LightSound: 6 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:47

10 yaşımdan elektronika ilə məşğulam. Atam, bir radio texniki, mənə əsasları və bir lehimləmə dəmirindən istifadə etməyi öyrətdi. Ona çox borcluyam. İlk dövrələrimdən biri mikrofonlu bir səs gücləndiricisi idi və bir müddət mikrofonu pəncərəmdən asanda kənardan gələn səsləri bağlı hoparlördən eşitməyi sevirdim. Bir gün köhnə bir transformatordan çıxardığı bir rulonla atam gəldi və dedi: "Bunu mikrofonun yerinə bağla". Mən bunu etdim və bu, həyatımdakı ən gözəl anlardan biri idi. Birdən qəribə uğultu səsləri, xışıltı səsləri, kəskin elektron səsləri və təhrif olunmuş insan səslərinə bənzəyən bəzi səslər eşitdim. İndiyə qədər tanıya bilmədiyim qulağımın önündə yatan gizli bir dünyada dalğıc kimi idi. Texniki cəhətdən bunda sehrli bir şey yox idi. Bobin hər cür məişət cihazlarından, soyuduculardan, paltaryuyan maşınlardan, elektrikli matkaplardan, televizorlardan, radiolardan, küçə işığı a.s.o.dan gələn elektromaqnit səs-küyünü aldı. Amma təcrübə mənim üçün çox vacib idi. Ətrafımda dərk edə bilmədiyim bir şey var idi, amma bəzi elektron mumbo-jumbo ilə içindəydim!

Bir neçə il sonra yenidən düşündüm və ağlıma bir fikir gəldi. Fototransistoru gücləndiriciyə bağlasaydım nə olardı? Gözlərimin tanımaq üçün çox tənbəl olduğu titrəmələri də eşidərdimmi? Mən etdim və yenə də təcrübə zəhmli oldu! İnsan gözü çox inkişaf etmiş bir orqandır. Bütün orqanlarımızın ən böyük məlumat bant genişliyini təmin edir, lakin bu bəzi xərclərlə gəlir. Dəyişiklikləri qəbul etmək qabiliyyəti olduqca məhduddur. Vizual məlumatlar saniyədə 11 dəfədən çox dəyişərsə, şeylər bulanmağa başlayır. Filmi kinoda və ya televizorda seyr edə bilməyimizin səbəbi budur. Gözlərimiz artıq dəyişiklikləri izləyə bilmir və bütün tək şəkillər bir araya gələrək davamlı bir hərəkət halına gəlir. Amma işığı səsə dəyişsək, qulağımız saniyədə bir neçə minə qədər bu salınımları mükəmməl qəbul edə bilər!

Smartfonumu işıq qəbuledicisinə çevirmək üçün bir az elektron qurdum və bu səsləri yazmaq imkanı da verdim. Elektron çox sadə olduğu üçün bu nümunədə sizə elektron dizaynın əsaslarını göstərmək istəyirəm. Beləliklə, tranzistorlara, rezistorlara və kondansatörlərə olduqca dərindən girəcəyik. Ancaq narahat olmayın, mən riyazi sadə saxlayacağam!

Addım 1: Elektron hissə 1: Transistor nədir?

İndi bipolyar tranzistorlara sürətli və çirkli olmayan girişiniz budur. Bunların iki fərqli növü var. Birinin adı NPNdir və bu şəkildəki görə biləcəyiniz addır. Digər növ PNP -dir və burada bu barədə danışmayacağıq. Fərq yalnız cərəyan və gərginlik polaritesinə aiddir və daha çox maraq doğurmur.

NPN tranzistoru cərəyanı artıran elektron komponentdir. Əsasən üç terminalınız var. Biri həmişə əsaslıdır. Şəkilimizdə "Emitter" adlanır. Sonra sol olan "baza" ya da yuxarı olan "Kolleksiyaçı" ya sahibsiniz. Baza IB -yə daxil olan hər hansı bir cərəyan, kollektor IC -dən keçir və emitatordan yenidən yerə keçir. Cərəyan UB xarici bir gərginlik mənbəyindən alınmalıdır. Gücləndirilmiş cərəyan IC və əsas cərəyan IB -nin nisbəti IC/IB = B -dir. B, DC cərəyan qazancı adlanır. Temperaturdan və dövrənizdə tranzistorunuzu necə qurduğunuzdan asılıdır. Bundan əlavə, ciddi istehsal toleranslarına meyllidir, buna görə sabit dəyərlərlə hesablamaq çox məntiqli deyil. Həmişə unutmayın ki, cari qazanc çox yayıla bilər. B -dən başqa "beta" adlı başqa bir dəyər var. Wile B, bir DC siqnalının gücləndirilməsini xarakterizə edir, beta AC siqnalları üçün də eyni şeyi edir. Normalda B və beta çox fərqlənmir.

Giriş cərəyanı ilə birlikdə tranzistor da giriş gərginliyinə malikdir. Gərginliyin məhdudiyyətləri çox dardır. Normal tətbiqlərdə 0.62V..0.7V arasında bir sahədə hərəkət edəcək. Baza üzərində bir gərginlik dəyişikliyi məcbur etmək, kollektor cərəyanının kəskin dəyişməsi ilə nəticələnəcək, çünki bu asılılıq eksponensial əyrini izləyir.

Addım 2: Elektron Bölmə 2: Gücləndiricinin Birinci Mərhələsinin Layihələndirilməsi

İndi yolumuzdayıq. Modulyasiya edilmiş işığı səsə çevirmək üçün bir fototransistora ehtiyacımız var. Bir fototransistor, əvvəlki addımın standart NPN transistoruna çox bənzəyir. Ancaq eyni zamanda kollektor cərəyanını əsas cərəyanı idarə etməklə dəyişdirmək də qadirdir. Bundan əlavə, kollektor cərəyanı işığa bağlıdır. Çox işıq-çox cərəyan, daha az işıq-az cərəyan. Bu qədər asandır.

Enerji təchizatının təyin edilməsi

Donanım dizayn edərkən ilk etdiyim şey enerji təchizatı ilə bağlı fikrimi düzəltməkdir, çünki bu, dövrənizdəki hər şeyi təsir edir. 1, 5V batareya istifadə etmək pis bir fikir olardı, çünki 1 -ci addımda öyrəndiyiniz kimi, bir tranzistorun UBE -si 0, 65V civarındadır və beləliklə, 1, 5V -ə qədər yolun yarısında. Daha çox ehtiyat təmin etməliyik. 9V batareyaları sevirəm. Ucuz və idarə etmək asandır və çox yer tutmur. Beləliklə, 9V ilə gedək. UB = 9V

Kollektor cərəyanının təyin edilməsi

Bu da çox vacibdir və hər şeyə təsir edir. Çox kiçik olmamalıdır, çünki o zaman tranzistor qeyri -sabit olur və siqnal səs -küyü yüksəlir. Həm də çox yüksək olmamalıdır, çünki tranzistor həmişə boş bir cərəyana və gərginliyə malikdir və bu da istiyə çevrilən enerjini istehlak edir. Çox cərəyan batareyaları boşaldır və istilik səbəbiylə tranzistoru öldürə bilər. Tətbiqlərimdə kollektor cərəyanını həmişə 1… 5mA arasında saxlayıram. Bizim vəziyyətimizdə 2mA ilə gedək. IC = 2mA.

Elektrik təchizatını təmizləyin

Gücləndirici mərhələlər hazırlayırsınızsa, DC enerji təchizatını təmiz saxlamaq həmişə yaxşı bir fikirdir. Batareya istifadə etsəniz də enerji təchizatı tez -tez səs -küy və uğultu mənbəyidir. Bunun səbəbi, ümumiyyətlə bol miqdarda güc üçün bir anten kimi işləyə bilən tədarük rayına bağlı ağlabatan kabel uzunluqlarına sahib olmağınızdır. Adətən tədarük cərəyanını kiçik bir rezistordan keçirirəm və sonunda yağ polarize kondansatör verirəm. Yerdəki bütün ac siqnallarını qısaldır. Şəkildə rezistor R1 və kondansatör C1 -dir. Rezistoru kiçik saxlamalıyıq, çünki yaratdığı gərginlik düşməsi çıxışımızı məhdudlaşdırır. İndi təcrübəmi ata bilərəm və 9V enerji təchizatı ilə işləyirsinizsə 1V gərginliyin düşməsinə dözə biləcəyinizi söyləyə bilərəm. UF = 1V.

İndi fikirlərimizi bir az qabaqlamalıyıq. Daha sonra ikinci bir tranzistor mərhələsi əlavə edəcəyik ki, bu da tədarük cərəyanının təmiz olmasını təmin etməlidir. Beləliklə, R1 -dən keçən cərəyanın miqdarı ikiqat artır. R1 üzərindəki gerilim düşməsi R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm -dir. İstədiyiniz rezistoru heç vaxt ala bilməyəcəksiniz, çünki müəyyən dəyər aralığında istehsal olunur. Dəyərimizə ən yaxın olan 270 Ohm -dir və bununla yaxşı olacağıq. R1 = 270 Ohm.

Sonra C1 = 220 uF seçirik. Bu 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz bir künc tezliyi verir. Bu barədə çox düşünməyin. Künc tezliyi, filtrin ac siqnallarını boğmağa başladığı vaxtdır. 2, 7Hz -ə qədər hər şey az və ya çox işıqlandırılmadan keçəcək. 2, 7Hz -dən sonra siqnallar getdikcə daha çox bastırılır. Birinci dərəcəli aşağı keçid filtrinin zəifləməsi A = 1/(2*PI*f*R1*C1) ilə təsvir edilmişdir. Müdaxilə baxımından ən yaxın düşmənimiz 50Hz elektrik xəttidir. Beləliklə, f = 50 tətbiq edək və A = 0, 053 alaq. Yəni səsin yalnız 5, 3% -i filtrdən keçəcək. Ehtiyaclarımız üçün kifayət qədər olmalıdır.

Kollektorun gərginlik meylinin təyin edilməsi

Yanlışlıq, tranzistorunuzu boş rejimdə qoyduğunuz yerdir. Bu, gücləndirmək üçün heç bir giriş siqnalı olmadıqda onun cərəyanlarını və gərginliklərini təyin edir. Bu önyargının təmiz bir spesifikasiyası vacibdir, çünki məsələn, kollektordakı gərginlik əyrisi, tranzistor işləyərkən siqnalın fırlanacağı nöqtəni göstərir. Bu nöqtənin səhv bir şəkildə qoyulması, çıxış yelləncəyi yerə və ya enerji təchizatına çatanda təhrif olunmuş bir siqnala səbəb olacaq. Bu, tranzistorun keçə bilməyəcəyi mütləq sərhədlərdir! Normalda UB/2-də UB/2-də çıxış gərginliyi meylini ortada qoymaq yaxşı bir fikirdir (UB-UF)/2 = 4V. Ancaq nədənsə sonra anlayacaqsınız ki, bir az aşağı salmaq istəyirəm. Əvvəlcə böyük bir çıxış yelləməsinə ehtiyacımız yoxdur, çünki bu birinci mərhələdə gücləndirildikdən sonra da siqnalımız millivolt aralığında olacaq. İkincisi, daha aşağı bir qərəz, gördüyünüz kimi sonrakı tranzistor mərhələsi üçün daha yaxşı olacaq. Gəlin 3V -də önyargı qoyaq. UA = 3V.

Kollektor rezistorunu hesablayın

İndi qalan komponentləri hesablaya bilərik. Bir kollektor cərəyanının R2 -dən keçdiyini görürsünüzsə, UB -dən gələn bir gerilim düşməsini alacağıq. UA = UB-UF-IC*R1 olduğu üçün R1 çıxararaq R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K əldə edə bilərik. Yenə növbəti norma dəyərini seçirik və R1 = 2, 7K Ohm alırıq.

Əsas rezistoru hesablayın

R3 hesablamaq üçün sadə bir tənlik çıxara bilərik. R3 üzərindəki gərginlik UA-UBE-dir. İndi əsas cərəyanı bilmək lazımdır. Mən sizə DC cari qazancını B = IC/IB dedim, buna görə IB = IC/B, amma B-nin dəyəri nədir? Təəssüf ki, artıq bir paketdən bir fototransistor istifadə etdim və komponentlərdə düzgün bir işarə yoxdur. Buna görə də fantaziyamızdan istifadə etməliyik. Fototransistorların o qədər də güclənməsi yoxdur. Sürət üçün daha çox hazırlanmışdır. Normal bir tranzistor üçün DC cərəyanı 800-ə çata bilsə də, fototransistorun B faktoru 200..400 arasında ola bilər. Beləliklə, B = 300 ilə gedək. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Bu 360K Ohm -a yaxındır. Təəssüf ki, qutumda bu dəyər yoxdur, buna görə 240K+100K seriyasında istifadə etdim. R3 = 340K Ohm.

Özünüzdən soruşa bilərsiniz ki, niyə əsas cərəyanı UB -dən deyil, kollektordan axıdırıq. Bunu sənə deyim. Transistorun qərəzliliyi kövrək bir şeydir, çünki tranzistor istehsal toleranslarına və temperaturdan ciddi asılılığa meyllidir. Bu o deməkdir ki, tranzistorunuzu birbaşa UB -dən təhrif etsəniz, çox güman ki, tezliklə uzaqlaşacaq. Bu problemin öhdəsindən gəlmək üçün hardware dizaynerləri "mənfi rəy" adlı bir üsuldan istifadə edirlər. Dövrümüzə bir daha nəzər salın. Baza cərəyanı kollektor gərginliyindən gəlir. İndi təsəvvür edin ki, tranzistor istiləşir və B dəyəri yüksəlir. Bu o deməkdir ki, daha çox kollektor cərəyanı axır və UA azalır. Ancaq daha az UA, daha az IB deməkdir və UA gərginliyi yenidən bir qədər yüksəlir. B -nin azalması ilə eyni effekti əksinə edirsiniz. Bu tənzimləmə! Bu o deməkdir ki, ağıllı naqillərlə biz tranzistor əyilməsini məhdudlaşdıra bilərik. Növbəti mərhələdə başqa bir mənfi rəy görəcəksiniz. Yeri gəlmişkən, mənfi rəy normal olaraq səhnənin güclənməsini də azaldır, lakin bu problemi həll etmək üçün vasitələr var.

Addım 3: Elektron hissə 3: İkinci Mərhələnin Dizaynı

Əvvəlki mərhələdə əvvəlcədən gücləndirilmiş mərhələdən gələn işıq siqnalını smartfonuma tətbiq edərək bir az sınaq keçirdim. Bu həvəsləndirici idi, amma bir az daha gücləndirməyin daha yaxşı olacağını düşündüm. Faktor 5 -in əlavə bir artımının işi etməli olduğunu təxmin etdim. Beləliklə, ikinci mərhələyə keçək! Normalda, biz ikinci mərhələdə tranzistoru öz qərəzliyi ilə qurardıq və əvvəlcədən gücləndirilmiş siqnalı bir kondansatör vasitəsi ilə ona verirdik. Unutmayın ki, kondansatörlər DC -nin keçməsinə imkan vermir. Yalnız ac siqnalı keçə bilər. Bu şəkildə bir siqnalı mərhələlərdən keçirə bilərsiniz və hər mərhələnin qərəzliliyi təsirlənməyəcək. Ancaq işləri bir az daha maraqlı edək və cihazı kiçik və lazımlı saxlamaq istədiyimiz üçün bəzi komponentləri saxlamağa çalışaq. Mərhələ 2 -də tranzistoru əymək üçün 1 -ci mərhələnin çıxış meylindən istifadə edəcəyik!

Emitör müqavimətinin R5 hesablanması

Bu mərhələdə NPN transistorumuz əvvəlki mərhələdən birbaşa qərəzli olur. Dövrə diaqramında UE = UBE + ICxR5 olduğunu görürük. UE = UA əvvəlki mərhələdən R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K Ohm çıxara bilərik. Ən yaxın norma dəyəri olan 1, 2K Ohm edirik. R5 = 1, 2K Ohm.

Burada başqa cür rəy görə bilərsiniz. Tutaq ki, UE sabit qaldıqda temperatur səbəbindən tranzistorun B dəyəri artır. Beləliklə, kollektor və emitter vasitəsilə daha çox cərəyan alırıq. Ancaq R5 üzərindən daha çox cərəyan R5 üzərindəki daha çox gərginlik deməkdir. Çünki UBE = UE - IC*R5 IC artımı UBE -nin azalması və beləliklə IC -nin yenidən azalması deməkdir. Burada yenə də qərəzin sabit qalmasına kömək edən tənzimləmələrimiz var.

R4 kollektor rezistorunun hesablanması

İndi UA kollektor siqnalının çıxış sürətinə diqqət yetirməliyik. Aşağı hədd 3V-0, 65V = 2, 35V emitörlü qərəzdir. Üst hədd UB-UB = 9V-1V = 8V gərginliyidir. Kolleksiyaçı qərəzimizi ortada qoyacağıq. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. İndi R4 hesablamaq asandır. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Bunu R4 = 1, 5K Ohm edirik.

Bəs gücləndirmə haqqında nə demək olar?

Bəs qazanmaq istədiyimiz gücləndirmə 5 faktoru haqqında nə demək olar? Gördüyünüz kimi mərhələdə ac-siqnalların gərginlik artımı çox sadə bir düsturda təsvir edilmişdir. Vu = R4/R5. Çox sadə, hə? Bu, emitent rezistoru üzərində mənfi rəy olan bir tranzistorun gücləndirilməsidir. Unutmayın ki, sizə mənfi rəylər, buna qarşı lazımi vasitələr almırsınızsa, gücləndirməni də təsir edir.

Seçilmiş R4 və R5 dəyərləri ilə gücləndirməni hesablasaq, V = R4/R5 = 1.5K/1.2K = 1.2 alırıq. Hm, bu 5 -dən olduqca uzaqdır. Bəs nə edə bilərik? Yaxşı, əvvəlcə R4 haqqında heç nə edə bilməyəcəyimizi görürük. Çıxış meyli və gərginlik məhdudiyyətləri ilə sabitlənir. Bəs R5? Gücləndirmə 5 olsaydı R5 -in dəyərini hesablayaq. Bu asan, çünki Vu = R4/R5 bu R5 = R4/Vu = 1.5K Ohm/5 = 300 Ohm deməkdir. Tamam, bu yaxşıdır, amma dövrəmizə 1.2K əvəzinə 300 Ohm qoysaydıq, qərəzimiz pozulacaqdı. Beləliklə, hər ikisini də qoymalıyıq: DC yanlılığı üçün 1.2K Ohm və ac mənfi rəy üçün 300 Ohm. İkinci şəkilə baxın. 1, 2K Ohm müqavimətini 220 Ohm və 1K Ohm seriyasına böldüyümü görəcəksiniz. 300 Ohm müqavimətçi olmadığından 220 Ohm seçdim. 1K, yağ polarizasiya edilmiş bir kondansatör tərəfindən də atlanır. Bu nə deməkdir? Mənfi geribildirim 1, 2K Ohm "görür" deməkdir, çünki DC yanlılığı üçün dc bir kondansatördən keçə bilməz, buna görə DC cərəyanı üçün C3 sadəcə mövcud deyil! Digər tərəfdən ac sinyali 220 Ohm-i "görür", çünki R6 üzərindəki hər bir ac gərginlik düşməsi yerə qısa bir şəkildə bağlanır. Gərginlik düşmür, əks əlaqə yoxdur. Mənfi rəy üçün yalnız 220 Ohm qalır. Olduqca ağıllı, hə?

Düzgün işləməsi üçün empedansının R3 -dən çox aşağı olması üçün C3 seçməlisiniz. Mümkün olan ən aşağı iş tezliyi üçün yaxşı bir dəyər R3 -ün 10% -dir. Tutaq ki, ən aşağı tezliyimiz 30 Hz -dir. Bir kondansatörün empedansı Xc = 1/(2*PI*f*C3) dir. C3 çıxarıb R3 tezliyini və dəyərini qoysaq C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF alırıq. Ən yaxın norma dəyərinə uyğun gəlmək üçün onu C3 = 47uF edək.

İndi son şəkildəki tamamlanmış sxemə baxın. Bitirdik!

Addım 4: Mexanika hazırlamaq 1 -ci hissə: Materialların siyahısı

Cihazı hazırlamaq üçün aşağıdakı komponentlərdən istifadə etdim:

• Bütün elektron komponentlər sxematikdir
• 9V akkumulyator üçün quraşdırılmış bölmə ilə 80 x 60 x 22 mm standart plastik qutu
• 9V batareya klipi
• 3,5 mm jaklı 1 m 4pol audio kabel
• 3 pol. stereo yuva 3,5 mm
• açar
• bir taxta parçası
• 9V batareya
• lehim
• 2 mm mis tel 0, 25 mm izolyasiya edilmiş gərginlikli tel

Aşağıdakı vasitələrdən istifadə edilməlidir:

• Lehimleme dəmir
• Elektrikli qazma
• Rəqəmsal Multimetr
• yuvarlaq bir şalvar

Addım 5: Mexanika hazırlamaq: 2 -ci hissə

Anahtarı və 3, 5 mm -lik yuvanı yerləşdirin

Korpusun hər iki hissəsində (yuxarı və aşağı) iki yarı deşik açmaq üçün kəsikdən istifadə edin. Deliyi açarın daxil olacağı qədər genişləndirin. İndi eyni şeyi 3,5 mm yuva ilə edin. Bu yuva qulaqcıqları bağlamaq üçün istifadə olunacaq. Səs 4poldan çıxır. jak 3,5 mm yuvaya yönəldiləcək.

Kabel və fototransistor üçün deliklər açın

Ön tərəfdə 3 mm-lik bir çuxur qazın və fototransistoru super yapışdırın ki, terminalları dəlikdən keçsin. Bir tərəfdən 2 mm diametrli başqa bir çuxur qazın. 4 mm jaklı audio kabel onun içindən keçəcək.

Elektronu lehimləyin

İndi elektron komponentləri lövhədə lehimləyin və sxematik şəkildə göstərildiyi kimi audio kabelə və 3,5 mm jakına bağlayın. İstiqamətləndirmə üçün jaklarda siqnal pinoutlarını göstərən şəkillərə baxın. DMM -dən istifadə edərək, onu müəyyən etmək üçün hansı teldən hansı siqnalın çıxdığını öyrənə bilərsiniz.

Hər şey bitdikdə cihazı yandırın və tranzistorlardakı gərginlik çıxışlarının hesablanmış diapazonda olub -olmadığını yoxlayın. Əgər yoxsa gücləndiricinin birinci mərhələsində R3 -ü tənzimləməyə çalışın. Transistorların geniş yayılmış toleransları səbəbiylə dəyərini tənzimləməli ola biləcəyiniz problem ola bilər.

Addım 6: Test

Bir neçə il əvvəl bu tip daha inkişaf etmiş bir cihaz qurdum (videoya baxın). Bu vaxtdan etibarən sizə göstərmək istədiyim bir çox səs nümunəsi topladım. Çoxunu maşınımda sürərkən topladım və fototransistoru ön şüşəmin arxasına qoydum.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Bu, keçən bir avtobusda xarici LED-Ekranın səsi
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Bir avtomobilin yanıb -sönməsi
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Bir avtomobilin farası
• "Neonreklame.mp3" neon işıqları
• "Schwebung.mp3" İki müdaxilə edən avtomobil farlarının vuruşu
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" CFL səsi
• "Sound_oscilloscope.mp3" Fərqli zaman parametrləri ilə osiloskop ekranımın səsi
• "Sound-PC Monitor.mp3" PC monitorumun səsi
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Küçə işıqları
• "Was_ist_das_1.mp3" Maşında gəzərkən bir yerdə tutduğum yadplanetlilərə bənzər zəif və qəribə bir səs

Ümid edirəm ki, iştahınızı yudum və yeni işıq dünyalarını təkbaşına araşdırmağa davam edəcəksiniz!