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3. Schaltungsentwicklung - Beispiel Taschenlichtorgel

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

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Presentation Transcript
slide1

3. Schaltungsentwicklung - Beispiel Taschenlichtorgel

Anforderungen: Drei farbige LEDs,

Mikrofoneingang,

Empfindlichkeitseinstellung,

kleines Format,

geringe Betriebsspannung und Leistung,

geringster Material- und Arbeitsaufwand.

slide2

Potentiometer zur Einstellung der Empfindlichkeit

Verstärker zur Ansteuerung der Filter

Verstärker zur Anhebung des Eingangssignals

Mikrofon zur Signalwandlung

Verstärker zur Ansteuerung der LEDs

Filter zur Trennung der Signale nach ihrer Frequenz

Technische Umsetzung

slide3

+ 4,5 V

IC/mA

25

20

15

10

5

R2

22k

BC337

R1

3k

IB/A 120 100 80 60 40 20

2 4 6 8 10 UCE/V

0,2

0,4

0,6

0,8

UBE/V

Signal am Verstärker-eingang

Kollektorstrom

LED: UF= 2V

IF=20mA

Arbeitswiderstand kann entfallen, weil die LED nur mit Halbwellen angesteuert wird.

UBE wird auf 0,6V eingestellt. Die Ansteuerung des Transistors erfordert damit eine kleinere Amplitude.

20 mA ist die zulässige Dauerstrom-stärke der Diode. Bei Impulsbetrieb kann die Stromstärke wegen der Pausen wesentlich größer sein.

Auslegung des Basisspannungsteilers R1,R2:

Der Test der Schaltung zeigte, dass eine Korrektur von R2 auf 22 k erforderlich war.

slide4

2k

22k

5,6nF

BC337

3k

22k

100nF

6,2k

BC337

3k

10k

68nF

1,2k

22k

8,1k

BC337

470nF

3k

1F

1F

+ 4,5 V

Elektrolytkondensatoren mit der Kapazität 1 F sind Koppelkondensatoren zur Abblockung des Basisstromes.

Die Widerstände mit den Werten 2 k und 1,2 k sind zur Widerstandsanpassung der drei Frequenzfilter notwendig.

0 V

Zum Schema

slide5

Ua/Ue

0,7 Ue

Diskant

Mitte

Bass

f in Hz

ca. 3 kHz

ca. 50 Hz

Bandpass

Tiefpass

Hochpass

Ua

Ue

Ue

Ue

Ua

Ua

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.

Elektromagnetische Schwingungen werden mit RC- Gliedern gefiltert.

Grenzfrequenz: Ua = 0,707 Ue bei R = XC

slide6

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.

R= 8,1 k

C1 = 100nF

R2 = 6,2 k

C= 5,6 nF

R = 3 k

C= 470 nF

C2 = 68nF

R1 = 10 k

Bandpass

Tiefpass

Hochpass

Ua

Ue

Ue

Ue

Ua

Ua

Gewählt: fG = 3kHz

R = 3k (Basisspannungsteiler)

Gewählt: fg = 50 Hz

R = 8,1 k

Im Test ergaben sich 470 nF

Im Test ergaben sich 5,6 nF

Für den Bandpass ergibt die Berechnung für den Hochpassteil: R1 = 10 k; C1=318 nF

und für den Tiefpassteil: R2 = 6,2 k; C2=8,5 nF

Die Schaltung funktioniert mit den Werten C1= 100nF; C2= 68 nF

Zur Schaltung

slide7

+ 4,5 V

22k

5,6nF

2k

BC337

3k

22k

1F

100nF

15k

6,2k

1,2k

1F

BC337

100k

1k

1F

13k

11k

3k

68nF

10k

1F

5 k

5M

22k

1F

8,1k

BC337

470nF

3k

0 V

Zum Schema

slide8

IC/mA

25

20

15

10

5

+ 4,5 V

R2

RA

15k

BC337

R1

2,7k

R1 Gewählt 2,7k!

Die Bedingung UCE=0,5UB wurde mit R2=15 k erreicht.

=1 k

IB/A 120 100 80 60 40 20

2 4 6 8 10 UCE/V

0,2

0,4

0,6

0,8

UBE/V

RA= 1k läßt einen maximalen Kollektorstrom von IC= 4,5 mA zu. Damit wird eine Leistung erreicht, die eine Ansteuerung der folgenden RC-Glieder ermöglicht.

AP: UCE= 2,25V

IC= 2,25 mA

IB= 0,01 mA

UBE= 0,7 V

Der Querstrom Iq wird wegen einer hohen Stabilität der Schaltung groß gewählt, Iq=25IB.

Zum Schaltplan

slide9

13k

1F

11k

5 M

Für das Mikrofon existieren keine Daten. Die Anschlussbedingungen mussten experimentell ermittelt werden.

Beim Test lieferte das Mikrofon mit einem Arbeitswiderstand von 13 k bei der Betriebsspannung von 4,5 V die höchste Signalspannung.

Der Basiswiderstand mit 5 M versorgt den Transistor mit dem notwendigen Basisstrom. Der Arbeitspunkt liegt für die Kollektor-Emitterspannung bei etwa der halben Betriebsspannung.

Mit 11 k 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