LightSound: 6 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Jag pysslade med elektronik sedan jag var 10 år gammal. Min far, en radiotekniker lärde mig grunderna och hur man använder ett lödkolv. Jag är skyldig honom mycket. En av mina första kretsar var en ljudförstärkare med en mikrofon och ett tag älskade jag att höra min röst genom den anslutna högtalaren eller ljud från utsidan när jag hängde mikrofonen ur mitt fönster. En dag kom min far med en spole som han tog bort från en gammal transformator och han sa: "Anslut den här istället för din mikrofon". Jag gjorde det och det här var en av de mest fantastiska stunderna i mitt liv. Plötsligt hörde jag konstiga nynnande ljud, väsande ljud, skarpt elektroniskt surr och några ljud som liknade förvrängda mänskliga röster. Det var som att dyka i en dold värld som låg precis framför mina öron som jag inte kunde känna igen fram till nu. Tekniskt sett var det inget magiskt med det. Spolen tog upp elektromagnetiskt ljud från alla typer av hushållsapparater, kylskåp, tvättmaskiner, elektriska borrar, TV-apparater, radioer, gatubelysning osv. Men upplevelsen var avgörande för mig. Det var något runt mig som jag inte kunde uppfatta men med lite elektronisk mumbo-jumbo var jag inne!

Några år senare tänkte jag på det igen och en idé kom upp i mig. Vad skulle hända om jag skulle ansluta en fototransistor till förstärkaren? Skulle jag också höra vibrationer som mina ögon var för lata för att känna igen? Jag gjorde det och återigen var upplevelsen fantastisk! Det mänskliga ögat är ett mycket sofistikerat organ. Det ger den största informationsbandbredden för alla våra organ, men detta medför vissa kostnader. Möjligheten att uppfatta förändringar är ganska begränsad. Om den visuella informationen ändras mer än 11 gånger per sekund börjar saker bli suddiga. Detta är anledningen till att vi kan titta på film på bio eller på vår TV. Våra ögon kan inte följa förändringarna längre och alla de enda stillbilderna smälts samman till en kontinuerlig rörelse. Men om vi ändrar ljus till ljud kan våra öron uppfatta dessa svängningar perfekt upp till flera tusen oscillationer per sekund!

Jag tänkte lite elektroniskt för att förvandla min smartphone till en ljusmottagare, vilket gav mig också möjligheten att spela in dessa ljud. Eftersom elektroniken är väldigt enkel vill jag visa dig grunderna i elektronisk design i detta exempel. Så vi kommer att dyka ganska djupt ner i transistorer, motstånd och kondensatorer. Men oroa dig inte, jag ska hålla matten enkel!

Steg 1: Elektronisk del 1: Vad är en transistor?

Nu är din snabba och inte smutsiga introduktion till bipolära transistorer. Det finns två olika typer av dem. En heter NPN och det här är den du kan se på bilden. Den andra typen är PNP och vi kommer inte att prata om det här. Skillnaden är bara en fråga om ström och spänningspolaritet och inte av ytterligare intresse.

En NPN-transistor är en elektronisk komponent som förstärker ström. I princip har du tre terminaler. Man är alltid jordad. På vår bild kallas det "Emitter". Sedan har du "basen", som är den vänstra och "Samlaren" som är den övre. Varje ström som går in i basen IB kommer att orsaka en förstärkt ström som flyter genom kollektorn IC och går genom sändaren tillbaka till marken. Strömmen måste drivas från en extern spänningskälla UB. Förhållandet mellan den förstärkta strömmen IC och basströmmen IB är IC/IB = B. B kallas DC-strömförstärkning. Det beror på temperaturen och hur du ställer in din transistor i din krets. Dessutom är den benägen för allvarliga produktionstoleranser, så det är inte särskilt meningsfullt att beräkna med fixvärden. Tänk alltid på att den nuvarande vinsten kan spridas mycket. Förutom B finns det ett annat värde som heter "beta". Wile B karakteriserar förstärkningen av en DC-signal, beta gör samma sak för AC-signaler. Normalt skiljer sig B och beta inte mycket åt.

Tillsammans med ingångsströmmen har transistorn också en ingångsspänning. Spänningens begränsningar är mycket smala. I normala applikationer kommer den att röra sig i ett område mellan 0.62V..0.7V. Tvinga en spänningsförändring på basen kommer att resultera i dramatiska förändringar av kollektorströmmen eftersom detta beroende följer en exponentiell kurva.

Steg 2: Elektronisk del 2: Designa förstärkarens första etapp

Nu är vi på väg. För att omvandla modulerat ljus till ljud behöver vi en fototransistor. En fototransistor liknar mycket NPN-transistorn i föregående steg. Men den kan inte bara ändra Collector -strömmen genom att styra basströmmen. Dessutom beror kollektorströmmen på ljus. Mycket ljus-mycket ström, mindre ljus-mindre ström. Det är så enkelt.

Ange strömförsörjning

När jag konstruerar hårdvara är det första jag gör att jag bestämmer mig för strömförsörjningen eftersom detta påverkar ALLT i din krets. Att använda ett 1, 5V batteri skulle vara en dålig idé eftersom, som du lärde dig i steg 1, är UBE för en transistor cirka 0, 65V och därmed redan på halva vägen upp till 1, 5V. Vi borde ge mer reserv. Jag älskar 9V batterier. De är billiga och lätta att hantera och tar inte mycket plats. Så låt oss gå med 9V. UB = 9V

Specificerar kollektorströmmen

Detta är också avgörande och påverkar allt. Den ska inte vara för liten för då blir transistorn instabil och signalbruset stiger. Det får inte heller vara för högt eftersom transistorn alltid har en ledig ström och en spänning och det betyder att den förbrukar ström som förvandlas till värme. För mycket ström dränerar batterierna och kan döda transistorn på grund av värme. I mina applikationer håller jag alltid kollektorströmmen mellan 1 … 5mA. I vårt fall, låt oss gå med 2mA. IC = 2mA.

Rengör din strömförsörjning

Om du utformar förstärkarsteg är det alltid en bra idé att hålla din DC-strömförsörjning ren. Strömförsörjningen är ofta en källa till buller och brum även om du använder ett batteri. Detta beror på att du vanligtvis har rimliga kabellängder anslutna till matningsskenan som kan fungera som en antenn för den överflödiga kraftnynningen. Normalt dirigerar jag matningsströmmen genom ett litet motstånd och tillhandahåller en fettpolariserad kondensator i slutet. Den kortar alla AC-signaler mot marken. På bilden är motståndet R1 och kondensatorn är C1. Vi bör hålla motståndet litet eftersom spänningsfallet det genererar begränsar vår effekt. Nu kan jag slänga in min erfarenhet och säga att 1V spänningsfall är acceptabelt om du arbetar med 9V strömförsörjning. UF = 1V.

Nu måste vi förutse våra tankar lite. Du kommer att se senare kommer vi att lägga till ett andra transistorsteg som också måste få strömförsörjningen ren. Så mängden ström som flödar genom R1 fördubblas. Spänningsfallet över R1 är R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Du får aldrig exakt det motstånd du vill ha eftersom de produceras i vissa värdeintervaller. Den närmaste till vårt värde är 270 ohm och vi kommer att må bra. R1 = 270 ohm.

Då väljer vi C1 = 220uF. Det ger en hörnfrekvens på 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Tänk inte för mycket på det här. Hörnfrekvensen är den där filtret börjar undertrycka AC-signaler. Upp till 2, 7Hz kommer allt att gå igenom mer eller mindre obestämd. Utöver 2, 7Hz blir signalerna mer och mer undertryckta. Dämpningen av ett första ordnings lågpassfilter beskrivs av A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Vår närmaste fiende när det gäller störningar är 50 Hz kraftlinjen. Så låt oss tillämpa f = 50 och vi får A = 0, 053. Det betyder att endast 5, 3% av bruset kommer igenom filtret. Borde vara tillräckligt för våra behov.

Specificerar kollektorspänningsförspänningen

Förspänningen är den punkt där du sätter in din transistor när den är i viloläge. Detta specificerar dess strömmar och spänningar när det inte finns någon insignal att förstärka. En ren specifikation av denna förspänning är grundläggande eftersom till exempel spänningsförspänningen på kollektorn anger den punkt där signalen kommer att svänga runt när transistorn fungerar. Om du anger denna punkt felaktigt kommer det att resultera i en förvrängd signal när utgångssvingen träffar marken eller strömförsörjningen. Detta är de absoluta gränser som transistorn inte kan komma över! Normalt är det en bra idé att placera utspänningsförspänningen i mitten mellan jord och UB vid UB/2, i vårt fall (UB-UF)/2 = 4V. Men av någon anledning förstår du senare, jag vill säga det lite lägre. Först behöver vi inte en stor utgångssvängning eftersom även efter förstärkning i detta första steget kommer vår signal att ligga i intervallet millivolt. För det andra kommer en lägre förspänning att göra det bättre för följande transistorstadium som du kommer att se. Så låt oss sätta förspänningen på 3V. UA = 3V.

Beräkna kollektormotståndet

Nu kan vi beräkna resten av komponenterna. Du kommer att se om en kollektorström strömmar genom R2 vi får ett spänningsfall från UB. Eftersom UA = UB-UF-IC*R1 kan vi extrahera R1 och få R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Återigen väljer vi nästa normvärde och vi tar R1 = 2, 7K Ohm.

Beräkna basmotståndet

För beräkning av R3 kan vi härleda en enkel ekvation. Spänningen över R3 är UA-UBE. Nu behöver vi veta basströmmen. Jag berättade DC-strömförstärkningen B = IC/IB, så IB = IC/B, men vad är värdet på B? Tyvärr använde jag en fototransistor från ett överskottspaket och det finns ingen ordentlig märkning på komponenterna. Så vi måste använda vår fantasi. Fototransistorer har inte så mycket förstärkning. De är mer utformade för hastighet. Medan DC-strömförstärkningen för en normal transistor kan nå 800 kan B-faktorn för en fototransistor vara mellan 200..400. Så låt oss gå med B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Det är nära 360K Ohm. Tyvärr har jag inte detta värde i min låda så jag använde en 240K+100K i serie istället. R3 = 340K Ohm.

Du kan fråga dig själv varför vi tömmer basströmmen från kollektorn och inte från UB. Låt mig berätta detta. Transistorns förspänning är en ömtålig sak eftersom en transistor är benägen för produktionstoleranser samt ett starkt temperaturberoende. Det betyder att om du förspänner din transistor direkt från UB kommer den sannolikt att försvinna snart. För att klara det problemet använder hårdvarudesigners en metod som kallas "negativ feedback". Ta en titt på vår krets igen. Basströmmen kommer från kollektorspänningen. Tänk dig nu att transistorn blir varmare och dess B-värde stiger. Det betyder att mer kollektorström flödar och UA minskar. Men lägre UA betyder också mindre IB och spänningen UA går upp lite igen. Med B -minskning har du samma effekt tvärtom. Detta är REGLERING! Det betyder att genom smarta kablar kan vi hålla transistorns förspänning inom gränserna. Du kommer att se en annan negativ feedback i nästa steg också. Förresten minskar negativ feedback normalt också förstärkningen av scenen, men det finns medel för att komma över detta problem.

Steg 3: Elektronisk del 3: Designa andra etappen

Jag gjorde några tester genom att applicera ljussignalen från det förförstärkta steget i föregående steg i min smartphone. Det var uppmuntrande men jag trodde att lite mer förstärkning skulle göra bättre. Jag uppskattade att ytterligare en ökning med faktor 5 borde göra jobbet. Så här går vi med andra etappen! Normalt skulle vi åter sätta upp transistorn i det andra steget med sin egen förspänning och matade den förförstärkta signalen från det första steget via en kondensator till den. Kom ihåg att kondensatorer inte släpper igenom DC. Bara AC-signalen kan passera. På så sätt kan du leda en signal genom etapperna och förspänningen för varje steg påverkas inte. Men låt oss göra saker lite mer intressanta och försöka spara några komponenter eftersom vi vill hålla enheten liten och praktisk. Vi kommer att använda utgångsförspänningen i steg 1 för att förspänna transistorn i steg 2!

Beräkning av emittermotståndet R5

I detta skede blir vår NPN-transistor direkt partisk från föregående steg. I kretsschemat ser vi att UE = UBE + ICxR5. Eftersom UE = UA från föregående steg kan vi extrahera R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Vi gör det till 1, 2K Ohm vilket är det närmaste normvärdet. R5 = 1, 2K Ohm.

Här kan du se en annan typ av feedback. Låt oss säga att medan UE förblir konstant ökar transistorns B -värde på grund av temperaturen. Så vi får mer ström genom uppsamlare och sändare. Men mer ström genom R5 betyder mer spänning över R5. Eftersom UBE = UE - IC*R5 innebär en ökning av IC en minskning av UBE och därmed en minskning igen av IC. Även här har vi reglering som hjälper oss att hålla förspänningen stabil.

Beräkning av kollektormotståndet R4

Nu bör vi hålla ett öga på utsignalen för vår kollektorsignal UA. Den nedre gränsen är emitterförspänningen 3V-0, 65V = 2, 35V. Den övre gränsen är spänningen UB-UB = 9V-1V = 8V. Vi kommer att sätta vår samlarfördom in i mitten. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Nu är det enkelt att beräkna R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Vi gör det R4 = 1, 5K Ohm.

Hur är det med förstärkningen?

Så hur är det med faktor 5 för förstärkning vi vill få? Spänningsförstärkningen av AC-signaler i scenen som du kan se den beskrivs i en mycket enkel formel. Vu = R4/R5. Ganska enkelt va? Detta är förstärkningen av en transistor med negativ återkoppling över emittermotståndet. Kom ihåg att jag sa till dig att negativ feedback också påverkar förstärkningen om du inte tar ordentliga medel mot det.

Om vi beräknar förstärkningen med de valda värdena för R4 och R5 får vi V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, det är ganska långt ifrån 5. Så vad kan vi göra? Tja, först ser vi att vi inte kan göra något åt R4. Det fixas av utgångsförspänningen och spänningsbegränsningarna. Hur är det med R5? Låt oss beräkna värdet R5 borde ha om vi skulle ha en förstärkning av 5. Det är enkelt, eftersom Vu = R4/R5 betyder detta att R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, det är bra, men om vi skulle sätta en 300 Ohm istället för 1,2K i vår krets skulle vår förspänning bli skruvad. Så vi måste sätta båda, 1,2K Ohm för DC -förspänningen och 300 Ohm för AC -negativ feedback. Ta en titt på den andra bilden. Du ser att jag delade 1, 2K Ohm motståndet i ett 220 Ohm och 1K Ohm i serie. Dessutom valde jag 220 Ohm eftersom jag inte hade ett 300 Ohm motstånd. 1K kringgås också av en fettpolariserad kondensator. Vad betyder detta? Tja för likspänningsförspänningen betyder det att den negativa återkopplingen "ser" en 1, 2K Ohm eftersom likström kanske inte passerar genom en kondensator, så för likspänningsförspänningen finns C3 bara inte! AC-signalen å andra sidan "ser" bara 220 Ohm eftersom varje AC-spänningsfall över R6 kortsluts till marken. Inget spänningsfall, ingen feedback. Endast 220 Ohm återstår för negativ feedback. Ganska smart, va?

För att få detta att fungera korrekt måste du välja C3 så att dess impedans är mycket mycket lägre än R3. Ett bra värde är 10% av R3 för lägsta möjliga arbetsfrekvens. Låt oss säga att vår lägsta frekvens är 30 Hz. Impedansen för en kondensator är Xc = 1/(2*PI*f*C3). Om vi extraherar C3 och sätter in frekvensen och värdet på R3 får vi C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. För att matcha det närmaste normvärdet, låt oss göra det C3 = 47uF.

Se nu den färdiga schemat i den sista bilden. Var gjort!

Steg 4: Gör mekaniken del 1: Lista över material

Jag använde följande komponenter för att göra enheten:

• Alla elektroniska komponenter från schemat
• Ett vanligt plastfodral 80 x 60 x 22 mm med inbyggt fack för 9V batterier
• En 9V batteriklämma
• 1m 4pol ljudkabel med jack 3,5 mm
• 3pol. stereouttag 3,5 mm
• en omkopplare
• en bit perfboard
• ett 9V batteri
• löda
• 2 mm koppartråd 0, 25 mm isolerad sil

Följande verktyg ska användas:

• Lödkolv
• Elektrisk borr
• Digital multimeter
• en rund rasp

Steg 5: Making the Mechanics: Del 2

Placera omkopplaren och 3, 5 mm -uttaget

Använd raspen för att fila i två halvhål i båda delarna av höljet (övre och nedre). Gör hålet tillräckligt brett för att strömbrytaren ska passa in. Gör nu samma sak med 3,5 mm -uttaget. Uttaget används för att ansluta öronproppar. Ljudutgångarna från 4pol. uttag kommer att dras till 3,5 mm -uttaget.

Gör hål för kabel och fototransistor

Borra ett 3 mm hål på framsidan och superlimma fototransistorn i den så att dess terminaler går genom hålet. Borra ytterligare ett hål med 2 mm diameter på ena sidan. Ljudkabeln med 4 mm -uttaget går igenom den.

Löd det elektroniska

Löd nu de elektroniska komponenterna på perfboard och koppla den till ljudkabeln och 3,5 mm -uttaget som visas i schemat. Titta på bilderna som visar signaluttagen på uttagen för orientering. Använd din DMM för att se vilken signal från jack som kommer ut på vilken kabel för att identifiera den.

När allt är klart, slå på enheten och kontrollera om spänningsutgångarna på transistorerna är mer eller mindre inom det beräknade intervallet. Om inte, försök att justera R3 i förstärkarens första steg. Det kommer sannolikt att vara problemet på grund av de utbredda toleranserna för transistorerna du kan behöva justera dess värde.

Steg 6: Testning

Jag byggde en mer sofistikerad enhet av denna typ för några år sedan (se video). Från den här tiden samlade jag ett gäng ljudprover som jag vill visa dig. De flesta av dem samlade jag medan jag körde i min bil och placerade fototransistorn bakom min vindruta.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Detta är ljudet från en extern LED-display på en buss som passerar
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Blinkaren i en bil
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Strålkastaren på en bil
• "Neonreklame.mp3" neonljus
• "Schwebung.mp3" Slaget på två störande bilstrålkastare
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Ljudet av en CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Ljudet från min oscilloskopskärm med olika tidsinställningar
• "Sound-PC Monitor.mp3" Ljudet från min PC-monitor
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Gatubelysning
• "Was_ist_das_1.mp3" Ett svagt och konstigt främmande ljud som jag fångade någonstans när jag körde runt i min bil

Jag hoppas att jag kunde blöta din aptit och du kommer att utforska den nya världen av ljusljud på egen hand nu!