LightSound: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Eu mexia com eletrônicos desde os 10 anos de idade. Meu pai, técnico de rádio, me ensinou o básico e como usar um ferro de soldar. Eu devo muito a ele. Um dos meus primeiros circuitos foi um amplificador de áudio com microfone e por um tempo adorei ouvir minha voz pelo alto-falante conectado ou sons vindos de fora quando pendurei o microfone na janela. Um dia, meu pai apareceu com uma bobina que ele removeu de um transformador antigo e disse: "Conecte isso ao invés do seu microfone". Eu fiz isso e esse foi um dos momentos mais incríveis da minha vida. De repente, ouvi sons estranhos de zumbidos, assobios, zumbidos eletrônicos agudos e alguns sons que se assemelhavam a vozes humanas distorcidas. Era como mergulhar em um mundo escondido que estava bem diante dos meus ouvidos e que eu não era capaz de reconhecer até o momento. Tecnicamente, não havia nada de mágico nisso. A bobina captava ruído eletromagnético proveniente de todos os tipos de aparelhos domésticos, geladeiras, máquinas de lavar, furadeiras elétricas, aparelhos de TV, rádios, postes de luz a.s.o. Mas a experiência foi crucial para mim. Havia algo ao meu redor que eu não conseguia perceber, mas com um pouco de besteira eletrônica eu estava dentro!

Alguns anos depois, pensei de novo no assunto e uma ideia me veio à mente. O que aconteceria se eu conectasse um fototransistor ao amplificador? Eu também ouviria vibrações que meus olhos estavam com preguiça de reconhecer? Eu fiz isso e novamente a experiência foi incrível! O olho humano é um órgão muito sofisticado. Ele fornece a maior largura de banda de informação de todos os nossos órgãos, mas isso acarreta alguns custos. A capacidade de perceber mudanças é bastante limitada. Se a informação visual muda mais de 11 vezes por segundo, as coisas começam a ficar embaçadas. É por isso que podemos assistir a filmes no cinema ou na nossa TV. Nossos olhos não podem mais acompanhar as mudanças e todas aquelas imagens estáticas são fundidas em um movimento contínuo. Mas se transformarmos a luz em som, nossos ouvidos podem perceber essas oscilações perfeitamente até vários milhares de oscilações por segundo!

Criei um pequeno aparelho eletrônico para transformar meu smartphone em um receptor de som, dando-me também a capacidade de gravar esses sons. Como a eletrônica é muito simples, quero mostrar a vocês os fundamentos do design eletrônico neste exemplo. Então, vamos mergulhar bem fundo em transistores, resistores e capacitores. Mas não se preocupe, vou manter a matemática simples!

Etapa 1: Parte eletrônica 1: O que é um transistor?

Agora, aqui está sua introdução rápida e não suja em transistores bipolares. Existem dois tipos diferentes deles. Um se chama NPN e este é o que você pode ver na foto. O outro tipo é PNP e não vamos falar sobre isso aqui. A diferença é apenas uma questão de polaridade de corrente e tensão e não tem mais interesse.

Um transistor NPN é um componente eletrônico que amplifica a corrente. Basicamente, você tem três terminais. Um está sempre com os pés no chão. Em nossa foto, ele é chamado de "Emissor". Então você tem a "base", que é a esquerda e o "Coletor", que é a superior. Qualquer corrente indo para a base IB irá causar uma corrente amplificada flutuando através do coletor IC e indo através do emissor de volta para o solo. A corrente deve ser conduzida de uma fonte de tensão externa UB. A relação entre a corrente amplificada IC e a corrente de base IB é IC / IB = B. B é chamado de ganho de corrente DC. Depende da temperatura e de como você configura o transistor no circuito. Além disso, está sujeito a tolerâncias de produção severas, por isso não faz muito sentido calcular com valores fixos. Sempre tenha em mente que o ganho atual pode se espalhar muito. Além de B, há outro valor denominado "beta". Enquanto B caracteriza a amplificação de um sinal DC, beta faz o mesmo para sinais AC. Normalmente B e beta não diferem muito.

Junto com a corrente de entrada, o transistor também tem uma tensão de entrada. As restrições da tensão são muito estreitas. Em aplicações normais, ele se moverá em uma área entre 0,62V..0,7V. Forçar uma mudança de voltagem na base resultará em mudanças dramáticas na corrente do coletor porque esta dependência segue uma curva exponencial.

Etapa 2: Parte Eletrônica 2: Projetando o Primeiro Estágio do Amplificador

Agora estamos a caminho. Para converter a luz modulada em som, precisamos de um fototransistor. Um fototransistor se parece muito com o transistor NPN padrão da etapa anterior. Mas também é capaz não só de alterar a corrente do coletor, controlando a corrente de base. Além disso, a corrente do coletor depende da luz. Muita luz - muita corrente, menos corrente sem luz. É tão fácil.

Especificando a fonte de alimentação

Quando estou projetando um hardware, a primeira coisa que faço é me decidir sobre a fonte de alimentação, porque isso afeta TUDO em seu circuito. Usar uma bateria de 1,5 V seria uma má ideia porque, como você aprendeu na etapa 1, o UBE de um transistor está em torno de 0, 65 V e, portanto, já está na metade do caminho para 1,5 V. Devemos fornecer mais reserva. Eu amo baterias de 9V. São baratos, fáceis de manusear e não ocupam muito espaço. Então vamos com 9V. UB = 9V

Especificando a corrente do coletor

Isso também é crucial e afeta tudo. Não deve ser muito pequeno, porque então o transistor se torna instável e o ruído do sinal aumenta. Também não deve ser muito alto porque o transistor sempre tem uma corrente ociosa e uma tensão e isso significa que ele consome energia que é transformada em calor. Muita corrente esgota as baterias e pode matar o transistor devido ao calor. Em minhas aplicações, sempre mantenho a corrente do coletor entre 1… 5mA. No nosso caso, vamos usar 2mA. IC = 2mA.

Limpe sua fonte de alimentação

Se você estiver projetando estágios de amplificador, é sempre uma boa ideia manter sua fonte de alimentação CC limpa. A fonte de alimentação geralmente é uma fonte de ruído e zumbido, mesmo se você usar uma bateria. Isso ocorre porque você geralmente tem comprimentos de cabo razoáveis conectados ao barramento de alimentação que pode funcionar como uma antena para todo o zumbido de energia abundante. Normalmente, estou direcionando a corrente de alimentação através de um pequeno resistor e forneço um capacitor polarizado gordo no final. Ele encurta todos os sinais CA contra o solo. Na imagem, o resistor é R1 e o capacitor é C1. Devemos manter o resistor pequeno porque a queda de tensão que ele gera limita nossa saída. Agora posso contar minha experiência e dizer que uma queda de tensão de 1 V é tolerável se você estiver trabalhando com uma fonte de alimentação de 9 V. UF = 1V.

Agora temos que antecipar um pouco nossos pensamentos. Você verá mais tarde que adicionaremos um segundo estágio de transistor que também precisa limpar sua corrente de alimentação. Portanto, a quantidade de corrente que flui através de R1 é duplicada. A queda de tensão em R1 é R1 = UF / (2xIC) = 1V / 4mA = 250 Ohms. Você nunca obterá exatamente o resistor que deseja porque eles são produzidos em determinados intervalos de valores. O mais próximo do nosso valor é 270 Ohms e ficaremos bem com isso. R1 = 270 Ohms.

Em seguida, escolhemos C1 = 220uF. Isso dá uma frequência de canto de 1 / (2 * PI * R1 * C1) = 2, 7Hz. Não pense muito sobre isso. A frequência de canto é aquela em que o filtro começa a suprimir os sinais CA. Até 2,7 Hz tudo passará mais ou menos sem atenuação. Além de 2, 7 Hz, os sinais são cada vez mais suprimidos. A atenuação de um filtro passa-baixa de primeira ordem é descrita por A = 1 / (2 * PI * f * R1 * C1). Nosso inimigo mais próximo em termos de interferência é o zumbido da linha de energia de 50Hz. Então, vamos aplicar f = 50 e obteremos A = 0, 053. Isso significa que apenas 5,3% do ruído passará pelo filtro. Deve ser o suficiente para nossas necessidades.

Especificando a polarização de tensão do coletor

O bias é o ponto em que você coloca o transistor quando ele está no modo inativo. Isso especifica suas correntes e tensões quando não há sinal de entrada para amplificar. Uma especificação limpa dessa polarização é fundamental porque, por exemplo, a polarização da tensão no coletor especifica o ponto onde o sinal vai oscilar quando o transistor está funcionando. A disposição errada desse ponto resultará em um sinal distorcido quando a oscilação de saída atingir o solo ou a fonte de alimentação. Esses são os limites absolutos que o transistor não pode superar! Normalmente é uma boa ideia colocar a polarização da tensão de saída no meio entre o terra e UB em UB / 2, no nosso caso (UB-UF) / 2 = 4V. Mas por alguma razão você vai entender mais tarde, eu quero colocá-lo um pouco mais abaixo. Primeiro, não precisamos de uma grande oscilação de saída porque mesmo após a amplificação neste primeiro estágio nosso sinal estará na faixa de milivolts. Em segundo lugar, uma polarização mais baixa será melhor para o estágio seguinte do transistor, como você verá. Então, vamos colocar a polarização em 3V. UA = 3V.

Calcule o resistor do coletor

Agora podemos calcular o resto dos componentes. Você verá se uma corrente de coletor flui através de R2, teremos uma queda de tensão vinda do UB. Como UA = UB-UF-IC * R1, podemos extrair R1 e obter R1 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-3V) / 2mA = 2, 5K. Novamente, escolhemos o próximo valor de norma e tomamos R1 = 2, 7K Ohm.

Calcule o resistor de base

Para calcular R3, podemos derivar uma equação simples. A tensão em R3 é UA-UBE. Agora precisamos saber a corrente de base. Eu disse que o ganho de corrente DC B = IC / IB, então IB = IC / B, mas qual é o valor de B? Infelizmente, usei um fototransistor de uma embalagem excedente e não há marcação adequada nos componentes. Portanto, temos que usar nossa fantasia. Os fototransistores não têm tanta amplificação. Eles são mais projetados para velocidade. Enquanto o ganho de corrente DC para um transistor normal pode chegar a 800, o fator B de um fototransistor pode estar entre 200..400. Então, vamos com B = 300. R3 = (UA-UBE) / IB = B * (UA-UBE) / IC = 352K Ohm. Isso é perto de 360K Ohm. Infelizmente não tenho esse valor na minha caixa, então usei um 240K + 100K em série. R3 = 340K Ohm.

Você pode se perguntar por que drenamos a corrente de base do coletor e não do UB. Deixe-me te dizer isso. A tendência de um transistor é uma coisa frágil porque um transistor está sujeito a tolerâncias de produção, bem como a uma dependência severa da temperatura. Isso significa que se você polarizar seu transistor diretamente do UB, ele provavelmente se afastará em breve. Para lidar com esse problema, os designers de hardware usam um método chamado "feedback negativo". Dê uma olhada em nosso circuito novamente. A corrente de base vem da tensão do coletor. Agora imagine que o transistor fica mais quente e seu valor B aumenta. Isso significa que mais corrente do coletor está fluindo e o UA diminui. Mas menos UA também significa menos IB e a voltagem UA está subindo um pouco novamente. Com B diminuindo, você tem o mesmo efeito ao contrário. Isso é REGULAMENTO! Isso significa que, com uma fiação inteligente, podemos manter a polarização do transistor dentro dos limites. Você também verá outro feedback negativo na próxima etapa. Aliás, o feedback negativo normalmente também diminui a amplificação do palco, mas há meios de superar esse problema.

Etapa 3: Parte Eletrônica 3: Projetando o Segundo Estágio

Fiz alguns testes aplicando o sinal lightsound do estágio pré-amplificado na etapa anterior em meu smartphone. Foi encorajador, mas pensei que um pouco mais de amplificação seria melhor. Eu estimei que um impulso adicional de fator 5 deveria resolver o problema. Então, vamos lá com a segunda fase! Normalmente, nós configuramos novamente o transistor no segundo estágio com sua própria polarização e alimentamos nele o sinal pré-amplificado do primeiro estágio por meio de um capacitor. Lembre-se de que os capacitores não deixam passar CC. Apenas o sinal AC pode passar. Desta forma, você pode rotear um sinal através dos estágios e a polarização de cada estágio não será afetada. Mas vamos tornar as coisas um pouco mais interessantes e tentar salvar alguns componentes porque queremos manter o dispositivo pequeno e acessível. Usaremos a polarização de saída do estágio 1 para polarizar o transistor no estágio 2!

Calculando o resistor emissor R5

Neste estágio, nosso transistor NPN é polarizado diretamente do estágio anterior. No diagrama de circuito, vemos que UE = UBE + ICxR5. Como UE = UA do estágio anterior, podemos extrair R5 = (UE-UBE) / IC = (3V-0,65V) / 2mA = 1, 17K Ohm. Tornamos 1, 2K Ohm, que é o valor da norma mais próximo. R5 = 1, 2K Ohm.

Aqui você pode ver outro tipo de feedback. Digamos que enquanto UE permanece constante, o valor B do transistor aumenta devido à temperatura. Assim, obtemos mais corrente por meio do coletor e do emissor. Porém, mais corrente em R5 significa mais tensão em R5. Porque UBE = UE - IC * R5, um aumento de IC significa uma diminuição de UBE e, portanto, uma nova diminuição de IC. Aqui, novamente, temos uma regulamentação que nos ajuda a manter o viés estável.

Calculando o resistor do coletor R4

Agora devemos ficar de olho na oscilação de saída de nosso sinal de coletor UA. O limite inferior é a polarização do emissor de 3V-0, 65V = 2, 35V. O limite superior é a tensão UB-UB = 9V-1V = 8V. Colocaremos nossa tendência de colecionador bem no meio. UA = 2, 35 V + (8 V-2, 35 V) / 2 = 5, 2 V. UA = 5, 2V. Agora é fácil calcular R4. R4 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-5, 2V) / 2mA = 1, 4K Ohm. Tornamos R4 = 1, 5K Ohm.

E a amplificação?

E quanto ao fator 5 de amplificação que queremos ganhar? A amplificação da voltagem dos sinais CA no palco, como você pode ver, é descrita em uma fórmula muito simples. Vu = R4 / R5. Muito simples né? Esta é a amplificação de um transistor com feedback negativo sobre o resistor emissor. Lembre-se de que eu disse que o feedback negativo também está afetando a amplificação se você não estiver usando os meios adequados contra isso.

Se calcularmos a amplificação com os valores escolhidos de R4 e R5, obteremos V = R4 / R5 = 1,5K / 1,2K = 1,2. Hm, isso está bem longe de 5. Então o que podemos fazer? Bem, primeiro vemos que não podemos fazer nada em relação ao R4. Ele é fixado pela polarização de saída e pelas restrições de tensão. E quanto ao R5? Vamos calcular o valor que R5 deveria ter se tivéssemos uma amplificação de 5. Isso é fácil, porque Vu = R4 / R5 isso significa que R5 = R4 / Vu = 1,5K Ohm / 5 = 300 Ohm. Ok, tudo bem, mas se colocássemos 300 Ohm em vez de 1,2 K em nosso circuito, nossa polarização seria danificada. Portanto, precisamos colocar ambos, 1,2 K Ohm para a polarização CC e 300 Ohms para o feedback negativo CA. Dê uma olhada na segunda foto. Você verá que eu dividi o resistor de 1,2K Ohm em 220 Ohm e 1K Ohm em série. Além disso, escolhi 220 Ohms porque não tinha um resistor de 300 Ohms. O 1K também é desviado por um capacitor polarizado gordo. O que isso significa? Bem, para a polarização CC, isso significa que o feedback negativo "vê" 1, 2K Ohm porque CC pode não passar por um capacitor, então, para polarização CC, C3 simplesmente não existe! O sinal CA, por outro lado, apenas "vê" os 220 Ohm porque cada queda de tensão CA em R6 está em curto-circuito com o aterramento. Sem queda de tensão, sem feedback. Apenas os 220 Ohm permanecem para feedback negativo. Muito inteligente, hein?

Para fazer isso funcionar corretamente, você deve escolher C3 para que sua impedância seja muito menor do que R3. Um bom valor é 10% de R3 para a menor frequência de trabalho possível. Digamos que nossa frequência mais baixa seja 30 Hz. A impedância de um capacitor é Xc = 1 / (2 * PI * f * C3). Se extrairmos C3 e colocarmos a frequência e o valor de R3, obteremos C3 = 1 / (2 * PI * f * R3 / 10) = 53uF. Para corresponder ao valor da norma mais próximo, vamos torná-lo C3 = 47uF.

Agora veja o esquema completo na última foto. Foram realizadas!

Etapa 4: Fazendo a parte mecânica 1: Lista de materiais

Usei os seguintes componentes para fazer o dispositivo:

• Todos os componentes eletrônicos do esquema
• Uma caixa de plástico padrão 80 x 60 x 22 mm com um compartimento embutido para baterias de 9V
• Um clipe de bateria de 9V
• 1m 4pol cabo de áudio com jack 3,5 mm
• 3pol. tomada estéreo de 3,5 mm
• uma troca
• um pedaço de perfboard
• uma bateria de 9V
• solda
• Fio de cobre de 2 mm 0, fio esticado isolado de 25 mm

As seguintes ferramentas devem ser usadas:

• Ferro de solda
• Furadeira elétrica
• Multímetro digital
• uma lima redonda

Etapa 5: Fazendo a mecânica: Parte 2

Coloque o interruptor e o soquete de 3,5 mm

Use a grosa para lixar em dois meios-furos em ambas as partes da caixa (superior e inferior). Faça o orifício largo o suficiente para a chave se encaixar. Agora faça o mesmo com o soquete de 3,5 mm. O soquete será usado para conectar os tampões de ouvido. As saídas de áudio do 4pol. jack será encaminhado para o soquete de 3,5 mm.

Faça furos para o cabo e fototransistor

Faça um orifício de 3 mm na parte frontal e cole o fototransistor nele de forma que seus terminais passem pelo orifício. Faça outro orifício de 2 mm de diâmetro de um lado. O cabo de áudio com o conector de 4 mm passará por ele.

Soldar o eletrônico

Agora solde os componentes eletrônicos na perfboard e conecte-os ao cabo de áudio e ao conector de 3,5 mm conforme mostrado no esquema. Observe as imagens que mostram as pinagens de sinal nas tomadas para orientação. Use seu DMM para ver qual sinal da tomada sai em qual fio para identificá-lo.

Quando tudo estiver concluído, ligue o dispositivo e verifique se as saídas de tensão nos transistores estão mais ou menos na faixa calculada. Caso contrário, tente ajustar R3 no primeiro estágio do amplificador. Provavelmente será o problema devido às tolerâncias generalizadas dos transistores que você pode ter que ajustar seu valor.

Etapa 6: Teste

Construí um aparelho desse tipo mais sofisticado há alguns anos (veja o vídeo). Desta vez, eu coletei um monte de amostras de som que quero mostrar a vocês. A maioria deles eu coletei enquanto dirigia meu carro e coloquei o fototransistor atrás do meu para-brisa.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Este é o som de um display LED externo em um ônibus passando
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" O pisca-pisca de um carro
• "LED_Scheinwerfer.mp3" O farol de um carro
• Luzes de néon "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" A batida de dois faróis de carro interferindo
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" O som de um CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" O som da tela do meu osciloscópio com diferentes configurações de tempo
• "Sound-PC Monitor.mp3" O som do meu monitor de PC
• Luzes de rua "Strassenlampen_Sequenz.mp3"
• "Was_ist_das_1.mp3" Um som fraco e estranho de um alienígena que ouvi em algum lugar enquanto dirigia meu carro

Espero ter saciado seu apetite e que você vá explorar o novo mundo dos sons de luz por conta própria agora!