Bunyi Cahaya: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:10

Saya bermain-main dengan elektronik sejak berusia 10 tahun. Ayah saya, seorang juruteknik radio mengajar saya asas-asas dan cara menggunakan solder. Saya berhutang banyak kepadanya. Salah satu litar pertama saya ialah penguat audio dengan mikrofon dan untuk sementara waktu saya gemar mendengar suara saya melalui pembesar suara yang bersambung atau bunyi dari luar ketika saya menggantung mikrofon di luar tingkap saya. Suatu hari ayah saya datang dengan gegelung yang dikeluarkannya dari pengubah lama dan dia berkata, "Sambungkan ini bukan mikrofon anda". Saya melakukannya dan ini adalah salah satu detik paling menakjubkan dalam hidup saya. Tiba-tiba saya mendengar bunyi dengaran aneh, suara desis, dengungan elektronik yang tajam dan beberapa bunyi yang menyerupai suara manusia yang memutarbelitkan. Ia seperti menyelam di dunia tersembunyi yang terletak tepat di depan telinga saya yang tidak dapat saya kenali hingga saat ini. Secara teknikalnya tidak ada yang ajaib mengenainya. Bunyi elektromagnetik yang digulung oleh gegelung datang dari semua jenis peralatan isi rumah, peti sejuk, mesin basuh, latihan elektrik, TV-set, radio, lampu jalan a.s.o. Tetapi pengalaman itu sangat penting bagi saya. Ada sesuatu di sekitar saya yang tidak dapat saya rasakan tetapi dengan beberapa elektronik mumbo-jumbo saya berada!

Beberapa tahun kemudian saya memikirkannya semula dan satu idea terlintas di fikiran saya. Apa yang akan berlaku sekiranya saya menyambungkan fototransistor ke penguat? Adakah saya juga akan mendengar getaran yang tidak dapat dikenali oleh mata saya? Saya melakukannya dan sekali lagi pengalamannya sungguh mengagumkan! Mata manusia adalah organ yang sangat canggih. Ia memberikan lebar jalur maklumat yang terbaik dari semua organ kita tetapi ini memerlukan beberapa kos. Keupayaan untuk melihat perubahan agak terhad. Sekiranya maklumat visual berubah lebih banyak maka 11 kali sesaat akan mula kabur. Inilah sebab mengapa kita dapat menonton filem di pawagam atau di TV kita. Mata kita tidak dapat mengikuti perubahan itu lagi dan semua gambar pegun itu dicairkan menjadi satu gerakan berterusan. Tetapi jika kita mengubah cahaya menjadi suara, telinga kita mungkin dapat merasakan ayunannya sehingga beberapa ribu ayunan sesaat!

Saya merancang sedikit elektronik untuk menjadikan telefon pintar saya menjadi penerima lampu, memberi saya kemampuan untuk merakam bunyi tersebut. Kerana elektronik sangat mudah, saya ingin menunjukkan kepada anda asas reka bentuk elektronik pada contoh ini. Oleh itu, kita akan menyelami transistor, perintang dan kapasitor. Tetapi jangan risau, saya akan memastikan matematiknya mudah!

Langkah 1: Bahagian Elektronik 1: Apa itu Transistor?

Sekarang inilah pengenalan cepat dan tidak kotor anda ke transistor bipolar. Terdapat dua jenis daripadanya. Satu bernama NPN dan inilah yang dapat anda lihat pada gambar. Jenis lain adalah PNP dan kami tidak akan membincangkannya di sini. Perbezaannya hanyalah masalah kekutuban arus dan voltan dan bukan kepentingan lebih lanjut.

Transistor NPN adalah komponen elektronik yang menguatkan arus. Pada dasarnya anda mempunyai tiga terminal. Seseorang selalu dibumikan. Dalam gambar kami disebut "Emitter". Kemudian anda mempunyai "asas", yang merupakan sebelah kiri dan "Pemungut" yang merupakan bahagian atas. Sebarang arus yang masuk ke pangkalan IB akan menyebabkan arus yang dikuatkan melayang melalui IC pengumpul dan melalui pemancar kembali ke tanah. Arus mesti didorong dari sumber voltan luaran UB. Nisbah IC arus terkuat dan arus asas IB ialah IC / IB = B. B dipanggil keuntungan arus-DC. Ia bergantung pada suhu dan bagaimana anda mengatur transistor di litar anda. Lebih-lebih lagi terdedah kepada toleransi pengeluaran yang teruk, jadi tidak masuk akal untuk dikira dengan nilai tetap. Sentiasa ingat bahawa keuntungan semasa mungkin banyak berlaku. Selain B ada nilai lain bernama "beta". Wile B mencirikan penguatan isyarat DC, beta melakukan perkara yang sama untuk isyarat AC. Biasanya B dan beta tidak banyak bezanya.

Bersama arus input transistor juga mempunyai voltan input. Kekangan voltan sangat sempit. Dalam aplikasi biasa ia akan bergerak di kawasan antara 0.62V..0.7V. Memaksa perubahan voltan di dasar akan mengakibatkan perubahan arus pemungut secara dramatik kerana kebergantungan ini mengikuti lengkung eksponensial.

Langkah 2: Bahagian Elektronik 2: Merancang Tahap Pertama Penguat

Sekarang kita dalam perjalanan. Untuk menukar cahaya yang dimodulasi menjadi bunyi, kita memerlukan fototransistor. Fototransistor menyerupai transistor NPN standard dari langkah sebelumnya. Tetapi ia juga tidak hanya mampu mengubah arus Pemungut dengan mengawal arus asas. Tambahan pula arus pemungut bergantung pada cahaya. Banyak arus cahaya, arus kurang cahaya. Semudah itu.

Menyatakan bekalan kuasa

Semasa saya merancang perkakasan, perkara pertama yang saya lakukan adalah membuat keputusan mengenai bekalan kuasa kerana ini mempengaruhi SEMUA dalam rangkaian anda. Menggunakan bateri 1, 5V adalah idea yang buruk kerana, seperti yang anda ketahui di langkah 1, UBE transistor adalah sekitar 0, 65V dan dengan itu sudah berada di separuh jalan hingga 1, 5V. Kita harus menyediakan lebih banyak cadangan. Saya suka bateri 9V. Ia murah dan senang dikendalikan dan tidak memakan banyak ruang. Jadi mari kita pergi dengan 9V. UB = 9V

Menentukan arus Pemungut

Ini juga penting dan mempengaruhi segalanya. Ia tidak boleh terlalu kecil kerana kemudian transistor menjadi tidak stabil dan bunyi isyarat meningkat. Ia juga tidak boleh terlalu tinggi kerana transistor selalu mempunyai arus tidak aktif dan voltan dan itu bermaksud ia menggunakan kuasa yang berubah menjadi panas. Terlalu banyak arus menguras bateri dan boleh membunuh transistor kerana panas. Dalam aplikasi saya, saya sentiasa memastikan pengumpul sentiasa berada di antara 1… 5mA. Dalam kes kami, mari gunakan 2mA. IC = 2mA.

Bersihkan bekalan kuasa anda

Sekiranya anda merancang tahap penguat, adalah idea yang baik untuk memastikan bekalan kuasa DC sentiasa bersih. Bekalan kuasa sering menjadi sumber kebisingan dan dengung walaupun anda menggunakan bateri. Ini kerana anda biasanya mempunyai panjang kabel yang berpatutan yang disambungkan ke rel bekalan yang boleh berfungsi sebagai antena untuk semua daya dering yang berlimpah. Biasanya saya mengarahkan arus bekalan melalui perintang kecil dan menyediakan kapasitor polarisasi lemak di hujungnya. Ia memotong semua isyarat ac ke tanah. Dalam gambar perintang adalah R1 dan kapasitor adalah C1. Kita harus memastikan perintang kecil kerana penurunan voltan yang dihasilkannya menghadkan output kita. Sekarang saya dapat mengetahui pengalaman saya dan mengatakan bahawa penurunan voltan 1V boleh diterima jika anda bekerja dengan bekalan kuasa 9V. UF = 1V.

Sekarang kita harus menjangka pemikiran kita sedikit. Anda akan lihat kemudian kami akan menambah tahap transistor kedua yang juga perlu memastikan bekalannya bersih. Jadi jumlah arus yang mengalir melalui R1 dua kali ganda. Penurunan voltan merentasi R1 ialah R1 = UF / (2xIC) = 1V / 4mA = 250 Ohms. Anda tidak akan mendapat perintang yang anda mahukan kerana ia dihasilkan dalam selang nilai tertentu. Yang paling hampir dengan nilai kami ialah 270 Ohms dan kami akan baik-baik saja dengan itu. R1 = 270 Ohm.

Kemudian kami memilih C1 = 220uF. Itu memberikan frekuensi sudut 1 / (2 * PI * R1 * C1) = 2, 7Hz. Jangan terlalu memikirkan perkara ini. Frekuensi sudut adalah di mana penapis mula menekan isyarat ac. Sehingga 2, 7Hz semuanya akan dilalui lebih kurang. Di luar 2, 7Hz isyarat semakin ditekan. Pelemahan penapis lowpass pesanan pertama dijelaskan oleh A = 1 / (2 * PI * f * R1 * C1). Musuh terdekat kita dari segi gangguan adalah saluran kuasa 50Hz. Oleh itu, mari kita gunakan f = 50 dan kita mendapat A = 0, 053. Itu bermakna hanya 5, 3% bunyi yang akan melalui penapis. Sepatutnya cukup untuk keperluan kita.

Menentukan bias voltan pemungut

Bias adalah titik di mana anda meletakkan transistor semasa berada dalam mod terbiar. Ini menentukan arus dan voltan ketika tidak ada isyarat input untuk memperkuat. Spesifikasi bersih dari bias ini adalah asas kerana misalnya, bias voltan pada pemungut menentukan titik di mana isyarat akan berayun semasa transistor berfungsi. Menyatakan titik ini secara keliru akan menghasilkan isyarat yang terdistorsi ketika ayunan output menyentuh tanah atau catu daya. Ini adalah had mutlak yang tidak dapat dilalui oleh transistor! Biasanya adalah idea yang baik untuk meletakkan bias voltan output di tengah antara tanah dan UB pada UB / 2, dalam kes kita (UB-UF) / 2 = 4V. Tetapi atas sebab tertentu anda akan faham kemudian saya ingin meletakkannya sedikit lebih rendah. Pertama, kita tidak memerlukan ayunan output yang besar kerana walaupun setelah penguatan pada tahap 1 ini, isyarat kita akan berada dalam jarak milivolt. Kedua, bias yang lebih rendah akan lebih baik untuk tahap transistor berikut seperti yang akan anda lihat. Oleh itu, mari kita meletakkan bias pada 3V. UA = 3V.

Hitung perintang pengumpul

Sekarang kita boleh mengira komponen yang selebihnya. Anda akan melihat jika arus pemungut mengalir melalui R2 kita akan mendapat penurunan voltan yang berasal dari UB. Kerana UA = UB-UF-IC * R1 kita dapat mengekstrak R1 dan mendapatkan R1 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-3V) / 2mA = 2, 5K. Sekali lagi kami memilih nilai norma seterusnya dan kami mengambil R1 = 2, 7K Ohm.

Hitungkan perintang asas

Untuk mengira R3 kita dapat memperoleh persamaan mudah. Voltan merentasi R3 adalah UA-UBE. Sekarang kita perlu mengetahui arus asas. Saya memberitahu anda keuntungan arus DC B = IC / IB, jadi IB = IC / B, tetapi berapakah nilai B? Malangnya saya menggunakan fototransistor dari pakej lebihan dan tidak ada tanda yang tepat pada komponennya. Jadi kita harus menggunakan khayalan kita. Fototransistors tidak mempunyai banyak penguatan. Mereka lebih direka untuk kepantasan. Sementara keuntungan arus DC untuk transistor normal boleh mencapai 800, faktor-B dari fototransistor mungkin antara 200..400. Jadi mari kita pergi dengan B = 300. R3 = (UA-UBE) / IB = B * (UA-UBE) / IC = 352K Ohm. Itu hampir dengan 360K Ohm. Malangnya saya tidak mempunyai nilai ini di dalam kotak saya jadi saya menggunakan 240K + 100K secara bersiri. R3 = 340K Ohm.

Anda mungkin bertanya kepada diri sendiri mengapa kami mengalirkan arus asas dari pemungut dan bukan dari UB. Izinkan saya memberitahu anda ini. Bias transistor adalah perkara rapuh kerana transistor rentan terhadap toleransi pengeluaran serta pergantungan yang teruk dari suhu. Ini bermaksud jika anda mengaitkan transistor anda secara langsung dari UB kemungkinan akan hilang segera. Untuk mengatasi masalah itu, pereka perkakasan menggunakan kaedah yang disebut "maklum balas negatif". Lihat semula litar kami. Arus asas berasal dari voltan pemungut. Sekarang bayangkan transistor menjadi lebih panas dan nilai B meningkat. Ini bermakna lebih banyak arus pemungut mengalir dan UA berkurang. Tetapi UA yang lebih rendah juga bermaksud IB yang lebih rendah dan voltan UA akan naik sedikit lagi. Dengan penurunan B, anda mempunyai kesan yang sama sebaliknya. Inilah PERATURAN! Ini bermaksud dengan pendawaian pintar, kita dapat mengekalkan had bias transistor. Anda akan melihat maklum balas negatif lain pada peringkat seterusnya juga. Ngomong-ngomong, maklum balas negatif biasanya juga mengurangkan penguatan tahap, tetapi ada cara untuk mengatasi masalah ini.

Langkah 3: Bahagian Elektronik 3: Merancang Tahap Kedua

Saya melakukan beberapa ujian dengan menggunakan isyarat cahaya dari tahap yang telah diperkuat pada langkah sebelumnya ke dalam telefon pintar saya. Ia menggembirakan tetapi saya fikir penguatan lebih sedikit akan lebih baik. Saya mengira penambahan faktor 5 perlu dilakukan. Jadi di sini kita melangkah ke peringkat kedua! Biasanya kita sekali lagi akan menyiapkan transistor pada tahap kedua dengan biasnya sendiri dan memberi isyarat preamplified dari tahap pertama melalui kapasitor ke dalamnya. Ingat kapasitor tidak membiarkan dc melalui. Hanya isyarat ac boleh berlalu. Dengan cara ini anda dapat mengarahkan isyarat melalui tahap-tahap dan bias setiap tahap tidak akan terjejas. Tetapi mari buat perkara menjadi lebih menarik dan cuba simpan beberapa komponen kerana kami mahu peranti ini tetap kecil dan berguna. Kami akan menggunakan bias output tahap 1 untuk memihak transistor pada tahap 2!

Mengira perintang pemancar R5

Pada peringkat ini transistor NPN kita langsung bias dari tahap sebelumnya. Dalam rajah litar kita melihat bahawa UE = UBE + ICxR5. Kerana UE = UA dari tahap sebelumnya kita dapat mengekstrak R5 = (UE-UBE) / IC = (3V-0.65V) / 2mA = 1, 17K Ohm. Kami menjadikannya 1, 2K Ohm yang merupakan nilai norma terdekat. R5 = 1, 2K Ohm.

Di sini anda dapat melihat jenis maklum balas yang lain. Katakan semasa UE tetap berterusan nilai B transistor meningkat kerana suhu. Oleh itu, kami mendapat arus lebih baru melalui pemungut dan pemancar. Tetapi lebih banyak arus melalui R5 bermaksud lebih banyak voltan merentasi R5. Kerana UBE = UE - IC * R5 peningkatan IC bermaksud penurunan UBE dan dengan itu penurunan IC lagi. Di sini sekali lagi kita mempunyai peraturan yang membantu kita menjaga bias tetap stabil.

Mengira perintang pengumpul R4

Sekarang kita harus mengawasi ayunan output isyarat pengumpul kami UA. Had bawah adalah bias pemancar 3V-0, 65V = 2, 35V. Had atas adalah voltan UB-UB = 9V-1V = 8V. Kami akan meletakkan bias pemungut tepat di tengah. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V) / 2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Sekarang mudah untuk mengira R4. R4 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-5, 2V) / 2mA = 1, 4K Ohm. Kami menjadikannya R4 = 1, 5K Ohm.

Bagaimana dengan penguatnya?

Jadi bagaimana dengan faktor 5 penguatan yang ingin kita perolehi? Penguatan voltan isyarat-ac pada tahap seperti yang anda lihat dapat dijelaskan dalam formula yang sangat mudah. Vu = R4 / R5. Cukup sederhana ya? Ini adalah penguatan transistor dengan maklum balas negatif terhadap perintang pemancar. Ingat saya memberitahu bahawa maklum balas negatif juga mempengaruhi penguatan jika anda tidak mengambil tindakan yang betul untuk menentangnya.

Sekiranya kita mengira penguatan dengan nilai R4 dan R5 yang dipilih, kita mendapat V = R4 / R5 = 1.5K / 1.2K = 1.2. Hm, jaraknya jauh dari 5. Jadi apa yang boleh kita lakukan? Pertama, kita melihat bahawa kita tidak dapat melakukan apa-apa mengenai R4. Ia diperbaiki oleh bias output dan kekangan voltan. Bagaimana dengan R5? Mari kita hitung nilai yang seharusnya dimiliki R5 jika kita mempunyai penguatan 5. Itu mudah, kerana Vu = R4 / R5 ini bermaksud bahawa R5 = R4 / Vu = 1.5K Ohm / 5 = 300 Ohm. Baiklah, tidak mengapa tetapi jika kita meletakkan 300 Ohm dan bukannya 1.2K di litar kita, bias kita akan bertambah buruk. Oleh itu, kita perlu meletakkan keduanya, 1.2K Ohm untuk das bias dan 300 Ohms untuk maklum balas negatif ac. Lihat gambar kedua. Anda akan melihat bahawa saya membahagikan perintang 1, 2K Ohm dalam siri 220 Ohm dan 1K Ohm. Selain itu, saya memilih 220 Ohm kerana saya tidak mempunyai perintang 300 Ohm. 1K juga dipintas oleh kapasitor polarisasi lemak. Apa maksudnya? Baik untuk bias dc yang bermaksud maklum balas negatif "melihat" 1, 2K Ohm kerana dc mungkin tidak melewati kapasitor, jadi untuk dc bias C3 tidak ada! Isyarat ac sebaliknya hanya "melihat" 220 Ohm kerana setiap penurunan voltan ac melintasi R6 dipintas pendek ke tanah. Tiada penurunan voltan, tiada maklum balas. Hanya 220 Ohm yang tinggal untuk maklum balas negatif. Cukup pandai, ya?

Untuk menjadikannya berfungsi dengan betul, anda mesti memilih C3 supaya impedansnya jauh lebih rendah daripada R3. Nilai yang baik adalah 10% dari R3 untuk frekuensi kerja serendah mungkin. Katakan frekuensi terendah kami ialah 30 Hz. Impedansi kapasitor ialah Xc = 1 / (2 * PI * f * C3). Sekiranya kita mengekstrak C3 dan memasukkan frekuensi dan nilai R3 kita mendapat C3 = 1 / (2 * PI * f * R3 / 10) = 53uF. Untuk memadankan nilai norma terdekat, mari menjadikannya C3 = 47uF.

Sekarang lihat skema yang telah dilengkapkan pada gambar terakhir. Telah siap!

Langkah 4: Membuat Mekanik Bahagian 1: Senarai Bahan

Saya menggunakan komponen berikut untuk membuat peranti:

• Semua komponen elektronik dari skema
• Kotak plastik standard 80 x 60 x 22 mm dengan petak tertanam untuk bateri 9V
• Klip bateri 9V
• Kabel audio 1m 4pol dengan bicu 3.5mm
• 3pol. soket stereo 3.5mm
• suis
• sehelai papan pahat
• bateri 9V
• pateri
• Kawat tembaga 2mm 0, dawai tegang terpencil 25mm

Alat berikut harus digunakan:

• Besi pematerian
• Gerudi elektrik
• Multimeter Digital
• serpihan bulat

Langkah 5: Membuat Mekanik: Bahagian 2

Letakkan suis dan soket 3, 5mm

Gunakan serpihan untuk memasukkan dua lubang separuh di kedua-dua bahagian selongsong (atas dan bawah). Jadikan lubang cukup lebar agar suis masuk. Sekarang lakukan perkara yang sama dengan soket 3.5mm. Soket akan digunakan untuk menyambungkan penutup telinga. Keluaran audio dari 4pol. jack akan disalurkan ke soket 3.5mm.

Buat lubang untuk kabel dan fototransistor

Bor lubang 3mm di bahagian depan dan tempelkan fototransistor ke dalamnya sehingga terminal-terminalnya melalui lubang. Bor lubang lain yang berdiameter 2mm di satu sisi. Kabel audio dengan bicu 4mm akan melaluinya.

Pateri elektronik

Sekarang pateri komponen elektronik pada papan wangi dan pasangkannya ke kabel audio dan bicu 3.5mm seperti yang ditunjukkan dalam skema. Lihat gambar yang menunjukkan pin isyarat pada bicu untuk orientasi. Gunakan DMM anda untuk melihat isyarat dari bicu keluar pada wayar mana untuk mengenalinya.

Apabila semuanya selesai hidupkan peranti dan periksa sama ada output voltan pada transistor lebih kurang dalam julat yang dikira. Sekiranya tidak cuba sesuaikan R3 pada tahap pertama penguat. Ia mungkin menjadi masalah kerana toleransi transistor yang meluas, anda mungkin perlu menyesuaikan nilainya.

Langkah 6: Menguji

Saya membina peranti jenis ini yang lebih canggih beberapa tahun yang lalu (lihat video). Dari masa ini saya mengumpulkan banyak sampel suara yang ingin saya tunjukkan kepada anda. Sebahagian besar dari mereka saya kumpulkan semasa saya memandu di dalam kereta saya dan meletakkan fototransistor di belakang cermin depan saya.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Ini adalah bunyi LED-Display luaran pada bas yang lewat
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Berkelipnya kereta
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Lampu depan sebuah kereta
• Lampu neon "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" Pukulan dua lampu depan kereta yang mengganggu
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Suara CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Suara skrin osiloskop saya dengan tetapan waktu yang berbeza
• "Sound-PC Monitor.mp3" Suara monitor PC saya
• Lampu jalan "Strassenlampen_Sequenz.mp3"
• "Was_ist_das_1.mp3" Suara makhluk asing yang samar dan pelik, saya menangkap di suatu tempat ketika sedang memandu di dalam kereta saya

Saya harap saya dapat membasahi selera anda dan anda akan terus meneroka sendiri dunia cahaya baru sekarang!