LightSound: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Pohrával jsem si s elektronikou od svých 10 let. Můj otec, radiotechnik, mě naučil základy a používání páječky. Jsem mu hodně dlužen. Jedním z mých prvních obvodů byl zvukový zesilovač s mikrofonem a chvíli jsem rád slyšel svůj hlas prostřednictvím připojeného reproduktoru nebo zvuky zvenčí, když jsem mikrofon zavěsil z okna. Jednoho dne přišel můj otec s cívkou, kterou odstranil ze starého transformátoru, a řekl: „Připojte to místo mikrofonu“. Udělal jsem to a toto byl jeden z nejúžasnějších okamžiků v mém životě. Najednou jsem slyšel podivné hučení, syčení, ostré elektronické bzučení a některé zvuky, které připomínaly zkreslené lidské hlasy. Bylo to jako potápění ve skrytém světě, který mi ležel přímo před ušima, což jsem do této chvíle nedokázal rozpoznat. Technicky na tom nebylo nic magického. Cívka zachytila elektromagnetický šum vycházející ze všech domácích zařízení, ledniček, praček, elektrických vrtaček, televizorů, rádií, pouličního osvětlení a.s. Ale zkušenost byla pro mě zásadní. Kolem mě bylo něco, co jsem nemohl vnímat, ale s nějakým elektronickým mumbo-jumbo jsem byl in!

O několik let později jsem o tom znovu přemýšlel a napadl mě jeden nápad. Co by se stalo, kdybych k zesilovači připojil fototranzistor? Slyšel bych také vibrace, které mé oči byly příliš líné na to, aby je rozpoznaly? Udělal jsem to a zážitek byl opět úžasný! Lidské oko je velmi důmyslný orgán. Poskytuje největší šířku pásma informací ze všech našich orgánů, ale s tím jsou spojeny určité náklady. Schopnost vnímat změny je velmi omezená. Pokud se vizuální informace mění více než 11krát za sekundu, věci se začínají rozmazávat. To je důvod, proč můžeme sledovat filmy v kině nebo v televizi. Naše oči již nemohou sledovat změny a všechny tyto jednotlivé statické obrázky jsou sloučeny do jednoho souvislého pohybu. Pokud ale změníme světlo na zvuk, naše uši mohou tyto kmity vnímat dokonale až několik tisíc oscilací za sekundu!

Vymyslel jsem trochu elektroniky, aby se můj smartphone stal světelným přijímačem, což mi také dalo možnost tyto zvuky nahrávat. Protože elektronika je velmi jednoduchá, chci vám na tomto příkladu ukázat základy elektronického designu. Ponoříme se tedy pěkně hluboko do tranzistorů, rezistorů a kondenzátorů. Ale nebojte se, nechám matematiku jednoduchou!

Krok 1: Elektronická část 1: Co je to tranzistor?

Nyní je zde váš rychlý a nešpinavý úvod do bipolárních tranzistorů. Existují dva různé druhy. Jeden se jmenuje NPN a toto je ten, který můžete vidět na obrázku. Druhým typem je PNP a nebudeme o tom mluvit zde. Rozdíl je pouze otázkou polarity proudu a napětí a není předmětem dalšího zájmu.

NPN tranzistor je elektronická součástka, která zesiluje proud. V zásadě máte tři terminály. Jeden je vždy uzemněn. Na našem obrázku se tomu říká „Vysílač“. Pak máte „základnu“, která je levou a „Sběratel“, která je horní. Jakýkoli proud, který jde do základny IB, způsobí, že zesílený proud plovoucí přes kolektor IC a procházející emitorem zpět do země. Proud musí být napájen z externího zdroje napětí UB. Poměr zesíleného proudu IC a základního proudu IB je IC/IB = B. B se nazývá zisk stejnosměrného proudu. Záleží na teplotě a na tom, jak nastavíte tranzistor ve svém obvodu. Kromě toho je náchylný k velkým výrobním tolerancím, takže nemá smysl počítat s fixními hodnotami. Vždy mějte na paměti, že aktuální zisk se může hodně rozšířit. Kromě B existuje ještě jedna hodnota s názvem „beta“. Wile B charakterizuje zesílení DC signálu, beta dělá totéž pro AC signály. B a beta se obvykle příliš neliší.

Spolu se vstupním proudem má tranzistor také vstupní napětí. Omezení napětí jsou velmi úzká. V běžných aplikacích se bude pohybovat v oblasti mezi 0,62V..0,7V. Vynucení změny napětí na základně bude mít za následek dramatické změny kolektorového proudu, protože tato závislost sleduje exponenciální křivku.

Krok 2: Elektronická část 2: Navrhování první fáze zesilovače

Nyní jsme na cestě. K převodu modulovaného světla na zvuk potřebujeme fototranzistor. Fototranzistor se velmi podobá standardnímu NPN tranzistoru z předchozího kroku. Ale je také schopen nejen měnit kolektorový proud řízením základního proudu. Kolektorový proud navíc závisí na světle. Hodně světla-hodně proudu, méně světla-méně proudu. Je to tak snadné.

Specifikace napájecího zdroje

Když navrhuji hardware, první věcí, kterou udělám, je rozhodnout se o napájecím zdroji, protože to ovlivňuje VŠECHNO ve vašem obvodu. Použití 1, 5V baterie by byl špatný nápad, protože, jak jste se dozvěděli v kroku 1, UBE tranzistoru je kolem 0, 65V, a tedy již v polovině cesty až 1, 5V. Měli bychom poskytnout větší rezervu. Miluji 9V baterie. Jsou levné a snadno se s nimi manipuluje a nezabírají mnoho místa. Pojďme tedy na 9V. UB = 9V

Zadání proudu kolektoru

To je také zásadní a ovlivňuje vše. Nemělo by být příliš malé, protože pak se tranzistor stane nestabilním a šum signálu stoupá. Také nesmí být příliš vysoký, protože tranzistor má vždy klidový proud a napětí a to znamená, že spotřebovává energii, která se mění na teplo. Příliš mnoho proudu vybíjí baterie a může způsobit zahřátí tranzistoru. V mých aplikacích vždy udržuji kolektorový proud mezi 1… 5mA. V našem případě pojďme s 2mA. IC = 2mA.

Vyčistěte napájecí zdroj

Pokud navrhujete stupně zesilovače, je vždy dobré udržovat stejnosměrné napájení čisté. Zdroj napájení je často zdrojem hluku a hukotu, i když používáte baterii. Důvodem je, že obvykle máte k napájecí liště připojeny rozumné délky kabelů, které mohou fungovat jako anténa pro všechny silné bzučení. Normálně směruji napájecí proud malým odporem a na konci opatřím tlustým polarizovaným kondenzátorem. Zkratuje všechny střídavé signály vůči zemi. Na obrázku je odpor R1 a kondenzátor C1. Rezistor bychom měli ponechat malý, protože pokles napětí, který generuje, omezuje náš výkon. Nyní mohu hodit své zkušenosti a říci, že pokles napětí 1 V je přijatelný, pokud pracujete s napájením 9 V. UF = 1V.

Nyní musíme své myšlenky trochu předvídat. Později uvidíte, že přidáme druhý tranzistorový stupeň, který také potřebuje, aby byl jeho napájecí proud čistý. Množství proudu protékajícího R1 je tedy dvojnásobné. Pokles napětí na R1 je R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 ohmů. Nikdy nedostanete přesně požadovaný odpor, protože jsou vyráběny v určitých hodnotových intervalech. Nejbližší k naší hodnotě je 270 ohmů a budeme s tím v pohodě. R1 = 270 ohmů.

Poté zvolíme C1 = 220uF. To dává rohovou frekvenci 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7 Hz. Na tohle moc nemysli. Rohová frekvence je ta, kde filtr začíná potlačovat střídavé signály. Až 2, 7 Hz projde vše víceméně neoslabeno. Nad 2, 7 Hz jsou signály stále více potlačovány. Útlum dolního filtru prvního řádu je popsán A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Naším nejbližším nepřítelem, pokud jde o rušení, je hučení elektrického vedení 50 Hz. Použijme tedy f = 50 a dostaneme A = 0, 053. To znamená, že filtrem projde jen 5, 3% hluku. Pro naše potřeby by to mělo stačit.

Určení předpětí kolektorového napětí

Předpětí je bod, do kterého vložíte tranzistor, když je v klidovém režimu. Toto určuje jeho proudy a napětí, když není žádný vstupní signál pro zesílení. Čistá specifikace tohoto předpětí je zásadní, protože například předpětí napětí na kolektoru určuje bod, kde se signál bude otáčet, když tranzistor pracuje. Chybné rozložení tohoto bodu bude mít za následek zkreslený signál, když se výstupní výkyv dotkne země nebo napájecího zdroje. To jsou absolutní limity, přes které se tranzistor nedostane! Normálně je dobré dát předpětí výstupního napětí uprostřed mezi zem a UB na UB/2, v našem případě (UB-UF)/2 = 4V. Ale z nějakého důvodu to později pochopíš, chci to dát trochu níže. Nejprve nepotřebujeme velký výstupní výkyv, protože i po zesílení v tomto 1. stupni bude náš signál v rozsahu milivoltů. Za druhé, nižší zkreslení bude lepší pro následující tranzistorový stupeň, jak uvidíte. Dejme tedy předpětí na 3V. UA = 3V.

Vypočítejte kolektorový odpor

Nyní můžeme vypočítat zbytek komponent. Uvidíte, jestli kolektorový proud protéká R2, dostaneme pokles napětí přicházející z UB. Protože UA = UB-UF-IC*R1 můžeme extrahovat R1 a získat R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Opět zvolíme další normovou hodnotu a vezmeme R1 = 2, 7K Ohm.

Vypočítejte základní odpor

Pro výpočet R3 můžeme odvodit jednoduchou rovnici. Napětí na R3 je UA-UBE. Nyní potřebujeme znát základní proud. Řekl jsem vám zisk stejnosměrného proudu B = IC/IB, tedy IB = IC/B, ale jaká je hodnota B? Bohužel jsem použil fototranzistor z přebytečného obalu a na součástkách není správné označení. Musíme tedy použít naši fantazii. Fototranzistory nemají tolik zesílení. Jsou více navrženy pro rychlost. Zatímco zisk stejnosměrného proudu pro normální tranzistor může dosáhnout 800, faktor B fototranzistoru může být mezi 200..400. Pojďme tedy s B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. To je blízko 360K Ohm. Bohužel tuto hodnotu v krabici nemám, takže jsem místo toho použil 240K+100K v sérii. R3 = 340K Ohm.

Můžete si položit otázku, proč odebíráme základní proud z kolektoru a ne z UB. Řeknu vám to. Předpětí tranzistoru je křehká věc, protože tranzistor je náchylný k výrobním tolerancím a také k silné závislosti na teplotě. To znamená, že pokud předepnete svůj tranzistor přímo z UB, pravděpodobně se brzy odnese. K vyřešení tohoto problému používají návrháři hardwaru metodu nazvanou „negativní zpětná vazba“. Podívejte se znovu na náš okruh. Základní proud pochází z kolektorového napětí. Nyní si představte, že tranzistor se zahřívá a jeho hodnota B stoupá. To znamená, že protéká více kolektorového proudu a klesá UA. Ale menší UA také znamená menší IB a napětí UA jde zase o kousek nahoru. S poklesem B máte stejný účinek naopak. Toto je REGULACE! To znamená, že chytrým zapojením můžeme udržet předpětí tranzistoru v mezích. Další negativní zpětnou vazbu uvidíte také v další fázi. Mimochodem, negativní zpětná vazba obvykle také snižuje zesílení stupně, ale existují způsoby, jak se s tímto problémem dostat.

Krok 3: Elektronická část 3: Navrhování druhé etapy

Provedl jsem nějaké testování aplikací světelného zvukového signálu z předzesilovače v předchozím kroku do svého smartphonu. Bylo to povzbudivé, ale myslel jsem si, že trochu více zesílení bude lepší. Odhadoval jsem, že další posílení faktoru 5 by mělo tuto práci zvládnout. Takže jdeme na druhou fázi! Normálně bychom opět nastavili tranzistor ve druhém stupni s vlastním zaujetím a přivedli do něj předzesilovač signál z prvního stupně přes kondenzátor. Pamatujte, že kondenzátory nepropouštějí DC. Může projít pouze střídavý signál. Tímto způsobem můžete směrovat signál přes fáze a ovlivnění každé fáze nebude ovlivněno. Udělejme však věci trochu zajímavějšími a zkusme uložit některé komponenty, protože chceme, aby zařízení bylo malé a praktické. Pro předpětí tranzistoru ve stupni 2 použijeme výstupní zkreslení stupně 1!

Výpočet emitorového odporu R5

V této fázi se náš NPN tranzistor přímo zkreslí z předchozího stupně. Na schématu zapojení vidíme, že UE = UBE + ICxR5. Protože UE = UA z předchozí fáze můžeme extrahovat R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Uděláme to 1, 2K Ohm, což je nejbližší normovaná hodnota. R5 = 1, 2K Ohm.

Zde můžete vidět další druh zpětné vazby. Řekněme, že zatímco UE zůstává konstantní, hodnota B tranzistoru se zvyšuje v důsledku teploty. Díky kolektoru a emitoru tedy získáme více proudu. Ale větší proud přes R5 znamená větší napětí na R5. Protože UBE = UE - IC*R5, zvýšení IC znamená snížení UBE a tím opět snížení IC. I zde máme regulaci, která nám pomáhá udržet předpojatost stabilní.

Výpočet kolektorového odporu R4

Nyní bychom měli sledovat výstupní švih našeho kolektorového signálu UA. Dolní mez je předpětí emitoru 3V-0, 65V = 2, 35V. Horní mez je napětí UB-UB = 9V-1V = 8V. Naši sběratelskou zaujatost dáme přímo doprostřed. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Nyní je snadné vypočítat R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Děláme to R4 = 1, 5K Ohm.

A co zesílení?

Co tedy s faktorem 5 zesílení, který chceme získat? Zesílení napětí střídavých signálů ve fázi, jak vidíte, je popsáno ve velmi jednoduchém vzorci. Vu = R4/R5. Docela jednoduché, že? Toto je zesílení tranzistoru s negativní zpětnou vazbou přes rezistor emitoru. Pamatujte, řekl jsem vám, že negativní zpětná vazba také ovlivňuje zesílení, pokud proti tomu neberete vhodné prostředky.

Pokud vypočítáme zesílení se zvolenými hodnotami R4 a R5, dostaneme V = R4/R5 = 1,5 K/1,2 K = 1,2. Hm, to je hodně daleko od 5. Takže co můžeme dělat? Nejprve vidíme, že s R4 nemůžeme nic udělat. Je to dáno předpětím výstupu a omezením napětí. A co R5? Vypočítejme hodnotu, kterou by měl mít R5, kdybychom měli zesílení 5. To je snadné, protože Vu = R4/R5 to znamená, že R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Dobře, to je v pořádku, ale kdybychom místo 1,2 K do našeho obvodu vložili 300 ohmů, naše předpojatost by se pokazila. Musíme tedy dát obojí, 1,2K Ohm pro předpětí DC a 300 Ohmů pro střídavou negativní zpětnou vazbu. Podívejte se na druhý obrázek. Uvidíte, že jsem rozdělil odpor 1, 2K Ohm na 220 Ohm a 1K Ohm v sérii. Kromě toho jsem zvolil 220 ohmů, protože jsem neměl odpor 300 ohmů. 1K je také přemostěn tukovým polarizovaným kondenzátorem. Co to znamená? No pro stejnosměrné předpětí to znamená, že negativní zpětná vazba „vidí“1, 2K Ohm, protože stejnosměrný proud nemusí procházet kondenzátorem, takže pro předpětí stejnosměrného proudu C3 prostě neexistuje! Střídavý signál na druhé straně jen „vidí“220 ohmů, protože každý pokles střídavého napětí na R6 je zkratován k zemi. Žádný pokles napětí, žádná zpětná vazba. Pouze 220 Ohm zůstává pro negativní zpětnou vazbu. Docela chytré, co?

Aby to fungovalo správně, musíte zvolit C3 tak, aby jeho impedance byla mnohem nižší než R3. Dobrá hodnota je 10% R3 pro nejnižší možnou pracovní frekvenci. Řekněme, že naše nejnižší frekvence je 30 Hz. Impedance kondenzátoru je Xc = 1/(2*PI*f*C3). Pokud extrahujeme C3 a vložíme frekvenci a hodnotu R3, dostaneme C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Aby odpovídala nejbližší normové hodnotě, udělejme ji C3 = 47uF.

Nyní viz dokončené schéma na posledním obrázku. Máme hotovo!

Krok 4: Výroba mechaniky Část 1: Seznam materiálů

K výrobě zařízení jsem použil následující komponenty:

• Všechny elektronické součásti ze schématu
• Standardní plastové pouzdro 80 x 60 x 22 mm s integrovanou přihrádkou na 9V baterie
• Klip na 9V baterii
• 1m 4pol audio kabel s konektorem 3,5 mm
• 3pol. stereo zdířka 3,5 mm
• vypínač
• kousek perfboardu
• 9V baterie
• pájka
• 2mm měděný drát 0, 25mm izolovaný napnutý drát

Měli byste použít následující nástroje:

• Páječka
• Elektrická vrtačka
• Digitální multimetr
• kulatá rašple

Krok 5: Výroba mechaniky: Část 2

Umístěte vypínač a zásuvku 3,5 mm

Pomocí rašple zapilujte do dvou polovičních otvorů v obou částech pláště (horní i dolní). Vytvořte otvor dostatečně široký, aby se do něj spínač vešel. Nyní proveďte totéž s 3,5mm zásuvkou. Zásuvka bude sloužit k připojení špuntů do uší. Zvukové výstupy ze 4pol. konektor bude směrován do 3,5mm zásuvky.

Vytvořte otvory pro kabel a fototranzistor

Na přední straně vyvrtejte 3 mm otvor a do něj superlepte fototranzistor tak, aby jeho otvory procházely otvorem. Na jedné straně vyvrtejte další otvor o průměru 2 mm. Prochází jím audio kabel se 4mm jackem.

Pájejte elektroniku

Nyní připájejte elektronické součástky na perfboardu a zapojte je do audio kabelu a 3,5mm jacku, jak je znázorněno na schématu. Pro orientaci se podívejte na obrázky zobrazující signální vývody na konektorech. Pomocí DMM zjistěte, který signál z konektoru vychází na kterém vodiči, abyste jej identifikovali.

Když je vše hotové, zapněte zařízení a zkontrolujte, zda jsou napěťové výstupy na tranzistorech více či méně ve vypočteném rozsahu. Pokud ne, zkuste upravit R3 v prvním stupni zesilovače. Pravděpodobně to bude problém kvůli rozšířeným tolerancím tranzistorů, které budete muset upravit jeho hodnotu.

Krok 6: Testování

Sofistikovanější zařízení tohoto typu jsem postavil před několika lety (viz video). Od této doby jsem shromáždil spoustu zvukových ukázek, které vám chci ukázat. Většinu z nich jsem nasbíral, když jsem jel v autě, a umístil fototranzistor za čelní sklo.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Toto je zvuk externího LED displeje na projíždějící sběrnici
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Blikač auta
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Světlomet automobilu
• Neonová světla „Neonreklame.mp3“
• „Schwebung.mp3“Tlukot dvou rušivých světlometů automobilu
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Zvuk CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Zvuk obrazovky mého osciloskopu s různým nastavením času
• "Sound-PC Monitor.mp3" Zvuk mého PC monitoru
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Pouliční osvětlení
• „Was_ist_das_1.mp3“Slabý a podivný zvuk podobný mimozemšťanům, který jsem zachytil někde, když jsem jel autem

Doufám, že jsem mohl smočit vaši chuť k jídlu a vy se nyní vydáte prozkoumat nový svět světelných zvuků sami!