3. Schaltungsentwicklung - Beispiel Taschenlichtorgel
Werbung
3. Schaltungsentwicklung - Beispiel Taschenlichtorgel Anforderungen: Drei farbige LEDs, Mikrofoneingang, Empfindlichkeitseinstellung, kleines Format, geringe Betriebsspannung und Leistung, geringster Material- und Arbeitsaufwand. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung 1 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung 2 Technische Umsetzung Verstärker zur Ansteuerung der LEDs Filter zur Trennung der Signale nach ihrer Frequenz Verstärker zur Ansteuerung der Filter Potentiometer zur Einstellung der Empfindlichkeit Verstärker zur Anhebung des Eingangssignals Mikrofon zur Signalwandlung IC/mA + 4,5 V 25 LED: UF= 2V R2 20 IF=20mA 22kΩ 15 BC337 10 R1 3kΩ 5 IB/µA 120 100 80 60 40 20 2 4 6 8 10 UCE/V Arbeitswiderstand kann entfallen, weil die LED nur mit Halbwellen angesteuert wird. 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE/V UBE wird auf 0,6V eingestellt. Die Ansteuerung des Transistors erfordert damit eine kleinere Amplitude. Auslegung des Basisspannungsteilers R1,R2: R1 = U BE 0,6V = = 3kΩ Iq 0,2mA R2 = Signal am Verstärker -eingang Kollektorstrom 20 mA ist die zulässige Dauerstromstärke der Diode. Bei Impulsbetrieb kann die Stromstärke wegen der Pausen wesentlich größer sein. UB − U BE 4,5V − 0,6V = ≈ 19,1kΩ Iq + I B 0,2mA + 0,004mA Der Test der Schaltung zeigte, dass eine Korrektur von R2 auf 22 kΩ Ω erforderlich war. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung 3 + 4,5 V 22kΩ 5,6nF 2kΩ BC337 3kΩ 22kΩ 1,2kΩ 100nF 6,2kΩ 1µF BC337 10kΩ Elektrolytkondensatoren mit der Kapazität 1 µF sind Koppelkondensatoren zur Abblockung des Basisstromes. Die Widerstände mit den Werten 2 kΩ Ω und 1,2 kΩ Ω sind zur Widerstandsanpassung der drei Frequenzfilter notwendig. 3kΩ 68nF 22kΩ 8,1kΩ 1µF BC337 470nF 3kΩ 0V Zum Schema WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung 4 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. Ua/Ue 0,7 Ue Diskant Mitte Bass ca. 3 kHz ca. 50 Hz f in Hz Elektromagnetische Schwingungen werden mit RC- Gliedern gefiltert. Tiefpass Ue Hochpass Bandpass Ua Ue Ue Ua R= Grenzfrequenz: Ua = 0,707 Ue bei R = XC WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Ua 1 1 = ω ⋅ C 2π ⋅ f G ⋅ C fG = 1 2π ⋅ R ⋅ C Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung 5 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= 8,1 kΩ Ω Ue C= 470 nF Ua Ua C2 = 68nF Ue Ω R1 = 10 kΩ Ue 1 fG = 2π ⋅ R ⋅ C 1 C= 2π ⋅ f ⋅ R R = 3 kΩ Ω Ua Gewählt: fG = 3kHz Ω (Basisspannungsteiler) R = 3kΩ Gewählt: fg = 50 Hz R = 8,1 kΩ Ω C= Hochpass C= 5,6 nF Bandpass C1 = 100nF Ω R2 = 6,2 kΩ C= 1 2π ⋅ f ⋅ R 1 V 1 2π ⋅ 3 ⋅103 ⋅ 3 ⋅103 s A −3 −3 3 10 ⋅10 As 10 ⋅10 −9 = C= F π ⋅18V π ⋅18 C ≈ 17nF 1 C= V 1 2π ⋅ 50 ⋅ 8,1⋅103 s A −3 −2 10 ⋅10 As 10 4 ⋅10 −9 = C= F π ⋅ 8,1V π ⋅ 8,1 C ≈ 400nF Im Test ergaben sich 470 nF Im Test ergaben sich 5,6 nF Für den Bandpass ergibt die Berechnung für den Hochpassteil: R1 = 10 kΩ Ω; C1=318 nF Ω; C2=8,5 nF und für den Tiefpassteil: R2 = 6,2 kΩ Die Schaltung funktioniert mit den Werten C1= 100nF; C2= 68 nF WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung Zur Schaltung 6 + 4,5 V 22kΩ 5,6nF 2kΩ BC337 3kΩ 13kΩ 1µF 11kΩ 15kΩ 1µF 100kΩ 22kΩ 1kΩ 1,2kΩ 100nF 6,2kΩ 1µF BC337 5MΩ 1µF 5 kΩ 3kΩ 68nF 10kΩ 22kΩ 8,1kΩ 1µF BC337 470nF 3kΩ 0V Zum Schema WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung 7 IC/mA + 4,5 V 25 R2 15kΩ 20 RA=1 kΩ 15 BC337 10 R1 2,7kΩ 5 IB/µA 120 100 80 60 40 20 2 4 6 8 10 UCE/V RA= 1kΩ Ω läßt einen maximalen Kollektorstrom von IC= 4,5 mA zu. Damit wird eine Leistung erreicht, die eine Ansteuerung der folgenden RC-Glieder ermöglicht. 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE/V AP: UCE= 2,25V Der Querstrom Iq wird wegen einer hohen Stabilität der Schaltung groß gewählt, Iq=25IB. U 0,7V R1 = BE = = 2,8kΩ 25 ⋅ I B 0,01mA ⋅ 25 R2 = R1 Gewählt 2,7kΩ Ω! UB − U BE 4,5V − 0,7V ≈ ≈ 15,2kΩ Iq + IB 0,25mA IC= 2,25 mA IB= 0,01 mA UBE= 0,7 V Die Bedingung UCE=0,5UB wurde mit R2=15 kΩ Ω erreicht. Zum Schaltplan WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung 8 13kΩ 1µF 11kΩ 5 MΩ Für das Mikrofon existieren keine Daten. Die Anschlussbedingungen mussten experimentell ermittelt werden. Beim Test lieferte das Mikrofon mit einem Arbeitswiderstand von 13 kΩ Ω bei der Betriebsspannung von 4,5 V die höchste Signalspannung. Der Basiswiderstand mit 5 MΩ Ω versorgt den Transistor mit dem notwendigen Basisstrom. Der Arbeitspunkt liegt für die Kollektor-Emitterspannung bei etwa der halben Betriebsspannung. Mit 11 kΩ Ω wurde ein ausreichend großer Arbeitswiderstand. Dieser Widerstand muss groß sein, weil es in der 1. 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 1. Verstärkerstufe übertragen wird. Zum Schaltplan WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik TEAM 2006 - Hein Einführung in die Elektronik Schaltungsentwicklung 9
