LightSound : 6 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Je bricolais avec l'électronique depuis l'âge de 10 ans. Mon père, technicien radio, m'a appris les bases et l'utilisation d'un fer à souder. Je lui dois beaucoup. L'un de mes premiers circuits était un amplificateur audio avec un microphone et pendant un certain temps, j'ai adoré entendre ma voix à travers le haut-parleur connecté ou les sons de l'extérieur lorsque j'ai accroché le microphone à ma fenêtre. Un jour, mon père est venu avec une bobine qu'il a retirée d'un vieux transformateur et il a dit: « Connectez-le à la place de votre microphone ». Je l'ai fait et ce fut l'un des moments les plus incroyables de ma vie. Soudain, j'ai entendu des bourdonnements étranges, des sifflements, des bourdonnements électroniques aigus et des sons qui ressemblaient à des voix humaines déformées. C'était comme plonger dans un monde caché qui se trouvait juste devant mes oreilles que je n'étais pas capable de reconnaître jusqu'à ce moment. Techniquement, il n'y avait rien de magique là-dedans. La bobine capte le bruit électromagnétique provenant de toutes sortes d'appareils ménagers, réfrigérateurs, machines à laver, perceuses électriques, téléviseurs, radios, lampadaires, etc. Mais l'expérience a été cruciale pour moi. Il y avait quelque chose autour de moi que je ne pouvais pas percevoir mais avec du charabia électronique j'étais dedans !

Quelques années plus tard, j'y ai repensé et une idée m'est venue à l'esprit. Que se passerait-il si je connectais un fototransistor à l'amplificateur ? Est-ce que j'entendrais aussi des vibrations que mes yeux étaient trop paresseux pour reconnaître ? Je l'ai fait et encore une fois l'expérience était géniale! L'œil humain est un organe très sophistiqué. Il fournit la plus grande bande passante d'informations de tous nos organes, mais cela entraîne certains coûts. La capacité de percevoir les changements est assez limitée. Si les informations visuelles changent plus de 11 fois par seconde, les choses commencent à devenir floues. C'est la raison pour laquelle nous pouvons regarder des films au cinéma ou sur notre téléviseur. Nos yeux ne peuvent plus suivre les changements et toutes ces images fixes sont fusionnées en un seul mouvement continu. Mais si nous transformons la lumière en son, nos oreilles pourraient percevoir parfaitement ces oscillations jusqu'à plusieurs milliers d'oscillations par seconde !

J'ai conçu une petite électronique pour transformer mon smartphone en un récepteur de sons lumineux, me donnant également la possibilité d'enregistrer ces sons. Parce que l'électronique est très simple, je veux vous montrer les bases de la conception électronique sur cet exemple. Nous allons donc plonger assez profondément dans les transistors, les résistances et les condensateurs. Mais ne vous inquiétez pas, je vais garder le calcul simple !

Étape 1: Partie électronique 1: Qu'est-ce qu'un transistor ?

Voici maintenant votre introduction rapide et non salissante aux transistors bipolaires. Il en existe deux sortes différentes. L'un s'appelle NPN et c'est celui que vous pouvez voir sur la photo. L'autre type est le PNP et nous n'en parlerons pas ici. La différence est juste une question de polarité de courant et de tension et n'a pas d'intérêt supplémentaire.

Un transistor NPN est un composant électronique qui amplifie le courant. En gros, vous avez trois terminaux. L'un est toujours mis à la terre. Dans notre image, il est appelé "l'émetteur". Ensuite, vous avez la "base", qui est celle de gauche et le "Collector" qui est celle du haut. Tout courant entrant dans la base IB provoquera un courant amplifié flottant à travers le collecteur IC et traversant l'émetteur jusqu'à la terre. Le courant doit provenir d'une source de tension externe UB. Le rapport du courant amplifié IC et du courant de base IB est IC/IB=B. B est appelé le gain de courant continu. Cela dépend de la température et de la façon dont vous configurez votre transistor dans votre circuit. De plus, il est sujet à des tolérances de production sévères, il n'est donc pas très logique de calculer avec des valeurs fixes. Gardez toujours à l'esprit que le gain actuel peut s'étaler beaucoup. Outre B, il existe une autre valeur nommée "beta". Wile B caractérise l'amplification d'un signal DC, bêta fait de même pour les signaux AC. Normalement, B et bêta ne diffèrent pas beaucoup.

Avec le courant d'entrée, le transistor a également une tension d'entrée. Les contraintes de la tension sont très étroites. Dans des applications normales, il se déplacera dans une zone comprise entre 0,62 V et 0,7 V. Forcer un changement de tension sur la base entraînera des changements spectaculaires du courant du collecteur car cette dépendance suit une courbe exponentielle.

Étape 2: Électronique Partie 2: Conception du premier étage de l'amplificateur

Maintenant, nous sommes en route. Pour convertir la lumière modulée en son, nous avons besoin d'un fototransistor. Un fototransistor ressemble beaucoup au transistor NPN standard de l'étape précédente. Mais il est également capable non seulement de modifier le courant du collecteur en contrôlant le courant de base. De plus, le courant du collecteur dépend de la lumière. Beaucoup de lumière-beaucoup de courant, moins de courant sans lumière. C'est si facile.

Spécification de l'alimentation

Lorsque je conçois du matériel, la première chose que je fais est de me décider sur l'alimentation car cela affecte TOUT dans votre circuit. Utiliser une pile 1,5V serait une mauvaise idée car, comme vous l'avez appris à l'étape 1, l'UBE d'un transistor est d'environ 0,65V et donc déjà à mi-chemin jusqu'à 1,5V. Nous devrions fournir plus de réserve. J'adore les piles 9V. Ils sont bon marché et faciles à manipuler et ne consomment pas beaucoup d'espace. Alors allons-y avec 9V. UB=9V

Spécification du courant du collecteur

Ceci est également crucial et affecte tout. Il ne doit pas être trop petit car le transistor devient alors instable et le bruit du signal augmente. Il ne doit pas non plus être trop élevé car le transistor a toujours un courant de repos et une tension et cela signifie qu'il consomme de l'énergie qui est transformée en chaleur. Trop de courant draine les batteries et peut tuer le transistor à cause de la chaleur. Dans mes applications, je garde toujours le courant du collecteur entre 1 et 5 mA. Dans notre cas, optons pour 2mA. IC=2mA.

Nettoyez votre alimentation

Si vous concevez des étages d'amplification, c'est toujours une bonne idée de garder votre alimentation en courant continu propre. L'alimentation est souvent une source de bruit et de ronflement même si vous utilisez une batterie. C'est parce que vous avez généralement des longueurs de câble raisonnables connectées au rail d'alimentation qui peuvent fonctionner comme une antenne pour le bourdonnement de puissance abondant. Normalement, j'achemine le courant d'alimentation à travers une petite résistance et je fournis un gros condensateur polarisé à la fin. Il court-circuite tous les signaux AC contre le sol. Dans l'image, la résistance est R1 et le condensateur est C1. Nous devons garder la résistance petite car la chute de tension qu'elle génère limite notre sortie. Maintenant, je peux ajouter mon expérience et dire qu'une chute de tension de 1 V est tolérable si vous travaillez avec une alimentation de 9 V. UF=1V.

Maintenant, nous devons anticiper un peu nos pensées. Vous verrez plus tard que nous ajouterons un deuxième étage à transistors qui doit également nettoyer son courant d'alimentation. Ainsi, la quantité de courant traversant R1 est doublée. La chute de tension aux bornes de R1 est R1=UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohms. Vous n'obtiendrez jamais exactement la résistance que vous voulez car elles sont produites dans certains intervalles de valeurs. Le plus proche de notre valeur est de 270 Ohms et cela nous ira bien. R1=270 Ohms.

Ensuite, nous choisissons C1=220uF. Cela donne une fréquence de coupure de 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz. Ne réfléchissez pas trop à cela. La fréquence de coupure est celle où le filtre commence à supprimer les signaux alternatifs. Jusqu'à 2, 7Hz tout passera plus ou moins sans atténuation. Au-delà de 2, 7Hz les signaux sont de plus en plus supprimés. L'atténuation d'un filtre passe-bas du premier ordre est décrite par A=1/(2*PI*f*R1*C1). Notre ennemi le plus proche en termes d'interférences est le bourdonnement de la ligne électrique à 50 Hz. Appliquons donc f=50 et nous obtenons A=0, 053. Cela signifie que seulement 5, 3% du bruit passera à travers le filtre. Devrait suffire à nos besoins.

Spécification de la polarisation de la tension du collecteur

La polarisation est le point où vous placez votre transistor lorsqu'il est en mode veille. Ceci spécifie ses courants et tensions lorsqu'il n'y a pas de signal d'entrée à amplifier. Une spécification claire de cette polarisation est fondamentale car, par exemple, la polarisation de tension sur le collecteur spécifie le point où le signal oscillera lorsque le transistor fonctionne. La disposition erronée de ce point entraînera un signal déformé lorsque l'oscillation de sortie touchera la masse ou l'alimentation. Ce sont les limites absolues que le transistor ne peut pas franchir ! Normalement, c'est une bonne idée de mettre la polarisation de la tension de sortie au milieu entre la masse et UB à UB/2, dans notre cas (UB-UF)/2 = 4V. Mais pour une raison quelconque, vous comprendrez plus tard que je veux le mettre un peu plus bas. Tout d'abord, nous n'avons pas besoin d'une grande oscillation de sortie car même après amplification dans ce 1er étage, notre signal sera de l'ordre du millivolt. Deuxièmement, une polarisation plus faible fera mieux pour l'étage de transistor suivant comme vous le verrez. Mettons donc le bias sur 3V. UA=3V.

Calculer la résistance de collecteur

Nous pouvons maintenant calculer le reste des composants. Vous verrez si un courant de collecteur traverse R2, nous obtiendrons une chute de tension provenant de UB. Parce que UA = UB-UF-IC*R1, nous pouvons extraire R1 et obtenir R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K. Encore une fois, nous choisissons la valeur de norme suivante et nous prenons R1 = 2, 7K Ohm.

Calculer la résistance de base

Pour calculer R3, nous pouvons dériver une équation simple. La tension aux bornes de R3 est UA-UBE. Maintenant, nous devons connaître le courant de base. Je vous ai dit le gain de courant continu B=IC/IB, donc IB = IC/B, mais quelle est la valeur de B ? Malheureusement, j'ai utilisé un fototransistor provenant d'un emballage excédentaire et il n'y a pas de marquage approprié sur les composants. Nous devons donc utiliser notre fantaisie. Les phototransistors n'ont pas autant d'amplification. Ils sont plus conçus pour la vitesse. Alors que le gain en courant continu d'un transistor normal peut atteindre 800, le facteur B d'un phototransistor peut être compris entre 200 et 400. Alors allons-y avec B=300. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. C'est proche de 360K Ohm. Malheureusement, je n'ai pas cette valeur dans ma boîte, j'ai donc utilisé un 240K + 100K en série à la place. R3 = 340K Ohm.

Vous pouvez vous demander pourquoi nous drainons le courant de base du collecteur et non de l'UB. Permettez-moi de vous dire ceci. La polarisation d'un transistor est une chose fragile car un transistor est sujet à des tolérances de production ainsi qu'à une forte dépendance de la température. Cela signifie que si vous polarisez votre transistor directement depuis UB, il s'éloignera probablement bientôt. Pour faire face à ce problème, les concepteurs de matériel utilisent une méthode appelée "rétroaction négative". Jetez un œil à nouveau à notre circuit. Le courant de base provient de la tension du collecteur. Imaginez maintenant que le transistor se réchauffe et que sa valeur B augmente. Cela signifie que plus de courant de collecteur circule et que UA diminue. Mais UA moindre signifie également IB moindre et la tension UA augmente un peu. Avec B décroissant, vous avez le même effet dans l'autre sens. C'est le REGLEMENT ! Cela signifie que grâce à un câblage intelligent, nous pouvons maintenir la polarisation du transistor dans les limites. Vous verrez également un autre retour négatif à l'étape suivante. Soit dit en passant, la rétroaction négative diminue également normalement l'amplification de la scène, mais il existe des moyens de surmonter ce problème.

Étape 3: Électronique Partie 3: Conception de la deuxième étape

J'ai fait quelques tests en appliquant le signal lightound de l'étage préamplifié à l'étape précédente dans mon smartphone. C'était encourageant mais je pensais qu'un peu plus d'amplification ferait mieux. J'ai estimé qu'un boost supplémentaire de facteur 5 devrait faire l'affaire. Alors c'est parti pour la deuxième étape ! Normalement, nous installerions à nouveau le transistor dans le deuxième étage avec sa propre polarisation et y injecterions le signal préamplifié du premier étage via un condensateur. N'oubliez pas que les condensateurs ne laissent pas passer le courant continu. Seul le signal AC peut passer. De cette façon, vous pouvez acheminer un signal à travers les étages et la polarisation de chaque étage ne sera pas affectée. Mais rendons les choses un peu plus intéressantes et essayons de sauvegarder certains composants car nous voulons garder l'appareil petit et pratique. Nous utiliserons la polarisation de sortie de l'étage 1 pour polariser le transistor de l'étage 2 !

Calcul de la résistance d'émetteur R5

Dans cette étape, notre transistor NPN est directement polarisé par rapport à l'étape précédente. Dans le schéma de circuit, nous voyons que UE = UBE + ICxR5. Parce que UE = UA de l'étape précédente, nous pouvons extraire R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0.65V)/2mA = 1, 17K Ohm. Nous le faisons 1, 2K Ohm qui est la valeur de norme la plus proche. R5 = 1, 2K Ohm.

Ici, vous pouvez voir un autre type de commentaires. Disons que tant que UE reste constant, la valeur B du transistor augmente en raison de la température. Nous obtenons donc plus de courant à travers le collecteur et l'émetteur. Mais plus de courant à travers R5 signifie plus de tension à travers R5. Parce que UBE = UE - IC*R5, une augmentation de IC signifie une diminution de UBE et donc une nouvelle diminution de IC. Ici encore, nous avons une réglementation qui nous aide à maintenir le biais stable.

Calcul de la résistance de collecteur R4

Maintenant, nous devons garder un œil sur l'oscillation de sortie de notre signal de collecteur UA. La limite inférieure est la polarisation de l'émetteur de 3V-0, 65V=2, 35V. La limite supérieure est la tension UB-UB=9V-1V=8V. Nous mettrons notre parti pris de collectionneur en plein milieu. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Il est maintenant facile de calculer R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC =(9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Nous le faisons R4 = 1, 5K Ohm.

Qu'en est-il de l'amplification ?

Alors qu'en est-il du facteur 5 d'amplification que nous souhaitons gagner ? L'amplification de tension des signaux alternatifs dans l'étage, comme vous pouvez le voir, est décrite dans une formule très simple. Vu = R4/R5. Assez simple hein ? Il s'agit de l'amplification d'un transistor à contre-réaction sur la résistance d'émetteur. N'oubliez pas que je vous ai dit que les commentaires négatifs affectent également l'amplification si vous ne prenez pas les moyens appropriés contre cela.

Si nous calculons l'amplification avec les valeurs choisies de R4 et R5, nous obtenons V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2. Hm, c'est assez loin de 5. Alors qu'est-ce qu'on peut faire ? Eh bien, d'abord, nous voyons que nous ne pouvons rien faire à propos de R4. Elle est fixée par la polarisation de sortie et les contraintes de tension. Et R5 ? Calculons la valeur que devrait avoir R5 si nous avions une amplification de 5. C'est facile, car Vu =R4/R5 cela signifie que R5 = R4/Vu = 1.5K Ohm/5 = 300 Ohm. Ok, c'est bien mais si nous mettions un 300 Ohm au lieu du 1.2K dans notre circuit, notre polarisation serait foutue. Nous devons donc mettre les deux, 1.2K Ohm pour la polarisation DC et 300 Ohms pour la rétroaction négative AC. Jetez un oeil à la deuxième photo. Vous verrez que j'ai divisé la résistance de 1, 2K Ohm en 220 Ohm et 1K Ohm en série. D'ailleurs j'ai choisi 220 Ohms car je n'avais pas de résistance de 300 Ohms. Le 1K est également contourné par un gros condensateur polarisé. Que cela veut-il dire? Eh bien, pour la polarisation continue, cela signifie que la rétroaction négative "voit" un 1, 2K Ohm parce que le courant continu peut ne pas passer à travers un condensateur, donc pour la polarisation continue, C3 n'existe tout simplement pas ! Le signal alternatif, d'autre part, "voit" juste le 220 Ohm car chaque chute de tension alternative sur R6 est court-circuitée à la terre. Pas de chute de tension, pas de retour. Seul le 220 Ohm reste pour la rétroaction négative. Assez intelligent, hein ?

Pour que cela fonctionne correctement, vous devez choisir C3 pour que son impédance soit très inférieure à R3. Une bonne valeur est de 10 % de R3 pour la fréquence de travail la plus basse possible. Disons que notre fréquence la plus basse est de 30 Hz. L'impédance d'un condensateur est Xc = 1/(2*PI*f*C3). Si nous extrayons C3 et mettons la fréquence et la valeur de R3, nous obtenons C3=1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF. Pour correspondre à la valeur de norme la plus proche, faisons C3 = 47uF.

Maintenant, voyez le schéma terminé dans la dernière image. Avaient fini!

Étape 4: Fabrication de la mécanique Partie 1: Liste des matériaux

J'ai utilisé les composants suivants pour fabriquer l'appareil:

• Tous les composants électroniques du schéma
• Un boîtier plastique standard 80 x 60 x 22 mm avec un compartiment intégré pour piles 9V
• Une pince à pile 9V
• Câble audio 1 m 4 pôles avec prise jack 3,5 mm
• 3pol. prise stéréo 3,5 mm
• un interrupteur
• un morceau de perfboard
• une pile 9V
• souder
• Fil de cuivre 2mm 0, 25mm fil tendu isolé

Les outils suivants doivent être utilisés:

• Fer à souder
• Perceuse électrique
• Multimètre digital
• une râpe ronde

Étape 5: Fabrication de la mécanique: Partie 2

Placer l'interrupteur et la douille 3,5 mm

Utilisez la râpe pour limer deux demi-trous dans les deux parties du boîtier (supérieur et inférieur). Faites le trou suffisamment large pour que l'interrupteur s'y glisse. Faites maintenant de même avec la douille de 3,5 mm. La prise servira à brancher des bouchons d'oreilles. Les sorties audio du 4pol. jack sera acheminé vers la prise 3,5 mm.

Faire des trous pour le câble et le fototransistor

Percez un trou de 3 mm à l'avant et collez-y le phototransistor de manière à ce que ses bornes traversent le trou. Percez un autre trou de 2 mm de diamètre sur un côté. Le câble audio avec la prise 4 mm le traversera.

Souder l'électronique

Soudez maintenant les composants électroniques sur le panneau perforé et connectez-le au câble audio et à la prise jack 3,5 mm comme indiqué sur le schéma. Regardez les images montrant les broches de signal sur les prises pour l'orientation. Utilisez votre multimètre numérique pour voir quel signal de la prise sort sur quel fil pour l'identifier.

Lorsque tout est terminé, allumez l'appareil et vérifiez si les sorties de tension sur les transistors sont plus ou moins dans la plage calculée. Sinon, essayez de régler R3 dans le premier étage de l'amplificateur. Ce sera probablement le problème en raison des tolérances généralisées des transistors, vous devrez peut-être ajuster sa valeur.

Étape 6: Tester

J'ai construit un appareil plus sophistiqué de ce type il y a quelques années (voir vidéo). A partir de ce moment, j'ai rassemblé un tas d'échantillons sonores que je veux vous montrer. La plupart d'entre eux, j'en ai récupéré pendant que je conduisais ma voiture et j'ai placé le phototransistor derrière mon pare-brise.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" C'est le son d'un écran LED externe sur un bus passant par
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Le clignotant d'une voiture
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Le phare d'une voiture
• Néons "Neonreklame.mp3"
• "Schwebung.mp3" Le battement de deux phares de voiture interférents
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" Le son d'une LFC
• "Sound_oscilloscope.mp3" Le son de mon écran d'oscilloscope avec différents réglages de temps
• "Sound-PC Monitor.mp3" Le son de mon moniteur PC
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Réverbères
• "Was_ist_das_1.mp3" Un son faible et étrange ressemblant à un extraterrestre que j'ai attrapé quelque part en conduisant dans ma voiture

J'espère que je pourrais vous mettre en appétit et que vous continuerez à explorer le nouveau monde des sons lumineux par vous-même maintenant !