3. Schaltungsentwicklung - Beispiel Taschenlichtorgel Anforderungen: Drei farbige LEDs, Mikrofoneingang, Empfindlichkeitseinstellung, kleines Format, geringe Betriebsspannung und Leistung, geringster Material- und Arbeitsaufwand.
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
Signal am Verstärker-eingang Kollektorstrom 2 4 6 8 10 UCE/V IB/A 120 100 80 60 40 20 IC/mA 25 20 15 10 5 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE/V 22k 3k BC337 + 4,5 V R1 R2 LED: UF= 2V IF=20mA Arbeitswiderstand kann entfallen, weil die LED nur mit Halbwellen angesteuert wird. Signal am Verstärker-eingang Kollektorstrom 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.
22k 3k BC337 + 4,5 V 5,6nF 6,2k 10k 8,1k 68nF 100nF 470nF 2k 1F 1,2k Elektrolytkondensatoren mit der Kapazität 1 F sind Koppelkondensatoren zur Abblockung des Basisstromes. 1F Die Widerstände mit den Werten 2 k und 1,2 k sind zur Widerstandsanpassung der drei Frequenzfilter notwendig. 0 V Zum Schema
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. f in Hz Ua/Ue 0,7 Ue Bass Mitte Diskant ca. 50 Hz ca. 3 kHz Elektromagnetische Schwingungen werden mit RC- Gliedern gefiltert. Tiefpass Ue Ua Ua Ue Bandpass Ua Ue Hochpass Grenzfrequenz: Ua = 0,707 Ue bei R = XC
R = 3k (Basisspannungsteiler) Gewählt: fg = 50 Hz R = 8,1 k 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 Ue Ua Hochpass Bandpass R= 8,1 k C= 470 nF R = 3 k C= 5,6 nF R1 = 10 k C1 = 100nF R2 = 6,2 k C2 = 68nF 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
Zum Schema 22k 3k BC337 + 4,5 V 0 V 5,6nF 6,2k 10k 8,1k 68nF
Die Bedingung UCE=0,5UB wurde mit R2=15 k erreicht. 2,7k IC/mA 25 20 15 10 5 BC337 + 4,5 V R1 R2 RA =1 k 15k Die Bedingung UCE=0,5UB wurde mit R2=15 k erreicht. 2,7k R1 Gewählt 2,7k! 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
5 M 11k 1F 13k 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