Сотворим вместе

1. Общая информация.

В этой теме предлагается вариант сборки на макетной плате устройства “Электронное пианино”:



В сборке на макетной плате установлено 17 кнопок, но их количество можно уменьшить или увеличить.

Тема является развитием темы “Работа с Aliexpress.com”, в которой говорится о развитии практики при покупке наборов для пайки. Купив набор для пайки, его предлагается также использовать для сборки схемы на макетной плате без пайки. Одним из недорогих наборов на Aliexpress и является “Электронное пианино” на микросхеме NE555.



Электрическая схема:



Электрическая схема для сборки на макетке аналогична исходной, но изменено количество кнопок (нот), предлагается расчёт номиналов конденсатора, резисторов задающих частоты нот и для удобства настройки добавлен переменный резистор.


Порядок темы:

1. Общая информация.
2. Описание электрической схемы.
3. Вариант расчёта для 17 нот (с ноты До первой октавы до Ми второй октавы).
4. Дополнение к пункту 2 и 3_7.
5. Рекомендации по сборке схемы на макетке.

2. Описание электрической схемы.

Основой электрической схемы устройства является микросхема NE555. В схеме она работает как мультивибратор. На изображении вариант схемы включения NE555 из документации:



Частота мультивибратора зависит от величин конденсатора С1 и резисторов Ra и Rb.

Генерация частоты обеспечивается постоянным зарядом и разрядом конденсатора C1. В начальный момент времени подачи питания конденсатор C1 разряжен, на выходе 3 мс NE555 присутствует высокий уровень напряжения, а транзистор вывода 7 с открытым коллектором закрыт. Конденсатор C1 начинает заряжаться через резисторы Ra и Rb. Длительность высокого уровня напряжения (заряд C1) th=0.693*(Ra+Rb)*C1.

При достижении на конденсаторе C1 (вывод 6,2) величины 2/3 напряжения питания на выходе 3 мс NE555 появится низкий уровень напряжения, а транзистор вывода 7 откроется. То есть, через открытый транзистор вывод 7 соединится с землёй и конденсатор C1 начнёт разряжаться через резистор Rb. Длительность низкого уровня напряжения (разряд C1) tl=0.693*Rb*C1.



При достижении на конденсаторе C1 величины 1/3 напряжения питания на выходе 3 мс NE555 опять появится низкий уровень напряжения, транзистор вывода 7 закроется и конденсатор C1 опять начнёт заряжаться через резисторы Ra и Rb. И так далее, разряд, заряд … Длительность одного периода (заряда и разряда) T=th+tl, частота F=1/T или F=1.44/((Ra+2Rb)*C1).

В схеме устройства величины С1 и Ra постоянны, а величина Rb меняется (это сумма сопротивлений последовательно соединённых резисторов) в зависимости от нажатой кнопки. При нажатии кнопки SA_E2 (нота Ми второй октавы) величина резистора Rb = R17+R18. А при нажатии на кнопку SA_D#2 (нота Ре диез второй октавы) величина резистора Rb = R16+R17+R18. И так далее. При одновременном нажатии на две и более кнопки, звучать будет нота, кнопка которой ближе к микросхеме.



D1 – NE555; Ra – 1 кОм; C2 – 0.01 мкФ; C4 – 0.1 мкФ; C3 – 4,7 мкФ; R1-R18, C1 – из расчётов; BA1 – динамик типа T400GE1.

3. Вариант расчёта для 17 нот (с ноты До первой октавы до Ми второй октавы).

Известно, что каждой ноте соответствует определённая частота:



Основной в расчётах является формула частоты. Из документации на микросхему F=1.44/((Ra+2Rb)*C1) .

3-1. Выбор величин резисторов Ra и Rb.

На выходе мс NE555 форма сигнала должна быть близкой к меандру, то есть, длительность высокого уровня напряжения должна равняться длительности низкого уровня напряжения. По формулам:
- длительность высокого уровня напряжения th=0.693*(Ra+Rb)*C1,
- длительность низкого уровня напряжения tl=0.693*Rb*C1.
Тогда для меандра (при th=tl) должно соблюдаться условие Ra<<Rb.

Пусть Ra = 1кОм, а Rb >15 кОм.

3-2. Выбор самой высокой ноты.

Выбор высокой ноты зависит от разных обстоятельств, в том числе, от желаемого количества нотных клавиш (кнопок), которые могут уместиться на макетке. В данной варианте предусмотрено 17 кнопок, и самой высокой нотой является Ми второй октавы (она семнадцатая после До первой октавы). Но количество кнопок может быть и больше и меньше; это зависит как от предполагаемых для проигрыша мелодий, так и желаемой трудности выполняемого монтажа.

3-3. Определение величины конденсатора C1.

Расчёт величины конденсатора выполняется по верхней ноте, здесь Ми второй октавы.



F для Ми2 = 659 Гц; Ra = 1кОм; Rb = 15кОм.

F=1.44/((Ra+2Rb)*C1); C1 = 1.44/(F*(Ra+2Rb))=1.44/(659 Гц * 31 кОм) = 70 нФ.
Соответственно, пусть C1 = 68 нФ.

3-4. Расчёт более точной величины Rb (или R17+ R18) для ноты Ми второй октавы при С1 = 68 нФ.



Rb для Ми второй октавы = (1.44/(F*C1) - Ra)/2; Rb = (1.44/(659 Гц * 68 нФ)) – 1 кОм)/2 = 15,5 кОм

Учитывая, что величина конденсатора имеет допуск и для удобства настройки, на место резистора Rb в схеме стоят два резистора: переменный R17 = 10 кОм для настройки и постоянный R18 = 10 кОм.

3-5. Расчёт Rb (или R16+R17+R18) для ноты Фа диез второй октавы.

Rb для Фа#2 = (1.44/(F*C1) - Ra)/2; Rb = (1.44/(622 Гц * 68 нФ)) – 1 кОм)/2 = 16,5 кОм;

Соответственно R16 = 16.5-15.5 = 1,0 кОм.

3-6. Расчёт Rb (или R15+R16+R17+R18) для ноты Фа второй октавы.

Rb для Фа2 = (1.44/(F*C1) - Ra)/2; Rb = (1.44/(587 Гц * 68 нФ)) – 1 кОм)/2 = 17,5 кОм;

Соответственно R15 = 17.5-16.5 = 1,0 кОм.

3-7. Расчёты R1-R14 и другие задания.

Далее рекомендуется выполнить расчёты резисторов R1-R14. Их величины сопротивлений будут меняться в диапазоне 1 – 2,3 кОм (ближе к R1). Также следует иметь в виду, что сами резисторы также имеют допуск. И поэтому предполагается последовательный порядок их установки на макетке, начиная с настройки R17, проверяя каждый раз выходную частоту на выводе 3 мс NE555.

В качестве практических упражнений можно задавать разные величины конденсаторов C1 и соответственно выполнять как сами расчёты, так и выполнять сборку с другим набором резисторов.

4. Дополнение к пункту 2 и 3_7.

Какие темы можно самостоятельно изучить, чтобы разобраться в работе мс NE555. Например, почему при напряжении на выводе 6 больше 2/3 Uпит. на выходе 3 устанавливается низкий уровень напряжения, а при напряжении на выводе 2 меньше 1/3 U пит. на выходе 3 устанавливается высокий уровень напряжения и другие вопросы.

Темы:
- делитель напряжения на резисторах,
- работа компаратора,
- RS- триггер,
- работа npn-транзистора с открытым коллектором.

5. Рекомендации по сборке схемы на макетке.

Схема устройства не сложная для сборки, можно сказать, простая. Она больше трудоёмкая, учитывая количество кнопок и перемычек, которые необходимо аккуратно отформовать и установить. Для сборки и настройки схемы потребуется мультиметр с измерением частоты, ёмкости и сопротивления.



Этапы сборки:

5-1. Сборка части схемы с мс NE555 в составе D1, С1-С4, Ra, R17-18 и кнопки SA_E2. Как вариант проверки работоспособности самой микросхемы вместо конденсатора C3 можно установить резистор 1 кОм, вместо динамика - светодиод, а C1 установить 47,0 мкФ. То есть, проверка не звуком на частоте около 700 Гц, а миганием светодиода на частоте около 1 Гц. В этом случае при нажатии на кнопку SA_E2 светодиод должен мигать, а изменение сопротивления переменного резистора R17 будет изменять частоту.

5-2. Вернув на место два конденсатора и динамик, при нажатии на кнопку SA_E2 выполняется настройка на частоту ноты Ми второй октавы (659 Гц). Частота зависит от величины конденсатора C1 и резисторов R17 и R18. После “грубой” настройки для более точной настройки можно увеличить величину резистора R18 и уменьшить R17.

5-3. Формовка кнопок и подготовка коротких перемычек для сигнальной линии, соединяющей выводы кнопок. Установка кнопок и перемычек на макетке.

5-4. Последовательная установка резисторов от R16 до R1, с проверкой частоты после установки каждого резистора. Для данной сборки, учитывая расчёт при С1 = 68 нФ*, могут понадобиться резисторы с номиналами 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4 кОм по две штуки. Какие резисторы потребуются, зависит от допуска самих резисторов. При их установке возможен уход частоты на 1Гц. Для более точной настройки частоты или при отсутствии необходимых номиналов любой резистор можно заменить на эквивалентную пару.

* Величина конденсатора 68 нФ выбиралась из расчёта, что все резисторы будут в пределах диапазона 1,0-2,4 кОм. В этом случае удобно приобрести один набор ряда резисторов EK-R24/4 (1 кОм – 9,1 кОм), а не два разных. Если C1 выбрать 22 нФ, то сумма R17+R18 будет около 50 кОм, а номиналы R1 - R16 будут в диапазоне 3,0-7,2 кОм, что также из набора EK-R24/4.