LightSound: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Estuve jugando con la electrónica desde que tenía 10 años. Mi padre, un técnico de radio, me enseñó los conceptos básicos y cómo usar un soldador. Yo le debo mucho. Uno de mis primeros circuitos fue un amplificador de audio con micrófono y durante un tiempo me encantó escuchar mi voz a través del altavoz conectado o los sonidos del exterior cuando colgaba el micrófono por la ventana. Un día, mi padre vino con una bobina que sacó de un transformador viejo y dijo: "Conecte esto en lugar de su micrófono". Lo hice y este fue uno de los momentos más increíbles de mi vida. De repente escuché extraños zumbidos, silbidos, zumbidos electrónicos agudos y algunos sonidos que se parecían a voces humanas distorsionadas. Fue como bucear en un mundo oculto que estaba justo delante de mis oídos y que no pude reconocer hasta este momento. Técnicamente, no tenía nada de mágico. La bobina captaba ruido electromagnético procedente de todo tipo de aparatos domésticos, frigoríficos, lavadoras, taladros eléctricos, televisores, radios, alumbrado público a.s.o. Pero la experiencia fue crucial para mí. Había algo a mi alrededor que no podía percibir, ¡pero con un poco de jerga electrónica estaba metido!

Algunos años después lo volví a pensar y se me ocurrió una idea. ¿Qué pasaría si conectara un fototransistor al amplificador? ¿Escucharía también vibraciones que mis ojos fueran demasiado perezosos para reconocer? ¡Lo hice y nuevamente la experiencia fue increíble! El ojo humano es un órgano muy sofisticado. Proporciona el mayor ancho de banda de información de todos nuestros órganos, pero esto conlleva algunos costos. La capacidad de percibir cambios es bastante limitada. Si la información visual cambia más de 11 veces por segundo, las cosas comienzan a volverse borrosas. Esta es la razón por la que podemos ver películas en el cine o en nuestra televisión. Nuestros ojos ya no pueden seguir los cambios y todas esas imágenes fijas únicas se funden en un movimiento continuo. ¡Pero si cambiamos la luz en sonido, nuestros oídos podrían percibir esas oscilaciones perfectamente hasta varios miles de oscilaciones por segundo!

Ideé un pequeño dispositivo electrónico para convertir mi teléfono inteligente en un receptor de sonido de luz, dándome también la capacidad de grabar esos sonidos. Debido a que la electrónica es muy simple, quiero mostrarle los conceptos básicos del diseño electrónico en este ejemplo. Así que vamos a sumergirnos bastante en los transistores, resistencias y condensadores. Pero no te preocupes, ¡mantendré las matemáticas simples!

Paso 1: Parte electrónica 1: ¿Qué es un transistor?

Ahora aquí está su introducción rápida y no sucia a los transistores bipolares. Hay dos tipos diferentes de ellos. Uno se llama NPN y este es el que puedes ver en la imagen. El otro tipo es PNP y no hablaremos de él aquí. La diferencia es solo una cuestión de polaridad de corriente y voltaje y no de mayor interés.

Un transistor NPN es un componente electrónico que amplifica la corriente. Básicamente tienes tres terminales. Uno siempre está conectado a tierra. En nuestra imagen se llama "Emisor". Luego tienes la "base", que es la izquierda y el "Colector" que es la superior. Cualquier corriente que ingrese a la base IB provocará una corriente amplificada que flote a través del colector IC y que atraviese el emisor de regreso a tierra. La corriente debe ser impulsada por una fuente de voltaje externa UB. La relación de la corriente IC amplificada y la corriente de base IB es IC / IB = B. B se llama ganancia de corriente CC. Depende de la temperatura y de cómo configure su transistor en su circuito. Además, es propenso a tolerancias de producción severas, por lo que no tiene mucho sentido calcular con valores fijos. Tenga siempre en cuenta que la ganancia actual puede extenderse mucho. Aparte de B, hay otro valor llamado "beta". Wile B caracteriza la amplificación de una señal de CC, beta hace lo mismo con las señales de CA. Normalmente, B y beta no difieren mucho.

Junto con la corriente de entrada, el transistor también tiene un voltaje de entrada. Las limitaciones del voltaje son muy estrechas. En aplicaciones normales, se moverá en un área entre 0.62V..0.7V. Forzar un cambio de voltaje en la base resultará en cambios dramáticos de la corriente del colector porque esta dependencia sigue una curva exponencial.

Paso 2: Parte electrónica 2: Diseño de la primera etapa del amplificador

Ahora estamos en camino. Para convertir la luz modulada en sonido, necesitamos un fototransistor. Un fototransistor se parece mucho al transistor NPN estándar del paso anterior. Pero también es capaz no solo de cambiar la corriente del colector controlando la corriente base. Además, la corriente del colector depende de la luz. Mucha luz, mucha corriente, menos luz, menos corriente. Es fácil.

Especificar la fuente de alimentación

Cuando estoy diseñando hardware, lo primero que hago es tomar una decisión sobre la fuente de alimentación porque esto afecta TODO en su circuito. Usar una batería de 1,5 V sería una mala idea porque, como aprendió en el paso 1, el UBE de un transistor es de alrededor de 0, 65 V y, por lo tanto, ya está en la mitad del camino hasta 1, 5 V. Deberíamos proporcionar más reserva. Amo las baterías de 9V. Son baratos y fáciles de manejar y no consumen mucho espacio. Así que vayamos con 9V. UB = 9V

Especificación de la corriente del colector

Esto también es crucial y afecta a todo. No debe ser demasiado pequeño porque entonces el transistor se vuelve inestable y el ruido de la señal aumenta. Tampoco debe ser demasiado alto porque el transistor siempre tiene una corriente y un voltaje inactivos y eso significa que consume energía que se convierte en calor. Demasiada corriente agota las baterías y puede matar el transistor debido al calor. En mis aplicaciones siempre mantengo la corriente del colector entre 1… 5mA. En nuestro caso vayamos con 2mA. IC = 2 mA.

Limpia tu fuente de alimentación

Si está diseñando etapas de amplificador, siempre es una buena idea mantener limpia la fuente de alimentación de CC. La fuente de alimentación suele ser una fuente de ruido y zumbidos, incluso si utiliza una batería. Esto se debe a que normalmente tiene cables de longitud razonable conectados al riel de suministro que pueden funcionar como una antena para el zumbido de toda la potencia. Normalmente estoy enrutando la corriente de suministro a través de una pequeña resistencia y proporciono un condensador polarizado grueso al final. Corta todas las señales de CA contra tierra. En la imagen, la resistencia es R1 y el condensador es C1. Debemos mantener la resistencia pequeña porque la caída de voltaje que genera limita nuestra salida. Ahora puedo aportar mi experiencia y decir que la caída de voltaje de 1 V es tolerable si está trabajando con una fuente de alimentación de 9 V. UF = 1V.

Ahora tenemos que anticiparnos un poco a nuestros pensamientos. Verá más adelante que agregaremos una segunda etapa de transistor que también necesita limpiar su suministro de corriente. Entonces, la cantidad de corriente que fluye a través de R1 se duplica. La caída de voltaje en R1 es R1 = UF / (2xIC) = 1V / 4mA = 250 Ohms. Nunca obtendrá exactamente la resistencia que desea porque se producen en ciertos intervalos de valor. El más cercano a nuestro valor es 270 ohmios y estaremos bien con eso. R1 = 270 ohmios.

Luego elegimos C1 = 220uF. Eso da una frecuencia de esquina de 1 / (2 * PI * R1 * C1) = 2, 7Hz. No pienses demasiado en esto. La frecuencia de esquina es aquella en la que el filtro comienza a suprimir las señales de CA. Hasta 2, 7Hz todo pasará más o menos desatendido. Más allá de 2, 7Hz, las señales se suprimen cada vez más. La atenuación de un filtro de paso bajo de primer orden se describe mediante A = 1 / (2 * PI * f * R1 * C1). Nuestro enemigo más cercano en términos de interferencia es el zumbido de la línea eléctrica de 50Hz. Así que apliquemos f = 50 y obtenemos A = 0, 053. Eso significa que solo el 5, 3% del ruido pasará por el filtro. Debería ser suficiente para nuestras necesidades.

Especificación de la polarización de voltaje del colector

El sesgo es el punto donde coloca su transistor cuando está en modo inactivo. Esto especifica sus corrientes y voltajes cuando no hay señal de entrada para amplificar. Una especificación clara de este sesgo es fundamental porque, por ejemplo, el sesgo de voltaje en el colector especifica el punto donde la señal oscilará cuando el transistor esté funcionando. Establecer este punto de forma errónea resultará en una señal distorsionada cuando la oscilación de salida golpee el suelo o la fuente de alimentación. ¡Estos son los límites absolutos que el transistor no puede superar! Normalmente es una buena idea colocar la polarización del voltaje de salida en el medio entre tierra y UB en UB / 2, en nuestro caso (UB-UF) / 2 = 4V. Pero por alguna razón entenderás más adelante quiero ponerlo un poco más bajo. Primero, no necesitamos una gran oscilación de salida porque incluso después de la amplificación en esta primera etapa, nuestra señal estará en el rango de milivoltios. En segundo lugar, una polarización más baja funcionará mejor para la siguiente etapa del transistor, como verá. Así que pongamos el sesgo en 3V. UA = 3V.

Calcule la resistencia del colector

Ahora podemos calcular el resto de componentes. Verá que si una corriente de colector fluye a través de R2, obtendremos una caída de voltaje proveniente de UB. Como UA = UB-UF-IC * R1 podemos extraer R1 y obtener R1 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-3V) / 2mA = 2, 5K. Nuevamente elegimos el siguiente valor de norma y tomamos R1 = 2, 7K Ohm.

Calcule la resistencia base

Para calcular R3 podemos derivar una ecuación simple. El voltaje en R3 es UA-UBE. Ahora necesitamos conocer la corriente base. Te dije que la ganancia de corriente CC B = IC / IB, entonces IB = IC / B, pero ¿cuál es el valor de B? Lamentablemente, utilicé un fototransistor de un paquete excedente y no hay una marca adecuada en los componentes. Entonces tenemos que usar nuestra fantasía. Los fototransistores no tienen tanta amplificación. Están más diseñados para la velocidad. Mientras que la ganancia de corriente continua para un transistor normal puede alcanzar 800, el factor B de un fototransistor puede estar entre 200..400. Entonces vayamos con B = 300. R3 = (UA-UBE) / IB = B * (UA-UBE) / IC = 352K Ohm. Eso es cerca de 360K Ohm. Lamentablemente, no tengo este valor en mi caja, así que usé 240K + 100K en serie. R3 = 340 K ohmios.

Puede preguntarse por qué drenamos la corriente de base del colector y no de UB. Dejame decirte esto. El sesgo de un transistor es algo frágil porque un transistor es propenso a tolerancias de producción, así como a una dependencia severa de la temperatura. Eso significa que si polariza su transistor directamente desde UB, es probable que se desvíe pronto. Para hacer frente a ese problema, los diseñadores de hardware utilizan un método llamado "retroalimentación negativa". Vuelve a echar un vistazo a nuestro circuito. La corriente base proviene del voltaje del colector. Ahora imagine que el transistor se calienta y su valor B aumenta. Eso significa que fluye más corriente de colector y UA disminuye. Pero menor UA también significa menor IB y el voltaje UA está subiendo de nuevo un poco. Con B disminuyendo, tiene el mismo efecto al revés. ¡Esto es REGLAMENTO! Eso significa que mediante un cableado inteligente podemos mantener la polarización del transistor dentro de los límites. También verá otro comentario negativo en la siguiente etapa. Por cierto, la retroalimentación negativa normalmente también disminuye la amplificación del escenario, pero existen medios para superar este problema.

Paso 3: Parte electrónica 3: Diseño de la segunda etapa

Hice algunas pruebas aplicando la señal de sonido de luz de la etapa preamplificada en el paso anterior en mi teléfono inteligente. Fue alentador, pero pensé que un poco más de amplificación sería mejor. Calculé que un impulso adicional de factor 5 debería hacer el trabajo. ¡Así que aquí vamos con la segunda etapa! Normalmente, volveríamos a configurar el transistor en la segunda etapa con su propia polarización y alimentaríamos la señal preamplificada de la primera etapa a través de un condensador. Recuerde que los condensadores no dejan pasar CC. Solo puede pasar la señal de CA. De esta manera, puede enrutar una señal a través de las etapas y la polarización de cada etapa no se verá afectada. Pero hagamos las cosas un poco más interesantes e intentemos guardar algunos componentes porque queremos que el dispositivo sea pequeño y práctico. ¡Usaremos la polarización de salida de la etapa 1 para polarizar el transistor en la etapa 2!

Cálculo de la resistencia del emisor R5

En esta etapa, nuestro transistor NPN se polariza directamente desde la etapa anterior. En el diagrama del circuito vemos que UE = UBE + ICxR5. Debido a que UE = UA de la etapa anterior podemos extraer R5 = (UE-UBE) / IC = (3V-0.65V) / 2mA = 1, 17K Ohm. Lo hacemos 1, 2K Ohm, que es el valor normativo más cercano. R5 = 1, 2K ohmios.

Aquí puedes ver otro tipo de comentarios. Digamos que mientras UE permanece constante, el valor B del transistor aumenta debido a la temperatura. Entonces obtenemos más corriente a través del colector y el emisor. Pero más corriente a través de R5 significa más voltaje a través de R5. Debido a que UBE = UE - IC * R5, un aumento de IC significa una disminución de UBE y, por lo tanto, una disminución nuevamente de IC. Aquí nuevamente tenemos una regulación que nos ayuda a mantener estable el sesgo.

Cálculo de la resistencia de colector R4

Ahora deberíamos estar atentos a la oscilación de salida de nuestra señal de colector UA. El límite inferior es la polarización del emisor de 3V-0, 65V = 2, 35V. El límite superior es el voltaje UB-UB = 9V-1V = 8V. Pondremos nuestro sesgo de coleccionista justo en el medio. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V) / 2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Ahora es fácil calcular R4. R4 = (UB-UF-UA) / IC = (9V-1V-5, 2V) / 2mA = 1, 4K Ohm. Lo hacemos R4 = 1, 5K Ohm.

¿Qué pasa con la amplificación?

Entonces, ¿qué pasa con el factor 5 de amplificación que queremos ganar? La amplificación de voltaje de las señales de CA en el escenario, como puede ver, se describe en una fórmula muy simple. Vu = R4 / R5. Bastante simple ¿eh? Esta es la amplificación de un transistor con retroalimentación negativa sobre la resistencia del emisor. Recuerde que le dije que la retroalimentación negativa también está afectando la amplificación si no está tomando los medios adecuados contra ella.

Si calculamos la amplificación con los valores elegidos de R4 y R5 obtenemos V = R4 / R5 = 1.5K / 1.2K = 1.2. Hm, eso está bastante lejos de 5. Entonces, ¿qué podemos hacer? Bueno, primero vemos que no podemos hacer nada con respecto a R4. Está fijado por la polarización de salida y las restricciones de voltaje. ¿Qué pasa con R5? Calculemos el valor que debería tener R5 si tuviéramos una amplificación de 5. Eso es fácil, porque Vu = R4 / R5 esto significa que R5 = R4 / Vu = 1.5K Ohm / 5 = 300 Ohm. Ok, está bien, pero si pusiéramos un 300 Ohm en lugar de los 1.2K en nuestro circuito, nuestro sesgo se estropearía. Por lo tanto, debemos poner ambos, 1.2K ohmios para la polarización de CC y 300 ohmios para la retroalimentación negativa de CA. Eche un vistazo a la segunda imagen. Verá que dividí la resistencia de 1, 2K Ohm en una serie de 220 Ohm y 1K Ohm. Además, elegí 220 ohmios porque no tenía una resistencia de 300 ohmios. El 1K también se pasa por alto mediante un condensador polarizado grueso. ¿Qué significa esto? Bueno, para el sesgo de CC, eso significa que la retroalimentación negativa "ve" 1, 2K Ohm porque es posible que CC no pase a través de un condensador, por lo que para el sesgo de CC, C3 simplemente no existe. La señal de CA, por otro lado, simplemente "ve" los 220 ohmios porque cada caída de voltaje de CA a través de R6 está en cortocircuito a tierra. Sin caída de voltaje, sin retroalimentación. Solo quedan los 220 ohmios para la retroalimentación negativa. Muy inteligente, ¿eh?

Para que esto funcione correctamente, debe elegir C3 para que su impedancia sea mucho más baja que la de R3. Un buen valor es el 10% de R3 para la frecuencia de trabajo más baja posible. Digamos que nuestra frecuencia más baja es de 30 Hz. La impedancia de un condensador es Xc = 1 / (2 * PI * f * C3). Si extraemos C3 y ponemos la frecuencia y el valor de R3 obtenemos C3 = 1 / (2 * PI * f * R3 / 10) = 53uF. Para igualar el valor normativo más cercano, hagámoslo C3 = 47uF.

Ahora vea el esquema completo en la última imagen. ¡Terminamos!

Paso 4: Fabricación de la mecánica Parte 1: Lista de materiales

Usé los siguientes componentes para hacer el dispositivo:

• Todos los componentes electrónicos del esquema.
• Una caja de plástico estándar de 80 x 60 x 22 mm con un compartimento integrado para baterías de 9V
• Un clip de batería de 9V
• Cable de audio de 4 polos de 1 m con conector de 3,5 mm
• 3pol. toma estéreo de 3,5 mm
• Un interruptor
• un trozo de perfboard
• una batería de 9V
• soldar
• Alambre de cobre de 2 mm 0, alambre tenso aislado de 25 mm

Deben utilizarse las siguientes herramientas:

• Soldador
• Taladro eléctrico
• Multímetro digital
• una escofina redonda

Paso 5: Hacer la mecánica: Parte 2

Coloque el interruptor y la toma de 3,5 mm

Utilice la escofina para limar en dos medios orificios en ambas partes de la carcasa (superior e inferior). Haga el orificio lo suficientemente ancho para que encaje el interruptor. Ahora haga lo mismo con la toma de 3,5 mm. El enchufe se utilizará para conectar tapones para los oídos. Las salidas de audio del 4pol. se enrutará a la toma de 3,5 mm.

Hacer agujeros para cable y fototransistor

Taladre un orificio de 3 mm en la parte frontal y pegue el fototransistor en él para que sus terminales pasen por el orificio. Taladre otro agujero de 2 mm de diámetro en un lado. El cable de audio con el conector de 4 mm lo atravesará.

Suelde la electrónica

Ahora suelde los componentes electrónicos en la placa perfilada y conéctelo al cable de audio y al conector de 3,5 mm como se muestra en el esquema. Mire las imágenes que muestran los pines de señal en las tomas para orientarse. Utilice su multímetro digital para ver qué señal de la toma sale en qué cable para identificarlo.

Cuando todo esté terminado, encienda el dispositivo y verifique si las salidas de voltaje en los transistores están más o menos en el rango calculado. Si no, intente ajustar R3 en la primera etapa del amplificador. Es probable que sea el problema debido a las tolerancias generalizadas de los transistores, es posible que tenga que ajustar su valor.

Paso 6: prueba

Construí un dispositivo más sofisticado de este tipo hace algunos años (ver video). A partir de este momento, recopilé un montón de muestras de sonido que quiero mostrarles. La mayoría de ellos los recogí mientras conducía en mi automóvil y coloqué el fototransistor detrás de mi parabrisas.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Este es el sonido de una pantalla LED externa en un bus que pasa por
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" El intermitente de un coche
• "LED_Scheinwerfer.mp3" El faro de un coche
• Luces de neón "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" El ritmo de dos faros de coche que interfieren
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" El sonido de una CFL
• "Sound_oscilloscope.mp3" El sonido de la pantalla de mi osciloscopio con diferentes configuraciones de tiempo
• "Sound-PC Monitor.mp3" El sonido de mi monitor de PC
• Alumbrado público "Strassenlampen_Sequenz.mp3"
• "Was_ist_das_1.mp3" Un débil y extraño sonido parecido a un extraterrestre que capté en algún lugar mientras conducía mi auto

¡Espero poder abrir tu apetito y seguir explorando el nuevo mundo de los sonidos de luz por tu cuenta ahora!