新型等離子聲音播放器的設(shè)計(jì)

呂東旭 陳剛 李盛

摘要

目前的播音裝置大多采用的是傳統(tǒng)的振膜發(fā)聲，振膜發(fā)生是在音量大的時(shí)候該裝置會(huì)與周?chē)鷸|西形成共振，會(huì)導(dǎo)致一些不穩(wěn)定的物質(zhì)跟著顫動(dòng)，甚至還會(huì)威脅人的人身健康。文章介紹的設(shè)計(jì)是一種等離子播音裝置，其底板上有電壓和信號(hào)處理模塊、高壓包和兩個(gè)銅片，是實(shí)用的、新型的、音質(zhì)高的、環(huán)保的發(fā)聲裝置。

【關(guān)鍵詞】等離子 揚(yáng)聲器 高壓

1 難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 創(chuàng)新點(diǎn)

作為一種新型發(fā)音揚(yáng)聲裝置，就是通過(guò)控制高壓擊穿空氣后形成的離子流寬度，去人為制造空氣的膨脹與收縮發(fā)聲。而離子流的寬度起到的作用就是控制聲音的頻率與波長(zhǎng)，去實(shí)現(xiàn)聲音的音色、音調(diào)以及響度的控制。

1.2 難點(diǎn)

超高電壓擊穿空氣后，去控制擊穿后形成的離子流寬度實(shí)現(xiàn)發(fā)音，以及擊穿后的噪音處理才是本設(shè)計(jì)所涉及的核心技術(shù)。音頻信號(hào)直接融入高壓電路，控制才是本設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)。

2 原理分析與硬件電路圖

2.1 開(kāi)關(guān)電源模塊

2.1.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路是單端反激式隔離變換器。當(dāng)二極管閉合時(shí)，輸入電壓作用到繞組N1上，繞組N2為下正上負(fù);二極管截止，繞組N2中沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)VT截止時(shí)，N2繞組電壓極性變?yōu)樯险仑?fù)，二極管導(dǎo)通，此時(shí)，電容中的能量向負(fù)載釋放。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)所用到的驅(qū)動(dòng)芯片是UC3842，它控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)控制負(fù)載端電壓的高低。脈寬調(diào)制控制芯片是一種單端輸出控制電路芯片，其電源電壓范圍30V，輸出電流最大值為±IA，輸出電流為200mA，模擬輸入（2腳、3腳）從0到2.5V，放大器的下拉電流為5mA，振蕩頻率為100Hz～500Hz，振蕩器的定時(shí)電阻（RT）500Ω到150kΩ之間，振蕩器電容1000pF到1μF。

整流輸出電路：變壓器副邊采用24V輸出，變壓器開(kāi)始向負(fù)載傳遞能量時(shí)，24v輸出作為系統(tǒng)的反饋端開(kāi)始工作：反饋電壓向電容C9充電，將脈寬調(diào)制芯片的7號(hào)引腳電壓鉗制住并保持不變;反饋電壓經(jīng)電阻R3和電位器RP7分壓后輸入脈寬調(diào)制芯片的2號(hào)引腳的放大器，與芯片內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓作比較來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖寬度⑥，從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)反饋繞組電壓穩(wěn)壓輸出。整流輸出電路如圖1所示。

2.2 信號(hào)處理模塊原理及設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)輸入模塊原理

音頻信號(hào)輸入是音頻線(xiàn)連接外設(shè)，將音頻信號(hào)接入電路中，K1是普通的開(kāi)關(guān)，短路塊是為了方便調(diào)試，在調(diào)試時(shí)不需要音頻時(shí)，只需要將短路塊拔開(kāi)，1、短接時(shí)是左聲道，2、3短接是右聲道，該電路的C10起到緩沖的作用，TL494的4引腳是放大結(jié)構(gòu)的引腳，輸入端需要阻容耦合電容起緩沖作用，然后用阻容對(duì)地組成低通濾波起消除高頻自激，然后再用阻容對(duì)地把不必要的高頻濾掉。

2.2.2 TL494模塊

TL494是頻率固定的脈沖寬度調(diào)制器，內(nèi)置了線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，可通過(guò)外部電阻和電容來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率，其振蕩頻率是因?yàn)槭褂昧穗娙莺碗娮璐?lián)一個(gè)電位器，所以可以手動(dòng)調(diào)節(jié)震蕩頻率。TL494的8、9引腳連接三極管的集電極和射級(jí)，10、11引腳連接三極管的射級(jí)和集電極，9、10引腳和TC4421的輸入端連接，為T(mén)C4421提供輸入，集電極接12V電壓，12引腳接12V電壓做基準(zhǔn)，4號(hào)引腳是死區(qū)時(shí)間控制，連接電位器使得死區(qū)時(shí)間人為去調(diào)。

2.2.3 TC4421模塊

TC4421是高電流緩沖器/驅(qū)動(dòng)器，能驅(qū)動(dòng)大的MOSFET和IGBT，基本上不受干擾;它們可以接受沒(méi)有損壞或邏輯混亂，超過(guò)1A的感應(yīng)電流會(huì)返回到它們的輸出。此外，所有端子完全保護(hù)不受高達(dá)4kV的靜電放電。

TC4421輸入可直接從TTL或CMOS驅(qū)動(dòng)。300mV的滯后被內(nèi)置到輸入中，提供噪聲免疫力，并允許設(shè)備從緩慢上升或下降波形驅(qū)動(dòng)。TC4421輸入可直接從TTL電路。

2.2.4 散熱指示模塊

由于用到了MOS管，所以提供了散熱風(fēng)扇為MOS管進(jìn)行散熱處理，發(fā)光二極管是指示開(kāi)關(guān)電源部分供電正常。

2.2.5 高壓包驅(qū)動(dòng)電路

在設(shè)計(jì)中MOS管是以隔離柵形式連接的，兩個(gè)MOS管的基極和射極分別與GDT的對(duì)位連接，諧振電容的中心與兩個(gè)MOS管的連接點(diǎn)為高壓包提供輸入電壓。

2.2.6 穩(wěn)壓電路

在該設(shè)計(jì)中MOS管需要的電壓是24V，TL494與TC4421模塊的輸入電壓要求均為12V，穩(wěn)壓模塊是LM7812，電容器C3是用來(lái)抵消電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。LED的作用是提示，當(dāng)該穩(wěn)壓模塊不工作時(shí)LED燈珠不亮，提醒電路出錯(cuò)。

2.3 發(fā)音處理

2.3.1 高壓包

本次設(shè)計(jì)所用到的高壓包是彩色電視機(jī)的高壓包，它是一個(gè)變壓器將低壓大電流轉(zhuǎn)換為高壓大電流，將電壓升到足夠高時(shí)將會(huì)傳遞給起弧電路。

2.3.2 起弧電路

起弧電路就是用螺釘固定在散熱片上的兩個(gè)銅片，導(dǎo)線(xiàn)將銅片、高壓包的副邊連接起來(lái)，兩個(gè)銅片相距1.52cm，在導(dǎo)通時(shí)不被擊穿，但需得用金屬引導(dǎo)，這樣既保護(hù)了高壓包的同時(shí)，又達(dá)成了設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在準(zhǔn)備工作做好之后，插上音頻線(xiàn)，另一端選擇插上手機(jī)等設(shè)備的音頻線(xiàn)插口，應(yīng)該會(huì)有電弧產(chǎn)生并且產(chǎn)生聲音，由于本設(shè)計(jì)選取的是極限距離，因此用帶絕緣柄的金屬螺絲刀引導(dǎo)既可以起弧，播放出音樂(lè)。

4 總結(jié)

整套發(fā)音裝置的市場(chǎng)價(jià)格可控制在百元以?xún)?nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于安裝。噪音的處理也很好，開(kāi)關(guān)電源模塊在節(jié)能方面也符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)關(guān)電源減小了電源應(yīng)用過(guò)程中存在的功耗問(wèn)題，能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流的精準(zhǔn)控制，信號(hào)轉(zhuǎn)換做的也很精確。因此具有信號(hào)處理精細(xì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，抗干擾能力強(qiáng)，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。