| |||||||||||||||||
Всем удачи в начинаниях начинающим и хорошей работы электронных устройств!
Хочу сразу напомнить, что за постановку искусственных помех штраф на 20-70 минималок, с конфискацией технических средств ст. 139-3 КОАП РФ.
4. Акустическое реле. Автоматика. Радиоэлектроника, схемы радиолюбителям
Расшифровать назначение подобного устройства нетрудно. Ведь акустика — наука о звуке, а реле — устройство для включения, выключения или переключения электрических цепей с помощью электрического тока. Значит, акустическое реле — устройство, реагирующее на звук и управляющее работой какой-то нагрузки, например осветительной лампой, радиоприемником, магнитофоном.
В качестве примера познакомимся с акустическим реле, которое по громкому хлопку в ладоши способно включить в сеть или выключить любую из перечисленных нагрузок или какую-нибудь другую.
Причем по первому хлопку нагрузка будет включена в сеть, а по второму — выключена. Продолжительность времени между хлопками может быть сколь угодно большой, акустическое реле все это время будет держать нагрузку включенной и «ожидать» очередного звукового сигнала.
Схема акустического реле приведена на рис. А-31. По ней и разберем работу автомата. Начнем с того момента, когда раздался звуковой сигнал. Микрофон ВМ1, являющийся акустическим датчиком автомата, преобразовал его в электрический сигнал звуковой частоты. С движка подстроечного резистора R1 (он является регулятором усиления автомата, а значит, регулятором порога срабатывания акустического реле) часть сигнала подается через конденсатор С1 на первый каскад усилителя ЗЧ, выполненный на транзисторе VT1. Нужное для нормальной работы транзистора напряжение смещения на базе образуется благодаря включению между базой и коллектором резистора R2.
С нагрузки первого каскада (резистор R3) усиленный сигнал поступает через конденсатор СЗ на следующий каскад, выполненный на транзисторе VT2 по такой же схеме, что и первый.
С его коллекторной нагрузки (резистор R6) сигнал подается через конденсатор С4 на каскад, выполненный на транзисторе VT3. Он одновременно является усилителем переменного напряжения и усилителем постоянного тока.
Если сигнала нет, смещение на базе транзистора незначительное — оно зависит от сопротивления резистора R7. Через нагрузку каскада (обмотку электромагнитного реле К1) протекает ток, недостаточный для срабатывания реле.
Как только на базе появляется сигнал звуковой частоты, он усиливается, выделяется на обмотке реле (она представляет для таких сигналов сравнительно большое сопротивление) и поступает через конденсатор С5 на детектор, выполненный на диодах VD1 и VD2. В результате напряжение смещения на базе транзистора возрастает, увеличивается и постоянный ток в цепи коллектора транзистора. Срабатывает реле К1.
В таком положении реле находится недолго — это зависит от продолжительного звукового сигнала. Но и такого времени вполне достаточно, чтобы контакты К1.
1, замкнувшись, подали сигнал на устройство с двумя устойчивыми состояниями — триггер, выполненный на реле К2.
Познакомимся подробнее с работой триггера. Сразу же после включения автомата в сеть заряжается до напряжения питания оксидный конденсатор С6 (через резистор R8 и нормально замкнутые контакты группы К2.1). Как только замыкаются контакты К1.1, конденсатор С6 подключается к обмотке реле К2, и оно срабатывает. Замыкающие контакты группы К2.1 подключают к источнику питания обмотку реле К2 (через резистор R9), и оно самоблокируется. Теперь при размыкании контактов К1.1 реле К2 будет удерживаться током, протекающим через его обмотку и резистор R9. А конденсатор С6 при этом разрядится через резисторы R8 и R10.
При следующем появлении звукового сигнала, когда вновь сработает реле К1, контакты К1.1 подключат разряженный конденсатор С6 к обмотке реле К2. Через цепь R9C6 потечет зарядный ток конденсатора, напряжение на обмотке упадет, и реле отпустит.
Контакты К2.1 возвратятся в исходное состояние.
Таким образом, от одного звукового сигнала реле К2 срабатывает, от другого отпускает. Соответственно его контакты К2.2 либо подключают нагрузку, питающуюся через разъем XS1, к сети, либо отключают ее.
Для питания акустического реле использован блок, состоящий из понижающего трансформатора Т1 и двухполупериодного выпрямителя, выполненного на диодах VD3—VD6 по мостовой схеме. Выпрямленное напряжение фильтруется оксидным конденсатором С7. Чтобы предупредить возможное самовозбуждение усилителя, питание на первый каскад подается через фильтрующую цепочку R4C2.
Теперь о деталях автомата. Транзисторы первых двух каскадов высокочастотные. Объясняется это вовсе не необходимыми частотными параметрами усилителя, а получением возможно большего усиления автомата при меньшем числе каскадов. А для этого нужны транзисторы с высоким коэффициентом передачи тока. Таким требованиям отвечают транзисторы П416Б.
Отберите те из них, у которых коэффициент передачи 100…120. В третьем каскаде можно использовать транзисторы МП25А, МП25Б, МП26Б с коэффициентом передачи 30…40.
В детекторе могут работать диоды Д9В—Д9Л, а в выпрямителе — любые из серий Д226, Д7. Постоянные резисторы — МЛТ-0,25, подстроечный — СПО-0,5. Оксидный конденсатор С2 — К50-12, С6 и С7 — К50-3, остальные — МБМ.
Реле К1 — РЭС6, паспорт РФО.452.143, с сопротивлением обмотки 550 Ом, током срабатывания 22 мА и током отпускания 10 мА. Реле К2 — РЭС9, паспорт РС4.524.200, с сопротивлением обмотки 500 Ом, током срабатывания 28 мА и током отпускания 7 мА. Подойдут и другие реле, но при их выборе следует помнить, что реле К1 должно срабатывать при токе не более 25 мА и отпускать при токе не менее 8 мА, а К2 срабатывать при токе не более 40 мА и отпускать при токе 6…15 мА.
Под эти детали и разработана печатная плата (рис. А-32) из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.
Соединительные проводники образованы методом прорезания изоляционных канавок в фольге. Для крепления реле К1 в плате вырезано окно прямоугольной формы, под колодки же с контактами реле К2 выпилены фигурные отверстия. Соединения выводов обмоток и контактов обоих реле выполнены со стороны печатных проводников. С этой же стороны смонтированы резисторы R8—R10.
При желании можно вообще обойтись без фольгированного материала и смонтировать детали навесным способом на плате таких же размеров из подходящего изоляционного материала. Для подпайки выводов деталей на плате устанавливают монтажные шпильки и соединяют их между собой в соответствии со схемой монтажным проводом в изоляции.
Двумя уголками плату прикрепляют ко дну корпуса, изготовленного из органического стекла. Заготовки стенок и дна корпуса соединены между собой металлическими уголками. Верхняя крышка корпуса съемная, она крепится к уголкам винтами. Снаружи корпус оклеен декоративной пленкой.
В передней стенке корпуса вырезано отверстие диаметром 14 мм и напротив него изнутри приклеен звуковой датчик — капсюль от головных телефонов ТОН-2. Подойдут капсюли от других телефонов, например ТОН-1, ТЭГ-1, а также капсюли ТК-47, ДЭМШ.
В боковой стенке напротив подстроечного резистора просверлено отверстие под отвертку. На задней стенке размещены выключатель питания Q1 (тумблер ТВ2-2), держатель предохранителя с предохранителем FU1 и двухгнездная розетка XS1 для подключения к автомату нагрузки. Через отверстие в задней стенке выведен шнур питания с вилкой ХР1 на конце.
Рядом с платой ко дну корпуса прикреплен трансформатор питания Т1. Он самодельный и выполнен на магнитопроводе Ш16Х32. Обмотка I содержит 2200 витков провода ПЭВ-1 0,1, обмотка II — 160 витков ПЭВ-1 0,2. Подойдет и готовый трансформатор мощностью не менее 5 Вт и напряжением на вторичной обмотке 13…15 В.
Настало время наладить автомат.
Но прежде нужно тщательно проверить монтаж и убедиться в надежности соединений. После этого включают автомат и измеряют сначала выпрямленное напряжение на конденсаторе С7 (примерно 19 В), а затем — напряжение на конденсаторе С2 (около 7,5 В). Далее измеряют ток коллектора транзисторов VT1 (1,2 мА) и VT2 (1,5 мА) и при необходимости устанавливают эти токи точнее подбором резисторов R2 и R5 соответственно.
После этого движок подстроечного резистора R1 устанавливают в верхнее по схеме положение, прикрывают микрофон и измеряют ток коллектора транзистора VT3 (2 мА) — он должен быть хотя бы на 1…2 мА ниже тока отпускания используемого электромагнитного реле К1. Точнее этот ток устанавливают подбором резистора R7.
Открыв микрофон и плавно перемещая движок резистора из нижнего по схеме положения в верхнее, хлопают в ладоши и замечают увеличение тока коллектора транзистора VT3. При определенном положении движка резистора этот ток должен возрастать до тока срабатывания реле К1, но по окончании хлопка падать ниже тока отпускания.
Далее включают в розетку XS1 вилку настольной лампы и проверяют действие триггера. При первом хлопке лампа должна, например,
зажигаться, а при последующем — гаснуть. Если же она при хлопке зажигается, а после него сразу же гаснет, значит, протекающий через резистор R9 и обмотку реле К2 ток ниже тока отпускания. В этом случае достаточно подобрать резистор R9.
Может наблюдаться и такое явление — лампа хорошо управляется хлопками, а, например, после громкого и продолжительного произнесения какого-нибудь слова не гаснет. Это свидетельствует о том, что протекающий через резистор R8 и обмотку реле К2 ток выше тока отпускания, и он удерживает якорь реле. Достаточно подобрать резистор R8 с большим сопротивлением — и дефект будет устранен.
Окончательно движок подстроечного резистора устанавливают в такое положение, при котором настольная лампа зажигается от хлопка в ладоши с расстояния 4…5 м.
акустических переключающих транзисторов: новый вид электроники?
- по: Эл Уильямс
Теперь, по данным IEEE Spectrum, ученые из Гарварда использовали ту же концепцию для создания транзистора для звуковых волн, и это может стать новой отраслью электроники. Фактическая бумага доступна, если вы хотите легкого чтения.По-видимому, топологические изоляторы защищают электроны, движущиеся по их поверхностям и краям, за что в 2016 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Фотоны также могут быть защищены топологически, поэтому они перемещаются с очень небольшими потерями по материалам. Заставить поток электронов таким образом — привлекательное предложение, но есть проблемы, особенно при создании устройства, которое может включать и выключать поток электронов, как вы могли бы с транзистором в состоянии насыщения и выхода из него. Однако работать со звуковыми волнами намного проще.
Устройство большое для того, что мы называем транзистором, и состоит из воздухонепроницаемой коробки, содержащей соты из стальных столбов и пластины из материала, который может немного расширяться и сжиматься в зависимости от температуры.
Столбы на одной стороне пластины немного больше, чем на другой стороне. Это вместе с расстоянием между столбами формирует топологию, которая может позволить звуку проходить через столбы или нет. Что определяет состояние транзистора? Нагревать. Базовая пластина должна иметь очень большой коэффициент теплового расширения, и для удовлетворения этой потребности в устройстве используется сплав с памятью формы.
При температуре 20°С ультразвуковые волны не проходят через транзисторы. Однако нагрев устройства до 90°C позволяет звуку проходить сквозь него. Другое устройство может преобразовывать ультразвук в тепло, образуя то, что они называют акустическим транзистором. То есть входящая звуковая волна может управлять звуком, проходящим через устройство. Фотонные версии этого транзистора кажутся возможными, но электроны ведут себя иначе, хотя исследователи пытаются найти способ применить ту же идею к обычной электронике.
Хотя в документе устройство называется транзистором, насколько мы можем судить, это скорее переключатель, чем настоящий транзистор.
Это еще пригодится, наверное. Что бы вы сделали с терморегулируемым ультразвуковым транзистором? Бьет нас. В статье Spectrum упоминаются возможные применения в шумоподавлении, ультразвуковой визуализации и эхолокации, среди прочего.
Как мы указывали ранее, практически любой переключатель может быть логическим вентилем. Вы даже можете смоделировать старомодную логику релейного мультиплексирования, которая, вероятно, будет хорошо работать с акустической технологией.
Новые акустические резонаторы на основе промышленных полевых транзисторов
Ингрид Фаделли, Tech Xplore
Обзор резонатора FinFET.
а, Поперечное сечение одного периода резонатора FinFET, смоделированного в COMSOL, со вставкой, выделенной кремниевым оребрением (темно-зеленым) и эпитаксиальным приподнятым истоком и стоком с силицидом. Металлический и контактный слои выделены оранжевым и темно-серым цветом соответственно, а диэлектрические слои — синим и зеленым. Целевая мода в первую очередь определяется в направлении x (L 
d, экспериментально измеренная мода, с произведением f 0 Q на 8,2 × 10 11 , что соответствует порядку величины выпущенных МЭМС-резонаторов. д. В сочетании с дифференциальным усилителем крутизны fRBT обеспечивает высокочастотный двухфазный генератор с механической опорной точкой в стандартном КМОП-процессе. Соображения по проектированию осцилляторов для резонаторов с активным преобразованием представлены в другом месте. f, акустически связанная (синие линии) сеть генераторов в CMOS FEOL с локальной маршрутизацией электрических часов (бронзовые линии), устраняющая энергоемкие контуры фазовой автоподстройки частоты, используемые для распределения часов. Это также может обеспечить масштабируемые колебательные вычисления для нейроморфных приложений, непосредственно взаимодействующих с классической схемой CMOS. Кредит: Nature Electronics (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00827-6 Ключевой целью исследований в области электроники, ориентированных на радиосвязь, является разработка все более компактных, легких и маломощных радиокомпонентов.
Это может быть достигнуто за счет интеграции всех радиокомпонентов в один чип, например, путем объединения акустических микроэлектромеханических систем (МЭМС) с комплементарными металлооксидными полупроводниками (КМОП).
Исследователи из Университета Пердью недавно использовали этот подход для разработки акустического резонатора на основе коммерчески доступных полевых транзисторов (FET), который был представлен в статье, опубликованной Nature Electronics . Полевые транзисторы — это класс транзисторов, которые управляют потоком электрического тока в полупроводнике с помощью электрического поля, которые обычно используются для усиления сигналов и являются строительными блоками для всех логических схем.
«Эта статья является кульминацией многолетней работы с участием нескольких аспирантов и сотрудничества с полупроводниковыми компаниями, включая IBM, Global Foundries и Intel», — сказала TechXplore Дана Вайнштейн, один из исследователей, проводивших исследование.
«Все началось с осознания необходимости в высокодобротных источниках частоты, встроенных в микрочипы (КМОП), несмотря на огромный барьер для входа любых новых материалов или процессов в производство КМОП. Мы решили посмотреть, как можно использовать существующую технологию. чтобы сделать эти вибрирующие полости».
Акустические резонаторы представляют собой электромеханические компоненты, которые могут усиливать или поглощать звук в определенных диапазонах частот и могут быть соединены с электронными схемами. Успешная разработка этих компонентов с использованием традиционных технологий на основе КМОП влечет за собой решение и преодоление многочисленных инженерных проблем. Чтобы разработать свои устройства, Вайнштейн и ее коллеги сначала должны были разработать эффективную стратегию для эффективного управления и восприятия вибрации внутри микрочипа.
«Мы разработали электромеханические преобразователи с использованием входных МОП-конденсаторов и транзисторов, которые составляют основные строительные блоки для логических схем», — сказал Вайнштейн.
«Затем нам нужно было выяснить, какие вибрации могут быть вызваны и какие конструкции лучше всего удержат их в небольшой области, включая преобразователи. Это нетипично для микроэлектромеханических (МЭМС) устройств, которые обычно свободно подвешены».
Чтобы продемонстрировать совместимость с коммерческим процессом, Вайнштейн и ее команда должны были убедиться, что на их чипе не выполнялась постобработка. Для этого они решили использовать множество слоев, объединенных в стек CMOS, для создания медленноволновых акустических мод.
Эти уникальные акустические моды не смогут распространяться вниз в подложку, где они будут потеряны, или вверх в слои металла (т. е. дальше от преобразователей, которые их возбуждают и воспринимают). Это было реализовано благодаря тщательному и творческому дизайну фононных метаматериалов, основанных на существующих структурах CMOS.
«Акустические колебания могут иметь гораздо меньшие потери, чем электрические сигналы, обычно используемые для изготовления часов и источников частоты на кристалле», — объяснил Вайнштейн.
«Резонаторы, которые мы демонстрируем в этой статье, могут служить строительными блоками с низкими потерями для часов и обработки аналоговых сигналов, а их высокая частота обеспечивает дополнительные преимущества для низкого уровня шума и более быстрых вычислений».
Акустические резонаторы, разработанные Вайнштейн и ее коллегами, приводятся в действие конденсаторами, которые являются неотъемлемой частью стека CMOS. Эти конденсаторы по сути представляют собой транзисторы с укороченными вместе контактами истока и стока.
Когда на конденсатор подается напряжение, одинаковые, но противоположные заряды, генерируемые на двух противоположных сторонах конденсатора, электрически притягиваются друг к другу. Это приводит к сдавливанию пленки, зажатой между двумя сторонами конденсатора.
«Если мы изменим это напряжение, то сила, действующая на пластины, также изменится, и мы сможем запускать акустические волны через это изменяющееся во времени напряжение, вроде динамика», — сказал Вайнштейн.
«Но мы не хотим, чтобы эти вибрации просто рассеивались, поэтому мы их улавливаем. Это делается путем манипулирования свойствами окружающего материала, чтобы он просто не позволял волне распространяться».
Чтобы направить акустические волны в определенную желаемую область, Вайнштейн и ее коллеги использовали серию периодических структур, сформированных в слоях CMOS. В силу своей периодичности эти структуры пропускают только определенные частоты колебаний, отражая при этом другие (т. е. включая целевую частоту).
«В основном мы направляем волну только в нужную область, используя эти периодические структуры», — объяснил Вайнштейн. «Вибрации накапливаются в этой ловушке (или резонансной полости) по мере того, как все больше и больше вибрационной энергии перекачивается с помощью конденсаторов. Наконец, мы ощущаем эти накопленные вибрации с помощью стандартных транзисторов, чувствительных к нагрузкам. вибрации в электрический сигнал, который затем можно направить для использования в близлежащих цепях».
Акустические резонаторы, созданные этой группой исследователей, являются первыми разработанными на сегодняшний день вибрационными структурами, встроенными в технологию CMOS и не требующими модификации чипа. В то время как другие подходы к интеграции резонаторов с КМОП включают в себя нанесение пленок на чип или вытравливание частей чипа после изготовления, это единственный механический резонатор, в котором используется немодифицированный стандартный процесс КМОП.
«Использование преимуществ высокопроизводительных транзисторов и размеров элементов в нанометровом масштабе в стандартных ИС дает нам лучшую производительность на более высоких частотах, чем это возможно с обычными процессами MEMS», — сказал Вайнштейн. «Кроме того, прямая интеграция с цепями в непосредственной близости означает более простую электрическую разводку, что приводит к повышению производительности на частотах ГГц».
Конструкция акустического резонатора, представленная Вайнштейн и ее коллегами, может быть реализована с использованием любой медной КМОП-платформы и может быть оптимизирована для еще более высокой производительности.
Таким образом, в будущем это может открыть ценные возможности для создания меньших высокопроизводительных акустических резонаторов, которые легче реализовать в больших масштабах.
«Возможные последствия нашей работы включают разработку встроенных часов для маломощных, компактных, недорогих, надежных и безопасных микроэлектронных чипов», — сказал Вайнштейн. «Идея состоит в том, чтобы заменить внешние источники частоты, такие как кварцевые кристаллы, используемые сегодня».
Устройства, созданные этой группой исследователей, также могут позволить создавать физические, химические и биологические датчики со встроенным компонентом радиосвязи. Наконец, они также могут способствовать повышению безопасности аппаратных компонентов, например, создавая уникальные акустические «отпечатки пальцев» для каждого чипа и позволяя устройствам оценивать целостность упакованных чипов с помощью встроенных ультразвуковых транзисторов.
«Мы больше всего заинтересованы в сотрудничестве с производителями КМОП, чтобы использовать новые материалы в своих технологиях для улучшения характеристик резонаторов», — добавил Вайнштейн.
«Предстоящие возможности использования сегнетоэлектрических материалов для улучшенной электромеханической передачи особенно интересны и многообещающи. Как только мы получим их, мы сможем замкнуть контур на резонаторах и продемонстрировать высокочастотные часы с низким уровнем шума в КМОП».
В своих следующих исследованиях Вайнштейн и ее коллеги также хотели бы изучить возможность расширения возможностей акустической манипуляции с использованием метаматериалов, использованных в их недавней работе. Например, они хотели бы изучить их ценность для улучшения инструментов волновода, линзирования, свертки и фильтрации.
Дополнительная информация: Джексон Андерсон и др., Интегрированные акустические резонаторы в технологии коммерческих плавниковых полевых транзисторов, Nature Electronics (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00827-6
Информация журнала: Природная электроника
© 2022 Наука Х Сеть
Цитата :
Новые акустические резонаторы на базе промышленных полевых транзисторов (10 ноября 2022 г.
