LightSound: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Armeggiavo con l'elettronica da quando avevo 10 anni. Mio padre, un tecnico radiofonico, mi ha insegnato le basi e come usare un saldatore. Gli devo molto. Uno dei miei primi circuiti è stato un amplificatore audio con microfono e per un po' mi è piaciuto ascoltare la mia voce attraverso l'altoparlante collegato o i suoni dall'esterno quando ho appeso il microfono alla finestra. Un giorno mio padre si avvicinò con una bobina che aveva tolto da un vecchio trasformatore e disse: "Collega questo al posto del microfono". L'ho fatto e questo è stato uno dei momenti più incredibili della mia vita. Improvvisamente ho sentito strani ronzii, sibili, acuti ronzii elettronici e alcuni suoni che assomigliavano a voci umane distorte. È stato come immergersi in un mondo nascosto che giaceva proprio davanti alle mie orecchie e che fino a quel momento non ero riuscito a riconoscere. Tecnicamente non c'era niente di magico. La bobina capta il rumore elettromagnetico proveniente da tutti i tipi di elettrodomestici, frigoriferi, lavatrici, trapani elettrici, televisori, radio, lampioni ecc. Ma l'esperienza è stata fondamentale per me. C'era qualcosa intorno a me che non riuscivo a percepire, ma con un po' di mumbo-jumbo elettronico ero dentro!

Qualche anno dopo ci ho ripensato e un'idea mi è venuta in mente. Cosa succederebbe se collegassi un fototransistor all'amplificatore? Sentirei anche vibrazioni che i miei occhi erano troppo pigri per riconoscere? L'ho fatto e ancora una volta l'esperienza è stata fantastica! L'occhio umano è un organo molto sofisticato. Fornisce la maggiore larghezza di banda di informazioni di tutti i nostri organi, ma ciò comporta alcuni costi. La capacità di percepire i cambiamenti è piuttosto limitata. Se le informazioni visive cambiano più di 11 volte al secondo, le cose iniziano a diventare sfocate. Questo è il motivo per cui possiamo guardare i film al cinema o sulla nostra TV. I nostri occhi non riescono più a seguire i cambiamenti e tutte quelle singole immagini fisse si fondono insieme in un movimento continuo. Ma se trasformiamo la luce in suono, le nostre orecchie potrebbero percepire perfettamente quelle oscillazioni fino a diverse migliaia di oscillazioni al secondo!

Ho ideato un po' di elettronica per trasformare il mio smartphone in un ricevitore di suoni luminosi, dandomi anche la possibilità di registrare quei suoni. Poiché l'elettronica è molto semplice, voglio mostrarti le basi della progettazione elettronica in questo esempio. Quindi approfondiremo transistor, resistori e condensatori. Ma non preoccuparti, farò i conti semplici!

Passaggio 1: parte elettronica 1: cos'è un transistor?

Ora ecco la tua introduzione rapida e non sporca ai transistor bipolari. Ci sono due diversi tipi di loro. Uno si chiama NPN e questo è quello che puoi vedere nella foto. L'altro tipo è PNP e non ne parleremo qui. La differenza è solo una questione di polarità di corrente e tensione e non di ulteriore interesse.

Un transistor NPN è un componente elettronico che amplifica la corrente. Fondamentalmente hai tre terminali. Uno è sempre a terra. Nella nostra foto si chiama "Emettitore". Quindi hai la "base", che è quella di sinistra e il "Collector" che è quella superiore. Qualsiasi corrente che entra nella base IB causerà una corrente amplificata che fluttua attraverso il collettore IC e torna a terra attraverso l'emettitore. La corrente deve essere pilotata da una sorgente di tensione esterna UB. Il rapporto tra la corrente amplificata IC e la corrente di base IB è IC/IB=B. B è chiamato guadagno di corrente continua. Dipende dalla temperatura e da come imposti il tuo transistor nel circuito. Inoltre è soggetto a severe tolleranze di produzione, quindi non ha molto senso calcolare con valori fissi. Tieni sempre presente che il guadagno attuale può diffondersi molto. Oltre a B c'è un altro valore chiamato "beta". Wile B caratterizza l'amplificazione di un segnale DC, beta fa lo stesso per i segnali AC. Normalmente B e beta non differiscono molto.

Insieme alla corrente di ingresso il transistor ha anche una tensione di ingresso. I vincoli della tensione sono molto stretti. Nelle normali applicazioni si sposterà in un'area compresa tra 0,62V..0,7V. Forzare un cambiamento di tensione sulla base comporterà cambiamenti drammatici della corrente del collettore perché questa dipendenza segue una curva esponenziale.

Passaggio 2: parte elettronica 2: progettazione del primo stadio dell'amplificatore

Ora siamo sulla buona strada. Per convertire la luce modulata in suono abbiamo bisogno di un fototransistor. Un fototransistor assomiglia molto al transistor NPN standard del passaggio precedente. Ma è anche in grado non solo di cambiare la corrente del collettore controllando la corrente di base. Inoltre la corrente del collettore dipende dalla luce. Molta corrente, poca corrente. È così facile.

Specificare l'alimentazione

Quando progetto l'hardware, la prima cosa che faccio è prendere una decisione sull'alimentatore perché questo influisce su TUTTO nel circuito. Usare una batteria da 1,5 V sarebbe una cattiva idea perché, come hai appreso nel passaggio 1, l'UBE di un transistor è intorno a 0, 65 V e quindi già a metà strada fino a 1, 5 V. Dovremmo fornire più riserva. Adoro le batterie da 9V. Sono economici e facili da maneggiare e non occupano molto spazio. Quindi andiamo con 9V. UB=9V

Specificare la corrente del collettore

Anche questo è fondamentale e influisce su tutto. Non dovrebbe essere troppo piccolo perché poi il transistor diventa instabile e il rumore del segnale aumenta. Inoltre non deve essere troppo alto perché il transistor ha sempre una corrente a vuoto e una tensione e questo significa che consuma energia che viene trasformata in calore. Troppa corrente scarica le batterie e può uccidere il transistor a causa del calore. Nelle mie applicazioni tengo sempre la corrente del collettore tra 1…5mA. Nel nostro caso andiamo con 2mA. CI=2mA.

Pulisci il tuo alimentatore

Se stai progettando stadi per amplificatori, è sempre una buona idea mantenere pulito il tuo alimentatore CC. L'alimentatore spesso è fonte di rumore e ronzio anche se si utilizza una batteria. Questo perché di solito si hanno cavi di lunghezza ragionevole collegati al binario di alimentazione che può funzionare come un'antenna per l'abbondante ronzio di potenza. Normalmente sto instradando la corrente di alimentazione attraverso un piccolo resistore e fornisco un grosso condensatore polarizzato all'estremità. Scorciatoia tutti i segnali ac contro terra. Nella foto il resistore è R1 e il condensatore è C1. Dovremmo mantenere il resistore piccolo perché la caduta di tensione che genera limita la nostra uscita. Ora posso aggiungere la mia esperienza e dire che la caduta di tensione di 1 V è tollerabile se si lavora con un'alimentazione a 9 V. UF=1V.

Ora dobbiamo anticipare un po' i nostri pensieri. Vedrai in seguito che aggiungeremo un secondo stadio a transistor che deve anche pulire la sua corrente di alimentazione. Quindi la quantità di corrente che scorre attraverso R1 è raddoppiata. La caduta di tensione su R1 è R1=UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Non otterrai mai esattamente il resistore che desideri perché vengono prodotti in determinati intervalli di valore. Quello più vicino al nostro valore è 270 Ohm e staremo bene con quello. R1=270 Ohm.

Quindi scegliamo C1=220uF. Ciò fornisce una frequenza angolare di 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Non pensarci troppo. La frequenza d'angolo è quella in cui il filtro inizia a sopprimere i segnali ac. Fino a 2,7Hz tutto passerà più o meno indisturbato. Oltre i 2,7Hz i segnali vengono sempre più soppressi. L'attenuazione di un filtro passabasso del primo ordine è descritta da A=1/(2*PI*f*R1*C1). Il nostro nemico più vicino in termini di interferenza è il ronzio della linea elettrica a 50Hz. Quindi applichiamo f=50 e otteniamo A=0,053. Ciò significa che solo il 5, 3% del rumore passerà attraverso il filtro. Dovrebbe essere sufficiente per le nostre esigenze.

Specificare la polarizzazione della tensione del collettore

Il bias è il punto in cui inserisci il tuo transistor quando è in modalità inattiva. Questo specifica le sue correnti e tensioni quando non c'è segnale di ingresso da amplificare. Una specifica chiara di questa polarizzazione è fondamentale perché, ad esempio, la polarizzazione di tensione sul collettore specifica il punto in cui il segnale oscillerà quando il transistor è in funzione. L'impostazione errata di questo punto risulterà in un segnale distorto quando l'oscillazione dell'uscita colpisce la massa o l'alimentatore. Questi sono i limiti assoluti che il transistor non può superare! Normalmente è una buona idea mettere la polarizzazione della tensione di uscita nel mezzo tra terra e UB a UB/2, nel nostro caso (UB-UF)/2 = 4V. Ma per qualche ragione capirai più tardi che voglio metterlo un po' più in basso. Innanzitutto non abbiamo bisogno di una grande oscillazione dell'uscita perché anche dopo l'amplificazione in questo primo stadio il nostro segnale sarà nell'intervallo dei millivolt. In secondo luogo, come vedrai, una polarizzazione inferiore andrà meglio per il seguente stadio a transistor. Quindi mettiamo il bias su 3V. UA=3V.

Calcola la resistenza del collettore

Ora possiamo calcolare il resto dei componenti. Vedrai se una corrente di collettore scorre attraverso R2 otterremo una caduta di tensione proveniente da UB. Poiché UA = UB-UF-IC*R1 possiamo estrarre R1 e ottenere R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Ancora una volta scegliamo il prossimo valore di norma e prendiamo R1 = 2, 7K Ohm.

Calcola la resistenza di base

Per calcolare R3 possiamo derivare una semplice equazione. La tensione su R3 è UA-UBE. Ora dobbiamo conoscere la corrente di base. Ti ho detto che il guadagno della corrente continua B=IC/IB, quindi IB = IC/B, ma qual è il valore di B? Purtroppo ho usato un fototransistor da un pacchetto in eccesso e non c'è una marcatura adeguata sui componenti. Quindi dobbiamo usare la nostra fantasia. I fototransistor non hanno così tanta amplificazione. Sono più progettati per la velocità. Mentre il guadagno di corrente continua per un normale transistor può raggiungere 800, il fattore B di un fototransistor può essere compreso tra 200 e 400. Quindi andiamo con B=300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. È vicino a 360K Ohm. Purtroppo non ho questo valore nella mia scatola, quindi ho usato invece un 240K + 100K in serie. R3 = 340K Ohm.

Potresti chiederti perché dreniamo la corrente di base dal collettore e non da UB. Lascia che ti dica questo. La polarizzazione di un transistor è una cosa fragile perché un transistor è soggetto a tolleranze di produzione e a una forte dipendenza dalla temperatura. Ciò significa che se si polarizza il transistor direttamente da UB, probabilmente si allontanerà presto. Per far fronte a questo problema i progettisti hardware utilizzano un metodo chiamato "feedback negativo". Dai un'occhiata di nuovo al nostro circuito. La corrente di base proviene dalla tensione del collettore. Ora immagina che il transistor si scaldi e il suo valore B aumenti. Ciò significa che scorre più corrente del collettore e UA diminuisce. Ma minore UA significa anche minore IB e la tensione UA sta salendo di nuovo un po'. Con B decrescente si ha lo stesso effetto al contrario. Questo è REGOLAMENTO! Ciò significa che con un cablaggio intelligente possiamo mantenere la polarizzazione del transistor nei limiti. Vedrai anche un altro feedback negativo nella fase successiva. A proposito, il feedback negativo normalmente diminuisce anche l'amplificazione dello stadio, ma ci sono mezzi per superare questo problema.

Passaggio 3: parte elettronica 3: progettazione della seconda fase

Ho fatto alcuni test applicando al mio smartphone il segnale del suono luminoso dallo stadio preamplificato nel passaggio precedente. È stato incoraggiante, ma ho pensato che un po' più di amplificazione avrebbe fatto meglio. Ho stimato che un ulteriore aumento del fattore 5 dovrebbe fare il lavoro. Quindi eccoci con la seconda fase! Normalmente installeremmo di nuovo il transistor nel secondo stadio con la sua polarizzazione e alimenteremmo il segnale preamplificato dal primo stadio tramite un condensatore al suo interno. Ricorda che i condensatori non lasciano passare la corrente continua. Potrebbe passare solo il segnale ac. In questo modo è possibile instradare un segnale attraverso gli stadi e la polarizzazione di ciascuno stadio non sarà influenzata. Ma rendiamo le cose un po' più interessanti e proviamo a salvare alcuni componenti perché vogliamo mantenere il dispositivo piccolo e maneggevole. Useremo la polarizzazione di uscita dello stadio 1 per polarizzare il transistor nello stadio 2!

Calcolo del resistore di emettitore R5

In questa fase il nostro transistor NPN viene direttamente polarizzato dalla fase precedente. Nello schema elettrico vediamo che UE = UBE + ICxR5. Poiché UE = UA dalla fase precedente possiamo estrarre R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Facciamo 1, 2K Ohm che è il valore di norma più vicino. R5 = 1, 2K Ohm.

Qui puoi vedere un altro tipo di feedback. Diciamo che mentre UE rimane costante il valore B del transistor aumenta a causa della temperatura. Quindi otteniamo più corrente attraverso il collettore e l'emettitore. Ma più corrente attraverso R5 significa più tensione attraverso R5. Poiché UBE = UE - IC*R5 un aumento di IC significa una diminuzione di UBE e quindi una nuova diminuzione di IC. Anche in questo caso abbiamo una regolamentazione che ci aiuta a mantenere stabile il bias.

Calcolo della resistenza del collettore R4

Ora dovremmo tenere d'occhio l'oscillazione dell'uscita del nostro segnale del collettore UA. Il limite inferiore è la polarizzazione dell'emettitore di 3V-0, 65V=2, 35V. Il limite superiore è la tensione UB-UB=9V-1V=8V. Metteremo il nostro pregiudizio del collezionista proprio nel mezzo. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Ora è facile calcolare R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Facciamo R4 = 1, 5K Ohm.

E l'amplificazione?

Quindi che dire del fattore 5 di amplificazione che vogliamo ottenere? L'amplificazione di tensione dei segnali in corrente alternata nello stadio, come puoi vedere, è descritta in una formula molto semplice. Vu = R4/R5. Abbastanza semplice eh? Questa è l'amplificazione di un transistor con feedback negativo sul resistore di emettitore. Ricorda che ti ho detto che il feedback negativo influisce anche sull'amplificazione se non stai adottando mezzi adeguati contro di esso.

Se calcoliamo l'amplificazione con i valori scelti di R4 e R5 otteniamo V = R4/R5 = 1.5K/1.2K = 1.2. Hm, è abbastanza lontano da 5. Quindi cosa possiamo fare? Bene, per prima cosa vediamo che non possiamo fare nulla su R4. È fissato dalla polarizzazione dell'uscita e dai vincoli di tensione. E l'R5? Calcoliamo il valore che R5 dovrebbe avere se avessimo un'amplificazione di 5. Facile, perché Vu =R4/R5 significa che R5 = R4/Vu = 1.5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, va bene, ma se inserissimo un 300 Ohm invece di 1.2K nel nostro circuito, il nostro bias andrebbe a rotoli. Quindi dobbiamo mettere entrambi, 1.2K Ohm per il bias DC e 300 Ohm per il feedback negativo AC. Dai un'occhiata alla seconda immagine. Vedrai che ho diviso la resistenza da 1, 2K Ohm in una da 220 Ohm e 1K Ohm in serie. Inoltre, ho scelto 220 Ohm perché non avevo una resistenza da 300 Ohm. L'1K è anche bypassato da un condensatore polarizzato grasso. Cosa significa questo? Bene, per la polarizzazione cc ciò significa che il feedback negativo "vede" un 1, 2K Ohm perché la cc potrebbe non passare attraverso un condensatore, quindi per la polarizzazione cc C3 semplicemente non esiste! Il segnale ac d'altra parte "vede" solo i 220 Ohm perché ogni caduta di tensione alternata su R6 è cortocircuitata a terra. Nessuna caduta di tensione, nessun feedback. Rimangono solo i 220 Ohm per il feedback negativo. Abbastanza intelligente, eh?

Per farlo funzionare correttamente devi scegliere C3 in modo che l'impedenza sia molto più bassa di R3. Un buon valore è il 10% di R3 per la frequenza di lavoro più bassa possibile. Diciamo che la nostra frequenza più bassa è 30 Hz. L'impedenza di un condensatore è Xc = 1/(2*PI*f*C3). Se estraiamo C3 e inseriamo la frequenza e il valore di R3 otteniamo C3=1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Per far corrispondere il valore della norma più vicino, facciamolo C3 = 47uF.

Ora guarda lo schema completo nell'ultima immagine. Sono state fatte!

Passaggio 4: creazione della meccanica Parte 1: elenco dei materiali

Ho utilizzato i seguenti componenti per realizzare il dispositivo:

• Tutti i componenti elettronici dallo schema
• Una custodia in plastica standard 80 x 60 x 22 mm con un vano incorporato per batterie da 9V
• Una clip per batteria da 9V
• Cavo audio da 1 m 4pol con jack da 3,5 mm
• 3pol. presa stereo 3,5 mm
• un interruttore
• un pezzo di perfboard
• una batteria da 9V
• saldare
• Filo di rame da 2 mm 0, filo teso isolato da 25 mm

Dovrebbero essere utilizzati i seguenti strumenti:

• Saldatore
• Trapano elettrico
• Multimetro digitale
• una raspa rotonda

Passaggio 5: creare le meccaniche: parte 2

Posizionare l'interruttore e la presa da 3, 5 mm

Utilizzare la raspa per limare in due semifori in entrambe le parti dell'involucro (superiore e inferiore). Fai in modo che il foro sia abbastanza largo da consentire l'inserimento dell'interruttore. Ora fai lo stesso con la presa da 3,5 mm. La presa servirà per collegare i tappi per le orecchie. Le uscite audio dal 4pol. jack verrà indirizzato alla presa da 3,5 mm.

Praticare fori per cavo e fototransistor

Praticare un foro di 3 mm sul lato anteriore e incollare il fototransistor in modo che i suoi terminali passino attraverso il foro. Praticare un altro foro di 2 mm di diametro su un lato. Il cavo audio con il jack da 4 mm lo attraverserà.

Saldare l'elettronica

Ora saldare i componenti elettronici sulla perfboard e collegarli al cavo audio e al jack da 3,5 mm come mostrato nello schema. Guarda le immagini che mostrano i pinout del segnale sui jack per l'orientamento. Usa il tuo multimetro digitale per vedere quale segnale dal jack esce su quale filo per identificarlo.

Quando tutto è finito accendi il dispositivo e controlla se le uscite di tensione sui transistor sono più o meno nell'intervallo calcolato. In caso contrario, provare a regolare R3 nel primo stadio dell'amplificatore. Probabilmente sarà il problema a causa delle tolleranze diffuse dei transistor che potresti dover regolare il suo valore.

Passaggio 6: test

Ho costruito un dispositivo più sofisticato di questo tipo alcuni anni fa (vedi video). Da questo momento ho raccolto un sacco di campioni sonori che voglio mostrarvi. La maggior parte li ho raccolti mentre stavo guidando in macchina e ho posizionato il fototransistor dietro il mio parabrezza.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Questo è il suono di un display LED esterno su un autobus che passa
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Il lampeggiatore di un'auto
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Il faro di un'auto
• Luci al neon "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" Il battito di due fari di auto che interferiscono
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Il suono di una CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" Il suono dello schermo del mio oscilloscopio con diverse impostazioni di tempo
• "Sound-PC Monitor.mp3" Il suono del monitor del mio PC
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Lampioni stradali
• "Was_ist_das_1.mp3" Un debole e strano suono alieno che ho sentito da qualche parte mentre guidavo in macchina

Spero di poterti stuzzicare l'appetito e che ora continuerai ad esplorare il nuovo mondo dei suoni di luce da solo!