LightSound: 6 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Ik sleutelde al aan elektronica sinds ik 10 jaar oud was. Mijn vader, een radiotechnicus, leerde me de basis en het gebruik van een soldeerbout. Ik ben hem veel verschuldigd. Een van mijn eerste circuits was een audioversterker met een microfoon en een tijdje vond ik het heerlijk om mijn stem te horen via de aangesloten luidspreker of geluiden van buitenaf als ik de microfoon uit mijn raam hing. Op een dag kwam mijn vader langs met een spoel die hij uit een oude transformator verwijderde en hij zei: "Sluit deze aan in plaats van je microfoon". Ik deed het en dit was een van de meest verbazingwekkende momenten in mijn leven. Plots hoorde ik vreemde zoemende geluiden, sissend geluid, scherp elektronisch gezoem en sommige geluiden die leken op vervormde menselijke stemmen. Het was alsof ik in een verborgen wereld dook die vlak voor mijn oren lag en die ik tot nu toe niet kon herkennen. Technisch was er niets magisch aan. De spoel pikte elektromagnetische ruis op die afkomstig was van allerlei huishoudelijke apparaten, koelkasten, wasmachines, elektrische boormachines, tv-toestellen, radio's, straatverlichting enz. Maar de ervaring was cruciaal voor mij. Er was iets om me heen dat ik niet kon waarnemen, maar met een of andere elektronische mumbo-jumbo zat ik erin!

Een paar jaar later dacht ik er weer over na en er kwam een idee in me op. Wat zou er gebeuren als ik een fototransistor op de versterker zou aansluiten? Zou ik ook trillingen horen die mijn ogen te lui hadden om te herkennen? Ik deed het en opnieuw was de ervaring geweldig! Het menselijk oog is een zeer geavanceerd orgaan. Het biedt de grootste informatiebandbreedte van al onze orgels, maar dit brengt wat kosten met zich mee. Het vermogen om veranderingen waar te nemen is vrij beperkt. Als de visuele informatie meer dan 11 keer per seconde verandert, begint het wazig te worden. Dit is de reden waarom we films in de bioscoop of op onze tv kunnen kijken. Onze ogen kunnen de veranderingen niet meer volgen en al die enkele stilstaande beelden smelten samen tot één continue beweging. Maar als we licht in geluid veranderen, kunnen onze oren die trillingen perfect waarnemen tot enkele duizenden trillingen per seconde!

Ik bedacht een beetje elektronisch om van mijn smartphone een ontvanger voor lichtgeluid te maken, waardoor ik die geluiden ook kon opnemen. Omdat de elektronica heel eenvoudig is, wil ik je in dit voorbeeld de basis van elektronisch ontwerpen laten zien. Dus we gaan behoorlijk diep in transistoren, weerstanden en condensatoren duiken. Maar maak je geen zorgen, ik zal de wiskunde simpel houden!

Stap 1: Elektronisch Deel 1: Wat is een transistor?

Hier is je snelle en niet-vuile introductie in bipolaire transistors. Er zijn twee verschillende soorten van. Een daarvan heet NPN en dit is degene die je op de foto kunt zien. Het andere type is PNP en daar gaan we het hier niet over hebben. Het verschil is slechts een kwestie van stroom- en spanningspolariteit en niet van verder belang.

Een NPN-transistor is een elektronische component die stroom versterkt. In principe heb je drie terminals. Een is altijd geaard. Op onze foto wordt het de "emitter" genoemd. Dan heb je de "basis", die de linker is en de "Collector" die de bovenste is. Elke stroom die naar de basis IB gaat, zal een versterkte stroom veroorzaken die door het collector-IC drijft en door de emitter terug naar de aarde gaat. De stroom moet worden aangestuurd door een externe spanningsbron UB. De verhouding van de versterkte stroom IC en de basisstroom IB is IC/IB=B. B wordt de gelijkstroomversterking genoemd. Het hangt af van de temperatuur en hoe u uw transistor in uw circuit instelt. Bovendien is het gevoelig voor ernstige productietoleranties, dus het heeft niet veel zin om met vaste waarden te rekenen. Houd er altijd rekening mee dat de huidige winst veel kan spreiden. Behalve B is er nog een andere waarde genaamd "bèta". Wile B kenmerkt de versterking van een DC-signaal, beta doet hetzelfde voor AC-signalen. Normaal gesproken verschillen B en bèta niet veel.

Samen met de ingangsstroom heeft de transistor ook een ingangsspanning. De beperkingen van de spanning zijn erg smal. In normale toepassingen zal het bewegen in een gebied tussen 0,62V…0,7V. Het forceren van een spanningsverandering op de basis zal resulteren in dramatische veranderingen van de collectorstroom omdat deze afhankelijkheid een exponentiële curve volgt.

Stap 2: Elektronisch deel 2: Het ontwerpen van de eerste fase van de versterker

Nu zijn we op weg. Om gemoduleerd licht om te zetten in geluid hebben we een fototransistor nodig. Een fototransistor lijkt erg op de standaard NPN-transistor van de vorige stap. Maar het is ook niet alleen in staat om de collectorstroom te veranderen door de basisstroom te regelen. Bovendien is de collectorstroom afhankelijk van licht. Veel licht-veel stroom, minder licht-minder stroom. Het is zo makkelijk.

Specificeren van de voeding

Wanneer ik hardware aan het ontwerpen ben, is het eerste wat ik doe een besluit nemen over de voeding, omdat dit ALLES in je circuit beïnvloedt. Het gebruik van een 1,5V-batterij zou een slecht idee zijn, omdat, zoals je in stap 1 hebt geleerd, de UBE van een transistor ongeveer 0, 65V is en dus al op de helft van de weg naar 1, 5V. We zouden meer reserve moeten bieden. Ik ben dol op 9V-batterijen. Ze zijn goedkoop en gemakkelijk te hanteren en nemen niet veel ruimte in beslag. Dus laten we gaan met 9V. UB=9V

Specificeren van de collectorstroom

Ook dat is cruciaal en raakt alles. Het moet niet te klein zijn, want dan wordt de transistor instabiel en neemt de signaalruis toe. Het mag ook niet te hoog zijn omdat de transistor altijd een ruststroom en een spanning heeft en dat betekent dat hij stroom verbruikt die in warmte wordt omgezet. Te veel stroom trekt de batterijen leeg en kan de transistor door hitte doden. In mijn toepassingen houd ik de collectorstroom altijd tussen 1…5mA. In ons geval gaan we voor 2mA. IC=2mA.

Maak je voeding schoon

Als u versterkertrappen ontwerpt, is het altijd een goed idee om uw gelijkstroomvoeding schoon te houden. De voeding is vaak een bron van ruis en brom, zelfs als je een batterij gebruikt. Dit komt omdat je meestal redelijke kabellengtes hebt aangesloten op de voedingsrail die kan werken als een antenne voor het overvloedige stroomgezoem. Normaal gesproken leid ik de voedingsstroom door een kleine weerstand en zorg ik voor een dikke gepolariseerde condensator aan het einde. Het verbreekt alle ac-signalen tegen de grond. In de afbeelding is de weerstand R1 en de condensator is C1. We moeten de weerstand klein houden omdat de spanningsval die het genereert onze output beperkt. Nu kan ik mijn ervaring toevoegen en zeggen dat een spanningsval van 1V acceptabel is als je met een 9V-voeding werkt. UF=1V.

Nu moeten we een beetje anticiperen op onze gedachten. Je zult later zien dat we een tweede transistortrap zullen toevoegen die ook zijn voedingsstroom schoon moet krijgen. Dus de hoeveelheid stroom die door R1 vloeit, wordt verdubbeld. De spanningsval over R1 is R1=UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Je krijgt nooit precies de weerstand die je wilt, omdat ze in bepaalde waarde-intervallen worden geproduceerd. De waarde die het dichtst bij onze waarde ligt, is 270 Ohm en dat vinden we prima. R1=270 Ohm.

Dan kiezen we voor C1=220uF. Dat geeft een hoekfrequentie van 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Denk hier niet te veel over na. De hoekfrequentie is die waar het filter ac-signalen begint te onderdrukken. Tot 2,7 Hz komt alles min of meer onverzwakt door. Voorbij 2, 7Hz worden de signalen steeds meer onderdrukt. De demping van een eerste-orde laagdoorlaatfilter wordt beschreven door A=1/(2*PI*f*R1*C1). Onze dichtstbijzijnde vijand op het gebied van interferentie is het gezoem van de 50 Hz hoogspanningslijn. Dus laten we f=50 toepassen en we krijgen A=0, 053. Dat betekent dat slechts 5, 3% van de ruis door het filter gaat. Zou genoeg moeten zijn voor onze behoeften.

Specificeren van de collectorspanningsbias

De bias is het punt waar u uw transistor in plaatst wanneer deze in de inactieve modus is. Dit specificeert de stromen en spanningen wanneer er geen ingangssignaal is om te versterken. Een duidelijke specificatie van deze voorspanning is van fundamenteel belang, omdat bijvoorbeeld de spanningsvoorspanning op de collector het punt aangeeft waar het signaal zal rondzwaaien wanneer de transistor werkt. Als dit punt foutief wordt aangelegd, ontstaat er een vervormd signaal wanneer de uitgangszwaai de grond of de voeding raakt. Dit zijn de absolute limieten waar de transistor niet overheen kan! Normaal gesproken is het een goed idee om de uitgangsspanningsbias in het midden tussen aarde en UB te plaatsen op UB/2, in ons geval (UB-UF)/2 = 4V. Maar om de een of andere reden zul je later begrijpen dat ik het iets lager wil stellen. Ten eerste hebben we geen grote uitgangszwaai nodig, want zelfs na versterking in deze 1e fase zal ons signaal in het bereik van millivolts zijn. Ten tweede zal een lagere bias beter werken voor de volgende transistortrap, zoals u zult zien. Dus laten we de bias op 3V zetten. UA=3V.

Bereken de collectorweerstand

Nu kunnen we de rest van de componenten berekenen. Je zult zien dat als er een collectorstroom door R2 vloeit, we een spanningsval krijgen van UB. Omdat UA = UB-UF-IC*R1 kunnen we R1 extraheren en krijgen R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2,5K. We kiezen weer de volgende normwaarde en nemen R1 = 2, 7K Ohm.

Bereken de basisweerstand

Voor het berekenen van R3 kunnen we een eenvoudige vergelijking afleiden. De spanning over R3 is UA-UBE. Nu moeten we de basisstroom weten. Ik vertelde je de gelijkstroomversterking B=IC/IB, dus IB = IC/B, maar wat is de waarde van B? Helaas heb ik een fototransistor uit een overtollige verpakking gebruikt en er is geen goede markering op de componenten. Dus we moeten onze fantasie gebruiken. Fototransistoren hebben niet zoveel versterking. Ze zijn meer ontworpen voor snelheid. Terwijl de DC-stroomversterking voor een normale transistor 800 kan bereiken, kan de B-factor van een fototransistor tussen 200..400 zijn. Dus laten we gaan met B=300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Dat is bijna 360K Ohm. Helaas heb ik deze waarde niet in mijn doos, dus ik heb in plaats daarvan een 240K + 100K in serie gebruikt. R3 = 340K Ohm.

Je kunt je afvragen waarom we de basisstroom van de collector aftappen en niet van UB. Laat me je dit vertellen. De bias van een transistor is een kwetsbaar iets omdat een transistor gevoelig is voor productietoleranties en een ernstige afhankelijkheid van temperatuur. Dat betekent dat als u uw transistor rechtstreeks van UB voorinstelt, deze waarschijnlijk snel zal wegdrijven. Om dat probleem op te lossen, gebruiken hardwareontwerpers een methode die "negatieve feedback" wordt genoemd. Neem nog eens een kijkje op ons circuit. De basisstroom komt van de collectorspanning. Stel je nu voor dat de transistor warmer wordt en zijn B-waarde stijgt. Dat betekent dat er meer collectorstroom vloeit en UA afneemt. Maar minder UA betekent ook minder IB en de spanning UA gaat weer een beetje omhoog. Met B afnemend heb je andersom hetzelfde effect. Dit is REGELGEVING! Dat betekent dat we door slimme bedrading de transistorbias binnen de perken kunnen houden. Je zult ook in de volgende fase nog een negatieve feedback zien. Overigens vermindert negatieve feedback normaal gesproken ook de versterking van het podium, maar er zijn middelen om dit probleem op te lossen.

Stap 3: Elektronisch deel 3: De tweede fase ontwerpen

Ik heb wat getest door het lichtgeluidsignaal van de voorversterkte fase in de vorige stap op mijn smartphone toe te passen. Het was bemoedigend, maar ik dacht dat een beetje meer versterking het beter zou doen. Ik schatte dat een extra boost van factor 5 het werk zou moeten doen. Dus hier gaan we met de tweede fase! Normaal gesproken zouden we de transistor in de tweede trap weer met zijn eigen bias opstellen en het voorversterkte signaal van de eerste trap via een condensator erin voeren. Onthoud dat condensatoren geen gelijkstroom doorlaten. Alleen het ac-signaal mag passeren. Op deze manier kunt u een signaal door de trappen leiden en wordt de bias van elke trap niet beïnvloed. Maar laten we het een beetje interessanter maken en proberen wat componenten te besparen, want we willen het apparaat klein en handig houden. We zullen de uitgangsbias van fase 1 gebruiken voor het voorinstellen van de transistor in fase 2!

Berekening van de emitterweerstand R5

In deze fase wordt onze NPN-transistor direct bevooroordeeld van de vorige fase. In het schakelschema zien we dat UE = UBE + ICxR5. Omdat UE = UA uit de vorige fase kunnen we R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K Ohm extraheren. We maken er 1, 2K Ohm van, wat de dichtstbijzijnde normwaarde is. R5 = 1, 2K Ohm.

Hier zie je een ander soort feedback. Laten we zeggen dat terwijl UE constant blijft, de B-waarde van de transistor toeneemt als gevolg van de temperatuur. We krijgen dus meer stroom door collector en emitter. Maar meer stroom door R5 betekent meer spanning over R5. Omdat UBE = UE - IC*R5 betekent een toename van IC een afname van UBE en dus weer een afname van IC. Ook hier hebben we regelgeving die ons helpt om de bias stabiel te houden.

Berekening van de collectorweerstand R4

Nu moeten we de uitgangszwaai van ons collectorsignaal UA in de gaten houden. De ondergrens is de emitterbias van 3V-0, 65V=2, 35V. De bovengrens is de spanning UB-UB=9V-1V=8V. We zullen onze verzamelaarsbias precies in het midden plaatsen. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Nu is het gemakkelijk om R4 te berekenen. R4 = (UB-UF-UA)/IC =(9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. We maken er R4 = 1, 5K Ohm van.

Hoe zit het met de versterking?

Dus hoe zit het met de factor 5 van versterking die we willen winnen? De spanningsversterking van ac-signalen in het podium zoals je het kunt zien, wordt beschreven in een heel eenvoudige formule. Vu = R4/R5. Lekker simpel he? Dit is de versterking van een transistor met negatieve feedback over de emitterweerstand. Onthoud dat ik je heb verteld dat negatieve feedback ook de versterking beïnvloedt als je er niet de juiste middelen tegen gebruikt.

Als we de versterking berekenen met de gekozen waarden van R4 en R5, krijgen we V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hmm, dat is best ver weg van 5. Dus wat kunnen we doen? Nou, eerst zien we dat we niets aan R4 kunnen doen. Het wordt vastgesteld door de uitgangsbias en de spanningsbeperkingen. Hoe zit het met R5? Laten we de waarde berekenen die R5 zou moeten hebben als we een versterking van 5 zouden hebben. Dat is makkelijk, want Vu =R4/R5 betekent dat R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, dat is prima, maar als we een 300 Ohm in plaats van de 1.2K in ons circuit zouden plaatsen, zou onze vooringenomenheid verpest worden. Dus we moeten beide plaatsen, 1,2K Ohm voor de dc-bias en 300 Ohm voor de ac-negatieve feedback. Kijk eens naar de tweede foto. Je zult zien dat ik de weerstand van 1, 2K Ohm heb verdeeld in een 220 Ohm en 1K Ohm in serie. Bovendien koos ik 220 Ohm omdat ik geen 300 Ohm weerstand had. De 1K wordt ook omzeild door een dikke gepolariseerde condensator. Wat betekent dit? Welnu, voor de dc-bias betekent dit dat de negatieve feedback een 1, 2K Ohm "ziet", omdat dc mogelijk niet door een condensator gaat, dus voor de dc-bias bestaat C3 gewoon niet! Het ac-signaal daarentegen "ziet" gewoon de 220 Ohm omdat elke ac-spanningsval over R6 wordt kortgesloten met aarde. Geen spanningsverlies, geen feedback. Alleen de 220 Ohm blijft over voor negatieve feedback. Best wel slim, hè?

Om dit goed te laten werken, moet je C3 kiezen, zodat de impedantie veel lager is dan R3. Een goede waarde is 10% van R3 voor de laagst mogelijke werkfrequentie. Laten we zeggen dat onze laagste frequentie 30 Hz is. De impedantie van een condensator is Xc = 1/(2*PI*f*C3). Als we C3 extraheren en de frequentie en waarde van R3 invoeren, krijgen we C3=1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Om de dichtstbijzijnde normwaarde te evenaren, maken we deze C3 = 47uF.

Zie nu het voltooide schema in de laatste afbeelding. Werden gedaan!

Stap 4: Het maken van de mechanica Deel 1: Lijst met materialen

Voor het maken van het apparaat heb ik de volgende onderdelen gebruikt:

• Alle elektronische componenten uit het schema
• Een standaard plastic behuizing van 80 x 60 x 22 mm met een ingebouwd compartiment voor 9V-batterijen
• Een 9V batterijclip
• 1 m 4pol audiokabel met jack 3,5 mm
• 3pol. stereo-aansluiting 3,5 mm
• een knop
• een stuk perfboard
• een 9V batterij
• soldeer
• 2 mm koperdraad 0, 25 mm geïsoleerde gespannen draad

De volgende hulpmiddelen moeten worden gebruikt:

• Soldeerbout
• Elektrische boor
• Digitale multimeter
• een ronde rasp

Stap 5: Het maken van de mechanica: deel 2

Plaats de schakelaar en de 3, 5mm socket

Gebruik de rasp om in beide delen van de behuizing (boven en onder) twee halve gaten te vijlen. Maak het gat breed genoeg zodat de schakelaar erin past. Doe nu hetzelfde met de 3,5 mm-aansluiting. Het stopcontact wordt gebruikt om oordopjes aan te sluiten. De audio-uitgangen van de 4pol. jack wordt naar de 3,5 mm-aansluiting geleid.

Maak gaten voor kabel en fototransistor

Boor een gat van 3 mm aan de voorkant en superlijm de fototransistor erin zodat de terminals door het gat gaan. Boor aan één kant nog een gat met een diameter van 2 mm. De audiokabel met de 4 mm jack gaat er doorheen.

Soldeer de elektronica

Soldeer nu de elektronische componenten op het perfboard en sluit deze aan op de audiokabel en de 3,5 mm-aansluiting zoals weergegeven in het schema. Kijk naar de afbeeldingen met de signaalpin-outs op de aansluitingen voor oriëntatie. Gebruik uw DMM om te zien welk signaal van de aansluiting op welke draad uitkomt om het te identificeren.

Als alles klaar is, zet u het apparaat aan en controleert u of de spanningsuitgangen op de transistoren min of meer binnen het berekende bereik liggen. Zo niet, probeer dan R3 af te stellen in de eerste trap van de versterker. Het zal waarschijnlijk het probleem zijn vanwege de wijdverbreide toleranties van de transistors die u mogelijk moet aanpassen.

Stap 6: Testen

Ik heb enkele jaren geleden een meer geavanceerd apparaat van dit type gebouwd (zie video). Vanaf deze tijd heb ik een aantal geluidsvoorbeelden verzameld die ik je wil laten zien. De meeste heb ik verzameld terwijl ik in mijn auto reed en de fototransistor achter mijn voorruit plaatste.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Dit is het geluid van een extern LED-display op een voorbijrijdende bus
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Het knipperlicht van een auto
• "LED_Scheinwerfer.mp3" De koplamp van een auto
• "Neonrelame.mp3" neonlichten
• "Schwebung.mp3" Het ritme van twee storende autokoplampen
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Het geluid van een spaarlamp
• "Sound_oscilloscope.mp3" Het geluid van mijn oscilloscoopscherm met verschillende tijdinstellingen
• "Sound-PC Monitor.mp3" Het geluid van mijn pc-monitor
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Straatverlichting
• "Was_ist_das_1.mp3" Een zwak en vreemd buitenaards geluid dat ik ergens opving toen ik in mijn auto rondreed

Ik hoop dat ik je eetlust heb kunnen stillen en dat je nu zelf de nieuwe wereld van lichtgeluiden gaat verkennen!