Музыкальная шкатулка на солнечных элементах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Какая сила способна усмирить разъяренного зверя? Ну, конечно же, музыка! И нет ничего более чарующего и успокаивающего, чем чудесные звуки мелодии, льющиеся из музыкальной шкатулки. В течение веков эти мелодии завораживали мужчин, женщин и детей - всех без исключения.

Рассматриваемая музыкальная шкатулка получает питание от солнечных элементов.

Питание от солнца

Питание от солнца - не единственное уникальное свойство данной музыкальной шкатулки. В отличие от своих предшественников эта музыкальная шкатулка не содержит движущихся частей и целиком питается от кремниевых элементов.

Музыкальные шкатулки на солнечных элементах прошлого являлись лишь усовершенствованным вариантом своих старых механических собратьев.

В них для вращения музыкального барабана вместо традиционной заводской пружины использовался электрический моторчик, который в свою очередь питался от солнечной батареи.

В нашем же варианте этой классической игрушки механический привод заменен кремниевой микросхемой (чипом). Внутри этого чипа хранятся все ноты и музыкальные интервалы, необходимые для воспроизведения мелодии. При подаче на схему питания от солнечных элементов из памяти микросхемы извлекаются ноты и проигрываются громкоговорителем.

Принципиальная схема

В нашей игрушке используется интегральная микросхема 7920, выпускаемая фирмой Suwa Seikosha (микросхему можно получить через фирму Epson America, Inc., Torrance, CA). Микросхема может воспроизводить мелодию из 64 нот, хранящихся в ее памяти. Это почти в четыре раза больше, чем количество нот в обычной механической шкатулке.

В микросхеме имеется также внутренний генератор, который извлекает ноты в необходимой последовательности. Единственными внешними компонентами шкатулки являются RC-цепь, задающая высоту тона, и оконечный усилитель. Полная схема электронной музыкальной шкатулки показана на рис. 1.

Рис.1

Высота тона устанавливается конденсатором С1 и резистором R1. Эти два элемента определяют частоту внутреннего генератора, от которой зависит не только высота звуков, но и темп исполнения мелодии. К сожалению, тональность и темп исполнения в нашей шкатулке взаимосвязаны, и изменение одного из них вызывает изменение другого. Вы можете поэкспериментировать с различными тональностями и темпами исполнения, изменяя величину сопротивления резистора R1.

В качестве выходного каскада используется простой усилитель мощности на двух транзисторах Q1 и Q2. Выходной сигнал микросхемы через резистор R2 управляет током базы транзистора Q1. С коллектора этого транзистора усиленный сигнал поступает на базу транзистора Q2, коллекторным током которого питается громкоговоритель сопротивлением 8 Ом.

Вас, наверное, удивило необычное включение транзисторов Q1 и Q2 в выходном каскаде. Оно используется из-за низкого напряжения питания схемы. Дело в том, что микросхема 7920 рассчитана на напряжение питания 1,5 В, которое легко можно получить от солнечных элементов. Но для большинства транзисторных схем такое напряжение обычно неприемлемо.

Для достижения большого усиления можно соединить транзисторы по схеме Дарлингтона, как это показано на рис. 2. Однако легко заметить, что при этом эмиттерные переходы двух транзисторов соединены последовательно.

Рис.2

Из основ радиоэлектроники известно, что падение напряжения на кремниевом диоде, смещенном в прямом направлении, а именно им является в транзисторе переход база - эмиттер, составляет 0,7 В. Падение напряжения на двух эмиттерных переходах составит уже 1,4 В. Другими словами, для работы схемы из двух таких транзисторов потребуется напряжение смещения, составляющее по крайней мере 1,4 В.

При таком смещении усиление сигнала будет крайне мало, если питать каскад от источника в 1,5 В. Данного напряжения питания просто недостаточно. Для нормальной работы нашего усилительного каскада необходимо обеспечить питание хотя бы 2 В, а еще лучше 3 В.

Соединив транзисторы, как это показано на рис. 1, мы полностью разрешили проблему базового смещения. Изолируя в этой схеме два эмиттерных перехода друг от друга, мы используем для работы ток коллектора транзистора Q1. При питании такого каскада от источника напряжения 1,5 В требуемый размах входного сигнала может составить более 0,7 В.

Источник питания на солнечных элементах для данной самоделки является одним из наиболее простых среди описанных в этой книге. Он включает в себя три соединенных последовательно солнечных элемента. Это не готовая солнечная батарея, а просто любые три элемента.

Но не спешите. Прежде чем начать паять и соединять вместе первые подвернувшиеся под руку элементы, необходимо сначала ронять некоторые факты, связанные со схемой. В среднем мощность, потребляемая музыкальной шкатулкой, очень мала. Средний потребляемый ток составляет около 30 мА. Однако в начале воспроизведения ноты наблюдаются значительные выбросы тока. В эти моменты ток потребления иногда достигает 90 мА.

Это сказывается на работе солнечных элементов и создает интересный музыкальный эффект.

Рассмотрим сначала само явление, а потом эффект, к которому оно приводит. Характерной чертой всех звуков, воспроизводимых музыкальными инструментами, является изменение амплитуды во время звучания. Оттяните, а затем опустите струну гитары или ударьте по клавише пианино. Обратите внимание на резкую атаку звука, которую вы услышите сначала, переходящую затем в затухающее колебание, которое музыканты называют установившимся. В этом-то все дело.

В первый момент, когда начинает звучать нота, создается очень острый пик энергии. Подражая реальным инструментам, микросхема 7920 генерирует такой звук электронным способом. В результате возникает короткий выброс тока, который, поступая на оконечный каскад, приводит транзистор Q2 почти в состояние насыщения. Это означает, что в течение короткого промежутка времени весь ток от солнечных элементов течет через нагрузочное сопротивление 8 Ом.

Но за это короткое время смещается рабочая точка на вольт- амперной характеристике солнечного элемента. В результате меняется не величина тока, вырабатываемого солнечными элементами (поскольку происходит самоограничение тока), а выходное напряжение. На короткое время выход солнечного генератора оказывается как бы закороченным и соответственно изменяется его выходное напряжение.

Ну а теперь позвольте сообщить вам, что синхрогенератор в микросхеме 7920 слабочувствителен к изменению напряжения. Поэтому падение напряжения в начале воспроизведения ноты приводит к кратковременному снижению частоты звучания.

Для борьбы с таким явлением приняты следующие меры. Во- первых, увеличены размеры солнечных элементов. Используя элементы заведомо большего (чем необходимо) размера, можно добиться снижения эффекта модуляции звука, однако скачки напряжения (хотя уже не такие значительные) все же останутся. И все е кое-какие неприятности доставляет непостоянство нагрузки солнечных элементов, величина которой изменяется практически от бесконечности (при отсутствии звука) до некоторого небольшого значения (при воспроизведении ноты). Фактически суммарное изменение напряжения составляет в общей сложности около 0,5 В или более.

Во-вторых, для сглаживания этих небольших флуктуаций можно установить конденсатор С2 параллельно солнечной батарее. В тот момент, когда схеме требуется большой ток, конденсатор С2, разряжаясь, обеспечивает большую его часть. Во время паузы между нотами конденсатор С2 заряжается от солнечных элементов. При использовании этих двух схемных решений удается более или менее стабилизировать напряжение питания микросхемы.

Конструкция

Музыкальный генератор размещен на печатной плате, размер которой позволяет разместить все устройство в небольшом объеме, например в коробочке из-под серег или запонок.
Рисунок печатной платы приведен на рис. 3, а размещение элементов на ней - на рис. 4.

Рис.3

Рис.4

При монтаже обратите внимание, что конденсатор С2 расположен для экономии места не сверху, а со стороны печатных проводников. Громкоговоритель, в качестве которого используется многогабаритный 8-омный динамик от транзисторного приемника, не следует располагать слишком близко к печатной плате. Наилучшая имитация звучания музыкальной шкатулки получается при использовании динамической головки с жестким диффузором из пластмассы или металла.

Музыкальная шкатулка

Теперь пришло время придать музыкальной шкатулке надлежащий внешний вид. Подумайте над этим, и вам в голову обязательно придут различные варианты. В качестве корпуса подойдет и шкатулка для ювелирных изделий, размеры которой могут быть самыми разнообразными, а также коробка для монет или даже террариум. Возможности здесь ограничиваются лишь вашим воображением. Имейте в виду, что наша музыкальная шкатулка практически вечна, поэтому она может найти самое различное применение в отличие от своих несовершенных механических предшественников.

Лично я выбрал шкатулку для ювелирных изделий с откидывающейся крышкой, имеющую форму фортепьяно. Мне кажется, что форма фортепьяно очень точно соответствует назначению музыкальной шкатулки. Какой бы корпус вы ни выбрали, убедитесь, что у него есть открытый верх или имеется достаточно прозрачное окно в крышке для установки солнечных элементов.

Соедините солнечные элементы последовательно и приклейте их к внутренней стороне крышки. Для этой цели предпочтительнее резиновый клей, однако подойдет и любой другой прозрачный клей. Если солнечная батарея располагается на подвижной части шкатулки (на откидывающейся крышке), протяните подводящие проводники так, чтобы их перемещение было минимальным. В этом случае можно использовать гибкий провод.

Электронную часть схемы можно разместить в любом подходящем месте. Однако это замечание не относится к громкоговорителю. При его размещении внутри закрытой коробки диффузор должен сообщаться с внешним пространством, иначе вы ничего не услышите. В этом случае в корпусе коробки просверлите несколько сквозных отверстий против динамика.

Для проверки вашей новой игрушки поместите ее под мощную лампу или выставьте на солнце. И тут же помещение наполнится волшебными звуками музыки.

Автор: Байерс Т.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Хорошо управляемые луга могут компенсировать выбросы от скота 15.02.2026

Животноводство, особенно разведение крупного рогатого скота, часто обвиняют в значительном вкладе в глобальное потепление из-за мощного парникового газа - метана, который выделяется при пищеварении у жвачных животных. Это вызывает острые политические споры и призывы к сокращению потребления мяса. Однако ученые напоминают, что полная картина климатического воздействия отрасли не ограничивается только выбросами от животных: огромную роль играет окружающая экосистема - пастбища, почва и растительность, которые способны активно поглощать углекислый газ из атмосферы. Исследователи из Университета Небраски-Линкольна решили глубже изучить этот баланс. Группа под руководством профессора Галена Эриксона сосредоточилась на том, как правильно организованные пастбища накапливают углерод в растениях и грунте благодаря естественным процессам, стимулируемым выпасом скота. Ученые подчеркивают, что при достаточном уровне осадков и грамотном управлении такие луга превращаются в мощные природные погло ...>>

NASA тестирует инновационную технологию крыла 15.02.2026

Коммерческая авиация ежегодно расходует колоссальные объемы керосина, что сказывается не только на бюджете авиакомпаний, но и на состоянии окружающей среды. В 2024 году глобальные затраты на авиационное топливо достигли 291 миллиарда долларов, и эта сумма продолжает расти. Чтобы справиться с этими вызовами, NASA активно работает над технологиями, способными заметно повысить аэродинамическую эффективность самолетов. Одним из самых перспективных направлений стало создание специальной конструкции крыла, которая максимизирует естественный ламинарный поток воздуха и минимизирует сопротивление. В январе 2026 года специалисты NASA Armstrong Flight Research Center успешно провели важный этап наземных испытаний концепции Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow (CATNLF). Для эксперимента под фюзеляж исследовательского самолета F-15B закрепили вертикально ориентированную масштабную модель высотой около 0,9 м (3 фута), напоминающую узкий киль. Такая компоновка позволила подвергнуть прототип р ...>>

Забота о внуках очень полезна для здоровья мозга 14.02.2026

Общение между поколениями приносит радость всей семье, но мало кто задумывается, насколько активно бабушки и дедушки, заботящиеся о внуках, поддерживают свою умственную форму. Регулярное взаимодействие с детьми стимулирует мозг пожилых людей, помогая сохранять память, скорость мышления и общую когнитивную активность. Новые научные данные подтверждают, что такая добровольная помощь не только важна для общества, но и может замедлять возрастные изменения в мозге. Исследователи из Тилбургского университета в Нидерландах провели анализ, чтобы понять, приносит ли уход за внуками реальную пользу здоровью пожилых людей. Ведущий автор работы Флавия Черечес отметила, что многие бабушки и дедушки регулярно присматривают за детьми, и оставался открытым вопрос, насколько это положительно сказывается на их собственном благополучии, особенно в плане когнитивных функций. Ученые поставили цель выяснить, способен ли регулярный уход за внуками замедлить снижение памяти и других умственных способ ...>>

Случайная новость из Архива Ручной осциллограф ScopeMeter 190 15.02.2005 Ручной осциллограф ScopeMeter 190 от FLUKE CORPORATION имеет полосу входных сигналов до 200 МГц, частоту отсчетов до 2,5 гигаотсчетов в секунду и внутреннюю память 27500 временных точек. Прибор питается от батарей и незаменим при полевых измерениях.

Другие интересные новости:

▪ Датчик скорости вращения VG481V1

▪ Новая серия ультраярких светодиодов белого свечения HLMP

▪ Распознавание людей сквозь стены

▪ Наночастицы меняют форму

▪ Деревянные доллары

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Домашняя мастерская. Подборка статей

▪ статья Только мертвые не возвращаются. Крылатое выражение

▪ статья У кого американцы были вынуждены выкупать подаренное ими же оружие вчетверо дороже его себестоимости? Подробный ответ

▪ статья Нож. Советы туристу

▪ статья Электронный фазометр. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Устройство быстрой зарядки батарей аккумуляторов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026