DIY最簡單的音樂節拍LED燈

作者 : wegi1,elektroda.pl

配合音樂節奏閃爍的LED燈設計已經有許多相關討論與實作了,為什麼現在還要重新探討這個主題呢?

眾所周知,網路上已經有很多DIY介紹配合音樂節奏閃爍的LED燈設計了。那為什麼現在還要重新探討這個主題呢?因為我發現了一個中國製造的電子製作套件,它只需要使用最少的元件。

例如在淘寶(Taobao)網頁中的相關資料—「聲控LED旋律燈電子製作套件DIY趣味製作套件電路實驗套件聲控模組」中,就介紹了為什麼它便宜很多。其中所介紹的電路圖更先進、複雜,也可能還有其他更多可能性,但該工具套件的獨特之處在於其極簡約的設計,卻仍具有相同功效。

我並不想在這裡使用「設計之美」(the beauty of design)之類的形容詞,但它確實設計得不錯,儘管我懷疑LED或輸出電晶體可能燒壞。但在此所見的是一個經過深思熟慮的設計,儘管極其簡單,這種簡單性卻也反映出設計者對電子知識的瞭解與掌握度。

為了讓LED隨音樂節奏跳動,設計者只需要用到:

  • 3個電阻;
  • 2個NPN電晶體;
  • 2個電容器;
  • 麥克風;
  • LED;
  • PCB的尺寸為34mm×25mm (單面板)。

其原理圖為:

我決定透過測量整個系統在靜止期間和在最大負載期間的電流消耗,檢查它是否存在可能損壞二極體或電晶體Q2 (NPN 9014)的過大電流:

  • 在靜止時,系統消耗小於1mA。
  • 在最大可能的雜訊情況下能產生91mA,這並不實際,因為即使直接摩擦和敲擊麥克風本身,強度也不會超過80mA。

該製造商預見到提供3-5V電壓的可能性,我測量了5V電壓時的電流,從而測量最壞的情況。

有了電源電壓和電流強度這兩個值,使用最簡單的公式,就可以計算出電路阻抗和消耗的功率。

根據歐姆定律計算阻抗:

R = U/I = 5V / 0.091A = 55Ω

由於計算出了阻抗,接著就可以計算電路的功率:

P (W) = I * I (A * A) * R (Ω) = 0.091 (A) * 0.091 (A) * 55 (Ω) = 0.45545 (W) ≈0.45 (W)

實際上,由於有了消耗的電流和電源電壓這兩個值,甚至不必那麼費力地計算阻抗,使用以下公式就可以計算功耗:

P (W) = U (V) * I ( A) = 5 (V) * 0.091 (A) = 0.45545 (W) ≈0.45 (W)

知道了系統靜止時的電流消耗可以忽略不計後,從圖中就可以看出電晶體Q2 9014是最大負載的元件。

無論如何,目前得到兩個重要結果可用來嘗試驗證電路上的負載:

  1. 功率45W;
  2. 最大電流091A。

透過9014C的資料手冊(我檢查到所安裝的是“C”版本),就可以查找此電晶體的3個參數:

  1. 可「通過」它的最大電流=0.1A;
  2. 耗散功率45W;
  3. 可以看看hFE,雖然它僅供參考,因為範圍太大(200-600)。

但我們並未超過電晶體的最大電流,就不至於高過80mA,耗散的功率應該是接腳的,必須知道這並不是一直存在的功率,而是在聲波圖表的最高峰值處。我認為這不是一個連續負載,如同在從輸出電晶體Q2的集電極獲取的波形圖上所看到的。

順道一提,麥克風訊號級也一併呈現了。

佈局很簡單,並可模擬以下截圖:

https://everycircuit.com/circuit/4631294967021568/minimal-led-blink

模擬截圖:

由此可以見到,來自麥克風的訊號在±25mV的範圍附近振盪。將1μF電容器下游的直流(DC)分量切斷後,振盪仍然為50mVpp,但透過用1MΩ電阻偏置電晶體的基極對其進行控制,振盪已移動到0.75V。在Q1的集電極和Q2的基極上,訊號從0到1V以上振盪,就會使輸出電晶體Q2交替打開和關閉,由於該電晶體的基極受到一個相當大的10kΩ電阻極化,因此Q2不會進入深度飽和狀態。使用如此大的電阻,就可以最大限度地減少元件數量,而且不需要使用集電極發射極限流電阻,這就是設計的訣竅。

更確切地說,假設流過D1到D5的電流按比例分成5個相等的電流,這樣就不會超過可能損壞LED的電流。90mA (峰值)分到5個二極體上甚至不超過20mA。透過這種方式,我們知道可以對系統中負載最大的元件——Q2輸出電晶體和LED——充滿信心,儘管我們必須坦承也不得不考慮一下它的製造……

無論這個電路有多麼不準確和失真,都必須先瞭解它並不是用來傳輸語音,讓使用者聽音的,而是使用語音訊號來使LED燈閃爍,因此這個電路完全足夠了。

由於該系統建構起來非常簡單,同時也很不尋常,因此在PCB上製作起來並不難:

以下視訊顯示了系統如何運作。

編譯:Franklin

(參考原文:Minimalny zestaw do mrugania diodą w rytm muzyki,by wegi1)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年9月號雜誌

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