצת יותר מעניינים וננסה לשמור כמה רכיבים כי אנחנו רוצים לשמור על המכשיר קטן ונוח. נשתמש בהטיית הפלט של שלב 1 להטיית הטרנזיסטור בשלב 2!

חישוב הנגד הפולט R5

בשלב זה הטרנזיסטור NPN שלנו מוטה ישירות מהשלב הקודם. בתרשים המעגלים אנו רואים כי UE = UBE + ICxR5. מכיוון ש- UE = UA מהשלב הקודם אנו יכולים לחלץ R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K אוהם. אנחנו עושים את זה 1, 2K אוהם שהוא ערך הנורמה הקרוב ביותר. R5 = 1, 2K אוהם.

כאן תוכל לראות סוג אחר של משוב. נניח שבעוד UE נשאר קבוע ערך B של הטרנזיסטור עולה בגלל הטמפרטורה. אז אנחנו מקבלים יותר זרם באמצעות אספן ופולט. אבל יותר זרם דרך R5 פירושו יותר מתח על פני R5. מכיוון ש UBE = UE - IC*R5 עלייה ב- IC פירושה ירידה ב- UBE ובכך ירידה נוספת ב- IC. גם כאן יש לנו רגולציה שעוזרת לנו לשמור על ההטיה יציבה.

חישוב הנגד אספן R4

כעת עלינו לפקוח עין על תנופת הפלט של אות האספן שלנו UA. הגבול התחתון הוא הטיה פולטת של 3V-0, 65V = 2, 35V. הגבול העליון הוא המתח UB-UB = 9V-1V = 8V. נציב את הטיה האספנים שלנו באמצע. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. עכשיו קל לחשב R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K אוהם. אנחנו עושים את זה R4 = 1, 5K אוהם.

מה עם ההגברה?

אז מה לגבי גורם ההגברה שברצוננו להשיג? הגברת המתח של אותות AC בשלב כפי שאתה יכול לראות אותו מתוארת בנוסחה פשוטה מאוד. Vu = R4/R5. די פשוט הא? זוהי הגברה של טרנזיסטור עם משוב שלילי על הנגד הפולט. זכור שאמרתי לך שמשוב שלילי משפיע גם על ההגברה אם אינך נוקט באמצעים מתאימים נגדו.

אם נחשב את ההגברה עם הערכים הנבחרים של R4 ו- R5 נקבל V = R4/R5 = 1.5K/1.2K = 1.2. הממ, זה די רחוק מ 5. אז מה אנחנו יכולים לעשות? ובכן, ראשית אנו רואים שאיננו יכולים לעשות דבר בנוגע ל- R4. הוא קבוע על ידי הטיית הפלט ומגבלות המתח. מה עם R5? בואו לחשב את הערך R5 צריך להיות לו תהיה לנו הגברה של 5. זה קל, כי Vu = R4/R5 זה אומר ש- R5 = R4/Vu = 1.5K אוהם/5 = 300 אוהם. אוקיי, זה בסדר אבל אם היינו מכניסים 300 אוהם במקום 1.2K במעגל שלנו ההטיה שלנו הייתה משתבשת. אז אנחנו צריכים לשים את שניהם, 1.2K אוהם להטיה של ה- DC ו -300 אוהם למשוב השלילי של AC. תסתכל על התמונה השנייה. תראה שחילקתי את הנגד 1, 2K Ohm בסדרה של 220 Ohm ו- 1K Ohm בסדרה. חוץ מזה, בחרתי 220 אוהם מכיוון שלא היה לי נגד של 300 אוהם. ה- 1K עוקף גם קבל מקוטב שומן. מה זה אומר? ובכן להטיה dc המשמעות היא שהמשוב השלילי "רואה" 1, 2K אוהם מכיוון שייתכן ש- DC לא עובר דרך קבל, כך שהטיה dc C3 פשוט לא קיימת! אות AC לעומת זאת רק "רואה" את 220 אוהם מכיוון שכל ירידת מתח AC על פני R6 קצרה לקרקע. אין ירידת מתח, אין משוב. נשאר רק 220 אוהם למשוב שלילי. די חכם, הא?

כדי שזה יעבוד כמו שצריך עליך לבחור C3 כך שהעכבה שלו תהיה נמוכה בהרבה מ- R3. ערך טוב הוא 10% של R3 לתדירות העבודה הנמוכה ביותר האפשרית. נניח שהתדר הנמוך ביותר שלנו הוא 30 הרץ. העכבה של קבל היא Xc = 1/(2*PI*f*C3). אם נחלץ את C3 ונכניס את התדירות והערך של R3 נקבל C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. כדי להתאים לערך הנורמה הקרוב ביותר בואו נעשה את זה C3 = 47uF.

עיין כעת בסכימה המלאה בתמונה האחרונה. אנחנו סיימנו!

שלב 4: הפיכת המכניקה לחלק 1: רשימת חומרים

השתמשתי ברכיבים הבאים לייצור המכשיר:

• כל הרכיבים האלקטרוניים מהסכימה
• מארז פלסטיק סטנדרטי 80 x 60 x 22 מ"מ עם תא מוטבע לסוללות 9V
• קליפ סוללה 9V
• 1m כבל אודיו 4pol עם שקע 3.5 מ"מ
• 3 פול. שקע סטריאו 3.5 מ"מ
• מתג
• חתיכת לוח
• סוללה 9V
• לְרַתֵך
• 2 מ"מ חוט נחושת 0, 25 מ"מ חוט מתוח מבודד

יש להשתמש בכלים הבאים:

• מלחם
• מקדחה חשמלית
• מוליטימטר דיגיטלי
• פצע עגול

שלב 5: ביצוע המכניקה: חלק 2

הנח את המתג ואת שקע ה -3, 5 מ"מ

השתמש בסרגל כדי לתפוס שני חורים חצי בשני חלקי המעטפת (עליון ותחתון). הפוך את החור רחב מספיק כדי שהמתג יתאים. כעת עשה אותו דבר עם שקע 3.5 מ"מ. השקע ישמש לחיבור אטמי אוזניים. יציאות השמע מה- 4pol. השקע ינותב לשקע 3.5 מ"מ.

צור חורים עבור כבל ופוטו טרנזיסטור

קדחו חור בגודל 3 מ"מ בצד הקדמי והדביקו לתוכו את פוטוטרנזיסטור על מנת שהמסופים שלו יעברו דרך החור. קדח חור נוסף בקוטר 2 מ"מ בצד אחד. כבל השמע עם שקע 4 מ"מ יעבור דרכו.

הלחמה האלקטרונית

כעת הלחם את הרכיבים האלקטרוניים בלוח הפרפבורד וחבר אותו לכבל השמע ולשקע 3.5 מ מ כפי שמוצג בתרשים. תסתכל על התמונות המציגות את אותות האותות על השקעים לצורך התמצאות. השתמש ב- DMM שלך כדי לראות איזה אות משקע יוצא על איזה חוט לזהות אותו.

כאשר הכל סיים הפעל את המכשיר ובדוק אם יציאות המתח על הטרנזיסטורים נמצאות פחות או יותר בטווח המחושב. אם לא נסה להתאים את R3 בשלב הראשון של המגבר. סביר להניח שזו תהיה הבעיה בשל הסובלנות הנרחבת של הטרנזיסטורים ייתכן שיהיה עליך להתאים את ערכו.

שלב 6: בדיקה

בניתי מכשיר מתוחכם יותר מסוג זה לפני מספר שנים (ראו סרטון). מהזמן הזה אספתי חבורה של דוגמאות קול שאני רוצה להראות לך. את רובם אספתי בזמן שנסעתי במכונית שלי והנחתי את פוטוטרנזיסטור מאחורי השמשה הקדמית שלי.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" זהו הצליל של תצוגת LED חיצונית באוטובוס שחולף ליד
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" מהבהב של מכונית
• "LED_Scheinwerfer.mp3" הפנס של מכונית
• נורות ניאון "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" הקצב של שתי פנסי מכונית מפריעים
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" הצליל של CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" הצליל של מסך האוסילוסקופ שלי עם הגדרות זמן שונות
• "צג מחשב סאונד. Mp3" צליל צג המחשב האישי שלי
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" פנסי רחוב
• "Was_ist_das_1.mp3" צליל קלוש ומוזר דמוי חייזרים שתפסתי איפשהו כשהייתי נוסע במכונית שלי

אני מקווה שהצלחתי להרטיב את התיאבון שלך ותמשיך לחקור את העולם החדש של קולות האור בעצמך עכשיו!