LightSound: 6 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:24

Po merresha me elektronikë që kur isha 10 vjeç. Babai im, një teknik radio më mësoi bazat dhe mënyrën e përdorimit të një hekuri bashkues. I kam shumë borxh. Një nga qarqet e mia të para ishte një përforcues audio me një mikrofon dhe për një kohë më pëlqente të dëgjoja zërin tim përmes altoparlantit të lidhur ose tingujve nga jashtë kur e vura mikrofonin nga dritarja ime. Një ditë babai erdhi me një spirale që e hoqi nga një transformator i vjetër dhe ai tha: "Lidheni këtë në vend të mikrofonit tuaj". E bëra dhe ky ishte një nga momentet më të mahnitshëm në jetën time. Papritur dëgjova tinguj të çuditshëm të zhurmshëm, zhurmë fërshëllese, gumëzhitje të mprehtë elektronike dhe disa tinguj që i ngjanin zërave të shtrembëruar të njerëzve. Ishte si zhytja në një botë të fshehur që ishte shtrirë pikërisht para veshëve të mi, të cilën nuk isha në gjendje ta njoh deri në këtë moment. Teknikisht nuk kishte asgjë magjike në të. Spiralja zhurmë elektromagnetike që vjen nga të gjitha llojet e pajisjeve shtëpiake, frigoriferët, lavatriçet, stërvitjet elektrike, televizorët, radiot, drita e rrugës a.s.o. Por përvoja ishte vendimtare për mua. Kishte diçka rreth meje që nuk mund ta perceptoja, por me disa mumbo-jumbo elektronike isha brenda!

Disa vjet më vonë e mendova përsëri dhe një ide më erdhi në mendje. Çfarë do të ndodhte nëse do të lidhja një fototransistor me amplifikatorin? A do të dëgjoja gjithashtu dridhje që sytë e mi ishin shumë dembelë për t'i njohur? E bëra dhe përsëri përvoja ishte e mrekullueshme! Syri i njeriut është një organ shumë i sofistikuar. Ajo siguron gjerësinë më të madhe të informacionit nga të gjitha organet tona, por kjo vjen me disa kosto. Aftësia për të perceptuar ndryshimet është mjaft e kufizuar. Nëse informacioni vizual ndryshon më shumë se 11 herë në sekondë, gjërat fillojnë të bëhen të paqarta. Kjo është arsyeja pse ne mund të shikojmë filma në kinema ose në televizorin tonë. Sytë tanë nuk mund t'i ndjekin më ndryshimet dhe të gjitha ato fotografi të vetme të palëvizshme shkrihen së bashku në një lëvizje të vazhdueshme. Por nëse e ndryshojmë dritën në tingull veshët tanë mund t'i perceptojnë ato lëkundje në mënyrë perfekte deri në disa mijëra lëkundje në sekondë!

Kam ideuar një pajisje elektronike për ta kthyer smartphone -in tim në një marrës të dritës, duke më dhënë gjithashtu aftësinë për të regjistruar ato tinguj. Për shkak se elektronika është shumë e thjeshtë, dua t'ju tregoj bazat e dizajnit elektronik në këtë shembull. Pra, ne do të zhytemi shumë thellë në transistorë, rezistorë dhe kondensatorë. Por mos u shqetësoni, unë do ta mbaj matematikën të thjeshtë!

Hapi 1: Pjesa Elektronike 1: Çfarë është një Transistor?

Tani këtu është hyrja juaj e shpejtë dhe jo e ndotur në transistorët bipolarë. Ka dy lloje të ndryshme të tyre. Njëra quhet NPN dhe kjo është ajo që mund të shihni në foto. Lloji tjetër është PNP dhe ne nuk do të flasim për të këtu. Dallimi është vetëm një çështje e polaritetit të rrymës dhe tensionit dhe jo me interes të mëtejshëm.

Një transistor NPN është një komponent elektronik që amplifikon rrymën. Në thelb ju keni tre terminale. Njëra është gjithmonë e bazuar. Në foton tonë quhet "Emitter". Pastaj keni "bazën", e cila është e majta dhe "Koleksionisti" që është ajo e sipërme. Çdo rrymë që hyn në bazën IB do të shkaktojë një rrymë të përforcuar që noton nëpër IC kolektor dhe kalon përmes emetuesit përsëri në tokë. Rryma duhet të nxirret nga një burim i jashtëm i tensionit UB. Raporti i IC aktuale të amplifikuar dhe rrymës bazë IB është IC/IB = B. B quhet fitimi i rrymës DC. Varet nga temperatura dhe mënyra se si e vendosni tranzistorin tuaj në qarkun tuaj. Për më tepër është i prirur ndaj tolerancave të rënda të prodhimit, kështu që nuk ka shumë kuptim të llogaritet me vlera fikse. Gjithmonë mbani në mend se fitimi aktual mund të përhapet shumë. Përveç B, ekziston një vlerë tjetër e quajtur "beta". Wile B karakterizon amplifikimin e një sinjali DC, beta bën të njëjtën gjë për sinjalet AC. Normalisht B dhe beta nuk ndryshojnë shumë.

Së bashku me rrymën hyrëse, tranzistori gjithashtu ka një tension hyrës. Kufizimet e tensionit janë shumë të ngushta. Në aplikimet normale do të lëvizë në një zonë midis 0.62V..0.7V. Detyrimi i një ndryshimi të tensionit në bazë do të rezultojë në ndryshime dramatike të rrymës së kolektorit sepse kjo varësi po ndjek një kurbë eksponenciale.

Hapi 2: Pjesa Elektronike 2: Hartimi i Fazës së Parë të Përforcuesit

Tani jemi në rrugën tonë. Për të shndërruar dritën e moduluar në zë na duhet një fototransistor. Një fototransistor i ngjan shumë transistorit standard NPN të hapit të mëparshëm. Por është gjithashtu i aftë jo vetëm të ndryshojë rrymën e kolektorit duke kontrolluar rrymën bazë. Për më tepër, rryma e kolektorit varet nga drita. Shumë dritë-shumë rrymë, më pak dritë-më pak rrymë. Thatshtë kaq e lehtë.

Specifikimi i furnizimit me energji elektrike

Kur jam duke dizajnuar harduer, gjëja e parë që bëj është të vendos mendjen time për furnizimin me energji elektrike sepse kjo ndikon në gjithçka në qarkun tuaj. Përdorimi i një baterie 1, 5V do të ishte një ide e keqe sepse, siç mësuat në hapin 1, UBE e një tranzistori është rreth 0, 65V dhe kështu tashmë në gjysmën e rrugës deri në 1, 5V. Ne duhet të sigurojmë më shumë rezervë. Më pëlqejnë bateritë 9V. Ato janë të lira dhe të lehta për tu trajtuar dhe nuk konsumojnë shumë hapësirë. Pra, le të shkojmë me 9V. UB = 9V

Specifikimi i rrymës së kolektorit

Kjo është gjithashtu vendimtare dhe prek gjithçka. Nuk duhet të jetë shumë i vogël sepse atëherë tranzistori bëhet i paqëndrueshëm dhe zhurma e sinjalit po rritet. Gjithashtu nuk duhet të jetë shumë i lartë sepse transistori gjithmonë ka një rrymë boshe dhe një tension dhe kjo do të thotë se konsumon energji që shndërrohet në nxehtësi. Shumë rrymë shkarkon bateritë dhe mund të vrasë tranzistorin për shkak të nxehtësisë. Në aplikimet e mia, unë gjithmonë e mbaj rrymën e kolektorit midis 1… 5mA. Në rastin tonë, le të shkojmë me 2mA. IC = 2mA.

Pastroni furnizimin me energji elektrike

Nëse jeni duke projektuar faza përforcues është gjithmonë një ide e mirë për të mbajtur të pastër furnizimin me energji DC. Furnizimi me energji shpesh është një burim zhurme dhe zhurme edhe nëse përdorni një bateri. Kjo ndodh sepse zakonisht keni gjatësi të arsyeshme të kabllove të lidhura me hekurudhën e furnizimit që mund të funksionojnë si një antenë për zhurmën me fuqi të madhe. Normalisht unë po kaloj rrymën e furnizimit përmes një rezistence të vogël dhe siguroj një kondensator të polarizuar yndyrë në fund. Shkurton të gjitha sinjalet AC kundër tokës. Në foto rezistenca është R1 dhe kondensatori është C1. Ne duhet ta mbajmë rezistorin të vogël sepse rënia e tensionit që gjeneron kufizon prodhimin tonë. Tani mund të tregoj përvojën time dhe të them se rënia e tensionit 1V është e tolerueshme nëse punoni me furnizim me energji 9V. UF = 1V

Tani duhet të parashikojmë pak mendimet tona. Më vonë do të shihni se do të shtojmë një fazë të dytë tranzistori që gjithashtu duhet të pastrojë rrymën e furnizimit. Pra, sasia e rrymës që rrjedh përmes R1 dyfishohet. Rënia e tensionit në R1 është R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohms. Ju kurrë nuk do të merrni saktësisht rezistencën që dëshironi sepse ato prodhohen në intervale të caktuara vlerash. Më e afërta me vlerën tonë është 270 Ohms dhe do të jemi mirë me këtë. R1 = 270 Ohms.

Pastaj zgjedhim C1 = 220uF. Kjo jep një frekuencë qoshe prej 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Mos mendo shumë për këtë. Frekuenca e këndit është ajo ku filtri fillon të shtypë sinjalet AC. Deri në 2, 7Hz gjithçka do të kalojë pak a shumë e pambrojtur. Përtej 2, 7Hz sinjalet shtypen gjithnjë e më shumë. Zbehja e një filtri të kalimit të ulët të rendit të parë përshkruhet me A = 1/(2*PI*f*R1*C1). Armiku ynë më i afërt përsa i përket ndërhyrjes është zhurma e linjës së energjisë 50Hz. Pra, le të aplikojmë f = 50 dhe marrim A = 0, 053. Kjo do të thotë se vetëm 5, 3% e zhurmës do të kalojë përmes filtrit. Duhet të jetë e mjaftueshme për nevojat tona.

Specifikimi i paragjykimit të tensionit të kolektorit

Paragjykimi është pika ku e vendosni transistorin tuaj kur është në gjendje boshe. Kjo specifikon rrymat dhe tensionet e tij kur nuk ka sinjal hyrës për t’u përforcuar. Një specifikim i pastër i këtij paragjykimi është themelor sepse për shembull paragjykimi i tensionit në kolektor përcakton pikën ku sinjali do të lëkundet kur transistori është duke punuar. Shtrimi i gabuar i kësaj pike do të rezultojë në një sinjal të shtrembëruar kur lëkundja e daljes godet tokën ose furnizimin me energji elektrike. Këto janë kufijtë absolutë që tranzistori nuk mund t'i kapërcejë! Normalisht është një ide e mirë të vendosni paragjykimin e tensionit të daljes në mes midis tokës dhe UB në UB/2, në rastin tonë (UB-UF)/2 = 4V. Por për ndonjë arsye do ta kuptoni më vonë dua ta vendos pak më poshtë. Së pari ne nuk kemi nevojë për një lëvizje të madhe dalëse sepse edhe pas përforcimit në këtë fazë të parë sinjali ynë do të jetë në rangun e milivoltave. Së dyti, një paragjykim më i ulët do të bëjë më mirë për fazën e mëposhtme të tranzistorit siç do ta shihni. Pra, le të vendosim paragjykimin në 3V. UA = 3V.

Llogaritni rezistencën e kolektorit

Tani mund të llogarisim pjesën tjetër të përbërësve. Ju do të shihni nëse një rrymë kolektori kalon përmes R2 ne do të marrim një rënie të tensionit që vjen nga UB. Sepse UA = UB-UF-IC*R1 ne mund të nxjerrim R1 dhe të marrim R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Përsëri zgjedhim vlerën normale tjetër dhe marrim R1 = 2, 7K Ohm.

Llogarit rezistencën bazë

Për llogaritjen e R3 mund të nxjerrim një ekuacion të thjeshtë. Tensioni në R3 është UA-UBE. Tani duhet të dimë rrymën bazë. Unë ju thashë fitimin e rrymës DC B = IC/IB, pra IB = IC/B, por cila është vlera e B? Për fat të keq kam përdorur një fototransistor nga një paketë e tepërt dhe nuk ka shënim të duhur në përbërës. Pra, ne duhet të përdorim fantazinë tonë. Fototransistorët nuk kanë aq shumë amplifikim. Ato janë krijuar më shumë për shpejtësinë. Ndërsa fitimi i rrymës DC për një transistor normal mund të arrijë 800, faktori B i një fototransistori mund të jetë midis 200..400. Pra, le të shkojmë me B = 300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Kjo është afër 360K Ohm. Mjerisht, unë nuk e kam këtë vlerë në kutinë time, kështu që në vend të kësaj kam përdorur një seri 240K+100K. R3 = 340K Ohm.

Ju mund të pyesni veten pse e kullojmë rrymën bazë nga kolektori dhe jo nga UB. Më lejoni t'ju them këtë. Paragjykimi i një tranzistori është një gjë e brishtë sepse një tranzistor është i prirur ndaj tolerancave të prodhimit, si dhe një varësi të rëndë nga temperatura. Kjo do të thotë nëse e anoni transistorin tuaj direkt nga UB, ka shumë të ngjarë të largohet së shpejti. Për të përballuar atë problem, dizajnerët e pajisjeve përdorin një metodë të quajtur "reagime negative". Hidhini një sy qarkut tonë përsëri. Rryma bazë vjen nga tensioni i kolektorit. Tani imagjinoni që tranzistori bëhet më i ngrohtë dhe vlera e tij B rritet. Kjo do të thotë që më shumë rrymë kolektori po rrjedh dhe UA zvogëlohet. Por UA më e vogël do të thotë gjithashtu IB më e vogël dhe tensioni UA po rritet përsëri pak. Me zvogëlimin e B -së ju keni të njëjtin efekt anasjelltas. Ky eshte RREGULLIM! Kjo do të thotë se me instalime elektrike të zgjuara ne mund të mbajmë paragjykimet e tranzistorit në kufij. Do të shihni një reagim tjetër negativ edhe në fazën tjetër. Nga rruga, reagimet negative gjithashtu zvogëlojnë amplifikimin e skenës, por ka mjete për të kapërcyer këtë problem.

Hapi 3: Pjesa Elektronike 3: Hartimi i Fazës së Dytë

Kam bërë disa testime duke aplikuar sinjalin e dritës nga faza e para -përforcuar në hapin e mëparshëm në smartphone tim. Ishte inkurajuese, por mendova se një amplifikim pak më shumë do të ishte më mirë. Unë vlerësova se një nxitje shtesë e faktorit 5 duhet të bëjë punën. Pra, këtu ne vazhdojmë me fazën e dytë! Normalisht ne përsëri do të vendosnim transistorin në fazën e dytë me anësinë e tij dhe do të ushqenim sinjalin e para -përforcuar nga faza e parë përmes një kondensatori në të. Mbani mend që kondensatorët nuk lejojnë që DC të kalojë. Vetëm sinjali AC mund të kalojë. Në këtë mënyrë ju mund të drejtoni një sinjal nëpër faza dhe paragjykimi i secilës fazë nuk do të ndikohet. Por le t'i bëjmë gjërat pak më interesante dhe të përpiqemi të ruajmë disa përbërës sepse duam ta mbajmë pajisjen të vogël dhe të përdorshëm. Ne do të përdorim paragjykimin e daljes të fazës 1 për të anuar transistorin në fazën 2!

Llogaritja e rezistencës së emetuesit R5

Në këtë fazë, transistori ynë NPN merr njëanshmëri të drejtpërdrejtë nga faza e mëparshme. Në diagramin e qarkut shohim se UE = UBE + ICxR5. Për shkak se UE = UA nga faza e mëparshme mund të nxjerrim R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Ne e bëjmë atë 1, 2K Ohm që është vlera normale më e afërt. R5 = 1, 2K Ohm.

Këtu mund të shihni një lloj tjetër reagimi. Le të themi ndërsa UE mbetet konstante vlera B e tranzistorit rritet për shkak të temperaturës. Kështu që ne bëhemi më aktual përmes kolektorit dhe emetuesit. Por më shumë rrymë përmes R5 do të thotë më shumë tension në R5. Sepse UBE = UE - IC*R5 një rritje e IC do të thotë një rënie e UBE dhe kështu një rënie përsëri të IC. Këtu përsëri kemi rregullore që na ndihmon për ta mbajtur paragjykimin të qëndrueshëm.

Llogaritja e rezistencës së kolektorit R4

Tani ne duhet të mbajmë një sy në lëvizjen e daljes së sinjalit tonë të kolektorit UA. Kufiri i poshtëm është paragjykimi i emetuesit prej 3V-0, 65V = 2, 35V. Kufiri i sipërm është tensioni UB-UB = 9V-1V = 8V. Ne do ta vendosim paragjykimin tonë të koleksionistit pikërisht në mes. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Tani është e lehtë të llogaritet R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Ne e bëjmë atë R4 = 1, 5K Ohm.

Po amplifikimi?

Pra, çfarë ndodh me faktorin 5 të amplifikimit që duam të fitojmë? Përforcimi i tensionit të sinjaleve AC në fazën siç mund ta shihni është përshkruar në një formulë shumë të thjeshtë. Vu = R4/R5. Shumë e thjeshtë, apo jo? Ky është përforcimi i një tranzistori me reagime negative mbi rezistencën emetuese. Mos harroni se ju thashë që reagimet negative po ndikojnë gjithashtu në amplifikimin nëse nuk po përdorni mjetet e duhura kundër tij.

Nëse llogarisim amplifikimin me vlerat e zgjedhura të R4 dhe R5 marrim V = R4/R5 = 1.5K/1.2K = 1.2. Hm, kjo është shumë larg nga 5. Pra, çfarë mund të bëjmë? Epo, së pari shohim se nuk mund të bëjmë asgjë për R4. Isshtë fiksuar nga paragjykimi i daljes dhe kufizimet e tensionit. Po R5? Le të llogarisim vlerën R5 që duhet të kemi nëse do të kishim një amplifikim prej 5. Kjo është e lehtë, sepse Vu = R4/R5 kjo do të thotë se R5 = R4/Vu = 1.5K Ohm/5 = 300 Ohm. Mirë, është mirë, por nëse vendosim një 300 Ohm në vend të 1.2K në qarkun tonë, paragjykimi ynë do të shkatërrohet. Pra, ne duhet të vendosim të dyja, 1.2K Ohm për paragjykimin e DC dhe 300 Ohms për reagimet ac negative. Hidhini një sy fotos së dytë. Do të shihni që e ndava rezistencën 1, 2K Ohm në 220 Ohm dhe 1K Ohm në seri. Për më tepër, unë zgjodha 220 Ohms sepse nuk kisha një rezistencë 300 Ohm. 1K gjithashtu anashkalohet nga një kondensator i polarizuar yndyrë. Çfarë do të thotë kjo? Epo për paragjykimin e dc -së kjo do të thotë që reagimet negative "shikojnë" një 1, 2K Ohm sepse dc mund të mos kalojë nëpër një kondensator, kështu që për paragjykimin e dc C3 thjesht nuk ekziston! Sinjali AC nga ana tjetër thjesht "sheh" 220 Ohm sepse çdo rënie e tensionit AC përgjatë R6 qarkullohet shkurt në tokë. Asnjë rënie e tensionit, asnjë reagim. Vetëm 220 Ohm mbetet për reagime negative. Mjaft i zgjuar, apo?

Për ta bërë këtë të funksionojë siç duhet, duhet të zgjidhni C3 në mënyrë që rezistenca e tij të jetë shumë më e ulët se R3. Një vlerë e mirë është 10% e R3 për frekuencën më të ulët të mundshme të punës. Le të themi se frekuenca jonë më e ulët është 30 Hz. Rezistenca e kondensatorit është Xc = 1/(2*PI*f*C3). Nëse nxjerrim C3 dhe vendosim frekuencën dhe vlerën e R3 marrim C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Për të përputhur vlerën normale më të afërt le ta bëjmë atë C3 = 47uF.

Tani shihni skemën e përfunduar në foton e fundit. Janë bërë!

Hapi 4: Bërja e Mekanikës Pjesa 1: Lista e Materialeve

Kam përdorur përbërësit e mëposhtëm për prodhimin e pajisjes:

• Të gjithë përbërësit elektronikë nga skema
• Një kuti plastike standarde 80 x 60 x 22 mm me një ndarje të ngulitur për bateri 9V
• Kapës baterie 9V
• Kabllo audio 1 m 4pol me fole 3.5mm
• 3pol prizë stereo 3.5 mm
• një ndërprerës
• një copë dërrase
• një bateri 9V
• lidhës
• 2mm tela bakri 0, 25mm tela të tendosur të izoluar

Mjetet e mëposhtme duhet të përdoren:

• Makine per ngjitjen e metalit
• Shpuese elektrike
• Multimetër dixhital
• një fashë e rrumbullakët

Hapi 5: Krijimi i Mekanikës: Pjesa 2

Vendosni çelësin dhe prizën 3, 5 mm

Përdorni grykën për të futur në dy gjysmë vrima në të dy pjesët e zorrës (sipërme dhe të poshtme). Bëni vrimën aq të gjerë sa çelësi të përshtatet. Tani bëni të njëjtën gjë me prizën 3.5 mm. Foleja do të përdoret për të lidhur prizat e veshit. Daljet audio nga 4pol. priza do të kalojë në prizën 3.5 mm.

Bëni vrima për kabllo dhe fototransistor

Stërvitni një vrimë 3 mm në anën e përparme dhe ngjiteni super fototransistorin në të në mënyrë që terminalet e saj të kalojnë nëpër vrimë. Shponi një vrimë tjetër me diametër 2 mm në njërën anë. Kablloja audio me folenë 4 mm do të kalojë nëpër të.

Saldoni elektronikën

Tani bashkoni komponentët elektronikë në tabelën e dërrasës dhe lidhini atë në kabllon audio dhe folenë 3.5 mm siç tregohet në skemë. Shikoni fotografitë që tregojnë pinout sinjal në priza për orientim. Përdorni DMM tuaj për të parë se cili sinjal nga priza del në cilën tel për ta identifikuar atë.

Kur të përfundojë gjithçka ndizni pajisjen dhe kontrolloni nëse daljet e tensionit në transistorët janë pak a shumë në intervalin e llogaritur. Nëse jo, përpiquni të rregulloni R3 në fazën e parë të amplifikatorit. Ka të ngjarë të jetë problemi për shkak të tolerancave të përhapura të transistorëve që mund t'ju duhet të rregulloni vlerën e tij.

Hapi 6: Testimi

Kam ndërtuar një pajisje më të sofistikuar të këtij lloji disa vjet më parë (shiko videon). Nga kjo kohë kam mbledhur një mori mostrash të zërit që dua t'ju tregoj. Shumica prej tyre i mblodha ndërsa po ngisja në makinën time dhe vendosa fototransistorin pas xhamit tim.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Ky është tingulli i një Ekrani të jashtëm LED në një autobus që kalon aty pranë
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Fytyrosësi i veturës
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Feneri i makinës
• Dritat neoni "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" Rrahja e dy fenerëve të makinës që ndërhyjnë
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Tingulli i një CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Tingulli i ekranit tim të oshiloskopit me cilësime të ndryshme kohore
• "Sound-PC Monitor.mp3" Tingulli i monitorit tim të kompjuterit
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Dritat e rrugës
• "Was_ist_das_1.mp3" Një tingull i zbehtë dhe i çuditshëm i ngjashëm me alienët kapa diku teksa voziste në makinën time

Shpresoj se mund ta lagja oreksin tuaj dhe ju do të vazhdoni të eksploroni botën e re të dritave më vete tani!