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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Spieluhr auf Solarzellen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Welche Kraft ist in der Lage, ein wütendes Tier zu beruhigen? Na klar, Musik! Und es gibt nichts Bezaubernderes und Beruhigenderes als die wunderbaren Klänge einer Melodie, die aus einer Spieluhr erklingt. Seit Jahrhunderten verzaubern diese Melodien Männer, Frauen und Kinder – ausnahmslos alle. Die betreffende Spieluhr wird mit Solarzellen betrieben. Kraft von der Sonne Solarenergie ist nicht das einzige einzigartige Merkmal dieser Spieluhr. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern enthält diese Spieluhr keine beweglichen Teile und wird vollständig von Siliziumzellen angetrieben. Solarzellen-Spieluhren der Vergangenheit waren lediglich eine verbesserte Version ihrer alten mechanischen Gegenstücke. Anstelle einer herkömmlichen Fabrikfeder verwendeten sie einen Elektromotor zum Drehen der Musiktrommel, die wiederum von einer Solarbatterie angetrieben wurde. In unserer Version dieses klassischen Spielzeugs wird der mechanische Antrieb durch einen Silizium-Mikroschaltkreis (Chip) ersetzt. In diesem Chip sind alle Noten und Musikintervalle gespeichert, die zum Spielen einer Melodie erforderlich sind. Wenn der Stromkreis über Solarzellen mit Strom versorgt wird, werden Noten aus dem Speicher des Chips abgerufen und über einen Lautsprecher abgespielt. Schematische Darstellung Unser Spielzeug verwendet einen integrierten Schaltkreis 7920 von Suwa Seikosha (erhältlich über Epson America, Inc., Torrance, CA). Der Chip kann aus 64 in seinem Speicher gespeicherten Noten eine Melodie abspielen. Das ist fast viermal mehr als die Anzahl der Banknoten in einer herkömmlichen mechanischen Box. Der Chip verfügt außerdem über einen internen Oszillator, der Noten in der erforderlichen Reihenfolge extrahiert. Die einzigen externen Komponenten der Box sind die RC-Schaltung, die die Tonhöhe einstellt, und der Leistungsverstärker. Die komplette Schaltung der elektronischen Spieluhr ist in Abb. dargestellt. 1.
Die Tonhöhe wird durch den Kondensator C1 und den Widerstand R1 eingestellt. Diese beiden Elemente bestimmen die Frequenz des internen Oszillators, der nicht nur die Tonhöhe der Klänge, sondern auch das Tempo der Melodie bestimmt. Leider sind die Tonart und das Tempo der Darbietung in unserer Box miteinander verbunden, und die Änderung einer davon führt zu einer Änderung der anderen. Sie können mit verschiedenen Tonarten und Tempi experimentieren, indem Sie den Wert des Widerstands R1 ändern. Als Endstufe kommt ein einfacher Leistungsverstärker mit zwei Transistoren Q1 und Q2 zum Einsatz. Das Ausgangssignal der Mikroschaltung über den Widerstand R2 steuert den Basisstrom des Transistors Q1. Vom Kollektor dieses Transistors gelangt das verstärkte Signal zur Basis des Transistors Q2, dessen Kollektorstrom einen 8-Ohm-Lautsprecher versorgt. Sie waren wahrscheinlich überrascht von der ungewöhnlichen Einbeziehung der Transistoren Q1 und Q2 in die Ausgangsstufe. Es wird aufgrund der niedrigen Versorgungsspannung der Schaltung verwendet. Tatsache ist, dass der 7920-Chip für eine Versorgungsspannung von 1,5 V ausgelegt ist, die problemlos aus Solarzellen gewonnen werden kann. Für die meisten Transistorschaltungen ist diese Spannung jedoch normalerweise nicht akzeptabel. Um eine hohe Verstärkung zu erreichen, können Sie Transistoren mithilfe einer Darlington-Schaltung verbinden, wie in Abb. 2. Es ist jedoch leicht zu erkennen, dass die Emitterverbindungen der beiden Transistoren in Reihe geschaltet sind.
Aus den Grundlagen der Funkelektronik ist bekannt, dass der Spannungsabfall an einer in Durchlassrichtung vorgespannten Siliziumdiode, nämlich dem Basis-Emitter-Übergang in einem Transistor, 0,7 V beträgt. Der Spannungsabfall an zwei Emitterübergängen beträgt bereits 1,4 V. Mit anderen Worten: Um eine Schaltung aus zwei dieser Transistoren zu betreiben, ist eine Vorspannung von mindestens 1,4 V erforderlich. Bei einer solchen Vorspannung ist die Signalverstärkung extrem gering, wenn die Kaskade von einer 1,5-V-Quelle gespeist wird. Diese Versorgungsspannung reicht einfach nicht aus. Für den normalen Betrieb unserer Verstärkerstufe ist eine Versorgung von mindestens 2 V, besser noch 3 V erforderlich. Durch den Anschluss der Transistoren wie in Abb. 1. Wir haben das Basis-Offset-Problem vollständig gelöst. Indem wir in dieser Schaltung die beiden Emitterübergänge voneinander isolieren, nutzen wir den Kollektorstrom des Transistors Q1 zum Betrieb. Bei Speisung einer solchen Stufe aus einer Spannungsquelle von 1,5 V kann der erforderliche Eingangssignalhub mehr als 0,7 V betragen. Die Solarzellen-Stromquelle für dieses hausgemachte Produkt ist eine der einfachsten in diesem Buch beschriebenen. Es umfasst drei in Reihe geschaltete Solarzellen. Dabei handelt es sich nicht um eine fertige Solarbatterie, sondern lediglich um beliebige drei Elemente. Aber beeilen Sie sich nicht. Bevor Sie mit dem Löten und Verbinden der ersten Elemente beginnen, die Ihnen zur Verfügung stehen, müssen Sie zunächst einige Fakten zur Schaltung festlegen. Im Durchschnitt ist der Stromverbrauch einer Spieluhr sehr gering. Der durchschnittliche Stromverbrauch beträgt etwa 30 mA. Zu Beginn der Notenwiedergabe sind jedoch erhebliche Stromstöße zu beobachten. In diesen Momenten erreicht der Stromverbrauch manchmal 90 mA. Dies beeinflusst den Betrieb von Solarzellen und erzeugt einen interessanten musikalischen Effekt. Betrachten wir zunächst das Phänomen selbst und dann die Wirkung, zu der es führt. Ein charakteristisches Merkmal aller von Musikinstrumenten wiedergegebenen Töne ist eine Änderung der Amplitude beim Erklingen. Ziehen Sie eine Gitarrensaite zurück und senken Sie sie dann ab oder schlagen Sie eine Klaviertaste an. Beachten Sie zunächst den scharfen Schallanstieg, der sich dann in eine gedämpfte Schwingung verwandelt, die Musiker als stationären Zustand bezeichnen. Das ist der springende Punkt. Sobald ein Ton zum ersten Mal zu erklingen beginnt, entsteht ein sehr scharfer Energiepeak. Der 7920 ahmt echte Instrumente nach und erzeugt diesen Klang elektronisch. Das Ergebnis ist ein kurzer Stromstoß, der beim Eintritt in die Endstufe den Transistor Q2 nahezu in die Sättigung treibt. Das bedeutet, dass für kurze Zeit der gesamte Strom der Solarzellen durch den 8-Ohm-Lastwiderstand fließt. Doch während dieser kurzen Zeit verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie der Solarzelle. Dadurch ändert sich nicht die von den Solarzellen erzeugte Strommenge (da der Strom selbstlimitierend ist), sondern die Ausgangsspannung. Für kurze Zeit scheint der Ausgang des Solargenerators kurzgeschlossen zu sein und seine Ausgangsspannung ändert sich entsprechend. Nun möchte ich Ihnen sagen, dass der Taktgenerator im 7920-Chip nur schwach empfindlich auf Spannungsänderungen reagiert. Daher führt ein Spannungsabfall zu Beginn einer Note zu einem kurzfristigen Abfall der Tonfrequenz. Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, wurden die folgenden Maßnahmen ergriffen. Erstens wurde die Größe der Solarzellen erhöht. Durch die Verwendung von Elementen, die offensichtlich größer (als nötig) sind, ist es möglich, den Effekt der Klangmodulation zu reduzieren, es bleiben jedoch weiterhin Spannungsspitzen (wenn auch nicht so signifikant). Und doch werden einige Probleme durch die unbeständige Belastung der Solarzellen verursacht, deren Wert praktisch von unendlich (bei Abwesenheit von Ton) bis zu einem kleinen Wert (beim Spielen einer Note) schwankt. Tatsächlich beträgt die gesamte Spannungsänderung insgesamt etwa 0,5 V oder mehr. Zweitens können Sie zum Ausgleich dieser kleinen Schwankungen den Kondensator C2 parallel zum Solarpanel installieren. In dem Moment, in dem der Stromkreis einen großen Strom benötigt, liefert der entladende Kondensator C2 den größten Teil davon. Während der Pause zwischen den Noten wird der Kondensator C2 durch Solarzellen aufgeladen. Bei Verwendung dieser beiden Schaltungslösungen ist es möglich, die Versorgungsspannung der Mikroschaltung mehr oder weniger zu stabilisieren. Design Der Musikgenerator ist auf einer Leiterplatte untergebracht, deren Größe es ermöglicht, das gesamte Gerät in einem kleinen Volumen unterzubringen, beispielsweise in einer Schachtel für Ohrringe oder Manschettenknöpfe.
Bitte beachten Sie beim Einbau, dass der Kondensator C2 aus Platzgründen nicht oben, sondern seitlich der Leiterbahnen angebracht wird. Der Lautsprecher, der einen großen 8-Ohm-Lautsprecher eines Transistorempfängers verwendet, sollte nicht zu nahe an der Leiterplatte platziert werden. Die beste Nachahmung des Klangs einer Spieluhr wird durch die Verwendung eines dynamischen Kopfes mit einem starren Diffusor aus Kunststoff oder Metall erreicht.
Musikbox Jetzt ist es an der Zeit, der Spieluhr das richtige Aussehen zu verleihen. Denken Sie darüber nach, und Ihnen werden sicherlich verschiedene Optionen in den Sinn kommen. Als Etui kann auch eine Schmuckschatulle verwendet werden, deren Größe sehr unterschiedlich sein kann, aber auch eine Schachtel für Münzen oder sogar ein Terrarium. Die Möglichkeiten hier sind nur durch Ihre Vorstellungskraft begrenzt. Bedenken Sie, dass unsere Spieluhr praktisch unzerstörbar ist und daher auf vielfältigere Weise verwendet werden kann als ihre unvollkommenen mechanischen Vorgänger. Persönlich habe ich mich für eine klavierförmige Schmuckschatulle mit Klappdeckel entschieden. Mir scheint, dass die Form des Klaviers sehr gut zum Zweck der Spieluhr passt. Für welches Gehäuse Sie sich auch entscheiden, stellen Sie sicher, dass es eine offene Oberseite oder ein Fenster im Deckel hat, das frei genug ist, um Solarzellen unterzubringen. Schalten Sie die Solarzellen in Reihe und kleben Sie diese auf die Innenseite der Abdeckung. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise Gummizement verwendet, aber auch jeder andere klare Kleber funktioniert. Wenn sich die Solarbatterie im beweglichen Teil der Box (am Klappdeckel) befindet, dehnen Sie die Anschlusskabel so, dass ihre Bewegung minimal ist. In diesem Fall können Sie einen flexiblen Draht verwenden. Der elektronische Teil der Schaltung kann an jedem geeigneten Ort platziert werden. Für den Lautsprecher gilt dieser Hinweis jedoch nicht. Wenn der Diffusor in einem geschlossenen Kasten platziert wird, muss er mit dem Außenraum kommunizieren, sonst hört man nichts. Bohren Sie in diesem Fall gegenüber dem Lautsprecher mehrere Durchgangslöcher in den Gehäusekörper. Um Ihr neues Spielzeug zu testen, legen Sie es unter eine starke Lampe oder setzen Sie es der Sonne aus. Und sofort wird der Raum mit den magischen Klängen der Musik erfüllt. Autor: Byers T.
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Kommentare zum Artikel: Denise Danke für den Musikbox-Kompilationsalgorithmus) [nach oben]
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