Sestavte si svůj vlastní zesilovač pro sluchátka za méně než $ 30-Kuosch NS-01

Sestavte si svůj vlastní zesilovač pro sluchátka za méně než $ 30-Kuosch NS-01

podrobný průvodce sestavením vysoce výkonného zesilovače za odpoledne za méně než $ 50.

co je NS-01?

NS-01 je malý zesilovač sluchátek pro kutily. Není to nejjednodušší možný projekt, protože byl navržen s ohledem na velikost a výkon. Zde uvedená verze by měla být schopna výstupovat 90 mA při 7 voltech RMS a pracovat i se sluchátky s nízkou impedancí.

aby byla fyzická velikost malá, je deska navržena pomocí komponent pro povrchovou montáž. Jsou poměrně malé, takže je třeba dbát na to, aby nedošlo k neúmyslnému ztrátě částí, ale samotná sestava by měla být relativně přímočará. Z důvodu jednoduchosti je počet dílů udržován minimální. Například výchozí konfigurace používá pouze dvě různé hodnoty rezistoru.

samotný zesilovač se skládá ze dvou stupňů:

1. stupeň zesílení napětí,
2. stupeň vyrovnávací paměti.

tento dvoustupňový přístup by měl teoreticky zlepšit výkon zkreslení, protože stejné zařízení nemusí řešit zesílení napětí i proudu. Zbytek obvodů tvoří napájení. Zde uvedená deska je revize D. pozdější revize mohou zavést malé změny, ale celková struktura by měla zůstat stejná.

mezi fandy se hodně mluví o tom, jak je obtížné používat SMT/SMD, ale moje osobní zkušenost je, že SMT je ve skutečnosti jednodušší sestavit ručně než komponenty průchozích otvorů. Největší překážkou je velikost součástí, ale to lze pomoci jednoduše pomocí lupy nebo mikroskopu. Aby to bylo jednoduché, nejmenší komponenty v NS-01 jsou ve velikosti 0805 nebo 2,0 x 1,2 mm.

metody pájení

existuje mnoho různých metod pro pájení SMD komponent. Některé jsou jednodušší, ale mohou vyžadovat specializované vybavení. Většina z nich používá pájecí pastu, což je v podstatě lepkavá pasta vyrobená z malých pájecích kuliček a tavidla, která pomáhá roztavené pájce proudit. Od nejjednodušší k nejobtížnější metodě:

Reflow pec

od převedených toustovačů po velké průmyslové systémy tyto zahřívají desku, dokud se pájecí pasta neroztaví a povrchové napětí nevytáhne součásti na místo. Deska je chlazena kontrolovaným způsobem, aby se zabránilo křehnutí pájených spojů.

Hot plate / skillet

v podstatě verze reflow peci chudého člověka. Deska s plošnými spoji se zahřívá zespodu, dokud není teplota dostatečně vysoká, aby roztavila pájku a přetavila součásti. Chlazení desky je obtížné ovládat. Skutečnost, že desky s plošnými spoji ze skleněných vláken jsou vyrobeny, je dobrým tepelným izolátorem, který činí tuto metodu také neefektivní. Počáteční doba ohřevu je poměrně dlouhá a nic se neděje,a pak se najednou všechno stane najednou.

Hot air reflow station

fouká horký vzduch k ohřevu součástí a taveniny pájecí pasty. Horkovzdušné stanice jsou vynikající, když jsou potřeba malé opravy, protože můžete zaměřit teplo na malou plochu, na rozdíl od trouby, ale můžete ohřívat celou součást najednou, na rozdíl od železa. Bohužel proudění vzduchu může pohybovat malými součástmi, takže je nutná péče.

páječka

staromódní způsob, jak dělat věci. Vyžaduje více úsilí k dosažení pěkných výsledků. Jediná metoda schopná pracovat s pevnou pájkou. Dokonce i levné železo je dost, ale ujistěte se, že je regulováno teplotou.

u metody trouby a varné desky umístěte všechny součásti nejprve před zahřátím. Pomocí metody horkého vzduchu pracujte v malých skupinách komponent a pomocí páječky umístěte pouze několik komponent najednou, abyste měli prostor pro práci.

Chcete-li umístit součást, vložte na každou z podložek na desce plošných spojů malou skvrnu pájecí pasty a komponentu vložte na místo pinzetou. V závislosti na velikosti součásti může být dobré držet součást jemně dolů při pájení železem.

v této příručce budu používat páječku a pájecí pastu. Částečně proto, že chci ukázat, jak se to dělá „tvrdě“, ale hlavně proto, že tyto nástroje jsou to, k čemu mám snadný přístup.

návod k vytvoření vlastního sluchátkového zesilovače

• věci, které budete potřebovat
• pořadí pájení
• Krok 1: konektor USB
• Krok 2: fáze zesílení
• Krok 3: fáze vyrovnávací paměti
• Krok 4: Napájení
• Krok 5: Čištění

věci, které budete potřebovat

zde je krátký seznam nástrojů a dílů potřebných pro sestavení. Existuje mnoho alternativ a několik dodavatelů, takže následující seznam berte pouze jako návrh. Pokud neplánujete stavět více elektroniky, stojí za to zvážit zapůjčení nástrojů nebo návštěvu makerspace.

nástroje

• páječka. Dokud bude řízená teplotou, budeš v pořádku. Používám svůj 20letý Weller, ale TS100 získal dobré recenze.
• pájecí pasta. Použil jsem tento produkt ChipQuick, ale ostatní značky fungují stejně dobře.
• multimetr. Pokud dokáže měřit odpor a napětí, měli byste být v pořádku. Například ANENG má slušné levné modely.
• pinzety (nemagnetické). Rovné nebo zakřivené v závislosti na vašich preferencích.
• lupa nebo mikroskop pro kontrolu
• třecí alkohol

komponenty

níže je uveden seznam navrhovaných elektronických součástek. Existuje několik distributorů, ale pro přehlednost jsem přidal odkaz pouze na jednoho. Také v případě rezistorů a kondenzátorů atd. je možné je nahradit jiným produktem, pokud se hodnota a balení shodují. Někdy distributorům dojdou zásoby na určité položky, takže se někdy doporučuje najít alternativy.

všimněte si, že výše uvedené množství jsou komponenty vyplněné v dokončeném zesilovači. Někdy dochází k chybám,takže může být moudré zakoupit další komponentu nebo dvě. V několika regionech distributoři také nabízejí dopravu zdarma, pokud je vaše objednávka dostatečně velká, takže zkontrolujte, zda mají něco, co chcete, můžete použít k vložení objednávky. Často kupuji různé barevné LED diody a různé zvukové konektory.

pořadí pájení

pořadí, ve kterém jsou komponenty nejlépe pájeny, se značně liší mezi sestavou SMD a montáží průchozích otvorů. Tradičně integrované obvody byly posledními součástmi pájení, ale s povrchovou montáží, IC by měly být některé z prvních součástí, které připojíte. Je to proto, že IC bývají plošší a širší než většina ostatních komponent, a proto je snazší je nejprve namontovat.

Krok 1: USB konektor

NS-01 používá pro napájení konektor micro-USB. Konektor je nejsložitější částí sestavení, takže je dobré začít. Na podložky položím malý kousek pájecí pasty, nebo pokud používáte pájecí drát, předcínujte podložky co nejméně pájkou.

jakmile je konektor pájen, zkontroluji šortky mezi napájecími kolíky pomocí multimetru. Pokud mezi středovými kolíky spínače SW1 nedojde ke zkratu, je vše v pořádku a sestavení může pokračovat. Pokud jsou kolíky zkratovány dohromady, zkontrolujte pájení a znovu změřte. V nejhorším případě vyjměte konektor a znovu jej pájejte.

Krok 2: Gain stage

po bezpečné montáži napájecího konektoru začnu s gain stage, protože je to nejdůležitější část desky a má k ní nejvíce komponent.

stupeň zesílení přebírá vstupní signál a zesiluje jej, čímž se zvyšuje úroveň napětí zvukového signálu. Jinými slovy, tato fáze platí zisk pro signál. Provádí také filtrování, aby se odstranil šum ze signálu, který by mohl rušit systém, například rádiové frekvence. Zesílení se provádí OPA1656, což jsou vlastně dva operační zesilovače v jednom balení, jeden z nich se používá pro levý a druhý pro pravý kanál.

začnu umístěním operačního zesilovače (op-amp), Ujistěte se, že orientace je správná. Někdy pro ICs je nejjednodušší použít metodu zvanou pájení tažením, ale pro tyto operační zesilovače je rozteč kolíku dostatečně velká, že je snadné pájet jeden kolík najednou. Držím IC jemně dolů pinzetou, vyberu jeden z rohových kolíků a pájím ho. Pak jsem pájel opačný roh a pak zbytek nohou.

nikdy není špatný nápad zkontrolovat, zda žádný z kolíků není zkratován před pokračováním. Pokud jste použili příliš mnoho pájecí pasty, mohlo by to protékat pod komponentu a mohlo by to způsobit problémy.

dále přidám oddělovací kondenzátory . Jedná se o kondenzátory 100nF 0805, takže buďte opatrní, abyste je neztratili. Tyto kondenzátory slouží k vyhlazení napájení operačního zesilovače a fungují jako zásobník energie v případě náhlé poptávky. Bez nich existuje zvýšené riziko, že operační zesilovač začne oscilovat.

další jsou rezistory . Jedná se o 10 rezistorů kOhm 0805. Po nich pájejte kondenzátory velikosti 1µF 1206, následované čtyřmi kondenzátory 68pF .

kondenzátory 68pF tvoří dva různé filtry lowpass pro každý kanál, jeden na vstupu signálu a druhý ve zpětné smyčce. Vstupní filtr zabraňuje vstupu vysokofrekvenčního šumu do zesilovače a zpětnovazební filtr omezuje šířku pásma zesilovače a snižuje celkový šum systému.

rohová frekvence (frekvence, při které filtr způsobí, že úroveň signálu bude -3 dB) zpětnovazebního filtru je asi 230 kHz. Mohlo by to být upraveno níže zvýšením hodnoty kondenzátoru, ale chtěl jsem použít stejnou součást jako v druhém filtru a nechtěl jsem slyšet žádné stížnosti, že zesilovač „odvaluje high-end“.

kondenzátory 1 µF vytvářejí filtry highpass na každém vstupu kanálu, blokují možné zkreslení stejnosměrného proudu ve vstupním signálu a snižují podzvukové dunění. Rohová frekvence tohoto high pass filtru je 16 Hz.

dále instaluji 10 kOhm rezistorů, následovaných 1 µF kondenzátory . Rezistory tvoří zpětnovazební smyčku s, a kondenzátory vytvářejí high-pass filtry, snížení zisku zesilovače při DC na jednotu. Tento filtr má také rohovou frekvenci 16 Hz.

zisk zesilovače je určen poměrem R3 a R5 pro levý kanál a poměrem R4 a R6 pro pravý kanál. Protože všechny tyto rezistory mají stejnou hodnotu, zisk zesilovače je 2 nebo +6 dB. Je možné nastavit poměr odporů pro požadovaný zisk, ale je třeba dbát na to, aby maximální zesílený signál zůstal pod provozním napětím 10 voltů.

pro mé použití je 6 dB více než dostatečný zisk s moderními zdroji, ale vaše potřeby se mohou lišit. Všimněte si, že nastavení zisku také ovlivňuje rohové frekvence všech těchto filtrů, takže může být vyžadováno nastavení hodnot kondenzátoru.

Krok 3: Fáze vyrovnávací paměti

fáze vyrovnávací paměti odebírá zesílený signál ze stupně zesílení a odešle jej do sluchátek. V podstatě se jedná o zesilovač se ziskem jednoho. Neposkytuje tedy žádný zisk napětí, ale může poskytnout proudový zisk. To se stává důležitým zejména při použití sluchátek s nízkou impedancí.

každý kanál má svůj vlastní vyrovnávací stupeň se 2 paralelními operačními zesilovači (jeden plný IC balíček na kanál). Paralelní operační zesilovače znamená, že zesilovač může poskytnout více proudu do sluchátek, než by mohl jeden operační zesilovač.

protože sekce jsou identické, lze je snadno sestavit současně

znovu začnu s ICs .

další v řadě jsou kondenzátory . Fungují jako blokátory DC, odstranění jakéhokoli zkreslení, které by mohla vytvořit fáze zesílení napětí. Jsou funkčně identické jako ve fázi zisku. Ty lze také nahradit odkazy s nulovými ohmy, ale to by mělo být provedeno pouze tehdy, pokud jste si docela jisti, že vstupní operační zesilovač nezavádí významné zkreslení.

dále jsou oddělovací uzávěry 100nf op-amp, následované rezistory, které poskytují pozemní cestu pro vyrovnávací zesilovače.

konečné komponenty ve fázi vyrovnávací paměti jsou výstupní odpory 1 ohm . Ty pomáhají vyvážit malé rozdíly ve fázích vyrovnávací paměti, a zajistit, aby se operační zesilovače nesnažily navzájem řídit.

Krok 4: Napájení

když je signální cesta připravena, je čas řešit sekci napájení. Začnu s indikátorem LED a je to omezující odpor . Podle mých zkušeností Jmenovitý proud 20 mA obvykle činí LED diody příliš jasnými. Cílem je uvést, že zařízení je zapnuté, nikoli rozsvítit místnost.

R15 je 10 kOhm, což je poměrně vysoká hodnota, ale protože LED je připojena k napájecí kolejnici-10V, omezuje tok proudu na přibližně 1 mA, což by mělo stačit. Nižší hodnota pro R15 dává jasnější LED. Cokoli nad 1 kOhm by mělo fungovat dobře. Nebo pokud nepotřebujete indikaci, můžete nechat D1 a R15 zcela neobsazené.

po indikátoru naplním napájecí kondenzátory . Tyto kondenzátory 2, 2 µF fungují jako zásobníky energie a udržují regulaci napětí stabilní.

nyní je čas umístit lineární regulátory napětí s nízkým výpadkem (LDOs). Začnu s kladným regulátorem kolejnice, po něm s protějškem záporného napětí . Jedná se o různé komponenty s různými vývody, takže buďte opatrní, abyste je nevyměnili.

dále přicházejí tři oddělovací / výkonové filtrační kondenzátory . Pájení těchto čepic 1µF by mělo být rutinní.

je poměrně snadné umístit příliš mnoho pájecí pasty na podložky a způsobit zkrat v LDO, proto zkontrolujte pomocí multimetru. Udělal jsem tu chybu a musel jsem nahradit jednoho z LDOs. Naštěstí jsem si koupil náhradní komponenty, protože se snadno rozbijí a snaží se věci opravit.

nechám převodník DC / DC později kvůli jeho velké velikosti a místo toho nejprve pájím zbytek komponent.

počínaje nejvnitřnější složkou v řadě čtyř stop, umístím a pájím induktor . Tím se filtruje příchozí proud a odstraňuje šum ze zdroje napájení. Poté nainstaluji kondenzátory 4.7 µF . Nakonec jsem pájel v kondenzátoru 1nF . Tyto čtyři komponenty jsou součástí filtrace EMI měniče DC/DC.

nyní je čas pájet převodník . Balení je vyšší než ostatní, ale nalezení správného úhlu pro pájení podložek by nemělo být obtížné.

po převodníku jsem pájel vstupní a výstupní konektory . Při nákupu komponentů nebyl typ bez spínače použitý v tomto obvodu (SJ-3523-SMT-TR) skladem, takže jsem použil model s přepínačem (SJ-3524-SMT-TR) a ohnul další nohy kleštěmi, aby se nedotýkaly jiných součástí .

vypínač

poslední je vypínač . To je nejlepší dát poslední, protože se jedná o průchozí otvor část, a nohy mohou způsobit deska kývat po instalaci (v závislosti na povrchu). Pokud chcete mít zařízení vždy zapnuté, můžete připojení trvale zapojit. Připojte středovou podložku obou řádků k podložce nejblíže ke konektoru usb. Podložky na straně vstupního konektoru nejsou připojeny a lze je ignorovat.

Krok 5: Čištění

poté, co je vše pájeno dohromady, je čas vyčistit desku. Používám isopropanol a měkký kartáč nebo bavlněný pupen k odstranění zbytků tavidla a pájecí pasty z desky. Denaturovaný alkohol funguje také jako náhrada za isopropanol, prostě to není tak příjemné a může zanechat nějaké zbytky na desce. Nepoužívejte aceton nebo jiná rozpouštědla, mohou poškodit součásti.

pak používám multimetr, abych se ujistil, že mezi silovými kolejnicemi nejsou žádné zkraty. Snadný způsob, jak toho dosáhnout, je změřit odpor přes kondenzátory C1, C6, C9, C22, C23, C24 a C26. V důsledku působení kondenzátoru ukazuje měřič změnu odporu při měření,ale nikdy by neměl být nižší než asi půl megaohmu (hodnota stoupá s nabíjením kondenzátorů).

Změřte také odpor mezi levým a pravým kanálem a mezi každým kanálem a zemí pro vstup i výstup. Všechny by se měly číst jako otevřené obvody nebo alespoň mít vysoký odpor.

bez kraťasů v obvodu jsem zapojil kabel USB a zapnul spínač. Kontrolka LED se rozsvítí. Použil jsem multimetr ke kontrole všech napětí a všechno bylo v pořádku. VCC by měla být +10 a Vee -10, s 20 volty mezi kolíky 4 a 8 každého IC.