3. Schaltungsentwicklung - Beispiel Taschenlichtorgel

Transkript

1 3. - Beispiel Taschenlichtorgel Anforderungen: Drei farbige LEDs, Mikrofoneingang, Empfindlichkeitseinstellung, kleines Format, geringe Betriebsspannung und Leistung, geringster Material- und Arbeitsaufwand.

2 2 Mikrofon zur Signalwandlung Verstärker zur Anhebung des Eingangssignals Potentiometer zur Einstellung der Empfindlichkeit Verstärker zur Ansteuerung der Filter Filter zur Trennung der Signale nach ihrer Frequenz Verstärker zur Ansteuerung der LEDs Technische Umsetzung

3 IC/mA R 2 R + 4,5 V LED: U F 2V I F 20mA I B /µa ,2 0, U CE /V Arbeitswiderstand kann entfallen, weil die LED nur mit Halbwellen angesteuert wird. 0,6 0,8 U BE /V U BE wird auf 0,6V eingestellt. Die Ansteuerung des Transistors erfordert damit eine kleinere Amplitude. Auslegung des Basisspannungsteilers R,R 2 : U BE 0,6V R Iq 0,2mA UB U 4,5V 0,6V BE R2 9, kω Iq + I B 0,2mA + 0,004mA Signal am Verstärker -eingang Der Test der Schaltung zeigte, dass eine Korrektur von R 2 auf 22 kω erforderlich war. Kollektorstrom 20 ma ist die zulässige Dauerstromstärke der Diode. Bei Impulsbetrieb kann die Stromstärke wegen der Pausen wesentlich größer sein. 3

4 + 4,5 V 2kΩ 5,6nF,2kΩ 00nF 6,2kΩ µf 0kΩ 68nF Elektrolytkondensatoren mit der Kapazität µf sind Koppelkondensatoren zur Abblockung des Basisstromes. 8,kΩ µf Die Widerstände mit den Werten 2 kω und,2 kω sind zur Widerstandsanpassung der drei Frequenzfilter notwendig. 470nF 0 V Zum Schema 4

5 Berechnung der Filter Klänge setzen sich aus einem Gemisch akustischer Schwingungen des Hörbereichs zusammen. Zur Ansteuerung der drei Verstärker müssen die in der elektronischen Schaltung erzeugten elektromagnetischen Schwingungen in drei Bereiche getrennt werden. U a /U e 0,7 U e Bass Mitte Diskant ca. 50 Hz ca. 3 khz f in Hz Elektromagnetische Schwingungen werden mit RC- Gliedern gefiltert. Tiefpass Bandpass Hochpass U e U a U a U e U a U e R ω C f G C Grenzfrequenz: U a 0,707 U e bei R X C f G R C 5

6 RC-Glieder sind immer in Schaltungen integriert. Die Widerstände und Kapazitäten der Schaltungen und die RC-Glieder beeinflussen gegenseitig. Deshalb können nur grobe Näherungen berechnet werden. Tiefpass R 8, kω Bandpass C 00nF R 2 6,2 kω Hochpass C 5,6 nf U e U a U e U a R 3 kω U a C 470 nf C 2 68nF U e Gewählt: f g 50 Hz R 8, kω f R 3 V 50 8, 0 s A As 0 0 π 8,V π 8, C 400nF 9 F R 0 kω f G R C Gewählt: f G 3kHz R (Basisspannungsteiler) f R 3 3 V s A As 0 0 π 8V π 8 C 7nF 9 F Im Test ergaben sich 470 nf Im Test ergaben sich 5,6 nf Für den Bandpass ergibt die Berechnung für den Hochpassteil: R 0 kω; C 38 nf und für den Tiefpassteil: R 2 6,2 kω; C 2 8,5 nf Die Schaltung funktioniert mit den Werten C 00nF; C 2 68 nf Zur Schaltung 6

7 + 4,5 V 2kΩ 5,6nF µf 5MΩ kω µf 5kΩ 00kΩ µf 5 kω kω,2kω 00nF 0kΩ 6,2kΩ 68nF µf 8,kΩ µf 470nF 0 V Zum Schema 7

8 IC/mA ,5 V R 2 5kΩ R A kω 5 R 2,7kΩ I B /µa U CE /V 0,2 0,4 0,6 R A kω läßt einen maximalen Kollektorstrom von I C 4,5 ma zu. Damit wird eine Leistung erreicht, die eine Ansteuerung der folgenden RC-Glieder ermöglicht. 0,8 R U BE /V Der Querstrom I q wird wegen einer hohen Stabilität der Schaltung groß gewählt, Iq25I B. U BE 0,7V 2, 8kΩ 25 I 0,0mA 25 B R Gewählt 2,7kΩ! AP: U CE 2,25V I C 2,25 ma I B 0,0 ma U BE 0,7 V R 2 UB U BE 4,5V 0,7V 5, 2kΩ I + I 0,25mA q B Die Bedingung U CE 0,5UB wurde mit R 2 5 kω erreicht. Zum Schaltplan 8

9 µf kω 5 MΩ Für das Mikrofon existieren keine Daten. Die Anschlussbedingungen mussten experimentell ermittelt werden. Beim Test lieferte das Mikrofon mit einem Arbeitswiderstand von 3 kω bei der Betriebsspannung von 4,5 V die höchste Signalspannung. Der Basiswiderstand mit 5 MΩ versorgt den Transistor mit dem notwendigen Basisstrom. Der Arbeitspunkt liegt für die Kollektor-Emitterspannung bei etwa der halben Betriebsspannung. Mit kω wurde ein ausreichend großer Arbeitswiderstand. Dieser Widerstand muss groß sein, weil es in der. Verstärkerstufe darauf ankommt, eine hohe Spannungsverstärkung zu erzeugen. Der Elektrolytkondensator überbrückt den Basiswiderstand für Wechselstrom. Er sichert, das das vom Mikrofon erzeugt Signal mit seiner noch sehr kleiner Spannung möglichst verlustarm zur. Verstärkerstufe übertragen wird. Zum Schaltplan 9