LightSound: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Saya mengutak-atik elektronik sejak saya berusia 10 tahun. Ayah saya, seorang teknisi radio mengajari saya dasar-dasar dan cara menggunakan besi solder. Aku berhutang banyak padanya. Salah satu sirkuit pertama saya adalah penguat audio dengan mikrofon dan untuk sementara saya senang mendengar suara saya melalui pengeras suara yang terhubung atau suara dari luar ketika saya menggantung mikrofon di luar jendela saya. Suatu hari ayah saya datang dengan kumparan yang dia lepaskan dari trafo tua dan dia berkata, "Hubungkan ini alih-alih mikrofon Anda". Saya melakukannya dan ini adalah salah satu momen paling menakjubkan dalam hidup saya. Tiba-tiba saya mendengar suara dengungan yang aneh, suara mendesis, dengungan elektronik yang tajam dan beberapa suara yang menyerupai suara manusia yang terdistorsi. Rasanya seperti menyelam di dunia tersembunyi yang terbentang tepat di depan telinga saya yang tidak dapat saya kenali hingga saat ini. Secara teknis tidak ada yang ajaib tentang itu. Kumparan menangkap suara elektromagnetik yang berasal dari semua jenis perangkat rumah tangga, lemari es, mesin cuci, bor listrik, TV-Set, radio, lampu jalan dan lain-lain. Tapi pengalaman itu penting bagi saya. Ada sesuatu di sekitar saya yang tidak dapat saya lihat tetapi dengan beberapa omong kosong elektronik saya berada di dalamnya!

Beberapa tahun kemudian saya memikirkannya lagi dan satu ide muncul di benak saya. Apa yang akan terjadi jika saya menghubungkan fototransistor ke amplifier? Apakah saya juga akan mendengar getaran yang terlalu malas untuk dikenali oleh mata saya? Saya melakukannya dan sekali lagi pengalamannya luar biasa! Mata manusia adalah organ yang sangat canggih. Ini memberikan bandwidth informasi terbesar dari semua organ kita tetapi ini datang dengan beberapa biaya. Kemampuan untuk melihat perubahan sangat terbatas. Jika informasi visual berubah lebih dari 11 kali per detik, semuanya mulai kabur. Inilah alasan mengapa kita bisa menonton film di bioskop atau di TV kita. Mata kita tidak bisa lagi mengikuti perubahan dan semua gambar diam itu melebur menjadi satu gerakan yang berkesinambungan. Tetapi jika kita mengubah cahaya menjadi suara, telinga kita mungkin merasakan osilasi itu dengan sempurna hingga beberapa ribu osilasi per detik!

Saya merancang sedikit elektronik untuk mengubah ponsel cerdas saya menjadi penerima suara cahaya, memberi saya juga kemampuan untuk merekam suara-suara itu. Karena elektronik sangat sederhana, saya ingin menunjukkan dasar-dasar desain elektronik pada contoh ini. Jadi kita akan menyelam cukup jauh ke transistor, resistor dan kapasitor. Tapi jangan khawatir, saya akan membuat matematika sederhana!

Langkah 1: Elektronik Bagian 1: Apa itu Transistor?

Sekarang inilah pengantar singkat dan tidak kotor Anda ke transistor bipolar. Ada dua jenis yang berbeda dari mereka. Salah satunya bernama NPN dan ini adalah yang Anda lihat di gambar. Jenis lainnya adalah PNP dan kami tidak akan membicarakannya di sini. Perbedaannya hanya masalah polaritas arus dan tegangan dan tidak menarik lebih lanjut.

Transistor NPN adalah komponen elektronik yang memperkuat arus. Pada dasarnya Anda memiliki tiga terminal. Yang satu selalu membumi. Dalam gambar kami itu disebut "Emitter". Kemudian Anda memiliki "basis", yang merupakan yang kiri dan "Kolektor" yang merupakan yang atas. Setiap arus yang masuk ke basis IB akan menyebabkan arus yang diperkuat mengambang melalui IC kolektor dan melalui emitor kembali ke ground. Arus harus dialiri dari sumber tegangan eksternal UB. Rasio arus penguat IC dan arus basis IB adalah IC/IB=B. B disebut penguatan arus DC. Itu tergantung pada suhu dan bagaimana Anda mengatur transistor di sirkuit Anda. Selain itu rentan terhadap toleransi produksi yang parah, sehingga tidak masuk akal untuk menghitung dengan nilai tetap. Selalu diingat bahwa keuntungan saat ini dapat menyebar banyak. Selain B ada nilai lain bernama "beta". Jika B mencirikan amplifikasi sinyal DC, beta melakukan hal yang sama untuk sinyal AC. Biasanya B dan beta tidak jauh berbeda.

Bersama dengan arus input, transistor juga memiliki tegangan input. Kendala tegangan sangat sempit. Dalam aplikasi normal itu akan bergerak di area antara 0.62V..0.7V. Memaksa perubahan tegangan pada basis akan menghasilkan perubahan dramatis pada arus kolektor karena ketergantungan ini mengikuti kurva eksponensial.

Langkah 2: Bagian Elektronik 2: Merancang Tahap Pertama Amplifier

Sekarang kita sedang dalam perjalanan. Untuk mengubah cahaya termodulasi menjadi suara kita membutuhkan fototransistor. Fototransistor sangat mirip dengan transistor NPN standar pada langkah sebelumnya. Tetapi ia juga tidak hanya mampu mengubah arus Kolektor dengan mengendalikan arus basis. Selain itu arus kolektor tergantung pada cahaya. Banyak arus ringan-banyak, arus kurang-cahaya lebih sedikit. Semudah itu.

Menentukan catu daya

Ketika saya merancang perangkat keras, hal pertama yang saya lakukan adalah membuat keputusan tentang catu daya karena ini memengaruhi SEMUA yang ada di sirkuit Anda. Menggunakan baterai 1, 5V akan menjadi ide yang buruk karena, seperti yang Anda pelajari di langkah 1 UBE transistor sekitar 0, 65V dan dengan demikian sudah setengah jalan hingga 1, 5V. Kita harus menyediakan lebih banyak cadangan. Saya suka baterai 9V. Mereka murah dan mudah ditangani dan tidak memakan banyak ruang. Jadi mari kita pergi dengan 9V. UB = 9V

Menentukan arus Kolektor

Ini juga penting dan mempengaruhi segalanya. Seharusnya tidak terlalu kecil karena transistor menjadi tidak stabil dan noise sinyal meningkat. Juga tidak boleh terlalu tinggi karena transistor selalu memiliki arus dan tegangan idle dan itu berarti mengkonsumsi daya yang diubah menjadi panas. Terlalu banyak arus menguras baterai dan dapat mematikan transistor karena panas. Dalam aplikasi saya, saya selalu menjaga arus kolektor antara 1…5mA. Dalam kasus kami, mari kita pergi dengan 2mA. IC = 2mA.

Bersihkan catu daya Anda

Jika Anda merancang tahap penguat, selalu ada baiknya untuk menjaga catu daya DC Anda tetap bersih. Catu daya sering menjadi sumber kebisingan dan dengungan bahkan jika Anda menggunakan baterai. Ini karena Anda biasanya memiliki panjang kabel yang masuk akal yang terhubung ke rel suplai yang dapat berfungsi sebagai antena untuk dengungan daya yang melimpah. Biasanya saya merutekan arus suplai melalui resistor kecil dan memberikan kapasitor terpolarisasi lemak di ujungnya. Ini memotong semua sinyal AC ke tanah. Pada gambar resistornya adalah R1 dan kapasitornya adalah C1. Kita harus menjaga resistor tetap kecil karena penurunan tegangan yang dihasilkan membatasi output kita. Sekarang saya dapat memberikan pengalaman saya dan mengatakan bahwa penurunan tegangan 1V dapat ditoleransi jika Anda bekerja dengan catu daya 9V. UF = 1V.

Sekarang kita harus mengantisipasi pikiran kita sedikit. Anda akan lihat nanti kita akan menambahkan transistor tahap kedua yang juga perlu untuk membersihkan arus suplainya. Jadi jumlah arus yang mengalir melalui R1 menjadi dua kali lipat. Penurunan tegangan pada R1 adalah R1=UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Anda tidak akan pernah mendapatkan resistor yang Anda inginkan karena mereka diproduksi dalam interval nilai tertentu. Yang terdekat dengan nilai kami adalah 270 Ohm dan kami akan baik-baik saja dengan itu. R1 = 270 Ohm.

Kemudian kita pilih C1=220uF. Itu memberikan frekuensi sudut 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Jangan terlalu memikirkan hal ini. Frekuensi sudut adalah frekuensi di mana filter mulai menekan sinyal ac. Hingga 2, 7Hz semuanya akan melewati kurang lebih tanpa dilemahkan. Di luar 2, 7Hz sinyal semakin ditekan. Atenuasi filter lowpass orde pertama dijelaskan oleh A=1/(2*PI*f*R1*C1). Musuh terdekat kita dalam hal gangguan adalah dengung saluran listrik 50Hz. Jadi mari kita terapkan f=50 dan kita mendapatkan A=0, 053. Itu berarti hanya 5, 3% dari noise yang akan melewati filter. Harus cukup untuk kebutuhan kita.

Menentukan bias tegangan kolektor

Bias adalah titik di mana Anda meletakkan transistor Anda ketika dalam mode siaga. Ini menentukan arus dan tegangannya ketika tidak ada sinyal input untuk diperkuat. Spesifikasi bersih dari bias ini sangat mendasar karena misalnya bias tegangan pada kolektor menentukan titik di mana sinyal akan berayun ketika transistor bekerja. Meletakkan titik ini secara keliru akan menghasilkan sinyal yang terdistorsi ketika ayunan keluaran menyentuh tanah atau catu daya. Ini adalah batas mutlak yang tidak bisa dilewati transistor! Biasanya merupakan ide yang baik untuk menempatkan bias tegangan output di tengah antara ground dan UB di UB/2, dalam kasus kami (UB-UF)/2 = 4V. Tetapi untuk beberapa alasan Anda akan mengerti nanti saya ingin meletakkannya sedikit lebih rendah. Pertama kita tidak membutuhkan ayunan output yang besar karena bahkan setelah amplifikasi di tahap 1 ini sinyal kita akan berada di kisaran milivolt. Kedua, bias yang lebih rendah akan lebih baik untuk tahap transistor berikut seperti yang akan Anda lihat. Jadi mari kita menempatkan bias pada 3V. UA = 3V.

Hitung resistor kolektor

Sekarang kita dapat menghitung sisa komponen. Anda akan melihat jika arus kolektor mengalir melalui R2 kita akan mendapatkan penurunan tegangan yang berasal dari UB. Karena 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 berikutnya dan kami mengambil R1 = 2, 7K Ohm.

Hitung resistor dasar

Untuk menghitung R3 kita dapat menurunkan persamaan sederhana. Tegangan melintasi R3 adalah UA-UBE. Sekarang kita perlu mengetahui arus basis. Aku bilang DC-saat ini mendapatkan B=IC/IB, jadi IB = IC/B, tapi apa nilai B? Sayangnya saya menggunakan fototransistor dari paket surplus dan tidak ada tanda yang tepat pada komponen. Jadi kita harus menggunakan fantasi kita. Fototransistor tidak memiliki banyak amplifikasi. Mereka lebih dirancang untuk kecepatan. Sementara penguatan arus DC untuk transistor normal bisa 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 mendekati 360K Ohm. Sayangnya saya tidak memiliki nilai ini di kotak saya, jadi saya menggunakan seri 240K+100K sebagai gantinya. R3 = 340K Ohm.

Anda mungkin bertanya pada diri sendiri mengapa kami mengalirkan arus basis dari kolektor dan bukan dari UB. Biarkan saya memberitahu Anda ini. Bias transistor adalah hal yang rapuh karena transistor rentan terhadap toleransi produksi serta ketergantungan yang parah dari suhu. Itu berarti jika Anda bias transistor Anda langsung dari UB kemungkinan akan segera hanyut. Untuk mengatasi masalah itu, perancang perangkat keras menggunakan metode yang disebut "umpan balik negatif". Lihatlah sirkuit kami lagi. Arus basis berasal dari tegangan kolektor. Sekarang bayangkan transistor menjadi lebih hangat dan nilai B-nya naik. Itu berarti semakin banyak arus kolektor yang mengalir dan UA berkurang. Tetapi UA yang lebih rendah juga berarti IB yang lebih rendah dan tegangan UA naik sedikit lagi. Dengan penurunan B Anda memiliki efek yang sama sebaliknya. Ini REGULASI! Itu berarti dengan kabel pintar kita dapat menjaga bias transistor dalam batas. Anda akan melihat umpan balik negatif lainnya di tahap berikutnya juga. Omong-omong, umpan balik negatif biasanya juga mengurangi amplifikasi panggung, tetapi ada cara untuk mengatasi masalah ini.

Langkah 3: Bagian Elektronik 3: Merancang Tahap Kedua

Saya melakukan beberapa pengujian dengan menerapkan sinyal lightsound dari tahap preamplified pada langkah sebelumnya ke dalam smartphone saya. Itu menggembirakan tetapi saya pikir sedikit lebih banyak amplifikasi akan lebih baik. Saya memperkirakan dorongan tambahan faktor 5 harus melakukan pekerjaan itu. Jadi di sini kita pergi dengan tahap kedua! Biasanya kita akan mengatur lagi transistor pada tahap kedua dengan biasnya sendiri dan memasukkan sinyal yang telah diperkuat dari tahap pertama melalui kapasitor ke dalamnya. Ingat kapasitor jangan biarkan dc lewat. Hanya sinyal ac yang bisa lewat. Dengan cara ini Anda dapat merutekan sinyal melalui tahapan dan bias setiap tahapan tidak akan terpengaruh. Tapi mari kita buat sedikit lebih menarik dan mencoba untuk menyimpan beberapa komponen karena kita ingin membuat perangkat tetap kecil dan praktis. Kami akan menggunakan bias output tahap 1 untuk bias transistor di tahap 2!

Menghitung resistor emitor R5

Pada tahap ini transistor NPN kita mendapat bias langsung dari tahap sebelumnya. Dalam diagram rangkaian kita melihat bahwa UE = UBE + ICxR5. Karena UE = UA dari tahap sebelumnya kita dapat mengekstrak R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Kami membuatnya 1, 2K Ohm yang merupakan nilai norma terdekat. R5 = 1, 2K Ohm.

Di sini Anda dapat melihat jenis umpan balik lainnya. Katakanlah sementara UE tetap konstan, nilai B transistor meningkat karena suhu. Jadi kita mendapatkan lebih banyak arus melalui kolektor dan emitor. Tetapi lebih banyak arus melalui R5 berarti lebih banyak tegangan melintasi R5. Karena UBE = UE - IC*R5 peningkatan IC berarti penurunan UBE dan dengan demikian penurunan lagi IC. Di sini sekali lagi kami memiliki regulasi yang membantu kami menjaga bias tetap stabil.

Menghitung resistor kolektor R4

Sekarang kita harus mengawasi ayunan output dari sinyal kolektor UA kita. Batas bawah adalah bias emitor 3V-0, 65V=2, 35V. Batas atas adalah tegangan UB-UB=9V-1V=8V. Kami akan menempatkan bias kolektor kami tepat di tengah. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Sekarang mudah untuk menghitung R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC =(9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Kami membuatnya R4 = 1, 5K Ohm.

Bagaimana dengan amplifikasi?

Jadi bagaimana dengan faktor 5 amplifikasi yang ingin kita peroleh? Amplifikasi tegangan sinyal ac di panggung seperti yang Anda lihat dijelaskan dalam rumus yang sangat sederhana. Vu = R4/R5. Cukup sederhana ya? Ini adalah amplifikasi transistor dengan umpan balik negatif pada resistor emitor. Ingat saya katakan umpan balik negatif juga mempengaruhi amplifikasi jika Anda tidak mengambil cara yang tepat untuk melawannya.

Jika kita menghitung amplifikasi dengan nilai R4 dan R5 yang dipilih, kita mendapatkan V = R4/R5 = 1.5K/1.2K = 1.2. Hm, itu cukup jauh dari 5. Jadi apa yang bisa kita lakukan? Yah, pertama kita melihat bahwa kita tidak bisa berbuat apa-apa tentang R4. Itu diperbaiki oleh bias output dan kendala tegangan. Bagaimana dengan R5? Mari kita hitung nilai yang seharusnya dimiliki R5 jika kita ingin memiliki amplifikasi 5. Itu mudah, karena Vu =R4/R5 ini berarti R5 = R4/Vu = 1.5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, itu bagus tapi jika kita akan menempatkan 300 Ohm bukannya 1.2K di sirkuit kita bias kita akan kacau. Jadi kita perlu menempatkan keduanya, 1.2K Ohm untuk bias dc dan 300 Ohm untuk umpan balik negatif ac. Perhatikan gambar kedua. Anda akan melihat bahwa saya membagi resistor 1, 2K Ohm menjadi 220 Ohm dan 1K Ohm secara seri. Selain itu, saya memilih 220 Ohm karena saya tidak memiliki resistor 300 Ohm. 1K juga dilewati oleh kapasitor terpolarisasi lemak. Apa artinya ini? Nah untuk bias dc yang berarti umpan balik negatif "melihat" 1, 2K Ohm karena dc mungkin tidak melewati kapasitor, jadi untuk bias dc C3 tidak ada! Sinyal ac di sisi lain hanya "melihat" 220 Ohm karena setiap penurunan tegangan ac di R6 dihubung pendek ke ground. Tidak ada penurunan tegangan, tidak ada umpan balik. Hanya 220 Ohm yang tersisa untuk umpan balik negatif. Cukup pintar, ya?

Agar ini berfungsi dengan baik, Anda harus memilih C3 sehingga impedansinya jauh lebih rendah daripada R3. Nilai yang baik adalah 10% dari R3 untuk frekuensi kerja serendah mungkin. Katakanlah frekuensi terendah kami adalah 30 Hz. Impedansi kapasitor adalah Xc = 1/(2*PI*f*C3). Jika kita mengekstrak C3 dan memasukkan frekuensi dan nilai R3 kita mendapatkan C3=1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Untuk mencocokkan nilai norma terdekat, buatlah C3 = 47uF.

Sekarang lihat skema yang sudah selesai di gambar terakhir. Dilakukan!

Langkah 4: Membuat Mekanika Bagian 1: Daftar Bahan

Saya menggunakan komponen berikut untuk membuat perangkat:

• Semua komponen elektronik dari skema
• Kotak plastik standar 80 x 60 x 22 mm dengan kompartemen tertanam untuk baterai 9V
• Klip baterai 9V
• Kabel audio 1m 4pol dengan jack 3.5mm
• 3pol. soket stereo 3.5mm
• sebuah saklar
• sepotong perfboard
• baterai 9V
• pateri
• 2mm kawat tembaga 0, 25mm kawat tegang terisolasi

Alat-alat berikut harus digunakan:

• Besi solder
• Bor listrik
• Multimeter digital
• serak bundar

Langkah 5: Membuat Mekanika: Bagian 2

Tempatkan sakelar dan soket 3,5 mm

Gunakan serak untuk mengarsipkan dua setengah lubang di kedua bagian casing (atas dan bawah). Buat lubang cukup lebar agar sakelar dapat masuk. Sekarang lakukan hal yang sama dengan soket 3,5 mm. Soket akan digunakan untuk menghubungkan penyumbat telinga. Output audio dari 4pol. jack akan dialihkan ke soket 3.5mm.

Buat lubang untuk kabel dan fototransistor

Bor lubang 3mm di sisi depan dan rekatkan fototransistor ke dalamnya sehingga terminalnya masuk melalui lubang. Bor lubang lain dengan diameter 2mm di satu sisi. Kabel audio dengan jack 4mm akan melewatinya.

Solder elektronik

Sekarang solder komponen elektronik pada perfboard dan sambungkan ke kabel audio dan jack 3.5mm seperti yang ditunjukkan pada skema. Lihatlah gambar yang menunjukkan pinout sinyal pada jack untuk orientasi. Gunakan DMM Anda untuk melihat sinyal mana dari jack yang keluar di kabel mana untuk mengidentifikasinya.

Setelah semuanya selesai, hidupkan perangkat dan periksa apakah output tegangan pada transistor kurang lebih dalam kisaran yang dihitung. Jika tidak coba sesuaikan R3 pada amplifier tahap pertama. Ini kemungkinan akan menjadi masalah karena toleransi transistor yang meluas, Anda mungkin harus menyesuaikan nilainya.

Langkah 6: Pengujian

Saya membuat perangkat yang lebih canggih dari jenis ini beberapa tahun yang lalu (lihat video). Mulai saat ini saya mengumpulkan banyak sampel suara yang ingin saya tunjukkan kepada Anda. Sebagian besar dari mereka saya kumpulkan saat saya sedang mengemudi di mobil saya dan menempatkan fototransistor di belakang kaca depan saya.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Ini adalah suara LED-Display eksternal pada bus yang lewat
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Penutup lampu mobil
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Lampu depan mobil
• Lampu neon "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" Ketukan dua lampu depan mobil yang mengganggu
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Suara CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Suara layar osiloskop saya dengan pengaturan waktu yang berbeda
• "Sound-PC Monitor.mp3" Suara monitor PC saya
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Lampu jalan
• "Was_ist_das_1.mp3" Suara seperti alien yang samar dan aneh yang saya tangkap di suatu tempat saat mengemudi di dalam mobil saya

Saya harap saya bisa membasahi selera makan Anda dan Anda akan terus menjelajahi dunia baru suara lampu sendiri sekarang!