LightSound: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Jo estava jugant amb electrònica des que tenia 10 anys. El meu pare, un tècnic de ràdio, em va ensenyar els conceptes bàsics i com utilitzar un soldador. Li dec molt. Un dels meus primers circuits va ser un amplificador d’àudio amb micròfon i durant un temps em va encantar escoltar la meva veu a través de l’altaveu connectat o els sons de l’exterior quan vaig penjar el micròfon a la finestra. Un dia, el meu pare va venir amb una bobina que va treure d'un transformador antic i va dir: "Connecteu això en lloc del vostre micròfon". Ho vaig fer i aquest va ser un dels moments més sorprenents de la meva vida. De sobte, vaig sentir estranys brunzits, xiuxiueig, brunzits electrònics aguts i alguns sons que s’assemblaven a veus humanes distorsionades. Va ser com bussejar en un món amagat que estava just davant de les meves orelles, que fins ara no he pogut reconèixer. Tècnicament no hi havia res de màgic. La bobina va captar sorolls electromagnètics provinents de tot tipus d’aparells domèstics, neveres, rentadores, trepants elèctrics, aparells de televisió, ràdios, fanals etc. Però l’experiència va ser crucial per a mi. Hi havia alguna cosa al meu voltant que no podia percebre, però amb alguna mumbo-jumbo electrònica en què estava!

Alguns anys després, hi vaig tornar a pensar i em va venir al cap una idea. Què passaria si connectés un fototransistor a l'amplificador? També escoltaria vibracions que els meus ulls eren massa mandrosos per reconèixer? Ho vaig fer i de nou l’experiència va ser increïble! L’ull humà és un òrgan molt sofisticat. Proporciona l’amplada de banda d’informació més gran de tots els nostres òrgans, però això comporta alguns costos. La capacitat de percebre canvis és força limitada. Si la informació visual canvia més de 11 vegades per segon, les coses comencen a ser borroses. Aquesta és la raó per la qual podem veure pel·lícules al cinema o al nostre televisor. Els nostres ulls ja no poden seguir els canvis i totes aquestes imatges fixes es fonen juntes en un sol moviment continu. Però si canviem la llum per so, les nostres oïdes podrien percebre aquestes oscil·lacions perfectament fins a diversos milers d’oscil·lacions per segon.

Vaig idear una mica d’electrònic per convertir el meu telèfon intel·ligent en un receptor de sons llums, que em donava també la possibilitat de gravar aquests sons. Com que l'electrònic és molt senzill, vull mostrar-vos els conceptes bàsics del disseny electrònic en aquest exemple. Així que ens submergirem força en transistors, resistències i condensadors. Però no us preocupeu, mantindré les matemàtiques senzilles.

Pas 1: Part electrònica 1: Què és un transistor?

Aquí teniu la vostra introducció ràpida i no bruta als transistors bipolars. N’hi ha dos tipus diferents. Un es diu NPN i aquest és el que podeu veure a la imatge. L’altre tipus és el PNP i no en parlarem aquí. La diferència és només una qüestió de polaritat de corrent i tensió i no d’interès.

Un transistor NPN és un component electrònic que amplifica el corrent. Bàsicament teniu tres terminals. Un sempre està fonamentat. A la nostra imatge es diu "Emissor". Després teniu la "base", que és l'esquerra i el "Col·leccionista", que és la superior. Qualsevol corrent que entri a la base IB farà que un corrent amplificat floti a través del CI del col·lector i que passi a través de l'emissor cap a terra. El corrent s'ha de conduir des d'una font de tensió externa UB. La relació entre el corrent amplificat IC i el corrent base IB és IC / IB = B. B s’anomena guany de corrent continu. Depèn de la temperatura i de com configureu el transistor al circuit. A més, és propens a toleràncies de producció severes, de manera que no té gaire sentit calcular amb valors fixos. Tingueu sempre en compte que el guany actual es pot estendre molt. A part de B, hi ha un altre valor anomenat "beta". Wile B caracteritza l'amplificació d'un senyal de corrent continu, la beta fa el mateix per als senyals de corrent altern. Normalment, la B i la beta no difereixen gaire.

Juntament amb el corrent d'entrada, el transistor també té una tensió d'entrada. Les restriccions de la tensió són molt estretes. En aplicacions normals es mourà en una àrea entre 0,62V..0,7V. Forçar un canvi de voltatge a la base donarà lloc a canvis dramàtics del corrent del col·lector perquè aquesta dependència segueix una corba exponencial.

Pas 2: Part electrònica 2: Dissenyar la primera etapa de l'amplificador

Ara estem en camí. Per convertir la llum modulada en so necessitem un fototransistor. Un fototransistor s'assembla molt al transistor NPN estàndard del pas anterior. Però també és capaç de canviar el corrent del col·lector controlant el corrent base. A més, el corrent del col·lector depèn de la llum. Molt llum-molta intensitat, menys llum-menys corrent. És tan fàcil.

Especificació de la font d'alimentació

Quan estic dissenyant maquinari, el primer que he de fer és decidir-me sobre la font d'alimentació perquè això afecta TOT el circuit. Utilitzar una bateria d’1, 5V seria una mala idea perquè, tal com heu après al pas 1, la UBE d’un transistor és d’uns 0, 65V i, per tant, ja a la meitat del camí fins a 1, 5V. Hauríem de proporcionar més reserva. M'encanten les bateries de 9V. Són econòmics i fàcils de manejar i no consumeixen gaire espai. Anem, doncs, amb 9V. UB = 9V

Especificació del corrent del col·lector

Això també és crucial i afecta tot. No hauria de ser massa petit perquè el transistor es torna inestable i el soroll del senyal augmenta. Tampoc ha de ser massa elevat perquè el transistor sempre té un corrent de ralentí i una tensió i això significa que consumeix energia que es converteix en calor. Un excés de corrent drena les bateries i pot causar la mort del transistor a causa de la calor. A les meves aplicacions sempre mantinc el corrent del col·lector entre 1 i 5 mA. En el nostre cas anem amb 2mA. IC = 2mA.

Netegeu la font d'alimentació

Si esteu dissenyant escenaris d'amplificació, sempre és una bona idea mantenir neta la vostra font d'alimentació de CC. La font d'alimentació sovint és una font de soroll i brunzit fins i tot si es fa servir una bateria. Això es deu al fet que normalment teniu longituds de cable raonables connectades al rail d'alimentació que poden funcionar com a antena per a tot el brunzit de potència abundant. Normalment dirigeixo el corrent d’alimentació a través d’una resistència petita i proporciono un condensador polaritzat de greix al final. Redueix tots els senyals de corrent altern a terra. A la imatge, la resistència és R1 i el condensador és C1. Hem de mantenir la resistència petita perquè la caiguda de tensió que genera limita la nostra sortida. Ara puc aportar la meva experiència i dir que la caiguda de tensió d’1 V és tolerable si treballeu amb una font d’alimentació de 9 V. UF = 1V.

Ara hem d’anticipar-nos una mica als nostres pensaments. Veureu més endavant afegirem una segona etapa de transistors que també necessita per netejar el corrent de subministrament. Per tant, la quantitat de corrent que circula per R1 es duplica. La caiguda de tensió a través de R1 és R1 = UF / (2xIC) = 1V / 4mA = 250 Ohms. Mai obtindreu exactament la resistència que desitgeu perquè es produeixen en determinats intervals de valor. El més proper al nostre valor és de 270 ohms i ens anirà bé. R1 = 270 ohms.

Després escollim C1 = 220uF. Això dóna una freqüència de cantonada d'1 / (2 * PI * R1 * C1) = 2, 7Hz. No t’ho pensis massa. La freqüència de cantonada és la que el filtre comença a suprimir els senyals de corrent altern. Fins a 2, 7Hz tot passarà més o menys sense atenuar. Més enllà de 2, 7Hz, els senyals es suprimen cada vegada més. L’atenuació d’un filtre de pas baix de primer ordre es descriu per A = 1 / (2 * PI * f * R1 * C1). El nostre enemic més proper en termes d’interferències és el zumbit de la línia elèctrica de 50 Hz. Per tant, apliquem f = 50 i obtenim A = 0, 053. Això significa que només el 5,3% del soroll passarà pel filtre. Hauria de ser suficient per a les nostres necessitats.

Especificació del biaix de tensió del col·lector

El biaix és el punt en què poseu el transistor quan està en mode d'inactivitat. Especifica els seus corrents i tensions quan no hi ha cap senyal d’entrada per amplificar. Una especificació neta d’aquest biaix és fonamental perquè, per exemple, el biaix de tensió al col·lector especifica el punt on el senyal oscil·larà quan el transistor funcioni. Dissenyar aquest punt de manera errònia es traduirà en un senyal distorsionat quan el gronxador de sortida toqui terra o la font d'alimentació. Aquests són els límits absoluts que el transistor no pot superar. Normalment, és una bona idea posar el biaix de tensió de sortida al mig entre terra i UB a UB / 2, en el nostre cas (UB-UF) / 2 = 4V. Però per alguna raó ho entendreu més endavant i vull posar-ho una mica més avall. En primer lloc no necessitem un gran swing de sortida, perquè fins i tot després de l'amplificació en aquesta primera etapa el nostre senyal estarà en el rang de milivolts. En segon lloc, un biaix inferior serà millor per a la següent etapa del transistor, com veureu. Per tant, posem el biaix a 3V. UA = 3V.

Calculeu la resistència del col·lector

Ara podem calcular la resta de components. Veureu si un corrent de col·lector flueix per R2, obtindrem una caiguda de tensió provinent de UB. Com que UA = UB-UF-IC * R1 podem extreure R1 i obtenir R1 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-3V) / 2mA = 2, 5K. De nou triem el següent valor de la norma i prenem R1 = 2, 7K Ohm.

Calculeu la resistència base

Per calcular R3 podem obtenir una equació simple. La tensió a R3 és UA-UBE. Ara hem de conèixer el corrent base. Us he dit el guany de corrent continu B = IC / IB, de manera que IB = IC / B, però, quin valor té B? Lamentablement he utilitzat un fototransistor d'un paquet sobrant i no hi ha cap marcatge adequat als components. Per tant, hem d’utilitzar la nostra fantasia. Els fototransistors no tenen tanta amplificació. Estan més dissenyats per a la velocitat. Tot i que el guany de corrent continu d’un transistor normal pot arribar als 800, el factor B d’un fototransistor pot estar entre 200 i 400. Anem, doncs, amb B = 300. R3 = (UA-UBE) / IB = B * (UA-UBE) / IC = 352K Ohm. Això s’acosta als 360K Ohm. Lamentablement, no tinc aquest valor a la meva caixa, de manera que he utilitzat 240K + 100K en sèrie. R3 = 340K Ohm.

Us podeu preguntar per què drenem el corrent base del col·lector i no pas de la UB. Deixeu-me que us expliqui això. El biaix d'un transistor és una cosa fràgil perquè un transistor és propens a toleràncies de producció, així com a una severa dependència de la temperatura. Això significa que si esbiaixeu el transistor directament des de UB, probablement es desviarà aviat. Per fer front a aquest problema, els dissenyadors de maquinari utilitzen un mètode anomenat "feedback negatiu". Mireu de nou el nostre circuit. El corrent base prové de la tensió del col·lector. Ara imagineu que el transistor s’escalfa i el valor B augmenta. Això significa que flueix més corrent del col·lector i disminueix la UA. Però menys UA també significa menys IB i la tensió UA torna a pujar una mica. Amb la disminució de B, teniu el mateix efecte al revés. Això és REGULAMENT! Això significa que mitjançant un cablejat intel·ligent podem mantenir el biaix del transistor en límits. També veureu un altre comentari negatiu a la següent etapa. Per cert, la retroalimentació negativa també disminueix l'amplificació de l'escenari, però hi ha mitjans per superar aquest problema.

Pas 3: Part electrònica 3: Dissenyar la segona etapa

Vaig fer algunes proves aplicant al senyal intel·ligent el senyal de so lluminós de l’etapa preamplificada del pas anterior. Va ser encoratjador, però vaig pensar que una mica més d'amplificació aniria millor. Vaig estimar que un impuls addicional del factor 5 hauria de fer la feina. Així que aquí anem amb la segona etapa! Normalment tornem a configurar el transistor a la segona etapa amb el seu propi biaix i alimentaríem el senyal preamplificat des de la primera etapa mitjançant un condensador. Recordeu que els condensadors no deixen passar DC. Només pot passar el senyal de corrent altern. D'aquesta manera, podeu encaminar un senyal a través de les etapes i la polarització de cada etapa no es veurà afectada. Però fem que les coses siguin una mica més interessants i intentem desar alguns components perquè volem que el dispositiu sigui petit i útil. Utilitzarem el biaix de sortida de l’etapa 1 per esbiaixar el transistor a l’etapa 2.

Càlcul de la resistència emissora R5

En aquesta etapa, el nostre transistor NPN es polaritza directament de l'etapa anterior. Al diagrama del circuit veiem que UE = UBE + ICxR5. Com que UE = UA de l'etapa anterior podem extreure R5 = (UE-UBE) / IC = (3V-0.65V) / 2mA = 1, 17K Ohm. La convertim en 1, 2K Ohm, que és el valor normal més proper. R5 = 1, 2K Ohm.

Aquí podeu veure un altre tipus de comentaris. Diguem que mentre UE es manté constant, el valor B del transistor augmenta a causa de la temperatura. Així obtenim més corrent a través del col·lector i l’emissor. Però més corrent a través de R5 significa més tensió a través de R5. Com que UBE = UE - IC * R5, un augment de IC significa una disminució de UBE i, per tant, una disminució de nou de IC. Aquí també tenim una regulació que ens ajuda a mantenir el biaix estable.

Càlcul de la resistència del col·lector R4

Ara hauríem de vigilar l’oscil·lació de sortida del nostre senyal de col·lector UA. El límit inferior és el biaix de l’emissor de 3V-0, 65V = 2, 35V. El límit superior és el voltatge UB-UB = 9V-1V = 8V. Posarem el nostre biaix de col·leccionista al centre. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V) / 2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Ara és fàcil calcular R4. R4 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-5, 2V) / 2mA = 1, 4K Ohm. La fem R4 = 1, 5K Ohm.

Què passa amb l'amplificació?

Llavors, què passa amb el factor 5 d'amplificació que volem guanyar? L’amplificació de tensió dels senyals de corrent altern a l’escenari tal com es pot veure es descriu en una fórmula molt senzilla. Vu = R4 / R5. Bastant senzill eh? Es tracta de l'amplificació d'un transistor amb retroalimentació negativa sobre la resistència de l'emissor. Recordeu que us he dit que els comentaris negatius també afecten l'amplificació si no esteu prenent els mitjans adequats en contra.

Si calculem l’amplificació amb els valors escollits de R4 i R5 obtenim V = R4 / R5 = 1,5K / 1,2K = 1,2. Hm, està molt lluny de 5. Llavors, què podem fer? Bé, primer veiem que no podem fer res sobre R4. Es fixa pel biaix de sortida i les restriccions de voltatge. Què passa amb R5? Calculem el valor que hauria de tenir R5 si tinguéssim una amplificació de 5. Això és fàcil, perquè Vu = R4 / R5 això significa que R5 = R4 / Vu = 1,5K Ohm / 5 = 300 Ohm. D’acord, està bé, però si poséssim un 300 Ohm en lloc de l’1,2K al nostre circuit, el biaix quedaria desconcertat. Per tant, hem de posar tots dos: 1,2 K Ohm per al biaix de corrent continu i 300 Ohms per al feedback negatiu de corrent altern. Mireu la segona imatge. Veureu que he dividit la resistència d'1, 2K Ohm en 220 Ohm i 1K Ohm en sèrie. A més, vaig triar 220 Ohms perquè no tenia una resistència de 300 Ohm. L'1K també és ignorat per un condensador polaritzat de greix. Què significa això? Bé, per al biaix de corrent continu que significa que la retroalimentació negativa "veu" 1, 2K Ohm perquè la corrent continu no pot passar per un condensador, de manera que per al biaix de corrent continu C3 no existeix. El senyal de corrent altern, per altra banda, només "veu" els 220 Ohm perquè cada caiguda de voltatge altern de R6 queda curtcircuitada a terra. Sense caiguda de tensió, sense retroalimentació. Només queden els 220 Ohm per obtenir comentaris negatius. Molt intel·ligent, eh?

Perquè això funcioni correctament, heu de triar C3 perquè la seva impedància sigui molt inferior a R3. Un bon valor és el 10% de R3 per a la freqüència de treball més baixa possible. Suposem que la nostra freqüència més baixa és de 30 Hz. La impedància d’un condensador és Xc = 1 / (2 * PI * f * C3). Si traiem C3 i posem la freqüència i el valor de R3 obtindrem C3 = 1 / (2 * PI * f * R3 / 10) = 53uF. Per fer coincidir el valor de norma més proper, fem que sigui C3 = 47uF.

Ara vegeu l’esquema completat a la darrera imatge. Estaven fets!

Pas 4: Fer la mecànica Part 1: Llista de materials

He utilitzat els components següents per fabricar el dispositiu:

• Tots els components electrònics de l'esquema
• Una caixa de plàstic estàndard de 80 x 60 x 22 mm amb un compartiment incrustat per a bateries de 9 V.
• Un clip de bateria de 9V
• Cable d'àudio 1m 4pol amb presa de 3,5mm
• 3pol. endoll estèreo de 3,5 mm
• un interruptor
• un tros de perfboard
• una bateria de 9V
• soldar
• Fil de coure de 2 mm 0, filferro aïllat de 25 mm

S'han d'utilitzar les eines següents:

• Soldador
• Trepant elèctric
• Multímetre digital
• una raspada rodona

Pas 5: elaboració de la mecànica: part 2

Col·loqueu l’interruptor i la presa de 3,5 mm

Utilitzeu el rasp per llimar dos semitruixos a les dues parts de la carcassa (superior i inferior). Feu el forat prou ample perquè l’interruptor s’adapti. Feu el mateix amb la presa de 3,5 mm. El sòcol s’utilitzarà per connectar taps d’orella. Les sortides d'àudio des del 4pol. el jack s’enviarà a la presa de 3,5 mm.

Feu forats per al cable i el fototransistor

Traieu un forat de 3 mm a la part frontal i enganxeu-hi el fototransistor de manera que els seus terminals passin pel forat. Practicar un altre forat de 2 mm de diàmetre per un costat. El cable d’àudio amb la presa de 4 mm hi travessarà.

Soldeu l’electrònic

Ara soldeu els components electrònics del perfboard i connecteu-lo al cable d’àudio i al connector de 3,5 mm tal com es mostra a l’esquema. Mireu les imatges que mostren els pinouts del senyal a les preses per orientar-se. Utilitzeu el DMM per veure quin senyal del jack surt en quin cable per identificar-lo.

Quan tot hagi acabat, engegueu el dispositiu i comproveu si les sortides de tensió dels transistors estan més o menys en el rang calculat. Si no, intenteu ajustar R3 a la primera etapa de l'amplificador. Probablement serà el problema a causa de les toleràncies generalitzades dels transistors que pot ser que hagueu d’ajustar el seu valor.

Pas 6: proves

Fa uns anys vaig construir un dispositiu d’aquest tipus més sofisticat (veure vídeo). A partir d’aquest moment he recollit un munt de mostres sonores que us vull mostrar. La majoria dels vaig recollir mentre conduïa al meu cotxe i vaig col·locar el fototransistor darrere del parabrisa.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" És el so d'una pantalla LED externa d'un autobús que passa per aquí
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" El parpelleig d'un cotxe
• "LED_Scheinwerfer.mp3" El far d’un cotxe
• Llums de neó "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" El compàs de dos fars de cotxes interferents
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" El so d'un CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" El so de la pantalla del meu oscil·loscopi amb diferents configuracions horàries
• "Sound-PC Monitor.mp3" El so del meu monitor de PC
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Llums de carrer
• "Was_ist_das_1.mp3" Un feble i estrany so extraterrestre que vaig agafar en algun lloc mentre conduïa al cotxe

Espero que us pugui mullar la gana i que pugueu explorar el nou món dels sons de llum ara mateix.