Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Эксперимент 10. Транзисторные переключатели
Дальше: Глава 3 ЗАЙМЕМСЯ ЧЕМ-ТО ПОСЕРЬЕЗНЕЕ
Эксперимент 11. Свет и звук
Пришло время для вашего первого устройства, которое приносит реальную пользу. Сначала заставим мигать светодиод, а затем создадим несложный синтезатор звука.
Что вам понадобится
• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки провода, мультиметр
• Батарея 9 В и разъем для нее (1 шт.)
• Резисторы с номиналами 470 Ом (2 шт.), 1 кОм (1 шт.), 4,7 кОм (4 шт.), 100 кОм (1 шт.), 220 кОм (2 шт.), 470 кОм (4 шт.)
• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (2 шт.), ОД мкФ (2 шт.), 0,33 мкФ (2 шт.), 1 мкФ (1 шт.), 3,3 мкФ (2 шт.), 33 мкФ (1 шт.), 100 мкФ (1 шт.), 220 мкФ (1 шт.)
• Транзисторы серии 2N2222 (6 шт.)
• Стандартный светодиод (1 шт.)
• Динамик с импедансом 8 Ом, диаметром 2,5 см или (предпочтительнее) 5 см (1 шт.)
Генератор колебаний
На рис. 2.103 показан макет устройства, предлагаемый вам для сборки. Как видим, здесь не так уж много пространства между компонентами, поэтому рекомендую собирать устройство с помощью плоскогубцев, а не пальцами. Тщательно отсчитывайте отверстия на плате, и несколько раз проверьте, что все находится на своих местах и соединено правильно. Номиналы компонентов приведены на рис. 2.104.
Подключите питание — светодиод должен включиться примерно на 1 секунду и погаснуть также примерно на 1 секунду.
И это все? Нет, это только начало. Однако в первую очередь разберемся, как работает наше устройство. Если вам сложно представить, как соединены компоненты внутри макетной платы, взгляните на рис. 2.105. Затем изучите схему, приведенную на рис. 2.106, и вы поймете, что соединения между компонентами те же. Для объяснения того, как работает устройство, я использую электрическую схему.
Первое, на что вы должны обратить внимание, — это наличие некоторой симметрии схемы. Означает ли это, что левая и правая половины устройства делают одно и то же? Да, но не в один и тот же момент времени. В действительности, одна половина включает светодиод, а другая выключает его.
Рис. 2.103. Макет генератора
Рис. 2.104. Номиналы компонентов в схеме генератора
Рис. 2.105. Изображение скрытых проводников поможет понять взаимодействие компонентов
Рис. 2.106. Компоненты на этой электрической схеме расположены на тех же местах, что и на макетной плате
Понять нюансы работы устройства не так просто, потому что напряжение в различных точках схемы постоянно меняется, и в каждый момент происходит несколько явлений. Тем не менее, я нарисовал четыре «моментальных снимка» схемы, показывающих внутреннее состояние компонентов через некоторые интервалы времени; надеюсь, эти иллюстрации все прояснят.
Я опустил третий транзистор и светодиод на каждом рисунке, поскольку они не играют роли в создании колебаний.
Первый «снимок» приведен на рис. ЦВ-2.107. Я обозначил провода цветом так:
• Напряжение на компонентах и проводниках, выделенных черным цветом, неизвестно или не задано.
• Напряжение на синих проводниках близко к нулю.
• Напряжение на красных проводниках приближается к положительному напряжению источника питания.
Рис. ЦВ-2.107. Снимок 1: исходное состояние элементов генератора
• Белые проводники на короткое время оказываются под отрицательным напряжением (ниже заземления) по причинам, которые я скоро укажу.
Для транзисторов:
• Серый транзистор не проводит ток от коллектора к эмиттеру. Будем считать его выключенным.
• Розовый транзистор проводит ток (включен).
Транзисторы обозначены как Q1 и Q2, потому что это общепринятый способ обозначения полупроводниковых приборов. Маленький лепесток, выступающий на старых транзисторах с металлическим корпусом, придает им вид буквы Q, если смотреть сверху, и люди привыкли обозначать транзисторы так.
Резисторы r1 и R1 находятся слева, а резисторы r2 и R2 — справа. Строчными буквами обозначены резисторы с меньшими номиналами.
Прежде чем я начну объяснять работу схемы, сделаю последнее отступление. Учитывайте характерное поведение транзистора.
• Когда ток базы включает транзистор, его эффективное внутреннее сопротивление сильно снижается. Вследствие этого, если эмиттер заземлен, то напряжение на коллекторе также составит около О В, как и у всего, что подключено напрямую к коллектору. Напряжение на базе также может быть относительно низким, но не такое низкое, как на эмиттере. В таком состоянии находится транзистор Q2 на рис. ЦВ-2.107.
• Когда транзистор выключается, его эффективное внутреннее сопротивление увеличивается как минимум до 5 кОм. Вследствие этого любой компонент, подключенный к коллектору, больше не заземляется через транзистор и может накапливать положительный заряд.
Работа устройства шаг за шагом
Я начну с произвольного момента, когда питание уже подано. После того как мы рассмотрим полный рабочий цикл, я вернусь к вопросу о том, откуда изначально берутся колебания.
Давайте предположим, что на снимке 1 транзистор Q1 был только что выключен, а транзистор Q2 только что включился. Нижний (по схеме) конец резистора rl был заземлен через транзистор Q1, но теперь транзистор Q1 отключен, напряжение на его коллекторе начинает расти, и за счет этого увеличивается напряжение на левой (по схеме) обкладке конденсатора С1. Напряжение на базе транзистора Q1 также возрастает, но не так стремительно, потому что резистор R2 имеет более высокий номинал. Между тем, поскольку транзистор Q2 включен, он потребляет ток через резистор R2, понижая напряжение. Через базу транзистора Q2 также течет ток к шине заземления. Это исходная ситуация. Что дальше?
На снимке 2, показанном на рис. ЦВ-2.108, напряжение на базе транзистора Q1 увеличилось достаточно, чтобы он начал включаться. Теперь он отводит ток от конденсатора С1, а также через свою базу, и эти провода сейчас выделены синим цветом. Резкое изменение напряжения на левой обкладке конденсатора С1 мгновенно вызывает аналогичное снижение на его правой обкладке (см. эксперимент 9). При этом напряжение на правой обкладке конденсатора С1 оказывается ниже нуля, что изображено белым проводом. Транзистор Q2 сразу же выключается из-за отрицательного смещения на его базе.
На снимке 3, показанном на рис. ЦВ-2.109, транзистор Q.1 по-прежнему включен, а транзистор Q2 все еще выключен. Это зеркальное отображение снимка 1. Конденсатор С1 начинает заряжаться в противоположном направлении, через резистор R1. Постепенно это повышает напряжение на базе транзистора Q2.
На снимке 4, изображенном на рис. ЦВ-2.110, транзистор Q2 начинает проводить ток, заземляя правую обкладку конденсатора С2. В результате напряжение на левой обкладке конденсатора С2 оказывается ниже нуля и транзистор Q.1 выключается из-за отрицательного смещения на базе. Это зеркальное отображение снимка 2.
Рис. ЦВ-2.108. Снимок 2
Рис. ЦВ-2.109. Снимок 3
Рис. ЦВ-2.110. Снимок 4. Далее цикл повторяется
После снимка 4 цикл повторяется, начиная со снимка 1. Если добавить еще один транзистор и светодиод (как на рис. 2.106), то светодиод оказался бы включенным на снимках 1 и 4.
Разделительный конденсатор
Как вы видите, работа генератора колебаний довольно сложна для понимания. Однако данная схема распространена очень широко. Если вы поищите в картинках Google «генератор», то скорее всего найдете именно этот вариант. Тем не менее, многие люди испытывают трудности при изучении подобной схемы.
Главное состоит в том, что на снимках 2 и 4 резкое падение напряжения на одной обкладке конденсатора вызывает эквивалентное падение напряжения на другой обкладке — эффект, который вы наблюдали в эксперименте 9.
Как возникают колебания
Обратите внимание то, что рассмотренная схема симметрична. Когда вы подаете питание, почему бы обоим транзисторам не стать включенными или выключенными?
В идеальном мире, где два транзистора или два резистора могут быть абсолютно идентичными, такая схема окажется полностью симметричной. Но в реальности существует небольшое различие между резисторами и конденсаторами, вызванное производственными причинами, в результате чего один транзистор начинает проводить ток раньше другого. Как только это происходит, устройство выходит из равновесия и начинаются колебания.
Еще один вопрос, который требует пояснений, — откуда снимать выходной сигнал в схеме генератора? Заметьте, что в исходной схеме резисторы r1 и r2 имеют намного меньшие номиналы, чем резисторы R1 и R2. В результате напряжение на левой обкладке конденсатора С1 быстро достигнет почти величины питающего напряжения — и правая обкладка конденсатора С2 будет вести себя так же. Таким образом, мы можем получить широкий диапазон напряжений в любой из этих точек. Я выбрал левую обкладку просто потому, что здесь легче встроить в схему дополнительные компоненты.
Если из схемы отводится слишком много тока, это замедлит процесс заряда конденсатора и отразится на синхронизации и равновесии генератора. Поэтому я подавал выходной сигнал через резистор номиналом 100 кОм на базу другого транзистора. Базовый ток этого транзистора очень мал, но за счет усиления амплитуда сигнала на его выходе окажется достаточной для практического использования.
К чему такие сложности?
В первом издании этой книги я предлагал устройство светодиодной мигалки на основе однопереходного транзистора с управляемым порогом. Его работу гораздо проще понять, и чтобы получить результат, вам потребуется только один транзистор. Однако однопереходные транзисторы встречаются теперь редко и некоторые читатели жаловались на то, что их нелегко приобрести, а другие говорили, что их применение устарело.
На самом деле, вы по-прежнему можете купить однопереходные транзисторы с управляемым порогом, но они почти вышли из употребления. Биполярные транзисторы пока используются широко, и поэтому я прислушался к отзывам читателей и отказался от однопереходных транзисторов. Прежде чем остановиться на описанной схеме, я рассмотрел различные варианты схем генератора. Приведенная схема более популярна, чем другие. К тому же, я полагаю, что все схемы генераторов довольно трудны для понимания.
Сглаживание импульса
Теперь вы уже убедились, что два транзистора могут создавать импульсный сигнал, а третий транзистор может усиливать его и обеспечивать переключение светодиода. Вспомним на минутку предыдущие опыты. Как еще можно изменить наш эксперимент?
У нас есть выходной сигнал, который меняется достаточно медленно. Поэтому мы можем сделать его более интересным, добавив резистивно-емкостную цепочку. (Если вам необходимо освежить в памяти это понятие, см. раздел «Резистивно-емкостная цепочка» этой главы).
Взгляните на рис. 2.111. Дополнительное резистивно-емкостное звено (резистор 470 Ом и конденсатор 220 мкФ) находится внизу.
На рис. 2.112 компоненты, которые были добавлены или переставлены, расположены в правом нижнем углу и выделены темным, а компоненты, которые не изменились, показаны светлым.
Рис. 2.111. В схему генератора добавлена резистивно-емкостная цепочка
Теперь, когда вы подадите питание, светодиод станет мягко пульсировать, а не просто вспыхивать и гаснуть. Догадываетесь, почему? Конденсатор заряжается через один резистор номиналом 470 Ом, а затем разряжается через другой. Зачем вообще нужно менять режим работы? Давайте предположим, что вы решили сделать электронное украшение. Выбор режима миганий или пульсаций может стать важным эстетическим фактором. Вспомните, что, например, в старых ноутбуках Apple логотип пульсировал, а не мигал.
Рис. 2.112. Измененные компоненты расположены в правом нижнем углу платы
Увеличение частоты
Что еще можно сделать с этой схемой? Вы можете легко изменить частоту переключения светодиода. Удалите конденсаторы емкостью 3,3 мкФ и замените их двумя конденсаторами по 0,33 мкФ. Они должны заряжаться приблизительно в 10 раз быстрее, и поэтому светодиод также станет мигать в 10 раз чаще. Так ли это на самом деле?
А что если уменьшить номиналы конденсаторов еще сильнее, до 0,01 мкФ? Когда число миганий в секунду превышает 50, вы переходите от колебаний, которые можно увидеть, к сигналу, Как их добавить к макету? Я думаю, вы сможете который можно услышать. это сделать самостоятельно.
Как же изменить схему, чтобы сигнал можно было услышать, а не увидеть? Легко! Удалите светодиод, резисторы на 470 Ом и конденсатор емкостью 220 мкФ и замените их маленьким динамиком, разделительным конденсатором емкостью 100 мкФ и резистором на 1 кОм, как показано на рис. 2.113. Резистор заземляет эмиттер транзистора, потому что транзистор будет работать, только если напряжение на эмиттере меньше, чем на базе. Конденсатор блокирует постоянную составляющую сигнала и в то же время пропускает переменный ток. На схеме я указал лишь те детали, которые изменились.
Рис. 2.113. Изменение схемы, чтобы добиться генерации звука
Рис. 2.114. При замене разделительного конденсатора компонентом с меньшим номиналом подавляются нижние звуковые частоты, и таким образом вы услышите только верхние частоты. Если включить конденсатор параллельно динамику, то верхние частоты подавлены, и вы услышите только нижние частоты
Еще больше вариантов
Теперь, когда вы получили звук, подумайте, как повысить его тон? Просто установите меньшие резисторы или конденсаторы в схеме генератора. Вы можете вместо резисторов 470 кОм взять резисторы 220 кОм (или с другим промежуточным номиналом). Транзисторы способны переключать сигнал быстрее, чем миллион раз в секунду, и вы определенно не выйдете за пределы их возможностей, если заставите генератор работать быстрее. Сигнал с частотой колебаний 10 000 раз в секунду звучит чрезвычайно высоко. Если вы доведете частоту до 20 000 колебаний в секунду, то он окажется за пределом слухового восприятия большинства людей.
Можно ли изменить характер звучания?
Сверху на рис. 2.114 вместо предыдущего конденсатора емкостью 100 мкФ я подключил последовательно с динамиком разделительный конденсатор емкостью 1 мкФ. Конденсатор с меньшим номиналом будет пропускать только верхние частоты (короткие импульсы) и лишать звук некоторой части низкочастотных колебаний.
А что если подключить конденсатор к динамику так, как показано снизу на рис. 2.114? Теперь возникает противоположный эффект, потому что конденсатор по-прежнему пропускает верхние частоты, но направляет их мимо динамика. При таком подключении вы получаете развязывающий конденсатор.
Все описанные варианты достаточно просты. Если вы желаете добиться большего, то можете собрать вторую идентичную схему и использовать одну половину для управления другой.
Восстановите первоначальные номиналы компонентов (как на рис. 2.104), чтобы частота колебаний стала первоначальной. Затем подайте сигнал с выхода первой схемы на вторую, расположенную ниже на макетной плате (емкость конденсаторов здесь равна 0,01 мкФ, чтобы генерировать звук). Макет устройства изображен на рис. ЦВ-2.115, причем та часть, которую вы собрали вначале, обесцвечена, а компоненты дополнительного звукового генератора расположены внизу и выделены цветом.
Рис. ЦВ-2.115. Питание на звуковой генератор поступает от другого генератора с меньшей частотой колебаний
Красная перемычка, обозначенная буквой А, была переставлена, чтобы нижняя секция схемы получала питание с выхода верхней секции. Красная и синяя перемычки, обозначенные буквой В, добавлены, чтобы соединить разрывы, которые есть в шинах макетной платы.
Теперь подайте питание и посмотрите, как все работает.
Подумайте, что произойдет, если вы измените номинал конденсатора или резистора в верхней половине схемы, чтобы быстрее переключать нижнюю половину?
При желании возьмите, например, конденсатор емкостью 220 мкФ и подключайте его между различными точками (либо в верхней половине схемы, либо в нижней) и шиной заземления. Не бойтесь, вы не повредите ни один из компонентов, так что свободно экспериментируйте.
Еще одна интересная возможность для творчества — вернитесь к генератору световых эффектов, изображенному на рис. 2.111, выньте компоненты из макетной платы и смонтируйте их в виде небольшого переносного устройства.
В эксперименте 14 я покажу вам, как это сделать. Конечно, вам придется немного попаять, но учиться паять компоненты мы будем уже в следующем эксперименте 12.
Как улучшить динамик
Диафрагма динамика, называемая также диффузором, предназначена для излучения звука. Тем не менее, поскольку она колеблется вверх и вниз, то звук исходит как от передней стенки, так и от задней. Так как эти звуки противоположны по фазе, они стремятся погасить друг друга.
Рис. 2.116. Бумажная или картонная труба усилит громкость динамика
Громкость динамика можно значительно усилить, если добавить к нему рупор в виде цилиндра, который собирает звук. Миниатюрный динамик диаметром 2,5 см можно обернуть карточкой из библиотечного каталога (рис. 2.116).
Еще лучше установить динамик в коробку с просверленными отверстиями. Тогда звук будет распространяться в пространство спереди, а закрытая тыльная стенка коробки будет поглощать звук от задней части динамика.
