wlacznik dzwiekowy

1/2001
Elektronika domowa
33
W³¹cznik dŸwiêkowy
Zdalne sterowanie ma doœæ d³ug¹ historiê. Pierwsze „piloty” zdalnego
sterowania posiada³y przewód ³¹cz¹cy je z urz¹dzeniem sterowanym.
Tego typu rozwi¹zania mo¿na spotkaæ nawet dziœ na budowach lub
w zak³adach przemys³owych, co wcale nie œwiadczy o zacofaniu technologicznym tych urz¹dzeñ. Drugim etapem „pilotyzacji” sprzêtu, ju¿ bezprzewodowym by³o sterowanie przy pomocy ultradŸwiêków. „Piloty”
ultradŸwiêkowe wydawa³y charakterystyczny cichy stukot wynikaj¹cy
z przesy³anych z czêstotliwoœci¹ akustyczn¹ paczek impulsów ultradŸwiêkowych. Kolejnym etapem rozwoju technik by³o zastosowanie
w pilotach podczerwieni, które króluje do dziœ. Artyku³ cofa nas nieco
w czasie do ery sterowania akustycznego. Wielka zalet¹ uk³adu jest to
¿e nie trzeba budowaæ „pilota”, mog¹ nim byæ nasze usta. Wystarczy
tylko zbudowaæ doœæ prosty odbiornik.
Zdalne sterowanie sprzêtem powszechnego u¿ytku tak naprawdê zaczê³o siê z chwil¹ wprowadzenia na prze³omie lat szeœædziesi¹tych i siedemdziesi¹tych ubieg³ego wieku (jak to staro
brzmi) pilotów ultradŸwiêkowych. W systemach tych jako noœnik informacji wykorzystano akustyczn¹ falê ultradŸwiêkow¹. Urz¹dzenia te by³y oparte na zasadzie pracy wieloczêstotliwoœciowej, co
oznacza, ¿e ka¿demu rozkazowi by³a
przyporz¹dkowana okreœlona czêstotliwoœæ fali. Uk³ady pilotów ultradŸwiêkowych pracowa³y na czêstotliwoœciach
z zakresu 30÷40 kHz.
W koñcu lat siedemdziesi¹tych na
naszym rynku pojawi³y siê produkowane
na Dalekim Wschodzie akustyczne breloczki do kluczy, reaguj¹ce na gwizdanie.
By³o to bardzo wygodne urz¹dzenie. Gdy
klucze zapodzia³y siê gdzieœ, wystarczy³o
tylko zagwizdaæ a breloczek odpowiada³
„æwierkaniem”, co pozwala³o zorientowaæ siê gdzie te nieszczêsne klucze le¿¹.
Innym przyk³adem zastosowania fal
dŸwiêkowych by³ bodaj¿e francuski film
tak¿e z tamtych lat. W jednej ze scen
g³ówny bohater wielokrotnie policzkuje
towarzysz¹c¹ mu partnerkê. W rytm suchych odg³osów uderzeñ w pokoju zapala siê i gaœnie œwiat³o. By³ to niezamierzony efekt dzia³ania akustycznego
w³¹cznika œwiat³a.
Wszystkie opisane powy¿ej urz¹dzenia dzia³a³y bez modulacji fali akustycznej. W pierwszym z nich informacja by³a przekazywana za poœrednictwem czêstotliwoœci, innej dla ka¿dego z kana³ów.
W drugim i trzecim urz¹dzeniu odbierano tylko g³oœnoœæ sygna³u o okreœlonej
czêstotliwoœci.
Nieco inaczej wygl¹da kodowanie informacji w pilotach wykorzystuj¹cych podczerwieñ. Stosowana tu jest
podwójna modulacja. Fal¹ noœn¹ jest
wi¹zka œwiat³a podczerwonego zmodulowanego przebiegiem o czêstotliwoœci
30÷40 kHz. Z kolei ten przebieg podlega modulacji impulsowej, która niesie
informacjê u¿yteczn¹. Proszê zwróciæ
uwagê, ¿e w przypadku sygna³ów radiowych i telewizyjnych wystêpuje jedna
modulacja elektromagnetycznej fali noœnej, na któr¹ na³o¿ona jest przekazywana informacja. Przy stacjach radiowych UKF elektromagnetyczna fala noœna ma czêstotliwoœæ z przedzia³u
88÷108 MHz, która jest bezpoœrednio
modulowana sygna³em akustycznym.
Œwiat³o podczerwone jest tak¿e fal¹
elektromagnetyczn¹, któr¹ niestety jest
bardzo ciê¿ko wzmocniæ. W odbiorniku
podczerwieni stosowane s¹ elementy reaguj¹ce na œwiat³o podczerwone – pó³przewodnikowe diody odbiorcze. Uk³ady odbiorcze nie wzmacniaj¹ samej fali
noœnej (czyli œwiat³a). Wzmocnieniu ulega tylko sama fala moduluj¹ca na³o¿ona
na strumieñ œwiat³a o czêstotliwoœci
30÷40 kHz, z której poprzez detekcjê
otrzymuje siê informacjê u¿yteczn¹. Jako
ciekawostkê mo¿na podaæ fakt, ¿e do
wzmacniania samej wi¹zki œwietlnej stosowane s¹ fotopowielacze, ale to ju¿
odrêbna historia.
W opisywanym urz¹dzeniu do
w³¹czania œwiat³a wykorzystano fale
akustyczn¹. Urz¹dzenie stanowi mieszankê opisanego breloczka i w³¹cznika
reaguj¹cego na klaskanie. Uk³ad co
prawda nie odpowiada dŸwiêkowo na
gwizdanie, ale za to zapala i gasi œwia-
t³o. Reakcjê na gwizd wybrano ze
wzglêdu na du¿¹ odpornoœæ na akustyczne sygna³y zak³ócaj¹ce. Drugim
czynnikiem przemawiaj¹cym za takim
rozwi¹zaniem by³a ³atwoœæ w realizacji
uk³adu elektronicznego.
Dlaczego gwizdanie? OdpowiedŸ
jest prosta po obejrzeniu sygna³u gwizdania na ekranie oscyloskopu. Okazuje
siê, ¿e jest to prawie idealna sinusoida.
Oznacza to, i¿ prawie ca³a energia akustyczna sygna³u skupiona jest na jednej
czêstotliwoœci. Natomiast inne dŸwiêki:
ha³asy, g³oœna rozmowa posiadaj¹ znacznie szersze widmo sygna³u. Mimo, ¿e jakiœ dŸwiêk wydaje siê g³oœny „wyciêta”
czêœæ widma tego sygna³u z regu³y nie
posiada zbyt du¿ej amplitudy. Dziêki temu faktowi na wejœciu uk³adu wystarczy
zbudowaæ odpowiednio selektywny filtr
pasmowy, który bêdzie wy³apywa³ gwizdanie które powinno mieæ odpowiedni¹ czêstotliwoœæ. Pozosta³e zaœ dŸwiêki
bêd¹ skutecznie t³umione.
Jako czêstotliwoœæ na któr¹ reaguje
uk³ad wybrano tu 800 Hz. Jest to ton le¿¹cy nieco poni¿ej g³ównego widma mowy ludzkiej, czyli przypadaj¹ca na t¹
czêstotliwoœæ energia jest stosunkowo
ma³a. Ten ton tak¿e jest ³atwo zagwizdaæ. Dla osób maj¹cych problemy
z gwizdaniem (nie ma potrzeby gwizdania na palcach) podano kilka wariantów
filtru pasmowego.
Opis uk³adu
Na wejœciu w³¹cznika akustycznego
znajduje siê tani mikrofon pojemnoœciowy zintegrowany ze wzmacniaczem.
Wiêkszoœæ tego typu mikrofonów cha-
W³¹cznik dŸwiêkowy
220V AC
¯
A2
G
120W
R16
6
V2
MOC3043
2
3
R14
1,5k
3
1
C
R
4
7
Q
2
US3A
5
4
11
R15
470W
C
R
10
A1
BT
136-600V
12
Q
13
Q
US3B
8
S
D
9
6 14
S
1
Q
D
5
7
4
US2B
R18
22k
C9
22mF
C8
220mF
LM
78L12
R8
100k
C7
47n
TS2/028
100mA
220V AC
M
B1
TR1
R2
100k
R3
2,4k
2
4
PR1
GB008
100k
10k
R6
220W
P1
R4
4,3k
US4
5
47n
6
US1B
7
+12V
R9
100k
C6
4,7mF
R10
22k
R17
22k
+12V
C5
1mF
6
5
R12
22k
TL082
2
3
US2A
8
1
220k
R11
18k*
+12V
CD4013
1
Oba
wzmacniacze
operacyjne
US1A i US1B polaryzowane s¹ przez rezystory R2 i R8 z pomocniczego Ÿród³a
napiêcia o wartoœci równej po³owie napiêcia zasilania. Rozwi¹zanie takie upraszcza zasilacz sieciowy, nie jest jednak
polecane w uk³adach o wysokiej czu³oœci
i dok³adnoœci. W³¹cznik dŸwiêkowy na
szczêœcie nie nale¿y do tej kategorii
i mo¿na stosowaæ w nim pojedyncze napiêcie zasilaj¹ce.
Wzmocniony i wydzieliny przez filtr
sygna³ który odebra³ mikrofon doprowa-
US1A
[nF]
47
47
47
47
47
33
33
33
100n
[kW]
100
82
75
68
62
82
75
68
D1
1N4148
[W]
240
220
200
180
160
200
200
180
C4
2,2mF
[kW]
4,7
4,3
3,6
3,3
3,0
3,9
3,6
3,3
R7
82k
[Hz]
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
C3
C2, C3
C2
47n
R5
R7
TL082
R5
8
R6
3
Czêstotliwoœæ
C1
Tabela 1 – Wartoœci elementów filtru pasmowego dla ró¿nych czêstotliwoœci
œrodkowych, Au=20 dB, Q=10
Wyjœcie Q przerzutnika D US3A stedzony jest do prostownika pó³okresoweruje bezpoœrednio diod¹ LED znajduj¹c¹
go sk³adaj¹cego siê z diody D1 i kondensiê w optotriaku. Zapalenie siê diody posatora C5. Bez sygna³u wejœciowego na
woduje wyzwolenie optotriaka co z kolei
kondensatorze C5 wystêpuje napiêcie
poci¹ga za sob¹ w³¹czenie triaka Ty1,
równe po³owie napiêcia zasilaj¹cego. Jest
który zapala ¿arówkê. Optotriak zapewono doprowadzane przez rezystor R10.
Przy obecnoœci sygna³u na wejœciu
w³¹cznika akustycznego na kondensatorze C5 pojawia siê
napiêcie proporcjonalne do amplitudy
sygna³u wejœciowego.
Za prostownikiem
umieszczono komparator US2A. Do wejœcia nieodwracaj¹cego komparatora doprowadzono napiêcie
referencyjne z dzielnika R11, R12, nieco
wiêksze od po³owy
napiêcia zasilaj¹cego.
Natomiast do wejœcia nieodwracaj¹cego
doprowadzone zosta³o napiêcie z prostownika. Przy braku sygna³u na wejœciu wyjœcie
komparatora
US2A jest w stanie niskim. Gdy na wejœciu
pojawi siê sygna³
o odpowiednio du¿ej
amplitudzie komparator zmienia stan na
przeciwny.
Narastaj¹ce zbocze
sygna³u na wyjœciu
komparatora powoduje zmianê stanu przerzutnika typu D US3A.
Przerzutnik ten pracuje w uk³adzie dzielnika przez dwa. Tak ¿e
ka¿de kolejne dodatnie zbocze z wyjœcia
komparatora zmienia stan przerzutnika
na przeciwny. Drugi
przerzutnik D zawarty
w uk³adzie US3B nie
jest wykorzystywany.
Jego wszystkie wejœcia s¹ po³¹czone
z plusem zasilania, co
zapobiega fa³szywym
przerzutom.
Rys. 1 Schemat ideowy akustycznego w³¹cznika oœwietlenia
R13
rakteryzuje siê czu³oœci¹ ok. 10 mV/Pa
i pasmem czêstotliwoœci 100 Hz do
10 kHz. Dlatego te¿ za mikrofonem
umieszczono wzmacniacz operacyjny
US1A. Wzmocnienie wzmacniacza mo¿e
byæ regulowane przy pomocy potencjometru w zakresie od 5 V/V do 47 V/V.
Za wzmacniaczem znajduje siê aktywny filtr pasmowy. Zrealizowano go
na wzmacniaczu operacyjnym US1B. Jest
to filtr kwadratowy, który charakteryzuje siê du¿¹ dobroci¹ (selektywnoœci¹)
i stabilnoœci¹. Charakterystyka filtru jest
symetryczna wzglêdem czêstotliwoœci
œrodkowej (rys. 2). Filtry tego typu,
w których zastosowano pojedynczy
wzmacniacz operacyjny nie wymagaj¹
elementów o ma³ej tolerancji pod warunkiem, ¿e dobroæ i wzmocnienie dla
czêstotliwoœci œrodkowej nie przekraczaj¹ wartoœci: Q – 10 i Au – 10 V/V. Tak te¿
post¹piono w opisywanym filtrze. Jeszcze jedn¹ zalet¹ filtru kwadratowego
jest to, ¿e stosuje siê w nim dwa identyczne kondensatory.
Jak ju¿ wczeœniej wspomniano osoby które maj¹ trudnoœci z gwizdaniem
mog¹ wykonaæ filtr o innej czêstotliwoœci œrodkowej. Wartoœci elementów dla
ró¿nych wersji filtru podano w Tabeli 1.
1/2001
R1
10k
34
W³¹cznik dŸwiêkowy
1/2001
identyczne z napiêciem wejœciowym zadanym przez dzielnik R17, R18.
[dB]
+20
Monta¿ i uruchomienie
+10
0
–10
–20
–30
10
35
[Hz]
100
1k
10k
Rys. 2 Charakterystyka kwadratowego filtru pasmowego o dobroci Q=10
i wzmocnieniu czêstotliwoœci œrodkowej 10 V/V
nia konieczn¹ w takich przypadkach separacjê galwaniczn¹ pomiêdzy uk³adem
elektronicznym w³¹cznika a obwodem
triaka który znajduje siê pod pe³nym napiêciem sieci energetycznej 220 V.
Na rysunku 3 zamieszczono przebiegi w punktach uk³adu (Uwaga! Na rysunku dla poprawy czytelnoœci nie zachowano skali amplitud). Na dwóch
górnych przebiegach widaæ bli¿ej nieokreœlone paczki sygna³u akustycznego.
Umówmy siê, ¿e jest to doœæ nieudolne
gwizdanie (dwie skrajne paczki) i przypadkowy sygna³ zak³ócaj¹cy (œrodkowa
paczka). Na trzecim przebiegu pokazano
sygna³ na wyjœciu filtru pasmowego.
Z sygna³u wejœciowego dziêki filtrowi zosta³a wyodrêbniona tylko jedna czêstotliwoœæ 800 Hz. Dlatego te¿ amplituda
paczki œrodkowej jest mniejsza ni¿ amplituda paczek skrajnych, które zawieraj¹ znacznie wiêcej czystego tonu 800 Hz.
Na wyjœciu prostownika otrzymuje
siê sygna³ o wartoœci zale¿nej od amplitudy przebiegów z filtra. Skrajne paczki
powoduj¹ zmianê stanu komparatora
US2A, co w konsekwencji poci¹ga za sob¹ zmianê stanu przerzutnika US3A.
Efektem koñcowym jest w³¹czenie optotriaka i zapalenie ¿arówki. Przy nastêpnym gwizdniêciu (skrajna prawa paczka)
nastêpuje zgaszenie ¿arówki.
Zastosowanie optotriaka w³¹czanego w zerze napiêcia sieci podyktowane
jest dwoma czynnikami. Pierwszy z nich
to mnimalizacja zak³óceñ wnoszonych
przez triak. Przypadkowe w stosunku do
przebiegu napiêcia w sieci w³¹czenie
szybkiego triaka spowoduje gwa³towny
narost pr¹du p³yn¹cego przez zimn¹ ¿arówkê i powstanie zak³ócenia elektroma-
100k
Uk³ad wraz z transformatorem sieciowym mieœci siê na p³ytce drukowanej.
Ze wzglêdu na to, ¿e do p³ytki doprowadzone zosta³o napiêcie sieci nale¿y
szczególnie starannie zamontowaæ elementy pracuj¹ce pod napiêciem 220 V.
Triak Ty1 mo¿na wyposa¿yæ w niewielki
radiator wykonany z blaszki aluminiowej. W takim przypadku wskazane jest
nasun¹æ na nó¿ki triaka rurkê izolacyjn¹
aby, ¿adna z nó¿ek nie mog³a zetkn¹æ siê
z radiatorem. Je¿eli obci¹¿eniem w³¹cznika bêdzie ¿arówka o mocy nie przekraczaj¹cej 100 W radiator jest zbêdny.
Po zamontowaniu wszystkich elementów koniecznie nale¿y sprawdziæ
poprawnoœæ monta¿u i jakoœæ lutów. Nastêpnie pozostaje w³¹czenie urz¹dzenia
do sieci. Pierwsz¹ czynnoœci¹ kontroln¹
jest pomiar napiêcia zasilaj¹cego, które
powinno wynosiæ +12 V. Nastêpnie
mo¿na zmierzyæ napiêcie sta³e na wyjœciach wszystkich wzmacniaczy operacyjnych. Wartoœæ tego napiêcia +6 V. Teraz
mo¿na ju¿ sprawdziæ, czy uk³ad zapala
œwiat³o przy gwizdniêciu. Na pocz¹tku
pewn¹ trudnoœæ mo¿e sprawiæ dobór tonu jaki jest niezbêdny do zadzia³ania
w³¹cznika. Czu³oœæ ustawia siê ekspery-
gnetycznego. Optotriak w³¹czany w zerze napiêcia sieci automatycznie zapewnia synchronizacjê w³¹czania ¿arówki
z sieci¹. ¯arówka zapala siê gdy napiêcie
w sieci nie przekracza wartoœci 20 V.
Drugim czynnikiem przemawiaj¹cym
za stosowaniem optotriaka w³¹czanego
w zerze jest ochrona triaka przed przeci¹¿eniami spowodowanymi udarem pr¹dowym w momencie w³¹czania ¿arówki.
Zwyk³a ¿arówka o mocy 100 W posiada
rezystancjê ok. 480 W, przy której p³ynie
pr¹d 0,45 A. Jest to rezystancja gor¹cego
w³ókna w czasie gdy ¿arówka œwieci siê.
Jako, ¿e ¿arówka jest elementem nieliniowym jej rezystancja przy zimnym w³óknie
jest znacznie mniejsza
i wynosi oko³o 40 W. Zatem w pierwszej chwili po
M
w³¹czeniu przez ¿arówkê
pop³ynie
niebagatelny
pr¹d oko³o 5,5 A. Co
WY
prawda triak jest w stanie
US1A
bez problemu wytrzymaæ
tak¹ wielkoœæ pr¹du, ale
na pewno skraca to jego
WY
¿ywotnoœæ.
US1B
Do zasilania uk³adu
elektronicznego zastosowano miniaturowy stabiKatoda
D1
lizator US4 dostarczaj¹cy
napiêcia +12 V. Pomocnicze napiêcie o wartoœci
WY
+6 V wytwarzane jest
US2A
w dzielniku aktywnym ze
wzmacniaczem operacyjnym US2B. Wzmacniacz
ZAPALONA
ZGASZONA
WY Q
ten pracuje w uk³adzie
CD4013
wtórnika napiêciowego.
Na jego wyjœciu otrzymuje siê zatem napiêcie
Rys. 3 Przebiegi w punktach uk³adu
W³¹cznik dŸwiêkowy
1/2001
R13
R12
R10
P1
US3
R17
R7
R9
R6
R4
R3
R2
D1
US2
R11
PR1
~
–
C7
C6
C9
C8
+
US4
~
R14
MOC
3043
ARTKELE 573
CD4013
US1
C5
TL
082
TL
082
C1
C2 C3 C4
R5
R18
R1
M
R8
36
375 ELEKTRA
TS 2/028
R15
R16
100mA
220V
¯
Rys. 4 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów
mentalnie przy pomocy potencjometru
P1. Je¿eli oka¿e siê, ¿e czu³oœæ jest niezadowalaj¹ca mo¿na zmieniæ (zwiêkszyæ
do 20 kW) wartoϾ rezystora R11.
Podczas eksperymentów z w³¹cznikiem zalecam zachowanie szczególnej
ostro¿noœci jako, ¿e fragmenty uk³adu
pracuj¹ pod pe³nym napiêciem sieci.
Wykaz elementów
Pó³przewodniki
US1, US2
US3
US4
V2
Ty1
PR1
D1
–
–
–
–
–
–
–
TL 082
CD 4013
LM 78L12
MOC 3043
BT 136-600
GB 008 1 A/100 V
1N4148
EPROM
CZÊŒCI ELEKTRONICZNE
ul. Parkowa 25
51-616 Wroc³aw
tel. (071) 34-88-277
fax (071) 34-88-137
tel. kom. 0-90 398-646
e-mail: [email protected]
Czynne od poniedzia³ku do pi¹tku
w godz. 9.00 - 15.00
Oferujemy Pañstwu bogaty wybór elementów elektronicznych uznanych (zachodnich) producentów bezpoœrednio
z naszego magazynu.
Rezystory
R6
R16
R15
R14
R3
R5
R1, R4
R11*
R10, R12,
R17, R18
R7
R2, R8, R9
R13
–
–
–
–
–
–
–
–
220 W/0,125 W
120 W/0,125 W
470 W/0,125 W
1,5 kW/0,125 W
2,4 kW/0,125 W
4,3 kW/0,125 W
10 kW/0,125 W
18 kW/0,125 W
–
–
–
–
22 kW/0,125 W
82 kW/0,125 W
100 kW/0,125 W
220 kW/0,125 W
Kondensatory
C2, C3
C7
C1
– 47 nF/63 V MKSE-20
– 47 nF/50 V ceramiczny
– 100 nF/63 V MKSE-20
Posiadamy w sprzeda¿y miêdzy innymi:
PAMIÊCI
EPROM, EEPROM,
RAM (S-RAM; D-RAM)
UK£ADY SCALONE SERII:
74LS..., 74HCT..., 74HC...,
C-MOS (40..., 45...).
MIKROPROCESORY, np.:80.., 82..,
Z80.., ICL71.., ATMEL89..,
UK£ADY PAL, GAL, WZMACNIACZE
OPERACYJNE, KOMPARATORY, TIMERY,
TRANSOPTORY, KWARCE, STABILIZATORY, TRANZYSTORY, PODSTAWKI BLASZKOWE, PRECYZYJNE, PLCC, LISTWY
PIONOWE, LISTWY ZACISKOWE, PRZE£¥CZNIKI SWITCH, Z£¥CZA, OBUDOWY
£¥CZ, HELITRYMY, LEDY, PRZEKANIKI,
GALANTERIA ELEKTRONICZNA.
C5
C4
C6
C9
C8
–
–
–
–
–
1 mF/50 V
2,2 mF/50 V
4,7 mF/50 V
22 mF/25 V
220 mF/16 V
Inne
M1
– mikrofon piezoelektryczny
B1
– WTAT 100 mA/250 V
TR1
– TS 2/028
p³ytka drukowana numer 573
P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zaliczeniem pocztowym. P³ytki mo¿na zamawiaæ w redakcji PE.
Cena:
p³ytka numer 573 - 6,20 z³
+ koszty wysy³ki (10 z³).
à Micha³ Tomaszek
POSIADAMY TAK¯E W SPRZEDA¯Y
PODZESPO£Y KOMPUTEROWE:
NOWE I U¯YWANE (NA TELEFON)
P£YTY G£ÓWNE, PROCESORY, PAMIÊCI
SIMM/DIMM, WENTYLATORY, KARTY
MUZYCZNE, KARTY VIDEO, MYSZY,
FAX-MODEM-y, FLOPP-y, DYSKI TWARDE, CD-ROMy, KLAWIATURY, OBUDOWY, ZASILACZE, G£OŒNIKI I INNE.
Programujemy
EPROMy,
FLASH/
EEPROMy, GALe, PALe, procesory 87..,
89.. oraz inne uk³ady programowalne.
Na ¿yczenie przeœlemy ofertê.
Mo¿liwoœæ sprzeda¿y wysy³kowej.