Costruisci il tuo amplificatore per cuffie per meno di $30-Il Kuosch NS-01

Costruisci il tuo amplificatore per cuffie per meno di $30-Il Kuosch NS-01

Una guida passo-passo per assemblare un amplificatore ad alte prestazioni in un pomeriggio per meno di $50.

Che cos’è NS-01?

Il NS-01 è un piccolo fai da te amplificatore per cuffie. Non è il progetto più semplice possibile, poiché è stato progettato pensando alle dimensioni e alle prestazioni. La versione qui presentata dovrebbe essere in grado di emettere 90 Ma a 7 volt RMS e funzionare anche con cuffie a bassa impedenza.

Per mantenere la dimensione fisica piccola, la scheda è progettata utilizzando componenti a montaggio superficiale. Questi sono piuttosto piccoli, quindi è necessaria una certa cura per non perdere parti inavvertitamente, ma l’assemblaggio stesso dovrebbe essere relativamente semplice. Per semplicità, il conteggio delle parti è mantenuto minimo. Ad esempio, la configurazione predefinita utilizza solo due valori di resistenza diversi.

L’amplificatore stesso è composto da due fasi:

1. uno stadio di amplificazione di tensione,
2. uno stadio tampone.

Questo approccio a due stadi dovrebbe in teoria migliorare le prestazioni di distorsione, in quanto lo stesso dispositivo non deve occuparsi sia dell’amplificazione di tensione che di corrente. Il resto del circuito costituisce l’alimentazione. La scheda mostrata qui è la revisione D. Le revisioni successive possono introdurre piccole modifiche, ma la struttura complessiva dovrebbe rimanere la stessa.

Si parla molto tra la comunità hobbistica di come SMT/SMD sia difficile da usare, ma la mia esperienza personale è che SMT è in realtà più facile da assemblare a mano rispetto ai componenti a foro passante. Il più grande ostacolo è la dimensione dei componenti, ma che può essere aiutato semplicemente utilizzando una lente di ingrandimento o un microscopio. Per semplificare le cose, i componenti più piccoli di NS-01 sono di dimensioni 0805 o 2,0 x 1,2 mm.

Metodi di saldatura

Esistono molti metodi diversi per la saldatura di componenti SMD. Alcuni sono più facili da fare, ma potrebbero richiedere attrezzature specializzate. La maggior parte di questi usa pasta saldante, che è essenzialmente una pasta appiccicosa fatta di minuscole sfere di saldatura e flusso che aiuta la saldatura fusa a fluire. Dal metodo più semplice a più difficile:

Forno di riflusso

Da tostapane convertiti a grandi sistemi industriali, questi riscaldano la scheda fino a quando la pasta saldante si scioglie e la tensione superficiale tira i componenti in posizione. La scheda viene raffreddata in modo controllato per evitare che i giunti di saldatura diventino fragili.

Piastra / padella

Fondamentalmente la versione di un povero del forno di riflusso. Il circuito viene riscaldato da sotto fino a quando la temperatura è abbastanza alta per fondere la saldatura e rifluire i componenti. Il raffreddamento della scheda è difficile da controllare. Il fatto che i circuiti stampati in fibra di vetro sono fatti di è un buon isolante termico rende questo metodo inefficiente pure. Il periodo di riscaldamento iniziale è piuttosto lungo e non succede nulla, e poi improvvisamente tutto accade in una volta.

Stazione di riflusso dell’aria calda

Soffia aria calda per riscaldare i componenti e fondere la pasta saldante. Le stazioni di aria calda sono eccellenti quando sono necessarie piccole correzioni, poiché è possibile concentrare il calore su una piccola area, a differenza di un forno, ma è possibile riscaldare l’intero componente contemporaneamente, a differenza di un ferro da stiro. Sfortunatamente, il flusso d’aria può spostare piccoli componenti, quindi è necessaria cura.

Saldatore

Il vecchio modo di fare le cose. Ci vuole più sforzo per produrre risultati graziosi. Unico metodo in grado di lavorare con saldatura solida. Anche un ferro economico è sufficiente, ma assicurati che sia a temperatura controllata.

Per i metodi forno e piastra calda, posizionare tutti i componenti prima del riscaldamento. Con il metodo dell’aria calda, lavorare in piccoli gruppi di componenti e con il saldatore, posizionare solo pochi componenti alla volta in modo da avere spazio per lavorare.

Per posizionare un componente, mettere un piccolo blob di pasta saldante su ciascuna delle pastiglie sul PCB, e mettere il componente in posizione con una pinzetta. A seconda delle dimensioni del componente, può essere una buona idea tenere il componente delicatamente verso il basso quando si salda con un ferro da stiro.

In questa guida, userò un saldatore e una pasta saldante. In parte perché voglio mostrare come è fatto “nel modo più duro”, ma soprattutto perché quegli strumenti sono ciò a cui ho facile accesso.

Guida per Costruire Il Proprio Amplificatore per Cuffie

• Cose di cui avrete Bisogno
• Ordine di Saldatura
• Passo 1: USB connettore
• Passo 2: stadio di Guadagno
• Step 3: Buffer fasi
• Passo 4: Potenza
• Passo 5: Pulizia

Cose di cui avrai bisogno

Ecco un breve elenco di strumenti e parti necessari per la build. Ci sono molte alternative e diversi fornitori, quindi prendi il seguente elenco solo come suggerimento. Se non hai intenzione di costruire più elettronica, vale la pena considerare prendendo in prestito gli strumenti o visitando un makerspace.

Strumenti

• Saldatore. Finché è a temperatura controllata, starai bene. Io uso il mio 20-year old Weller, ma TS100 ha ottenuto buone recensioni.
• Pasta saldante. Ho usato questo prodotto ChipQuick, ma altre marche funzionano altrettanto bene.
• Multimetro. Fino a quando si può misurare la resistenza e la tensione, si dovrebbe andare bene. Ad esempio, ANENG ha modelli economici decenti.
• Pinzette (non magnetiche). Dritto o curvo a seconda delle preferenze.
• Lente di ingrandimento o microscopio per ispezione
• Alcool denaturato

Componenti

Di seguito è riportato un elenco di componenti elettronici suggeriti. Ci sono diversi distributori, ma per motivi di chiarezza ho aggiunto link solo a uno. Anche nel caso di resistenze e condensatori ecc. è possibile sostituirli con un altro prodotto purché il valore e la confezione corrispondano. A volte i distributori esauriscono le scorte su determinati articoli, quindi a volte è consigliabile trovare alternative.

Si noti che le quantità di cui sopra sono i componenti popolati nell’amplificatore completato. A volte gli errori accadono, quindi potrebbe essere saggio acquistare un componente aggiuntivo o due. Per diverse regioni i distributori offrono anche la spedizione gratuita se il vostro ordine è abbastanza grande, in modo da controllare se hanno tutto quello che vuoi è possibile utilizzare per pad il vostro ordine. Compro spesso LED di colore diverso e vari connettori audio.

Ordine di saldatura

L’ordine in cui i componenti sono meglio saldati differisce notevolmente tra assemblaggio SMD e montaggio a foro passante. Tradizionalmente i circuiti integrati sono stati gli ultimi componenti da saldare, ma con il montaggio superficiale, i circuiti integrati dovrebbero essere alcuni dei primi componenti montati. Questo perché i circuiti integrati tendono ad essere più piatti e più larghi della maggior parte degli altri componenti, e quindi è più facile montarli per primi.

Passo 1: connettore USB

NS-01 utilizza un connettore micro-USB per l’alimentazione. Il connettore è la parte più complicata della build, quindi è un buon punto di partenza. Metto un po ‘ di pasta saldante sui pad, o se si utilizza il filo di saldatura, pre-stagnare i pad con il minor numero possibile di saldature.

Una volta saldato il connettore, controllo la presenza di pantaloncini tra i pin di alimentazione con un multimetro. Se non c’è cortocircuito tra i perni centrali dell’interruttore SW1, tutto è buono e la build può procedere. Se i perni sono cortocircuitati insieme, controllare la saldatura e misurare di nuovo. Nel peggiore dei casi, rimuovere il connettore e saldarlo nuovamente.

Passo 2: Stadio di guadagno

Dopo che il connettore di alimentazione è stato montato in modo sicuro, inizierò con lo stadio di guadagno, perché è la parte più centrale della scheda e ha il maggior numero di componenti.

Lo stadio di guadagno prende il segnale di ingresso e lo amplifica, aumentando il livello di tensione del segnale audio. In altre parole questa fase applica il guadagno al segnale. Esegue anche alcuni filtri per rimuovere il rumore dal segnale che potrebbe disturbare il sistema, come le frequenze radio. L’amplificazione viene eseguita da un OPA1656, che è in realtà due amplificatori operazionali in un unico pacchetto, uno dei quali viene utilizzato per il canale sinistro e l’altro per il canale destro.

Comincio posizionando l’amplificatore operazionale (op-amp) , assicurandomi che l’orientamento sia corretto. A volte per i circuiti integrati è più facile usare un metodo chiamato drag welding, ma per questi amplificatori operazionali il passo dei pin è abbastanza grande da essere facile saldare un pin alla volta. Tengo l’IC delicatamente verso il basso con una pinzetta, prendo uno dei perni angolari e lo saldiamo. Poi saldare l’angolo opposto, e poi il resto delle gambe.

Non è mai una cattiva idea controllare che nessuno dei pin sia in corto prima di procedere. Se hai usato troppa pasta saldante, potrebbe essere fluita sotto il componente e potrebbe causare problemi.

Poi aggiungo i condensatori di disaccoppiamento . Questi sono condensatori 100nF 0805, quindi fai attenzione a non perderli. Questi condensatori servono per appianare l’alimentazione per l’op-amp e funzionano come un serbatoio di energia in caso di domanda improvvisa. Senza di loro, c’è un aumentato rischio che l’op-amp inizi ad oscillare.

I prossimi sono i resistori . Questi sono tutti i resistori 10 kOhm 0805. Dopo di loro, saldare in condensatori 1µF 1206, seguiti da quattro condensatori 68pF .

I condensatori 68pF formano due diversi filtri passa-basso per ciascun canale, uno all’ingresso del segnale e l’altro nel ciclo di feedback. Il filtro di ingresso impedisce al rumore a radiofrequenza di entrare nell’amplificatore e il filtro di retroazione limita la larghezza di banda dell’amplificatore, riducendo il rumore complessivo del sistema.

La frequenza d’angolo (la frequenza alla quale il filtro fa sì che il livello del segnale sia -3 dB) del filtro di retroazione è di circa 230 kHz. Poteva essere regolato più in basso aumentando il valore del condensatore, ma volevo usare lo stesso componente dell’altro filtro, e non volevo sentire lamentele sul fatto che l’amplificatore stesse “rotolando fuori dalla fascia alta”.

I condensatori da 1 µF formano filtri passa-alto su ciascun canale di ingresso, bloccando possibili bias DC nel segnale di ingresso, oltre a ridurre il brontolio subsonico. La frequenza d’angolo di questo filtro passa alto è 16 Hz.

Successivamente installo 10 resistenze kOhm , seguite da condensatori 1 µF . I resistori formano il ciclo di feedback con, e condensatori creare filtri passa-alto, riducendo amplificatore guadagno a DC per unità. Questo filtro ha anche una frequenza d’angolo di 16 Hz.

Il guadagno dell’amplificatore è determinato dal rapporto tra R3 e R5 per il canale sinistro e il rapporto tra R4 e R6 per il canale destro. Poiché tutti questi resistori hanno lo stesso valore, il guadagno dell’amplificatore è 2 o + 6 dB. È possibile regolare il rapporto tra i resistori per il guadagno desiderato, ma bisogna fare attenzione a mantenere il segnale amplificato massimo al di sotto della tensione operativa di 10 volt.

Per il mio uso, 6 dB sono più che sufficienti con le fonti moderne, ma le tue esigenze potrebbero essere diverse. Si noti che la regolazione del guadagno influisce anche sulle frequenze d’angolo di tutti questi filtri, quindi potrebbe essere necessaria la regolazione dei valori del condensatore.

Fase 3: Stadi buffer

Lo stadio buffer preleva il segnale amplificato dallo stadio di guadagno e lo invia alle cuffie. In sostanza è un amplificatore con un guadagno di uno. Quindi non fornisce alcun guadagno di tensione, ma può fornire guadagno di corrente. Questo diventa importante soprattutto quando si utilizzano cuffie a bassa impedenza.

Ogni canale ha il proprio stadio buffer con 2 amplificatori operazionali paralleli (un pacchetto IC completo per canale). Parallelo op-amp significa che l’amplificatore in grado di fornire più corrente per le cuffie di un singolo op-amp potrebbe.

Poiché le sezioni sono identiche, sono facili da assemblare contemporaneamente

Ancora una volta inizierò con i circuiti integrati .

I prossimi in linea sono i condensatori . Questi funzionano come bloccanti DC, rimuovendo qualsiasi pregiudizio che lo stadio di guadagno di tensione potrebbe aver creato. Sono funzionalmente identici a nella fase di guadagno. Questi possono anche essere sostituiti con collegamenti a zero ohm, ma questo dovrebbe essere fatto solo se si è abbastanza sicuri che l’op-amp in ingresso non introduca pregiudizi significativi.

Seguono i cappucci di disaccoppiamento op-amp 100nF , seguiti da resistori che forniscono il percorso di massa per gli amplificatori buffer.

I componenti finali nello stadio buffer sono i resistori di uscita da 1 ohm . Questi aiutano a bilanciare piccole differenze nelle fasi del buffer e assicurano che gli amplificatori operazionali non stiano cercando di pilotare l’un l’altro.

Passo 4: Potenza

Quando il percorso del segnale è pronto, è il momento di affrontare la sezione di alimentazione. Inizierò con l’indicatore LED ed è limitando la resistenza . Nella mia esperienza la corrente nominale di 20 mA di solito rende i LED troppo luminosi. L’idea è di indicare che il dispositivo è acceso, non per illuminare la stanza.

R15 è 10 kOhm, che è un valore piuttosto alto, ma poiché il LED è collegato alla guida di alimentazione-10V, limita il flusso di corrente a circa 1 mA, che dovrebbe essere sufficiente. Un valore più basso per R15 dà un LED più luminoso. Qualsiasi cosa sopra 1 kOhm dovrebbe funzionare bene. Oppure se non hai bisogno di indicazioni, puoi lasciare D1 e R15 disabitati del tutto.

Dopo l’indicatore, popolo i condensatori di alimentazione . Questi condensatori da 2,2 µF funzionano come serbatoi di energia e mantengono stabile la regolazione della tensione.

Ora è il momento di posizionare i regolatori di tensione lineare a basso dropout (LDOs). Inizio con il regolatore rail positivo, seguendolo con la controparte di tensione negativa . Questi sono componenti diversi con piedinature diverse, quindi fai attenzione a non scambiarli.

Seguono i tre condensatori di disaccoppiamento / filtraggio di potenza . La saldatura di questi tappi da 1µF dovrebbe essere ormai di routine.

È abbastanza facile mettere troppa pasta saldante sui pad e causare un cortocircuito nell’LDO, quindi controlla con un multimetro. Ho fatto quell’errore e ho dovuto sostituire uno degli LDOs. Per fortuna avevo comprato componenti di ricambio, perché sono facili da rompere durante il tentativo di risolvere le cose.

Lascerò il convertitore DC/DC per dopo a causa delle sue grandi dimensioni e salderò prima il resto dei componenti.

Partendo dal componente più interno nella linea di quattro impronte, posiziono e saldoinduttore . Questo filtra la corrente in entrata e rimuove il rumore dall’alimentazione. Quindi installo i condensatori da 4,7 µF . Infine ho saldare nel condensatore 1nF . Questi quattro componenti fanno parte del filtro EMI del convertitore DC/DC.

Ora è il momento di saldare il convertitore . Il pacchetto è più alto del resto, ma trovare l’angolo corretto per saldare i pad non dovrebbe essere difficile.

Dopo il convertitore, saldare i jack di ingresso e uscita . Al momento dell’acquisto dei componenti, il tipo senza interruttore utilizzato in questo circuito (SJ-3523-SMT-TR) era esaurito, quindi ho usato il modello con interruttore (SJ-3524-SMT-TR) e ho piegato le gambe extra con le pinze, in modo che non toccassero altri componenti .

Interruttore di alimentazione

Ultimo è l’interruttore di alimentazione . Questo è meglio mettere in ultima perché è una parte attraverso il foro, e le gambe possono causare la scheda di oscillare dopo l’installazione (a seconda della superficie). Se si preferisce avere il dispositivo sempre acceso è possibile collegare le connessioni in modo permanente. Collegare il pad centrale di entrambe le righe al pad più vicino al connettore USB. I pad sul lato jack di ingresso non sono collegati e possono essere ignorati.

Fase 5: Pulizia

Dopo che tutto è saldato insieme, è il momento di pulire la scheda. Uso isopropanolo e una spazzola morbida o un batuffolo di cotone per rimuovere il flusso e i residui di pasta saldante dalla scheda. L’alcol denaturato funziona anche come sostituto dell’isopropanolo, non è così bello da usare e potrebbe lasciare qualche residuo sulla scheda. Non utilizzare acetone o altri solventi, potrebbero danneggiare i componenti.

Quindi uso il multimetro per assicurarmi che non ci siano cortocircuiti tra le guide di alimentazione. Un modo semplice per farlo è misurare la resistenza tra i condensatori C1, C6, C9, C22, C23, C24 e C26. A causa dell’azione del condensatore, il misuratore mostra la resistenza che cambia durante la misurazione, ma non dovrebbe mai essere inferiore a circa mezzo megaohm (il valore aumenta man mano che i condensatori si caricano).

Misurare anche la resistenza tra i canali sinistro e destro e tra ogni canale e terra, sia per l’ingresso e l’uscita. Questi dovrebbero essere tutti letti come circuiti aperti, o almeno avere un’alta resistenza.

Senza pantaloncini nel circuito, ho collegato il cavo USB e acceso l’interruttore. L’indicatore LED si accende. Ho usato il multimetro per controllare tutte le tensioni e tutto era ok. VCC dovrebbe essere + 10 e VEE -10, con 20 volt tra i pin 4 e 8 di ciascun IC.