LightSound - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Ich habe mit Elektronik herumgebastelt, seit ich 10 Jahre alt war. Mein Vater, ein Funktechniker, brachte mir die Grundlagen und den Umgang mit einem Lötkolben bei. Ich habe ihm viel zu verdanken. Eine meiner ersten Schaltungen war ein Audioverstärker mit Mikrofon und eine Zeit lang liebte ich es, meine Stimme über den angeschlossenen Lautsprecher oder Geräusche von außen zu hören, wenn ich das Mikrofon aus meinem Fenster hing. Eines Tages kam mein Vater mit einer Spule, die er aus einem alten Transformator entfernt hatte, und sagte: "Schließe das anstelle deines Mikrofons an". Ich habe es getan und dies war einer der erstaunlichsten Momente in meinem Leben. Plötzlich hörte ich seltsame Brummgeräusche, Zischen, scharfes elektronisches Summen und einige Geräusche, die verzerrten menschlichen Stimmen ähnelten. Es war, als würde ich in eine verborgene Welt eintauchen, die direkt vor meinen Ohren lag und die ich bis jetzt nicht erkennen konnte. Technisch war daran nichts Magisches. Die Spule nahm elektromagnetisches Rauschen auf, das von allen Arten von Haushaltsgeräten, Kühlschränken, Waschmaschinen, Bohrmaschinen, Fernsehern, Radios, Straßenlaternen usw. Aber die Erfahrung war für mich entscheidend. Es gab etwas um mich herum, das ich nicht wahrnehmen konnte, aber mit elektronischem Hingucker war ich drin!

Einige Jahre später dachte ich noch einmal darüber nach und eine Idee kam mir in den Sinn. Was würde passieren, wenn ich einen Fototransistor an den Verstärker anschließen würde? Würde ich auch Vibrationen hören, die meine Augen zu faul waren, um sie zu erkennen? Ich habe es getan und die Erfahrung war wieder großartig! Das menschliche Auge ist ein sehr hoch entwickeltes Organ. Es bietet die größte Informationsbandbreite aller unserer Organe, aber dies ist mit einigen Kosten verbunden. Die Fähigkeit, Veränderungen wahrzunehmen, ist ziemlich begrenzt. Wenn sich die visuellen Informationen mehr als 11 Mal pro Sekunde ändern, werden die Dinge verschwommen. Dies ist der Grund, warum wir Filme im Kino oder auf unserem Fernseher ansehen können. Unsere Augen können den Veränderungen nicht mehr folgen und all diese einzelnen Standbilder verschmelzen zu einer kontinuierlichen Bewegung. Aber wenn wir Licht in Schall umwandeln, können unsere Ohren diese Schwingungen bis zu mehreren tausend Schwingungen pro Sekunde perfekt wahrnehmen!

Ich habe mir eine kleine Elektronik ausgedacht, um mein Smartphone in einen Lightsound-Empfänger zu verwandeln, der mir auch die Möglichkeit gibt, diese Sounds aufzunehmen. Da die Elektronik sehr einfach ist, möchte ich Ihnen an diesem Beispiel die Grundlagen des Elektronikdesigns zeigen. Wir werden also ziemlich tief in Transistoren, Widerstände und Kondensatoren eintauchen. Aber keine Sorge, ich werde die Mathematik einfach halten!

Schritt 1: Elektronischer Teil 1: Was ist ein Transistor?

Hier ist nun Ihre schnelle und nicht schmutzige Einführung in Bipolartransistoren. Es gibt zwei verschiedene Arten davon. Einer heißt NPN und dieser ist auf dem Bild zu sehen. Der andere Typ ist PNP und wir werden hier nicht darüber sprechen. Der Unterschied ist nur eine Frage der Strom- und Spannungspolarität und nicht weiter von Interesse.

Ein NPN-Transistor ist ein elektronisches Bauteil, das Strom verstärkt. Grundsätzlich haben Sie drei Terminals. Einer ist immer geerdet. Auf unserem Bild heißt er "Emitter". Dann haben Sie die "Basis", die die linke ist und die "Sammler", die die obere ist. Jeder Strom, der in die Basis IB fließt, verursacht einen verstärkten Strom, der durch den Kollektor-IC schwebt und durch den Emitter zurück zur Erde fließt. Der Strom muss von einer externen Spannungsquelle UB getrieben werden. Das Verhältnis des verstärkten Stroms IC und des Basisstroms IB beträgt IC/IB = B. B wird als Gleichstromverstärkung bezeichnet. Es hängt von der Temperatur ab und davon, wie Sie Ihren Transistor in Ihrer Schaltung einrichten. Außerdem ist es anfällig für starke Fertigungstoleranzen, so dass es wenig sinnvoll ist, mit festen Werten zu rechnen. Denken Sie immer daran, dass sich der aktuelle Gewinn stark ausbreiten kann. Außer B gibt es noch einen anderen Wert namens "beta". Wile B charakterisiert die Verstärkung eines DC-Signals, Beta dasselbe für AC-Signale. Normalerweise unterscheiden sich B und Beta nicht sehr.

Zusammen mit dem Eingangsstrom hat der Transistor auch eine Eingangsspannung. Die Beschränkungen der Spannung sind sehr eng. Bei normalen Anwendungen bewegt es sich in einem Bereich zwischen 0,62V..0,7V. Das Erzwingen einer Spannungsänderung an der Basis führt zu dramatischen Änderungen des Kollektorstroms, da diese Abhängigkeit einer exponentiellen Kurve folgt.

Schritt 2: Elektronischer Teil 2: Entwerfen der ersten Stufe des Verstärkers

Jetzt machen wir uns auf den Weg. Um moduliertes Licht in Ton umzuwandeln, benötigen wir einen Fototransistor. Ein Fototransistor ähnelt sehr dem Standard-NPN-Transistor des vorherigen Schrittes. Es ist aber auch in der Lage, nicht nur den Kollektorstrom durch die Steuerung des Basisstroms zu ändern. Außerdem hängt der Kollektorstrom vom Licht ab. Viel Licht – viel Strom, weniger Licht – weniger Strom. So einfach ist das.

Spezifizieren der Stromversorgung

Wenn ich Hardware entwerfe, ist das erste, was ich tue, mir Gedanken über die Stromversorgung zu machen, da dies ALLES in Ihrer Schaltung beeinflusst. Die Verwendung einer 1,5V-Batterie wäre eine schlechte Idee, da, wie Sie in Schritt 1 gelernt haben, die UBE eines Transistors etwa 0,65V beträgt und damit bereits auf halbem Weg bis zu 1,5V liegt. Wir sollten mehr Reserven bereitstellen. Ich liebe 9V-Batterien. Sie sind günstig und einfach zu handhaben und verbrauchen nicht viel Platz. Also los mit 9V. UB=9V

Angabe des Kollektorstroms

Das ist auch entscheidend und betrifft alles. Sie sollte nicht zu klein sein, da dann der Transistor instabil wird und das Signalrauschen steigt. Er darf auch nicht zu hoch sein, da der Transistor immer einen Ruhestrom und eine Spannung hat und somit Strom verbraucht, der in Wärme umgewandelt wird. Zu viel Strom entlädt die Batterien und kann den Transistor durch Hitze zerstören. In meinen Anwendungen halte ich den Kollektorstrom immer zwischen 1…5mA. In unserem Fall gehen wir mit 2mA. IC=2mA.

Reinigen Sie Ihr Netzteil

Wenn Sie Verstärkerstufen entwerfen, ist es immer eine gute Idee, Ihre Gleichstromversorgung sauber zu halten. Das Netzteil ist oft eine Quelle von Rauschen und Brummen, selbst wenn Sie einen Akku verwenden. Dies liegt daran, dass Sie normalerweise vernünftige Kabellängen an die Versorgungsschiene angeschlossen haben, die als Antenne für das reichlich vorhandene Strombrummen dienen kann. Normalerweise leite ich den Versorgungsstrom durch einen kleinen Widerstand und stelle am Ende einen fetten polarisierten Kondensator bereit. Es schließt alle Wechselstromsignale gegen Masse kurz. Im Bild ist der Widerstand R1 und der Kondensator C1. Wir sollten den Widerstand klein halten, da der dadurch erzeugte Spannungsabfall unsere Ausgabe begrenzt. Jetzt kann ich meine Erfahrung einbringen und sagen, dass 1V Spannungsabfall tolerierbar ist, wenn Sie mit 9V Netzteil arbeiten. UF=1V.

Jetzt müssen wir unsere Gedanken ein wenig vorwegnehmen. Sie werden später sehen, dass wir eine zweite Transistorstufe hinzufügen, die auch den Versorgungsstrom sauber machen muss. Dadurch wird die durch R1 fließende Strommenge verdoppelt. Der Spannungsabfall über R1 beträgt R1=UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Sie werden nie genau den Widerstand bekommen, den Sie wollen, weil sie in bestimmten Wertintervallen produziert werden. Der unserem Wert am nächsten kommende ist 270 Ohm und damit werden wir gut zurechtkommen. R1=270 Ohm.

Dann wählen wir C1=220uF. Das ergibt eine Eckfrequenz von 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Denken Sie nicht zu viel darüber nach. Die Eckfrequenz ist diejenige, bei der der Filter beginnt, Wechselstromsignale zu unterdrücken. Bis 2, 7Hz kommt alles mehr oder weniger ungedämpft durch. Ab 2, 7Hz werden die Signale immer stärker unterdrückt. Die Dämpfung eines Tiefpassfilters erster Ordnung wird durch A=1/(2*PI*f*R1*C1) beschrieben. Unser nächster Feind in Bezug auf Interferenzen ist das 50-Hz-Netzbrummen. Wenden wir also f = 50 an und wir erhalten A = 0, 053. Das bedeutet, dass nur 5, 3% des Rauschens durch den Filter gelangen. Sollte für unsere Bedürfnisse reichen.

Angabe der Kollektorspannung Bias

Die Vorspannung ist der Punkt, an dem Sie Ihren Transistor einsetzen, wenn er sich im Leerlauf befindet. Dies gibt seine Ströme und Spannungen an, wenn kein Eingangssignal zu verstärken ist. Eine saubere Spezifikation dieser Vorspannung ist von grundlegender Bedeutung, da beispielsweise die Vorspannung am Kollektor den Punkt angibt, an dem das Signal herumschwingt, wenn der Transistor arbeitet. Eine irrtümliche Anordnung dieses Punktes führt zu einem verzerrten Signal, wenn die Ausgangsschwingung auf Masse oder das Netzteil trifft. Dies sind die absoluten Grenzen, die der Transistor nicht überwinden kann! Normalerweise ist es eine gute Idee, die Ausgangsspannung in die Mitte zwischen Masse und UB bei UB/2 zu legen, in unserem Fall (UB-UF)/2 = 4V. Aber aus irgendeinem Grund werden Sie später verstehen, dass ich es etwas tiefer fassen möchte. Erstens brauchen wir keinen großen Ausgangshub, da unser Signal auch nach der Verstärkung in dieser 1. Stufe im Millivoltbereich liegt. Zweitens ist eine niedrigere Vorspannung für die folgende Transistorstufe besser, wie Sie sehen werden. Setzen wir also die Vorspannung auf 3V. UA=3V.

Berechnen Sie den Kollektorwiderstand

Jetzt können wir die restlichen Komponenten berechnen. Sie werden sehen, wenn ein Kollektorstrom durch R2 fließt, erhalten wir einen Spannungsabfall von UB. Wegen UA = UB-UF-IC*R1 können wir R1 extrahieren und erhalten R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2,5K. Wieder wählen wir den nächsten Normwert und nehmen R1 = 2, 7K Ohm.

Berechnen Sie den Basiswiderstand

Zur Berechnung von R3 können wir eine einfache Gleichung herleiten. Die Spannung an R3 ist UA-UBE. Jetzt müssen wir den Basisstrom kennen. Ich habe Ihnen die Gleichstromverstärkung B = IC / IB gesagt, also IB = IC / B, aber wie hoch ist der Wert von B? Leider habe ich einen Fototransistor aus einem Überschusspaket verwendet und es gibt keine richtige Markierung auf den Komponenten. Also müssen wir unsere Fantasie nutzen. Fototransistoren haben nicht so viel Verstärkung. Sie sind eher auf Geschwindigkeit ausgelegt. Während die DC-Stromverstärkung für einen normalen Transistor 800 erreichen kann, kann der B-Faktor eines Fototransistors zwischen 200..400 liegen. Also gehen wir mit B=300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Das ist in der Nähe von 360K Ohm. Leider habe ich diesen Wert nicht in meiner Box, also habe ich stattdessen einen 240K+100K in Serie verwendet. R3 = 340KOhm.

Sie fragen sich vielleicht, warum wir den Basisstrom aus dem Kollektor abziehen und nicht aus UB. Lassen Sie mich Ihnen dies sagen. Die Vorspannung eines Transistors ist eine zerbrechliche Sache, da ein Transistor anfällig für Produktionstoleranzen sowie einer starken Temperaturabhängigkeit ist. Das heißt, wenn Sie Ihren Transistor direkt von UB vorspannen, wird er wahrscheinlich bald abdriften. Um dieses Problem zu lösen, verwenden Hardware-Designer eine Methode, die als "negatives Feedback" bezeichnet wird. Schauen Sie sich noch einmal unsere Schaltung an. Der Basisstrom kommt aus der Kollektorspannung. Stellen Sie sich nun vor, der Transistor wird wärmer und sein B-Wert steigt. Das bedeutet, dass mehr Kollektorstrom fließt und UA abnimmt. Aber weniger UA bedeutet auch weniger IB und die Spannung UA steigt wieder etwas an. Mit abnehmendem B haben Sie den gleichen Effekt umgekehrt. Das ist VERORDNUNG! Das heißt, durch geschickte Verdrahtung können wir die Transistorvorspannung in Grenzen halten. Sie werden auch in der nächsten Phase ein weiteres negatives Feedback sehen. Übrigens verringert negatives Feedback normalerweise auch die Verstärkung der Bühne, aber es gibt Mittel, um dieses Problem zu umgehen.

Schritt 3: Elektronischer Teil 3: Entwerfen der zweiten Stufe

Ich habe einige Tests durchgeführt, indem ich das Lichtsignal von der vorverstärkten Stufe im vorherigen Schritt in mein Smartphone übernommen habe. Es war ermutigend, aber ich dachte, ein bisschen mehr Verstärkung wäre besser. Ich schätzte, dass ein zusätzlicher Schub von Faktor 5 die Arbeit erledigen sollte. Also los geht's mit der zweiten Etappe! Normalerweise würden wir den Transistor in der zweiten Stufe wieder mit eigenem Bias belegen und das vorverstärkte Signal der ersten Stufe über einen Kondensator in diese einspeisen. Denken Sie daran, dass Kondensatoren keinen Gleichstrom durchlassen. Nur das Wechselstromsignal kann passieren. Auf diese Weise können Sie ein Signal durch die Stufen leiten und die Vorspannung jeder Stufe wird nicht beeinflusst. Aber machen wir die Sache etwas interessanter und versuchen, einige Komponenten zu sparen, weil wir das Gerät klein und handlich halten wollen. Wir verwenden die Ausgangsvorspannung von Stufe 1 zum Vorspannen des Transistors in Stufe 2!

Berechnung des Emitterwiderstands R5

In dieser Stufe wird unser NPN-Transistor direkt von der vorherigen Stufe vorgespannt. Im Schaltplan sehen wir UE = UBE + ICxR5. Da UE = UA aus der vorherigen Stufe ist, können wir R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm extrahieren. Wir machen es 1, 2K Ohm, was der nächste Normwert ist. R5 = 1, 2KOhm.

Hier können Sie eine andere Art von Feedback sehen. Nehmen wir an, während UE konstant bleibt, erhöht sich der B-Wert des Transistors aufgrund der Temperatur. So bekommen wir mehr Strom durch Kollektor und Emitter. Aber mehr Strom durch R5 bedeutet mehr Spannung über R5. Wegen UBE = UE - IC*R5 bedeutet eine Zunahme von IC eine Abnahme von UBE und damit eine erneute Abnahme von IC. Auch hier haben wir eine Regulierung, die uns hilft, den Bias stabil zu halten.

Berechnung des Kollektorwiderstands R4

Nun sollten wir den Ausgangshub unseres Kollektorsignals UA im Auge behalten. Die untere Grenze ist die Emitter-Vorspannung von 3V-0, 65V=2, 35V. Die obere Grenze ist die Spannung UB-UB=9V-1V=8V. Wir werden unseren Kollektor-Bias genau in die Mitte setzen. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Jetzt ist es einfach, R4 zu berechnen. R4 = (UB-UF-UA)/IC =(9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Wir machen es R4 = 1, 5K Ohm.

Was ist mit der Verstärkung?

Was ist also mit dem Faktor 5 der Verstärkung, die wir erreichen wollen? Die Spannungsverstärkung von AC-Signalen in der Stufe, wie Sie sie sehen, wird in einer sehr einfachen Formel beschrieben. Vu = R4/R5. Ziemlich einfach oder? Dies ist die Verstärkung eines Transistors mit Gegenkopplung über den Emitterwiderstand. Denken Sie daran, dass ich Ihnen gesagt habe, dass negatives Feedback auch die Verstärkung beeinflusst, wenn Sie nicht die richtigen Maßnahmen ergreifen.

Wenn wir die Verstärkung mit den gewählten Werten von R4 und R5 berechnen, erhalten wir V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, das ist ziemlich weit weg von 5. Was können wir also tun? Nun, zuerst sehen wir, dass wir nichts gegen R4 tun können. Sie wird durch die Ausgangsvorspannung und die Spannungsbeschränkungen festgelegt. Was ist mit R5? Berechnen wir den Wert, den R5 haben müsste, wenn wir eine Verstärkung von 5 hätten. Das ist einfach, denn Vu = R4/R5 bedeutet, dass R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm ist. Ok, das ist in Ordnung, aber wenn wir 300 Ohm anstelle der 1,2K in unseren Stromkreis stecken würden, würde unsere Vorspannung vermasselt. Wir müssen also beides setzen, 1,2 K Ohm für die Gleichstromvorspannung und 300 Ohm für die negative Wechselstromrückkopplung. Schauen Sie sich das zweite Bild an. Sie werden sehen, dass ich den 1, 2K Ohm Widerstand in einen 220 Ohm und 1K Ohm in Reihe geteilt habe. Außerdem habe ich 220 Ohm gewählt, weil ich keinen 300 Ohm Widerstand hatte. Der 1K wird auch von einem fetten polarisierten Kondensator umgangen. Was bedeutet das? Nun, für die Gleichstromvorspannung bedeutet dies, dass die negative Rückkopplung ein 1, 2K Ohm "sieht", da Gleichstrom möglicherweise nicht durch einen Kondensator geleitet wird, sodass C3 für die Gleichstromvorspannung einfach nicht existiert! Das Wechselstromsignal hingegen "sieht" nur die 220 Ohm, da jeder Wechselspannungsabfall über R6 mit Masse kurzgeschlossen ist. Kein Spannungsabfall, keine Rückmeldung. Nur die 220 Ohm bleiben für die Gegenkopplung übrig. Ziemlich clever, oder?

Damit dies richtig funktioniert, müssen Sie C3 wählen, damit seine Impedanz sehr viel niedriger ist als R3. Ein guter Wert sind 10 % von R3 für die niedrigstmögliche Arbeitsfrequenz. Nehmen wir an, unsere niedrigste Frequenz beträgt 30 Hz. Die Impedanz eines Kondensators beträgt Xc = 1/(2*PI*f*C3). Wenn wir C3 extrahieren und die Frequenz und den Wert von R3 eingeben, erhalten wir C3=1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Um dem nächsten Normwert zu entsprechen, machen wir C3 = 47uF.

Sehen Sie nun den fertigen Schaltplan im letzten Bild. Wir sind fertig!

Schritt 4: Herstellung der Mechanik Teil 1: Liste der Materialien

Ich habe die folgenden Komponenten für die Herstellung des Geräts verwendet:

• Alle elektronischen Komponenten aus dem Schaltplan
• Ein Standard-Kunststoffkoffer 80 x 60 x 22 mm mit eingelassenem Fach für 9V-Batterien
• Ein 9V Batterieclip
• 1m 4pol Audiokabel mit Klinke 3,5mm
• 3pol. Stereobuchse 3,5 mm
• ein Schalter
• ein Stück Perfboard
• eine 9V Batterie
• Lot
• 2mm Kupferdraht 0,25mm isolierter gespannter Draht

Die folgenden Werkzeuge sollten verwendet werden:

• Lötkolben
• Elektrische Bohrmaschine
• Digital-Multimeter
• eine runde Raspel

Schritt 5: Herstellung der Mechanik: Teil 2

Platzieren Sie den Schalter und die 3,5-mm-Buchse

Feilen Sie mit der Raspel zwei halbe Löcher in beiden Gehäuseteilen (oben und unten). Machen Sie das Loch so breit, dass der Schalter hineinpasst. Machen Sie nun dasselbe mit der 3,5-mm-Buchse. Die Buchse wird zum Anschließen von Ohrstöpseln verwendet. Die Audioausgänge der 4pol. Klinke wird auf die 3,5-mm-Buchse geleitet.

Löcher für Kabel und Fototransistor bohren

Bohren Sie ein 3mm Loch an der Vorderseite und kleben Sie den Fototransistor so ein, dass seine Anschlüsse durch das Loch gehen. Bohren Sie auf einer Seite ein weiteres Loch mit 2 mm Durchmesser. Das Audiokabel mit dem 4mm Klinkenstecker wird hindurchgeführt.

Löten Sie die Elektronik

Löten Sie nun die elektronischen Komponenten auf dem Perfboard und verdrahten Sie es wie im Schaltplan gezeigt mit dem Audiokabel und der 3,5-mm-Buchse. Schauen Sie sich zur Orientierung die Bilder an, die die Signal-Pinbelegungen an den Buchsen zeigen. Verwenden Sie Ihr DMM, um zu sehen, welches Signal von der Buchse auf welchem Kabel ausgegeben wird, um es zu identifizieren.

Wenn alles fertig ist, schalten Sie das Gerät ein und prüfen Sie, ob die Spannungsausgänge an den Transistoren mehr oder weniger im berechneten Bereich liegen. Wenn nicht, versuchen Sie, R3 in der ersten Stufe des Verstärkers einzustellen. Es wird wahrscheinlich das Problem aufgrund der weit verbreiteten Toleranzen der Transistoren sein, die Sie möglicherweise ihren Wert anpassen müssen.

Schritt 6: Testen

Ich habe vor einigen Jahren ein anspruchsvolleres Gerät dieser Art gebaut (siehe Video). Aus dieser Zeit habe ich eine Reihe von Klangbeispielen gesammelt, die ich euch zeigen möchte. Die meisten davon habe ich während der Autofahrt gesammelt und den Fototransistor hinter meiner Windschutzscheibe platziert.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Das ist das Geräusch einer externen LED-Anzeige eines vorbeifahrenden Busses
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Der Blinker eines Autos
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Der Scheinwerfer eines Autos
• "Neonreklame.mp3" Neonlichter
• "Schwebung.mp3" Der Takt zweier sich störender Autoscheinwerfer
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Der Klang einer Kompaktleuchtstofflampe
• "Sound_oscilloscope.mp3" Der Ton meines Oszilloskop-Bildschirms mit verschiedenen Zeiteinstellungen
• "Sound-PC Monitor.mp3" Der Sound meines PC-Monitors
• "Straßenlampen_Sequenz.mp3" Straßenlaternen
• "Was_ist_das_1.mp3" Ein schwaches und seltsames Alien-ähnliches Geräusch, das ich irgendwo beim Herumfahren in meinem Auto aufgefangen habe

Ich hoffe, ich konnte Ihren Appetit wecken und Sie werden jetzt auf eigene Faust die neue Welt der Lichtklänge erkunden!