LightSound: 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:20

10 yaşımdan beri elektronikle uğraşıyordum. Bir radyo teknisyeni olan babam bana temel bilgileri ve bir havyanın nasıl kullanılacağını öğretti. Ona çok şey borçluyum. İlk devrelerimden biri mikrofonlu bir ses yükselticiydi ve bir süredir sesimi bağlı hoparlörden duymayı veya mikrofonu penceremden dışarı astığımda dışarıdan gelen sesleri duymayı çok seviyordum. Bir gün babam eski bir transformatörden çıkardığı bir bobinle geldi ve "Mikrofonun yerine bunu bağla" dedi. Yaptım ve bu hayatımdaki en harika anlardan biriydi. Aniden garip uğultu sesleri, tıslama sesi, keskin elektronik vızıltı ve bozuk insan seslerini andıran bazı sesler duydum. Kulağımın hemen önünde duran ve o ana kadar tanıyamadığım gizli bir dünyaya dalmak gibiydi. Teknik olarak sihirli bir yanı yoktu. Bobin, her türlü ev aletlerinden, buzdolaplarından, çamaşır makinelerinden, elektrikli matkaplardan, TV setlerinden, radyolardan, sokak lambasından gelen elektromanyetik gürültüyü aldı. Ama deneyim benim için çok önemliydi. Etrafımda algılayamadığım bir şey vardı ama içinde bulunduğum elektronik bir mumbo-jumbo ile!

Birkaç yıl sonra tekrar düşündüm ve aklıma bir fikir geldi. Amplifikatöre bir fototransistör bağlarsam ne olur? Gözlerimin tanımak için çok tembel olduğu titreşimleri de duyar mıyım? Yaptım ve yine deneyim harikaydı! İnsan gözü çok gelişmiş bir organdır. Tüm organlarımız arasında en büyük bilgi bant genişliğini sağlar, ancak bunun bazı maliyetleri vardır. Değişiklikleri algılama yeteneği oldukça sınırlıdır. Görsel bilgi saniyede 11 defadan fazla değişirse işler bulanıklaşmaya başlar. Sinemada veya televizyonumuzda film izleyebilmemizin nedeni budur. Gözlerimiz artık değişiklikleri takip edemiyor ve tüm bu tekil fotoğraflar, tek bir sürekli hareket halinde eritiliyor. Ama eğer ışığı sese çevirirsek, kulaklarımız bu salınımları saniyede birkaç bin salınımlara kadar mükemmel bir şekilde algılayabilir!

Akıllı telefonumu bir ışık sesi alıcısına dönüştürmek için küçük bir elektronik tasarladım ve bana bu sesleri kaydetme yeteneği de verdim. Elektronik çok basit olduğu için bu örnekte size elektronik tasarımın temellerini göstermek istiyorum. Bu yüzden transistörlere, dirençlere ve kapasitörlere oldukça derinlemesine dalacağız. Ama merak etmeyin, matematiği basit tutacağım!

Adım 1: Elektronik Bölüm 1: Transistör Nedir?

Şimdi, bipolar transistörlere hızlı ve kirli olmayan girişiniz. Bunların iki farklı türü vardır. Birinin adı NPN ve bu da resimde gördüğünüz. Diğer tür PNP'dir ve burada bunun hakkında konuşmayacağız. Fark sadece bir akım ve voltaj polaritesi meselesidir ve daha fazla ilgi konusu değildir.

Bir NPN-transistör, akımı yükselten elektronik bir bileşendir. Temel olarak üç terminaliniz var. Biri her zaman topraklanır. Bizim resmimizde buna "Yayıcı" denir. Sonra soldaki "taban" ve üstteki "Koleksiyoncu" var. Temel IB'ye giren herhangi bir akım, toplayıcı IC'den geçen ve emitörden tekrar toprağa giden güçlendirilmiş bir akıma neden olacaktır. Akım, harici bir voltaj kaynağı UB'den sürülmelidir. Yükseltilmiş akım IC ve temel akım IB'nin oranı IC/IB=B'dir. B, DC-akım kazancı olarak adlandırılır. Sıcaklığa ve transistörünüzü devrenizde nasıl kurduğunuza bağlıdır. Ayrıca, ciddi üretim toleranslarına eğilimlidir, bu nedenle sabit değerlerle hesaplamak pek mantıklı değildir. Her zaman mevcut kazancın çok yayılabileceğini unutmayın. B dışında "beta" adında bir değer daha var. Wile B, bir DC sinyalinin amplifikasyonunu karakterize eder, beta, AC sinyalleri için aynı şeyi yapar. Normalde B ve beta çok farklı değildir.

Giriş akımı ile birlikte transistör ayrıca bir giriş voltajına sahiptir. Voltajın kısıtlamaları çok dardır. Normal uygulamalarda 0.62V..0.7V arasında bir alanda hareket edecektir. Tabanda bir voltaj değişikliğini zorlamak, bu bağımlılık üstel bir eğriyi takip ettiğinden, kollektör akımında çarpıcı değişikliklere neden olacaktır.

Adım 2: Elektronik Bölüm 2: Amplifikatörün İlk Aşamasının Tasarlanması

Şimdi yoldayız. Modüle edilmiş ışığı sese dönüştürmek için bir fototransistöre ihtiyacımız var. Bir fototransistör, önceki adımın standart NPN transistörüne çok benzer. Ama aynı zamanda sadece temel akımı kontrol ederek Kollektör akımını değiştirme yeteneğine de sahip değildir. Ayrıca kollektör akımı ışığa bağlıdır. Çok hafif-çok akım, daha az ışık-az akım. İşte bu kadar kolay.

Güç kaynağının belirtilmesi

Donanım tasarlarken yaptığım ilk şey güç kaynağı hakkında karar vermektir çünkü bu devrenizdeki HER ŞEYİ etkiler. 1, 5V pil kullanmak kötü bir fikir olacaktır, çünkü 1. adımda öğrendiğiniz gibi, bir transistörün UBE'si 0, 65V civarındadır ve bu nedenle zaten 1, 5V'a kadar yarı yoldadır. Daha fazla rezerv sağlamalıyız. 9V pilleri seviyorum. Ucuz ve kullanımı kolaydır ve fazla yer kaplamazlar. Öyleyse 9V ile gidelim. UB=9V

Kollektör akımının belirtilmesi

Bu da çok önemlidir ve her şeyi etkiler. Çok küçük olmamalıdır çünkü o zaman transistör kararsız hale gelir ve sinyal gürültüsü yükselir. Ayrıca çok yüksek olmamalıdır çünkü transistörün her zaman boşta bir akımı ve voltajı vardır ve bu da ısıya dönüşen gücü tükettiği anlamına gelir. Çok fazla akım pilleri tüketir ve ısı nedeniyle transistörü öldürebilir. Uygulamalarımda kollektör akımını her zaman 1…5mA arasında tutuyorum. Bizim durumumuzda 2mA ile gidelim. IC=2mA.

Güç kaynağınızı temizleyin

Amplifikatör aşamaları tasarlıyorsanız, DC güç kaynağınızı temiz tutmak her zaman iyi bir fikirdir. Pil kullansanız bile güç kaynağı genellikle bir gürültü ve uğultu kaynağıdır. Bunun nedeni, genellikle bol miktarda güç uğultusu için bir anten görevi görebilecek besleme rayına bağlı makul kablo uzunluklarına sahip olmanızdır. Normalde besleme akımını küçük bir direnç üzerinden yönlendiriyorum ve sonunda yağ polarize kapasitör sağlıyorum. Tüm ac-sinyallerini yere karşı kısa keser. Resimde direnç R1 ve kondansatör C1'dir. Direnci küçük tutmalıyız çünkü oluşturduğu voltaj düşüşü çıkışımızı sınırlar. Şimdi deneyimlerimi aktarabilirim ve 9V güç kaynağı ile çalışıyorsanız 1V voltaj düşüşünün tolere edilebilir olduğunu söyleyebilirim. UF=1V.

Şimdi düşüncelerimizi biraz tahmin etmemiz gerekiyor. Daha sonra göreceksiniz, aynı zamanda besleme akımını da temizlemesi gereken ikinci bir transistör aşaması ekleyeceğiz. Böylece R1'den geçen akım miktarı iki katına çıkar. R1'deki voltaj düşüşü R1=UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm'dur. Belirli değer aralıklarında üretildiği için asla tam olarak istediğiniz rezistörü elde edemezsiniz. Değerimize en yakın olanı 270 Ohm'dur ve bununla iyi olacağız. R1=270 Ohm.

Sonra C1=220uF'yi seçiyoruz. Bu, 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz köşe frekansı verir. Bunun hakkında fazla düşünme. Köşe frekansı, filtrenin ac sinyallerini bastırmaya başladığı frekanstır. 2, 7Hz'e kadar her şey az ya da çok zayıflamadan geçer. 2, 7Hz'in ötesinde, sinyaller giderek daha fazla bastırılır. Birinci dereceden bir alçak geçiren filtrenin zayıflaması, A=1/(2*PI*f*R1*C1) ile tanımlanır. Girişim açısından en yakın düşmanımız 50Hz güç hattı vızıltısıdır. O halde f=50 uygulayalım ve A=0, 053 elde edelim. Bu, gürültünün sadece %5,3'ünün filtreden geçeceği anlamına gelir. İhtiyaçlarımız için yeterli olmalıdır.

Kollektör voltajı sapmasını belirleme

Önyargı, boş moddayken transistörünüzü yerleştirdiğiniz noktadır. Bu, yükseltilecek giriş sinyali olmadığında akımlarını ve voltajlarını belirtir. Bu yanlılığın net bir şekilde belirtilmesi esastır çünkü örneğin kollektör üzerindeki voltaj sapması, transistör çalışırken sinyalin sallanacağı noktayı belirtir. Bu noktanın hatalı olarak düzenlenmesi, çıkış salınımı zemine veya güç kaynağına çarptığında bozuk bir sinyale neden olacaktır. Bunlar, transistörün üstesinden gelemeyeceği mutlak sınırlar! Normalde, bizim durumumuzda (UB-UF)/2 = 4V, çıkış voltajı sapmasını UB/2'de toprak ile UB arasındaki orta noktaya koymak iyi bir fikirdir. Ama nedense daha sonra anlayacaksınız, biraz daha aşağı koymak istiyorum. Öncelikle büyük bir çıkış salınımına ihtiyacımız yok çünkü bu 1. aşamadaki amplifikasyondan sonra bile sinyalimiz milivolt aralığında olacaktır. İkincisi, daha düşük bir önyargı, göreceğiniz gibi aşağıdaki transistör aşaması için daha iyi sonuç verecektir. Öyleyse önyargıyı 3V'ye koyalım. UA=3V.

Kolektör direncini hesaplayın

Şimdi kalan bileşenleri hesaplayabiliriz. R2'den bir kollektör akımı geçip geçmediğini göreceksiniz, UB'den gelen bir voltaj düşüşü alacağız. UA = UB-UF-IC*R1 olduğundan, R1'i çıkarabilir ve R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K elde edebiliriz. Yine bir sonraki norm değerini seçiyoruz ve R1 = 2, 7K Ohm alıyoruz.

Temel direnci hesaplayın

R3'ü hesaplamak için basit bir denklem türetebiliriz. R3 üzerindeki voltaj UA-UBE'dir. Şimdi temel akımı bilmemiz gerekiyor. Size DC akım kazancını B=IC/IB söyledim, yani IB = IC/B, ama B'nin değeri nedir? Ne yazık ki, fazladan bir paketten bir fototransistör kullandım ve bileşenler üzerinde uygun bir işaret yok. Bu yüzden fantezimizi kullanmalıyız. Fototransistörlerin çok fazla amplifikasyonu yoktur. Daha çok hız için tasarlandılar. Normal bir transistörün DC akım kazancı 800'e ulaşabilirken, bir fototransistörün B faktörü 200..400 arasında olabilir. O halde B=300 ile gidelim. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Bu 360K Ohm'a yakın. Ne yazık ki kutumda bu değer yok, onun yerine seri olarak 240K+100K kullandım. R3 = 340K Ohm.

Baz akımı neden UB'den değil de toplayıcıdan boşalttığımızı kendinize sorabilirsiniz. Sana bunu söylememe izin ver. Bir transistörün yanlılığı kırılgan bir şeydir, çünkü bir transistör üretim toleranslarına ve ayrıca sıcaklıktan ciddi bir bağımlılığa eğilimlidir. Bu, transistörünüzü doğrudan UB'den saptırırsanız, muhtemelen yakında uzaklaşacağı anlamına gelir. Bu sorunla başa çıkmak için donanım tasarımcıları "negatif geri besleme" adı verilen bir yöntem kullanır. Devremize tekrar bir göz atın. Baz akımı, kollektör voltajından gelir. Şimdi transistörün ısındığını ve B değerinin yükseldiğini hayal edin. Bu, daha fazla kollektör akımının aktığı ve UA'nın azaldığı anlamına gelir. Ancak daha az UA aynı zamanda daha az IB anlamına gelir ve UA voltajı tekrar biraz yükselir. B azalırken, aynı etkiye sahip olursunuz. Bu YÖNETMELİK! Bu, akıllı kablolama ile transistör önyargısını sınırlarda tutabileceğimiz anlamına gelir. Bir sonraki aşamada da başka bir olumsuz geri bildirim göreceksiniz. Bu arada, negatif geri besleme normalde sahnenin amplifikasyonunu da azaltır, ancak bu sorunu aşmanın yolları vardır.

Adım 3: Elektronik Bölüm 3: İkinci Aşamanın Tasarlanması

Önceki adımda önceden güçlendirilmiş aşamadan gelen ışık sesi sinyalini akıllı telefonuma uygulayarak bazı testler yaptım. Cesaret vericiydi ama biraz daha fazla amplifikasyonun daha iyi olacağını düşündüm. Ek bir faktör 5 artışının işi yapması gerektiğini tahmin ettim. İşte ikinci aşamaya geçiyoruz! Normalde yine transistörü ikinci aşamada kendi öngerilimiyle kurar ve ilk aşamadan gelen önceden güçlendirilmiş sinyali bir kapasitör aracılığıyla ona beslerdik. Kondansatörlerin dc'nin geçmesine izin vermediğini unutmayın. Sadece ac sinyali geçebilir. Bu şekilde, bir sinyali aşamalar arasında yönlendirebilirsiniz ve her aşamanın önyargısı etkilenmeyecektir. Ama hadi işleri biraz daha ilginç hale getirelim ve bazı bileşenleri kaydetmeye çalışalım çünkü cihazı küçük ve kullanışlı tutmak istiyoruz. Aşama 2'de transistörü kutuplamak için aşama 1'in çıkış önyargısını kullanacağız!

Verici direnci R5'in hesaplanması

Bu aşamada, NPN-transistörümüz önceki aşamadan doğrudan önyargılı hale gelir. Devre şemasında UE = UBE + ICxR5 olduğunu görüyoruz. UE = UA olduğundan önceki aşamadan R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K Ohm çıkarabiliriz. En yakın norm değeri olan 1,2K Ohm yapıyoruz. R5 = 1, 2K Ohm.

Burada başka bir tür geri bildirim görebilirsiniz. Diyelim ki UE sabit kalırken transistörün B değeri sıcaklığa bağlı olarak artıyor. Böylece kollektör ve emitörden daha fazla akım alırız. Ancak R5 üzerinden daha fazla akım, R5 boyunca daha fazla voltaj anlamına gelir. UBE = UE - IC*R5 olduğundan, IC'nin artması UBE'nin azalması ve dolayısıyla IC'nin tekrar azalması anlamına gelir. Burada yine, önyargıyı sabit tutmamıza yardımcı olan düzenlememiz var.

Kollektör direnci R4'ün hesaplanması

Şimdi kollektör sinyalimizin UA çıkış salınımına dikkat etmeliyiz. Alt sınır, 3V-0, 65V=2, 35V emitör önyargısıdır. Üst sınır, UB-UB=9V-1V=8V voltajıdır. Koleksiyoncu yanlılığımızı tam ortaya koyacağız. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Artık R4'ü hesaplamak çok kolay. R4 = (UB-UF-UA)/IC =(9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. R4 = 1, 5K Ohm yapıyoruz.

Amplifikasyon ne olacak?

Peki ya elde etmek istediğimiz amplifikasyonun 5. faktörü? Aşamadaki ac sinyallerinin voltaj yükseltmesi gördüğünüz gibi çok basit bir formülle anlatılıyor. Vu = R4/R5. Oldukça basit ha? Bu, emitör direnci üzerinde negatif geri beslemeli bir transistörün amplifikasyonudur. Unutma, eğer buna karşı uygun yöntemler kullanmazsan, olumsuz geribildirimin de amplifikasyonu etkilediğini söylemiştim.

Amplifikasyonu seçilen R4 ve R5 değerleriyle hesaplarsak V = R4/R5 = 1.5K/1.2K = 1.2 elde ederiz. Hm, bu 5'ten oldukça uzak. Peki ne yapabiliriz? Öncelikle R4 ile ilgili bir şey yapamayacağımızı görüyoruz. Çıkış önyargısı ve voltaj kısıtlamaları ile sabitlenir. Peki ya R5? 5'lik bir amplifikasyona sahip olsaydık, R5'in sahip olması gereken değerini hesaplayalım. Bu kolay, çünkü Vu =R4/R5 bu, R5 = R4/Vu = 1.5K Ohm/5 = 300 Ohm anlamına gelir. Tamam, sorun değil ama devremize 1.2K yerine 300 Ohm koyarsak önyargımız bozulur. Bu yüzden, DC öngerilim için 1.2K Ohm ve ac negatif geri besleme için 300 Ohm koymamız gerekiyor. İkinci resme bir göz atın. 1, 2K Ohm direncini 220 Ohm ve 1K Ohm seri olarak böldüğümü göreceksiniz. Ayrıca 300 Ohm'luk bir direncim olmadığı için 220 Ohm'u seçtim. 1K ayrıca bir yağ polarize kapasitör tarafından baypas edilir. Bu ne anlama geliyor? Negatif geri beslemenin 1, 2K Ohm'u "gördüğü" anlamına gelen dc yanlılığı için, çünkü dc bir kapasitörden geçmeyebilir, bu nedenle dc yanlılığı için C3 sadece mevcut değildir! Öte yandan ac sinyali 220 Ohm'u "görür" çünkü R6'daki her ac voltajı düşüşü toprağa kısa devre yapar. Voltaj düşüşü yok, geri bildirim yok. Negatif geri besleme için sadece 220 Ohm kalır. Oldukça zeki, ha?

Bunun düzgün çalışmasını sağlamak için, empedansı R3'ten çok daha düşük olacak şekilde C3'ü seçmelisiniz. Mümkün olan en düşük çalışma frekansı için iyi bir değer R3'ün %10'udur. Diyelim ki en düşük frekansımız 30 Hz. Bir kapasitörün empedansı Xc = 1/(2*PI*f*C3)'tür. C3'ü çıkarır ve R3'ün frekansını ve değerini koyarsak, C3=1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF elde ederiz. En yakın norm değerini eşleştirmek için C3 = 47uF yapalım.

Şimdi son resimde tamamlanmış şemaya bakın. Yapılmıştı!

Adım 4: Mekaniğin Yapılması Bölüm 1: Malzeme Listesi

Cihazı yapmak için aşağıdaki bileşenleri kullandım:

• Şematikteki tüm elektronik bileşenler
• 9V piller için gömülü bölmeli standart bir plastik kasa 80 x 60 x 22 mm
• 9V pil klipsi
• 3.5mm jaklı 1m 4pol ses kablosu
• 3pol. stereo soket 3.5mm
• Bir anahtar
• bir parça tahta parçası
• 9V pil
• lehim
• 2 mm bakır tel 0, 25 mm izoleli gergin tel

Aşağıdaki araçlar kullanılmalıdır:

• Havya
• Elektrikli matkap
• Dijital multimetre
• yuvarlak bir törpü

Adım 5: Mekaniği Yapmak: 2. Kısım

Anahtarı ve 3, 5 mm'lik soketi yerleştirin

Muhafazanın her iki parçasında (üst ve alt) iki yarım deliği eğelemek için törpü kullanın. Deliği, anahtarın sığabileceği kadar geniş yapın. Şimdi aynısını 3,5 mm soket için yapın. Soket, kulak tıkaçlarını bağlamak için kullanılacaktır. 4pol'den ses çıkışları. jak 3,5 mm sokete yönlendirilecektir.

Kablo ve fototransistör için delikler açın

Ön tarafa 3 mm'lik bir delik açın ve fototransistörü, terminalleri delikten geçecek şekilde süper yapıştırın. Bir tarafta 2 mm çapında başka bir delik açın. 4 mm jaklı ses kablosu içinden geçecektir.

elektronik lehimlemek

Şimdi elektronik bileşenleri perfboard'a lehimleyin ve şemada gösterildiği gibi ses kablosuna ve 3,5 mm jaka bağlayın. Yönlendirme için jaklardaki sinyal pin çıkışlarını gösteren resimlere bakın. DMM'nizi kullanarak jaktan hangi sinyalin hangi kablodan çıktığını tespit edin.

Her şey bittiğinde cihazı açın ve transistörlerdeki voltaj çıkışlarının hesaplanan aralıkta aşağı yukarı olup olmadığını kontrol edin. Amplifikatörün ilk aşamasında R3'ü ayarlamaya çalışmazsanız. Değerini ayarlamak zorunda kalabileceğiniz transistörlerin yaygın toleransları nedeniyle muhtemelen sorun olacaktır.

6. Adım: Test Etme

Birkaç yıl önce bu türden daha karmaşık bir cihaz yaptım (videoya bakın). Bu andan itibaren size göstermek istediğim bir sürü ses örneği topladım. Çoğunu arabamda sürerken topladım ve fototransistörü ön camımın arkasına yerleştirdim.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Bu, yoldan geçen bir otobüsteki harici bir LED Ekranın sesidir.
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Bir arabanın yanıp sönen ışığı
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Bir arabanın farı
• "Neonreklame.mp3" neon ışıkları
• "Schwebung.mp3" Araya giren iki araba farının ritmi
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Bir CFL'nin sesi
• "Sound_oscilloscope.mp3" Farklı zaman ayarlarına sahip osiloskop ekranımın sesi
• "Sound-PC Monitor.mp3" Bilgisayar monitörümün sesi
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Sokak lambaları
• "Was_ist_das_1.mp3" Arabamda dolaşırken bir yerde yakaladığım hafif ve garip uzaylıya benzer bir ses

Umarım iştahınızı kapatabilirim ve şimdi ışık seslerinin yeni dünyasını kendi başınıza keşfetmeye devam edeceksiniz!