太陽電池のオルゴール。スキーム、説明

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太陽電池を使ったオルゴール。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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怒れる獣を鎮めることができる力は何でしょうか？まあ、もちろん音楽ですよ！オルゴールから流れ出る素晴らしいメロディーの音ほど魅力的で心安らぐものはありません。何世紀にもわたって、これらのメロディーは例外なく男性、女性、子供たちを魅了してきました。

問題のオルゴールは太陽電池を動力源としています。

太陽からの力

このオルゴールのユニークな点は太陽からの電力だけではありません。前任者とは異なり、このオルゴールには可動部品が含まれておらず、完全にシリコン電池によって駆動されます。

過去の太陽光発電オルゴールは、古い機械式オルゴールを改良しただけでした。

この製品では、従来の工場製スプリングの代わりに、電気モーターを使用してドラムを回転させ、その駆動には太陽電池が使用されていました。

この古典的なおもちゃの私たちのバージョンでは、機械的ドライブがシリコンのマイクロ回路 (チップ) に置き換えられています。このチップ内には、メロディーを演奏するために必要なすべての音符と音程が保存されています。太陽電池から電源回路に適用されると、マイクロ回路のメモリから音が抽出され、スピーカーで再生されます。

概略図

私たちの玩具は、諏訪精工舎製の 7920 集積回路を使用しています (IC は、カリフォルニア州トーランスの Epson America, Inc. から入手可能です)。この超小型回路は、メモリに保存されている 64 音符からメロディーを演奏できます。これは、従来のメカボックス内のノート数のほぼ XNUMX 倍です。

このマイクロ回路には、必要なシーケンスでノートを抽出する内部ジェネレーターもあります。このボックスの外部コンポーネントは、RC ピッチ制御回路と最終アンプだけです。電子オルゴールの完全な構成を図に示します。 1.

太陽電池付きオルゴール
Pic.1

ピッチはコンデンサ C1 と抵抗 R1 によって設定されます。これら 1 つの要素は内部ジェネレーターの周波数を決定し、サウンドのピッチだけでなくメロディーのテンポも決定します。残念ながら、ピッチとテンポはボックス内で絡み合っており、一方を変更すると他方も変更されてしまいます。抵抗器 RXNUMX の値を変更することで、さまざまなキーやテンポを試すことができます。

出力段は、1 つのトランジスタ Q2 と Q2 を備えたシンプルなパワーアンプです。抵抗器R1を介したマイクロ回路の出力信号は、トランジスタQ2のベース電流を制御します。このトランジスタのコレクタから、増幅された信号がトランジスタ Q8 のベースに供給され、そのコレクタ電流が XNUMX オームの抵抗を備えたスピーカーに供給されます。

出力段のトランジスタ Q1 と Q2 が異常にオンになることに驚かれたかもしれません。回路の電源電圧が低いために使用されます。実際、7920 チップは 1,5 V の電源電圧向けに設計されており、この電圧は太陽電池から簡単に入手できます。しかし、ほとんどのトランジスタ回路では、この電圧は通常許容できません。

高ゲインを実現するには、図に示すようにトランジスタをダーリントン回路に接続します。ただし、この場合、2 つのトランジスタのエミッタ接合が直列に接続されていることが容易にわかります。

太陽電池付きオルゴール
Pic.2

無線エレクトロニクスの基礎から、順バイアスされたシリコンダイオード、つまりトランジスタのベース-エミッタ接合間の電圧降下は 0,7 V であることが知られています。1,4 つのエミッタ接合間の電圧降下はすでに 1,4 V になります。言い換えれば、このような XNUMX つのトランジスタからなる回路が動作するには、少なくとも XNUMX V のバイアス電圧が必要になります。

このようなバイアスでは、ステージが 1,5 V 電源から電力供給されている場合、信号ゲインは非常に小さくなり、この電源電圧ではまったく不十分です。増幅段が通常に動作するには、少なくとも 2 V、できれば 3 V の電力を供給する必要があります。

図のようにトランジスタを接続すると、 1、ベースオフセットの問題を完全に解決しました。この回路では 1 つのエミッタ接合を互いに絶縁することにより、トランジスタ Q1,5 のコレクタ電流を使用して動作します。このようなステージが 0,7 V の電圧源で駆動される場合、必要な入力信号振幅は XNUMX V を超える可能性があります。

この自作製品の太陽光発電電源は、この本で説明されているものの中で最も単純なものの XNUMX つです。直列に接続された XNUMX つの太陽電池が含まれています。これは既製の太陽電池ではなく、単に XNUMX つの要素を組み合わせたものです。

しかし、急ぐ必要はありません。手元にある最初の要素をはんだ付けして接続する前に、まず回路に関連するいくつかの事実を考慮する必要があります。平均して、オルゴールが消費する電力は非常にわずかです。平均消費電流は約 30 mA です。ただし、ノートの再生の開始時に、かなりの電流サージが観察されます。このときの消費電流は90mAに達することもあります。

これは太陽電池の動作に影響を与え、興味深い音楽効果を生み出します。

まず現象自体を考えてから、それがもたらす影響について考えてみましょう。楽器によって再生されるすべての音の特徴は、音の途中で振幅が変化することです。後ろに引いてギターの弦を下げるか、ピアノの鍵盤を叩きます。最初に聞こえるサウンドの鋭いアタックに注目してください。その後、ミュージシャンが定常状態と呼ぶ減衰振動に変わります。それが要点です。

音が鳴り始めた最初の瞬間、非常に鋭いエネルギーのピークが生まれます。 7920 は実際の楽器を模倣してこのサウンドを電子的に生成します。その結果、短電流サージが発生し、最終段ではトランジスタ Q2 が飽和に近い状態になります。これは、短時間であれば、太陽電池からのすべての電流が 8 オームの負荷抵抗を通って流れることを意味します。

しかし、この短い時間の間に、太陽電池の電流電圧特性の動作点がシフトします。その結果、変化するのは太陽電池によって生成される電流量ではなく（電流が自己制限されるため）、出力電圧です。短時間、太陽光発電機の出力がいわば短絡状態となり、それに応じて出力電圧が変化します。

さて、7920 チップのクロックジェネレーターは電圧の変化にわずかに敏感であることをお話ししましょう。したがって、ノートの再生の開始時に電圧が降下すると、音の周波数が短期間低下します。

この現象に対処するために、次のような対策が講じられています。まず、太陽電池のサイズが大きくなりました。明らかに（必要以上に）サイズの素子を使用すると、音響変調の効果を減少させることができますが、電圧サージ（それほど重大ではありませんが）は依然として残ります。それでもなお、太陽電池の負荷が一定でないために問題が発生することもあります。負荷の値は実質的に無限大（無音時）から小さな値（音を弾いているとき）まで変化します。実際、トータルの電圧変化は合計約0,5V以上になります。

次に、これらの小さな変動を平滑化するために、太陽電池アレイと並列にコンデンサ C2 を取り付けることができます。その瞬間、回路が大電流を必要とするとき、コンデンサ C2 が放電することで大部分の電流を供給します。音の間の一時停止中に、コンデンサ C2 が太陽電池によって充電されます。これら XNUMX つの回路ソリューションを使用すると、マイクロ回路の電源電圧を多かれ少なかれ安定させることができます。

デザイン

音楽発生器はプリント基板上に配置されており、そのサイズにより、デバイス全体を、たとえばイヤリングやカフスボタンの下からボックスに小さな容積に配置することができます。
図 PCB を図に示します。 3、およびその上の要素の配置 - 図。 4.

太陽電池付きオルゴール
Pic.3

太陽電池付きオルゴール
Pic.4

設置の際、コンデンサ C2 はスペースを節約するために、プリント導体の上からではなく側面から配置されることに注意してください。トランジスタ受信機の特大 8 オームスピーカーであるラウドスピーカーは、回路基板に近づきすぎないようにしてください。オルゴールの音を最もよく再現するには、プラスチックまたは金属製の剛性コーンを備えたダイナミックヘッドを使用します。

オルゴール

今度はオルゴールをきちんと見てみます。考えてみれば、必ず別の選択肢が出てくるはずです。ケースとしては、ジュエリーボックスも適しており、そのサイズは非常に多様であり、コインボックスやテラリウムさえも可能です。ここでの可能性はあなたの想像力によってのみ制限されます。私たちのオルゴールは実質的に永遠であるため、不完全な機械式の前任者よりもさまざまな方法で使用できることを覚えておいてください。

個人的にはピアノ型の開き蓋のジュエリーボックスを選びました。ピアノの形状はオルゴールの目的に非常に正確に対応しているように思えます。どちらのケースを選択する場合でも、上部が開いているか、太陽電池を収容できる十分な透明な窓が蓋にあることを確認してください。

太陽電池を直列に接続し、蓋の内側に接着します。この目的にはゴム製の接着剤が望ましいですが、他の透明な接着剤でも使用できます。ソーラーパネルがボックスの可動部分 (ヒンジ付きの蓋上) に配置されている場合は、リード線の動きが最小限になるように配線します。この場合、フレキシブルワイヤを使用することができる。

回路の電子部分は任意の適切な場所に配置できます。ただし、この指摘はスピーカーには当てはまりません。密閉されたボックス内に配置された場合、ディフューザーは外部と通信する必要があり、そうでない場合は何も聞こえません。この場合、ボックス本体にスピーカーに向かっていくつかの貫通穴を開けます。

新しいおもちゃをテストするには、強力なランプの下に置くか、太陽にさらしてください。そして部屋は魔法のような音楽で満たされます。

著者：バイヤーズT。

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