LightSound: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Я возился с электроникой с 10 лет. Отец, радиотехник, научил меня основам работы с паяльником. Я ему многим обязан. Одной из моих первых схем был аудиоусилитель с микрофоном, и какое-то время я любил слышать свой голос через подключенный громкоговоритель или звуки извне, когда я вывешивал микрофон из окна. Однажды мой отец пришел с катушкой, которую он снял со старого трансформатора, и сказал: «Подключите это вместо вашего микрофона». Я сделал это, и это был один из самых удивительных моментов в моей жизни. Внезапно я услышал странные гудящие звуки, шипение, резкое жужжание электроники и некоторые звуки, похожие на искаженные человеческие голоса. Это было похоже на погружение в скрытый мир, который лежал прямо перед моими ушами, который я до сих пор не мог распознать. Технически в этом не было ничего волшебного. Катушка улавливала электромагнитный шум, исходящий от всех видов бытовых устройств, холодильников, стиральных машин, электродрелей, телевизоров, радиоприемников, уличных фонарей и др. Но этот опыт был для меня решающим. Вокруг меня было что-то, чего я не мог понять, но с каким-то электронным мумбо-юмбо, в котором я был!

Несколько лет спустя я снова подумал об этом, и мне в голову пришла одна идея. Что будет, если я подключу к усилителю фототранзистор? Смогу ли я также услышать вибрации, которые мои глаза были слишком ленивы, чтобы распознать? Я сделал это, и снова впечатления были потрясающими! Человеческий глаз - очень сложный орган. Он обеспечивает наибольшую пропускную способность для передачи информации среди всех наших органов, но это требует определенных затрат. Способность воспринимать изменения довольно ограничена. Если визуальная информация меняется более 11 раз в секунду, все начинает размываться. По этой причине мы можем смотреть фильмы в кино или на телевизоре. Наши глаза больше не могут следить за изменениями, и все эти отдельные неподвижные изображения сливаются в одно непрерывное движение. Но если мы превратим свет в звук, наши уши могут прекрасно воспринимать эти колебания до нескольких тысяч колебаний в секунду!

Я изобрел небольшую электронику, чтобы превратить мой смартфон в приемник светового звука, что дало мне также возможность записывать эти звуки. Поскольку электроника очень проста, я хочу показать вам основы электронного дизайна на этом примере. Итак, мы углубимся в транзисторы, резисторы и конденсаторы. Но не волнуйтесь, я буду упрощать математику!

Шаг 1: Электроника. Часть 1: Что такое транзистор?

А теперь вот ваше быстрое и полезное введение в биполярные транзисторы. Они бывают двух разных видов. Один называется NPN, и это тот, который вы видите на картинке. Другой тип - это PNP, и мы не будем об этом здесь говорить. Разница заключается только в полярности тока и напряжения и не представляет дальнейшего интереса.

NPN-транзистор - это электронный компонент, усиливающий ток. В основном у вас есть три терминала. Один всегда заземлен. На нашей картинке он называется «Излучатель». Затем у вас есть "база", которая является левой, и "Collector", которая является верхней. Любой ток, идущий в базу IB, вызовет усиленный ток, протекающий через коллектор IC и проходящий через эмиттер обратно в землю. Ток должен подаваться от внешнего источника напряжения UB. Отношение усиленного тока IC к базовому току IB равно IC / IB = B. B называется усилением постоянного тока. Это зависит от температуры и от того, как вы устанавливаете транзистор в своей схеме. Кроме того, он подвержен жестким производственным допускам, поэтому нет смысла рассчитывать с фиксированными значениями. Всегда помните, что текущий выигрыш может сильно разойтись. Помимо B есть еще одно значение с именем «beta». Wile B характеризует усиление DC-сигнала, beta делает то же самое для AC-сигналов. Обычно B и бета не сильно отличаются.

Вместе с входным током транзистор также имеет входное напряжение. Ограничения по напряжению очень узкие. В обычных приложениях он будет двигаться в диапазоне 0,62–0,7 В. Принудительное изменение напряжения на базе приведет к резким изменениям тока коллектора, потому что эта зависимость следует экспоненциальной кривой.

Шаг 2: Электроника. Часть 2: Проектирование первого каскада усилителя

Теперь мы в пути. Чтобы преобразовать модулированный свет в звук, нам понадобится фототранзистор. Фототранзистор очень похож на стандартный NPN-транзистор из предыдущего шага. Но он также способен не только изменять ток коллектора, управляя базовым током. Кроме того, ток коллектора зависит от света. Много света - много тока, меньше света - ток. Это так просто.

Указание источника питания

Когда я разрабатываю оборудование, первое, что я делаю, - это решаю вопрос об источнике питания, потому что это влияет на ВСЕ в вашей схеме. Использование батареи 1,5 В было бы плохой идеей, потому что, как вы узнали на шаге 1, UBE транзистора составляет около 0,65 В и, следовательно, уже на полпути к 1,5 В. Мы должны предоставить больше резерва. Обожаю батарейки на 9 В. Они дешевы, просты в обращении и не занимают много места. Итак, давайте перейдем к 9В. UB = 9В

Определение коллекторного тока

Это тоже очень важно и влияет на все. Он не должен быть слишком маленьким, потому что в этом случае транзистор станет нестабильным и шум сигнала возрастет. Он также не должен быть слишком высоким, потому что транзистор всегда имеет ток холостого хода и напряжение, а это означает, что он потребляет энергию, которая превращается в тепло. Слишком большой ток истощает батареи и может вывести из строя транзистор из-за нагрева. В своих приложениях я всегда поддерживаю ток коллектора в пределах 1… 5 мА. В нашем случае допустим 2 мА. IC = 2 мА.

Очистите блок питания

Если вы разрабатываете каскады усилителя, всегда рекомендуется содержать источник питания постоянного тока в чистоте. Блок питания часто является источником шума и гула, даже если вы используете аккумулятор. Это потому, что у вас обычно есть кабель разумной длины, подключенный к шине питания, который может работать как антенна для всего обильного гула мощности. Обычно я прокладываю ток питания через небольшой резистор и на конце делаю толстый поляризованный конденсатор. Он сокращает все сигналы переменного тока относительно земли. На рисунке резистор R1, а конденсатор C1. Мы должны сохранять резистор небольшого размера, потому что падение напряжения, которое он генерирует, ограничивает наш выход. Теперь я могу поделиться своим опытом и сказать, что падение напряжения на 1 В допустимо, если вы работаете с источником питания 9 В. УФ = 1В.

Теперь нам нужно немного предугадать наши мысли. Как вы увидите позже, мы добавим второй транзисторный каскад, который также должен очищать ток питания. Таким образом, количество тока, протекающего через R1, увеличивается вдвое. Падение напряжения на R1 составляет R1 = UF / (2xIC) = 1 В / 4 мА = 250 Ом. Вы никогда не получите именно тот резистор, который вам нужен, потому что они производятся с определенными интервалами значений. Ближайшее к нашему значению - 270 Ом, и нас это устроит. R1 = 270 Ом.

Затем выбираем C1 = 220uF. Это дает угловую частоту 1 / (2 * PI * R1 * C1) = 2,7 Гц. Не думай об этом слишком много. Угловая частота - это та частота, при которой фильтр начинает подавлять сигналы переменного тока. До 2,7 Гц все будет проходить более-менее без ослабления. За пределами 2,7 Гц сигналы все больше и больше подавляются. Затухание фильтра нижних частот первого порядка описывается соотношением A = 1 / (2 * PI * f * R1 * C1). Наш ближайший враг с точки зрения помех - гудение линии электропередачи 50 Гц. Итак, применим f = 50, и мы получим A = 0,053. Это означает, что только 5,3% шума пройдет через фильтр. Должно хватить для наших нужд.

Задание напряжения смещения коллектора

Смещение - это точка, в которую вы вставляете свой транзистор, когда он находится в режиме ожидания. Это определяет его токи и напряжения, когда нет входного сигнала для усиления. Четкая спецификация этого смещения является фундаментальной, потому что, например, смещение напряжения на коллекторе определяет точку, в которой сигнал будет колебаться, когда транзистор работает. Ошибочное расположение этой точки приведет к искажению сигнала, когда выходной сигнал ударяется о землю или источник питания. Это абсолютные ограничения, которые транзистор не может преодолеть! Обычно рекомендуется размещать смещение выходного напряжения посередине между землей и UB на уровне UB / 2, в нашем случае (UB-UF) / 2 = 4 В. Но почему-то позже вы поймете, что я хочу поставить его чуть ниже. Во-первых, нам не нужен большой размах выходного сигнала, потому что даже после усиления на этом первом этапе наш сигнал будет в диапазоне милливольт. Во-вторых, как вы увидите, более низкое смещение будет лучше для следующего транзисторного каскада. Итак, поставим смещение на 3В. UA = 3В.

Рассчитать коллекторный резистор

Теперь мы можем рассчитать остальные компоненты. Вы увидите, протекает ли ток коллектора через R2, мы получим падение напряжения от UB. Поскольку UA = UB-UF-IC * R1, мы можем извлечь R1 и получить R1 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-3V) / 2mA = 2, 5K. Снова выбираем следующее значение нормы и берем R1 = 2,7 кОм.

Рассчитайте базовый резистор

Для вычисления R3 можно вывести простое уравнение. Напряжение на R3 равно UA-UBE. Теперь нам нужно знать базовый ток. Я сказал вам, что коэффициент усиления постоянного тока B = IC / IB, поэтому IB = IC / B, но каково значение B? К сожалению, я использовал фототранзистор из лишней упаковки, и на компонентах нет надлежащей маркировки. Поэтому мы должны использовать нашу фантазию. Фототранзисторы не имеют такого большого усиления. Они больше рассчитаны на скорость. В то время как коэффициент усиления по постоянному току для нормального транзистора может достигать 800, B-фактор фототранзистора может находиться в диапазоне 200..400. Итак, давайте выберем B = 300. R3 = (UA-UBE) / IB = B * (UA-UBE) / IC = 352 кОм. Это близко к 360 кОм. К сожалению, у меня нет этого значения в моем ящике, поэтому я использовал вместо этого 240K + 100K последовательно. R3 = 340кОм.

Вы можете спросить себя, почему мы сливаем ток базы с коллектора, а не с UB. Позвольте мне сказать вам вот что. Смещение транзистора - вещь хрупкая, потому что транзистор склонен к производственным допускам, а также к серьезной зависимости от температуры. Это означает, что если вы смещаете свой транзистор непосредственно от UB, он, скорее всего, скоро уйдет. Чтобы справиться с этой проблемой, разработчики оборудования используют метод, называемый «отрицательной обратной связью». Взгляните на нашу схему еще раз. Базовый ток исходит от напряжения коллектора. А теперь представьте, что транзистор нагревается и его значение B. Это означает, что протекает больший ток коллектора и UA уменьшается. Но меньшее UA также означает меньшее IB, и напряжение UA снова немного повышается. С уменьшением B вы получите тот же эффект, но наоборот. Это ПОЛОЖЕНИЕ! Это означает, что с помощью грамотной разводки мы можем удерживать смещение транзистора в определенных пределах. На следующем этапе вы также увидите еще один отрицательный отзыв. Кстати, отрицательная обратная связь обычно также снижает усиление сцены, но есть способы решить эту проблему.

Шаг 3: Электронная часть 3: Разработка второй ступени

Я провел небольшое тестирование, применив световой сигнал с предусилителя на предыдущем шаге в свой смартфон. Это было обнадеживающе, но я подумал, что лучше немного большего усиления. Я подсчитал, что дополнительное усиление фактора 5 должно сработать. Итак, приступим ко второму этапу! Обычно мы снова устанавливаем транзистор во втором каскаде с его собственным смещением и подаем в него предварительно усиленный сигнал с первого каскада через конденсатор. Помните, что конденсаторы не пропускают постоянный ток. Может пройти только ac-сигнал. Таким образом, вы можете направить сигнал по ступеням, и это не повлияет на смещение каждой ступени. Но давайте сделаем вещи немного интереснее и постараемся сохранить некоторые компоненты, потому что мы хотим, чтобы устройство было маленьким и удобным. Мы будем использовать выходное смещение ступени 1 для смещения транзистора на ступени 2!

Расчет эмиттерного резистора R5

На этом этапе наш NPN-транзистор получает прямое смещение по сравнению с предыдущим этапом. На принципиальной схеме мы видим, что UE = UBE + ICxR5. Поскольку UE = UA из предыдущего этапа, мы можем извлечь R5 = (UE-UBE) / IC = (3V-0.65V) / 2mA = 1, 17K Ом. Мы делаем его 1,2 кОм, что является ближайшим значением нормы. R5 = 1,2 кОм.

Здесь вы можете увидеть обратную связь другого типа. Скажем, пока UE остается постоянным, значение B транзистора увеличивается из-за температуры. Таким образом, мы получаем больше тока через коллектор и эмиттер. Но больший ток через R5 означает большее напряжение на R5. Поскольку UBE = UE - IC * R5, увеличение IC означает уменьшение UBE и, таким образом, снова уменьшение IC. Здесь снова у нас есть правила, помогающие нам поддерживать стабильность смещения.

Расчет коллекторного резистора R4

Теперь мы должны следить за размахом выходного сигнала нашего коллектора сигнала UA. Нижний предел - смещение эмиттера 3V-0, 65V = 2, 35V. Верхний предел - это напряжение UB-UB = 9V-1V = 8V. Мы поместим нашу коллекционерскую предвзятость прямо посередине. UA = 2, 35В + (8В-2, 35В) / 2 = 5, 2В. UA = 5, 2В. Теперь рассчитать R4 несложно. R4 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-5, 2V) / 2mA = 1, 4K Ом. Делаем R4 = 1, 5КОм.

А как насчет усиления?

Так что насчет 5-го коэффициента усиления, который мы хотим получить? Как видите, усиление напряжения переменного тока в каскаде описывается очень простой формулой. Vu = R4 / R5. Довольно просто, да? Это усиление транзистора с отрицательной обратной связью через резистор эмиттера. Помните, я говорил вам, что отрицательная обратная связь также влияет на усиление, если вы не принимаете надлежащих мер против нее.

Если мы рассчитаем усиление с выбранными значениями R4 и R5, мы получим V = R4 / R5 = 1.5K / 1.2K = 1.2. Хм, это довольно далеко от 5. Так что же нам делать? Что ж, сначала мы видим, что ничего не можем поделать с R4. Он фиксируется выходным смещением и ограничениями по напряжению. А что насчет R5? Давайте посчитаем, какое значение должно иметь R5, если бы у нас было усиление 5. Это просто, потому что Vu = R4 / R5, это означает, что R5 = R4 / Vu = 1,5 кОм / 5 = 300 Ом. Хорошо, это нормально, но если мы поставим в нашу схему 300 Ом вместо 1,2 кОм, наше смещение будет испорчено. Таким образом, нам нужно поставить оба: 1,2 кОм для смещения постоянного тока и 300 Ом для отрицательной обратной связи по переменному току. Взгляните на вторую картинку. Вы увидите, что я разделил резистор 1,2 кОм последовательно на 220 Ом и 1 кОм. Кроме того, я выбрал 220 Ом, потому что у меня не было резистора на 300 Ом. 1K также обходится жирным поляризованным конденсатором. Что это значит? Что ж, для смещения постоянного тока это означает, что отрицательная обратная связь «видит» 1,2 кОм, потому что постоянный ток не может проходить через конденсатор, поэтому для смещения постоянного тока C3 просто не существует! С другой стороны, сигнал переменного тока просто «видит» 220 Ом, потому что каждое падение переменного напряжения на R6 замыкается на землю. Ни падения напряжения, ни обратной связи. Для отрицательной обратной связи остается только 220 Ом. Довольно умно, да?

Чтобы это работало должным образом, вы должны выбрать C3, чтобы его импеданс был намного ниже, чем R3. Хорошее значение - 10% от R3 для минимально возможной рабочей частоты. Допустим, наша самая низкая частота - 30 Гц. Импеданс конденсатора Xc = 1 / (2 * PI * f * C3). Если мы извлечем C3 и введем частоту и значение R3, мы получим C3 = 1 / (2 * PI * f * R3 / 10) = 53 мкФ. Чтобы соответствовать ближайшему значению нормы, сделаем C3 = 47uF.

Теперь посмотрите законченную схему на последней картинке. Были сделаны!

Шаг 4: Создание Механики. Часть 1: Список материалов

Для изготовления устройства я использовал следующие компоненты:

• Все электронные компоненты из схемы
• Стандартный пластиковый корпус 80 х 60 х 22 мм со встроенным отсеком для батарей 9В.
• Зажим для батареи 9 В
• Аудиокабель 4pol длиной 1 м с разъемом 3,5 мм
• 3пол. стерео разъем 3,5 мм
• переключатель
• кусок перфорированного картона
• батарея 9V
• припаять
• Медный провод 2 мм 0, изолированный напряженный провод 25 мм

Следует использовать следующие инструменты:

• Паяльник
• Электрическая дрель
• Цифровой мультиметр
• круглый рашпиль

Шаг 5: Создание механики: часть 2

Поместите выключатель и розетку 3,5 мм

Используйте рашпиль, чтобы заполнить два полуотверстия в обеих частях корпуса (верхней и нижней). Сделайте отверстие достаточно широким, чтобы в него поместился переключатель. Теперь проделайте то же самое с гнездом 3,5 мм. Розетка будет использоваться для подключения берушей. Аудиовыходы с 4пол. jack будет выведен на гнездо 3,5 мм.

Проделываем отверстия для кабеля и фототранзистора

Просверлите отверстие диаметром 3 мм с лицевой стороны и приклейте к нему фототранзистор так, чтобы его выводы проходили через отверстие. Просверлите еще одно отверстие диаметром 2 мм с одной стороны. Через него будет проходить аудиокабель с 4-миллиметровым разъемом.

Припаиваем электронику

Теперь припаяйте электронные компоненты к монтажной плате и подключите их к аудиокабелю и разъему 3,5 мм, как показано на схеме. Посмотрите на картинки, показывающие распиновку сигналов на гнездах для ориентации. Воспользуйтесь цифровым мультиметром, чтобы увидеть, какой сигнал из разъема по какому проводу выходит, чтобы идентифицировать его.

Когда все будет готово, включите устройство и проверьте, находятся ли выходы напряжения на транзисторах более или менее в расчетном диапазоне. Если нет, попробуйте отрегулировать R3 в первом каскаде усилителя. Вероятно, это будет проблема из-за широко распространенных допусков транзисторов, вам, возможно, придется отрегулировать его значение.

Шаг 6: Тестирование

Несколько лет назад я построил более сложное устройство этого типа (см. Видео). С этого времени я собрал кучу звуковых образцов, которые хочу вам показать. Большинство из них я собрал, когда ехал в машине, и поместил фототранзистор за лобовое стекло.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Это звук внешнего LED-дисплея на проезжающей автобусе.
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Мигалка автомобиля
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Фара автомобиля
• "Neonreklame.mp3" неоновые огни
• "Schwebung.mp3" Удары двух мешающих фар автомобиля
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Звук КЛЛ
• "Sound_oscilloscope.mp3" Звук экрана моего осциллографа с разными настройками времени.
• "Sound-PC Monitor.mp3" Звук моего ПК-монитора
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Уличные фонари
• "Was_ist_das_1.mp3" Слабый и странный звук, похожий на инопланетный, который я поймал где-то, когда ехал на машине

Я надеюсь, что смогу развеять твой аппетит, и теперь ты сам отправишься исследовать новый мир световых звуков!