erstellt
11.04.2020
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Mikrofon
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Oft schon hat sich mir die
Frage gestellt, wie es möglich ist Geräusche die man
irgendwo wahrnimmt so zu analysieren
das sich die Frequenz eines Tones offenbart.
Beispielsweise der Ton einer schwirrenden Mücke, oder
der Ton einer summenden Biene.
Natürlich bestehen diese Geräusche nicht nur aus einen
Grundton, aber oft ist es schon hilfreich zumindest
diesen Grundton zu identifizieren.
Beispielsweise
interessiert
es mich wie tief das dumpfe Grollen eines Hubschrauber
ist und ob man die Drehzahl
des Rotors durch eine Geräusche Messung ermitteln kann.
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Mein erster Versuch besteht also darin erst
einmal ein Kristall Mikrofon am Oszilloskop an zu
schließen,
um zu erfahren wie empfindlich dieses Mikrofon ist.
Als Geräusch benutze ich einen kleinen Lautsprecher dem
ich das Signal eines Funktionsgenerator zu führe.
Die Spannungen am Kristall Mikrofon sind ziemlich klein,
so im Bereich von einigen Milli Volt und damit kaum wahr
zu nehmen.
Offensichtlich brauche ich erst einmal einen Verstärker
der mir die kleinen Spannungen auf eine annehmbare Höhe
verstärkt.
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Also wird zu erst ein kleiner Verstärker mit dem
IC "LM 741" gebastelt.
Um ein Wechselspannung Signal zu verstärken muss ja am
Ausgang ( C3 ) die positive
sowie auch die negative Halbwelle ausgegeben werden, was
voraus setzt das im Ruhemodus,also ohne ein am Eingang
anliegendes
Signal, der Ausgang auf genau die Hälfte der gesamten
Betriebsspannung liegt.
Das wiederum setzt voraus das auch Pin 3 (Positiver
Eingang) auf halber Betriebsspannung liegt.
Erreichen kann man dies indem ein Spannungsteiler
bestehend aus P1 und R1 die Betriebsspannung aufteilt und
Pin 3 zuführt.
Sollte später ein Mikrofon angeschlossen werden liegt
dieses Mikrofon parallel zum Widerstand R1.
Der Gesamtwiderstand von zwei parallel liegende
Widerstände ist aber stets kleiner als der kleinste der
beiden Einzel Widerstände
womit dann auch die Teilspannung geringer wird.
Um dann aber wieder ein Gleichgewicht unter den beiden
Spannungen her zu stellen, ist der obere der beiden
Widerstände als
Trimmer ausgeführt.
Damit können dann später die beidenTeilspannungen wieder
ausgeglichen werden.
Die Widerstände P1 und R1 können umso größer gewählt
werden je hochohmiger der Operationsverstärker am Eingang
ist.
Aber je höher diese Widerstände um so mehr werden auch
kleinste Störungen am Eingang verstärkt.
Macht man diese Widerstände aber zu klein , wird die
Spannungsquelle zu stark belastet was bei einer Batterie
betriebenen
Schaltung von Nachteil ist.
Es gilt also da ein Mittelmaß zu finden .
Beim LM 741 sind realistische Werte zwischen 10K und 1
Mega Ohm.
Der Verstärkungsfaktor ergibt sich aus dem Verhältnis von
R2 zu P2, und kann dadurch mit P2 variiert werden.
Der Eingang dieser Schaltung ist sehr hochohmig , also für
Mikrofone mit großen Widerstand vorgesehen.
Im hier vorliegenden Fall ist es ein Piezo Mikrofon.
Die Größe der Koppelkondensatoren C1 am Eingang und C3 am
Ausgang, sind abhängig von der zu
übertragenden Frequenz und von den jeweiligen Widerstanden
, also Eingangswiderstand und
Ausgangswiderstand.
Diese Schaltung hat eine geringen Ausgangswiderstand von
ca 2000 Ohm.
Der Ausgangs Koppel Kondensator C1 hatte zuvor eine
höhere Kapazität, da durch lag am Ausgang
aber ein geringe Gleichspannung an vermutlich durch den
Leckstrom, der mit zunehmender Kapazität
bei Elkos immer größer wird.
Der Eingangswiderstand kann folgendermaßen berechnet werden.
Der Kondensator bildet mit dem Eingangswiderstand einen
Hochpass.
Dessen Grenzfrequenz berechnet sich zu :
f = 1 /(2 Pi * C * R)
dabei ist R gleich der Eingangswiderstand zu setzen.
also
C1 = 1 / (2 * Pi* Grenzfrequenz * R)
Grenzfrequenz ist die untere Frequenz die noch
übertragen werden soll.
C2= 1 / 2 * Pi * Grenzfrequenz * Ausgangswiderstand
C2 = 1/ 6,28 * 20 Hz * 2 KOhm
C2= 3,9 uF
C1=1/2*Pi * Grenzfrequenz* Eingangswiderstand
C1= 1/ 26,28 * 20 * 2 MOhm
C1= 3,9nF
Am Ausgang wurde auch zum Test ein 8 Ohm Lautsprecher
angeschlossen, die Schaltung funktionierte zwar ,
aber die Verstärkung, bzw die Ausgangsspannung brach etwas
zusammen.
Es kann also nur ein hochohmiger Kopfhörer angeschlossen
werden, oder aber eine Leistungsstufe
hinterher schalten.
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Bei
einen Eingangssignal ( Signal oben ) von ca. 100 mV Spitze/Spitze
ergibt sich ein sauberes
Ausgangssignal (
Signal unten)von ca. 5 V Spitze/Spitze, das
entspricht einer Verstärkung
von 50 fach.
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Um
auch einen Standard ( 8 Ohm Impedanz) Lautsprecher
anschließen zu können ,
nehmen wir noch eine Leistungsanpassung von, indem ein
Leistungstransistor
vom Typ BD 137 eingelötet wird, dann muss allerdings der
Rückkopplungswiderstand R2 auch angepasst werden.
Die Schaltung benötigt nach dem einschalten ca 1 Minute bis
sie funktioniert, weil zuvor der Kondensator
C2 sich erst aufladen muss.
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Unten
einmal das Innenleben eines LM 741 Operationsverstärkers
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Aktualisiert 18.04.2020
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