Construya Su Propio Amplificador de Auriculares Por Menos De 3 30 – El Kuosch NS-01
Una guía paso a paso para ensamblar un amplificador de alto rendimiento en una tarde por menos de 5 50.
¿Qué es NS-01?
El NS-01 es un pequeño amplificador de auriculares de bricolaje. No es el proyecto más simple posible, ya que fue diseñado teniendo en cuenta el tamaño y el rendimiento. La versión presentada aquí debe ser capaz de emitir 90 mA a 7 voltios RMS, y trabajar incluso con auriculares de baja impedancia.
Para mantener el tamaño físico pequeño, la placa está diseñada utilizando componentes de montaje en superficie. Estos son bastante pequeños, por lo que se requiere un poco de cuidado para no perder ninguna pieza inadvertidamente, pero el ensamblaje en sí debe ser relativamente sencillo. En aras de la simplicidad, el número de piezas se mantiene mínimo. Por ejemplo, la configuración predeterminada utiliza solo dos valores de resistencia diferentes.
El amplificador en sí se compone de dos etapas:
- a etapa de amplificación de voltaje,
- a etapa de búfer.
Este enfoque de dos etapas en teoría debería mejorar el rendimiento de distorsión, ya que el mismo dispositivo no tiene que lidiar con la amplificación de voltaje y corriente. El resto de los circuitos forman la fuente de alimentación. La junta que se muestra aquí es la revisión D. Las revisiones posteriores pueden introducir pequeños cambios, pero la estructura general debe seguir siendo la misma.
Se habla mucho entre la comunidad de aficionados sobre cómo SMT / SMD es difícil de usar, pero mi experiencia personal es que SMT es en realidad más fácil de ensamblar a mano que los componentes de orificio pasante. El mayor obstáculo es el tamaño de los componentes, pero se puede ayudar simplemente con una lupa o un microscopio. Para mantener las cosas simples, los componentes más pequeños en NS-01 están en el tamaño 0805, o 2.0 x 1.2 mm.
Métodos de soldadura
Hay muchos métodos diferentes para soldar componentes SMD. Algunos son más fáciles de hacer, pero pueden requerir equipo especializado. La mayoría de estos usan pasta de soldadura, que es esencialmente una pasta pegajosa hecha de pequeñas bolas de soldadura y fundente que ayuda a que la soldadura fundida fluya. Del método más fácil al más difícil:
Horno de reflujo
De tostadoras convertidas a grandes sistemas industriales, calientan la placa hasta que la pasta de soldadura se derrite y la tensión de la superficie tira de los componentes en su lugar. La placa se enfría de manera controlada para evitar que las juntas de soldadura se vuelvan quebradizas.
Placa caliente / sartén
Básicamente una versión pobre del horno de reflujo. La placa de circuito se calienta desde abajo hasta que la temperatura es lo suficientemente alta como para fundir la soldadura y refluir los componentes. Enfriar la tabla es difícil de controlar. El hecho de que las placas de circuitos de material de fibra de vidrio estén hechas de un buen aislante térmico hace que este método también sea ineficiente. El período de calentamiento inicial es bastante largo y no pasa nada, y luego de repente todo sucede a la vez.
Estación de reflujo de aire caliente
Sopla aire caliente para calentar los componentes y fundir la pasta de soldadura. Las estaciones de aire caliente son excelentes cuando se necesitan arreglos pequeños, ya que puede enfocar el calor en un área pequeña, a diferencia de un horno, pero puede calentar todo el componente a la vez, a diferencia de una plancha. Desafortunadamente, el flujo de aire puede mover componentes pequeños, por lo que se requiere cuidado.
Soldador
La forma antigua de hacer las cosas. Se necesita más esfuerzo para producir resultados bonitos. Único método capaz de trabajar con soldadura sólida. Incluso una plancha barata es suficiente, pero asegúrate de que esté a temperatura controlada.
Para los métodos de horno y placa caliente, coloque todos los componentes primero antes de calentarlos. Con el método de aire caliente, trabaje en pequeños grupos de componentes, y con el soldador, coloque solo unos pocos componentes a la vez para que tenga espacio para trabajar.
Para colocar un componente, coloque una pequeña gota de pasta de soldadura en cada una de las almohadillas de la PCB y coloque el componente en su lugar con pinzas. Dependiendo del tamaño del componente, puede ser una buena idea sujetar el componente suavemente hacia abajo al soldar con una plancha.
En esta guía, usaré un soldador y pasta de soldadura. En parte porque quiero mostrar cómo se hace de la» manera difícil», pero sobre todo porque esas herramientas son a las que tengo fácil acceso.
Guía para Construir Su Propio Amplificador de Auriculares
- Cosas que Necesitará
- Orden de soldadura
- Paso 1: Conector USB
- Paso 2: Etapa de ganancia
- Paso 3: Etapas de búfer
- Paso 4: Alimentación
- Paso 5: Limpieza de
Cosas que necesitará
Aquí hay una breve lista de herramientas y piezas necesarias para la construcción. Hay muchas alternativas y varios proveedores, así que tome la siguiente lista solo como una sugerencia. Si no está planeando construir más dispositivos electrónicos, vale la pena considerar tomar prestadas las herramientas o visitar un makerspace.
Herramientas
- Soldador. Mientras esté a temperatura controlada, estarás bien. Uso a mi Weller de 20 años, pero TS100 ha recibido buenas críticas.
- Pasta de soldadura. Usé este producto ChipQuick, pero otras marcas funcionan igual de bien.Multímetro
- . Mientras pueda medir la resistencia y el voltaje, debería estar bien. Por ejemplo, ANENG tiene modelos baratos decentes.
- Pinzas (no magnéticas). Recto o curvo según su preferencia.
- Lupa o microscopio para inspección
- Alcohol para frotar
Componentes
A continuación se muestra una lista de componentes electrónicos sugeridos. Hay varios distribuidores, pero en aras de la claridad, solo he agregado un enlace a uno. También en el caso de resistencias y condensadores, etc. es posible reemplazarlos con otro producto siempre que el valor y el embalaje coincidan. A veces, los distribuidores se quedan sin existencias de ciertos artículos, por lo que a veces se recomienda encontrar alternativas.
| Descripción | Cantidad | Enlace | Precio (aprox.) |
|---|---|---|---|
| NS-01 placa de circuito | 1 | Tindie | $10 |
| amplificador Operacional, OPA1656 | 1 | Mouser | $2.95 |
| amplificador Operacional, OPA1678 | 2 | Mouser | $1.66 |
| convertidor DC/DC | 1 | Mouser | $4.28 |
| tomas de Audio | 2 | Mouser | $1.80 |
| regulador de Voltaje positivo | 1 | Mouser | $0.70 |
| regulador de Voltaje negativo | 1 | Mouser | $0.90 |
| LED (opcional) | 1 | Mouser | $0.28 |
| Conector USB | 1 | Mouser | $0.43 |
| Interruptor de | 1 | Mouser | $0.52 |
| Resistencia, 10 kOhm | 11 | Mouser | $0.65 |
| Resistencia de 1 Ohm, 0805 | 4 | Mouser | $0.40 |
| Condensador, 2.2 µF, 0805 | 2 | Mouser | $0.54 |
| Condensador de 1nF, 0805 | 1 | Mouser | $0.44 |
| Condensador de 100nF, 0805 | 6 | Mouser | $0.60 |
| Condensador, 1µF, 1206 | 11 | Mouser | $0.74 |
| Condensador, 68pF, 1206 | 4 | Mouser | $0.84 |
| Condensador de 4.7 µF, 0805 | 2 | Mouser | $0.38 |
| Inductor, 6.8 µH, 0805 | 1 | Mouser | $0.14 |
| $28.25 |
tenga en cuenta que las cantidades anteriores son los componentes poblada en el amplificador. A veces ocurren errores, por lo que puede ser aconsejable comprar uno o dos componentes adicionales. Para varias regiones, los distribuidores también ofrecen envío gratuito si su pedido es lo suficientemente grande, así que verifique si tienen algo que desee que pueda usar para rellenar su pedido. A menudo compro LED de diferentes colores y varios conectores de audio.
Orden de soldadura
El orden en el que los componentes se sueldan mejor difiere considerablemente entre el conjunto SMD y el conjunto de orificio pasante. Tradicionalmente, los circuitos integrados han sido los últimos componentes en soldar, pero con el montaje en superficie, los circuitos integrados deben ser algunos de los primeros componentes que se montan. Esto se debe a que los circuitos integrados tienden a ser más planos y anchos que la mayoría de los otros componentes, y por lo tanto es más fácil montarlos primero.
Paso 1: Conector USB
El NS-01 utiliza un conector micro-USB para la entrada de energía. El conector es la parte más complicada de la construcción, por lo que es un buen lugar para comenzar. Coloco un poco de pasta de soldadura en las almohadillas, o si uso alambre de soldadura, pre-estaño las almohadillas con la menor soldadura posible.
Una vez que el conector está soldado, compruebo si hay cortocircuitos entre los pines de alimentación con un multímetro. Si no hay cortocircuito entre los pines centrales del interruptor SW1, todo está bien y la construcción puede continuar. Si los pasadores están en cortocircuito, compruebe la soldadura y mida de nuevo. En el peor de los casos, retire el conector y vuelva a soldarlo.
Paso 2: Etapa de ganancia
Después de que el conector de alimentación esté montado de forma segura, comenzaré con la etapa de ganancia, porque es la parte más central de la placa y tiene la mayoría de los componentes.
La etapa de ganancia toma la señal de entrada y la amplifica, aumentando el nivel de voltaje de la señal de audio. En otras palabras, esta etapa aplica ganancia a la señal. También realiza algunos filtros para eliminar el ruido de la señal que podría perturbar el sistema, como las frecuencias de radio. La amplificación se realiza mediante un OPA1656, que en realidad son dos amplificadores operativos en un paquete, uno de ellos se utiliza para el canal izquierdo y el otro para el canal derecho.
Comienzo colocando el amplificador operacional (op-amp) , asegurándome de que la orientación sea correcta. A veces, para los circuitos integrados es más fácil usar un método llamado soldadura por arrastre, pero para estos amplificadores operativos, el paso del pasador es lo suficientemente grande como para que sea fácil soldar un pasador a la vez. Sostengo el IC suavemente con pinzas, cojo uno de los pines de las esquinas y lo sueldo. Luego soldo la esquina opuesta, y luego el resto de las piernas.
Nunca es mala idea comprobar que ninguno de los pines esté en cortocircuito antes de continuar. Si ha utilizado demasiada pasta de soldadura, es posible que haya fluido por debajo del componente y pueda causar problemas.
A continuación añado los condensadores de desacoplamiento . Estos son condensadores 100nF 0805, así que tenga cuidado de no perderlos. Estos condensadores sirven para suavizar la fuente de alimentación para el amplificador operativo y funcionan como un depósito de energía en caso de demanda repentina. Sin ellos, existe un mayor riesgo de que el amplificador operativo comience a oscilar.
A continuación están las resistencias . Estos son todos 10 resistencias kOhm 0805. Después de ellos, suelde en condensadores de tamaño 1µF 1206, seguidos de cuatro condensadores de 68pF .
Los condensadores de 68pF forman dos filtros de paso bajo diferentes para cada canal, uno en la entrada de señal y el otro en el bucle de retroalimentación. El filtro de entrada evita que el ruido de radiofrecuencia entre en el amplificador, y el filtro de retroalimentación limita el ancho de banda del amplificador, reduciendo el ruido general del sistema.
La frecuencia de esquina (la frecuencia a la que el filtro hace que el nivel de señal sea de -3 dB) del filtro de retroalimentación es de aproximadamente 230 kHz. Podría ajustarse más bajo aumentando el valor del condensador, pero quería usar el mismo componente que en el otro filtro, y no quería escuchar ninguna queja de que el amplificador «se está saliendo de la gama alta».
Los condensadores de 1 µF forman filtros de paso alto en cada entrada de canal, bloqueando el posible sesgo de CC en la señal de entrada, así como reduciendo el ruido subsónico. La frecuencia de esquina de este filtro de paso alto es de 16 Hz.
A continuación instalo resistencias de 10 kOhm, seguidas de condensadores de 1 µF . Las resistencias forman el bucle de retroalimentación con , y los condensadores crean filtros de paso alto, reduciendo la ganancia del amplificador en CC a la unidad. Este filtro también tiene una frecuencia de esquina de 16 Hz.
La ganancia del amplificador está determinada por la relación de R3 y R5 para el canal izquierdo y la relación de R4 y R6 para el canal derecho. Debido a que todas estas resistencias tienen el mismo valor, la ganancia del amplificador es de 2 o + 6 dB. Es posible ajustar la relación de las resistencias para la ganancia deseada, pero se debe tener cuidado de mantener la señal amplificada máxima por debajo de la tensión de funcionamiento de 10 voltios.
Para mi uso, 6 dB es ganancia más que suficiente con fuentes modernas, pero sus necesidades pueden ser diferentes. Tenga en cuenta que el ajuste de la ganancia también afecta a las frecuencias de esquina de todos estos filtros, por lo que puede ser necesario ajustar los valores del condensador.
El nivel de línea de consumo, sin embargo, tiene una amplitud máxima de 0,447 voltios, lo que permite un factor de ganancia máximo de 22 o 20 para jugar a lo seguro. Sin embargo, esto es probablemente demasiado fuerte para escucharlo en la mayoría de los auriculares.
Paso 3: Etapas de búfer
La etapa de búfer toma la señal amplificada de la etapa de ganancia y la envía a los auriculares. En esencia, es un amplificador con una ganancia de uno. Por lo tanto, no proporciona ganancia de voltaje, pero puede proporcionar ganancia de corriente. Esto se vuelve importante, especialmente cuando se usan auriculares de baja impedancia.
Cada canal tiene su propia etapa de búfer con 2 amplificadores operativos paralelos (un paquete completo de CI por canal). Amplificadores operativos paralelos significa que el amplificador puede proporcionar más corriente a los auriculares que un solo amplificador operativo.
Debido a que las secciones son idénticas, son fáciles de ensamblar simultáneamente
De nuevo comenzaré con el ICs .
El siguiente en la línea son los condensadores . Estos funcionan como bloqueadores de CC, eliminando cualquier sesgo que la etapa de ganancia de voltaje pudiera haber creado. Son funcionalmente idénticos a los de la fase de ganancia. Estos también se pueden reemplazar con enlaces de cero ohmios, pero esto solo debe hacerse si está bastante seguro de que el amplificador operativo de entrada no introduce un sesgo significativo.
A continuación están las tapas de desacoplamiento de amplificadores operativos de 100nF, seguidas de resistencias que proporcionan la ruta de tierra para los amplificadores de búfer.
Los componentes finales en la etapa de búfer son las resistencias de salida de 1 ohm . Estos ayudan a equilibrar pequeñas diferencias en las etapas de búfer y aseguran que los amplificadores operativos no intenten impulsarse entre sí.
Paso 4: Alimentación
Cuando la ruta de la señal está lista, es hora de abordar la sección de alimentación. Empezaré con el indicador LED y su resistencia limitadora . En mi experiencia, la corriente nominal de 20 mA generalmente hace que los LED sean demasiado brillantes. La idea es indicar que el dispositivo está encendido, no iluminar la habitación.
R15 es 10 kOhm, que es un valor bastante alto, pero debido a que el LED está conectado al riel de alimentación de-10V, limita el flujo de corriente a aproximadamente 1 mA, que debería ser suficiente. Un valor más bajo para R15 da un led más brillante. Cualquier cosa por encima de 1 kOhm debería funcionar bien. O si no necesita indicación, puede dejar a D1 y R15 despoblados por completo.
Después del indicador, lleno los condensadores de la fuente de alimentación . Estos condensadores de 2,2 µF funcionan como depósitos de energía y mantienen estable la regulación del voltaje.
Ahora es el momento de colocar los reguladores de voltaje lineal de baja caída (LDO). Empiezo con el regulador de carril positivo, siguiéndolo con la contraparte de voltaje negativo . Estos son componentes diferentes con diferentes pines, así que tenga cuidado de no intercambiarlos.
A continuación vienen los tres condensadores de separación / filtrado de potencia . Soldar estas tapas de 1µF ya debería ser una rutina.
Es bastante fácil poner demasiada pasta de soldadura en las almohadillas y causar un cortocircuito en el LDO, así que verifique con un multímetro. Cometí ese error, y tuve que reemplazar uno de los LDO. Afortunadamente, había comprado componentes de repuesto, porque son fáciles de romper al tratar de arreglar cosas.
Dejaré el convertidor DC/DC para más tarde debido a su gran tamaño, y en su lugar soldaré el resto de los componentes primero.
A partir del componente más interno de la línea de cuatro huellas, coloco y sueldo el inductor . Esto filtra la corriente entrante y elimina el ruido de la fuente de alimentación. Luego instalo los condensadores de 4,7 µF . Finalmente soldo en el condensador de 1nF . Estos cuatro componentes forman parte del filtro EMI del convertidor DC/DC.Inductor de entrada de potencia
Ahora es el momento de soldar el convertidor . El paquete es más alto que el resto, pero encontrar el ángulo correcto para soldar las almohadillas no debería ser difícil.
Después del convertidor, sueldo los conectores de entrada y salida . Al comprar componentes, el tipo sin interruptor utilizado en este circuito (SJ-3523-SMT-TR) estaba agotado, por lo que utilicé el modelo con interruptor (SJ-3524-SMT-TR) y doblé las patas adicionales con alicates para que no tocaran otros componentes .
Interruptor de encendido
El último es el interruptor de encendido . Esto es mejor ponerlo en último lugar porque es una parte de orificio pasante, y las patas pueden hacer que la tabla se tambalee después de la instalación (dependiendo de la superficie). Si prefiere tener el dispositivo siempre encendido, puede cablear las conexiones de forma permanente. Conecte la almohadilla central de ambas filas a la almohadilla más cercana al conector USB. Los pads en el lado del conector de entrada no están conectados y se pueden ignorar.
Paso 5: Limpieza
Después de soldar todo, es hora de limpiar la tabla. Uso isopropanol y un cepillo suave o bastoncillo de algodón para eliminar el fundente y los residuos de pasta de soldadura de la tabla. El alcohol desnaturalizado también funciona como reemplazo del isopropanol, simplemente no es tan agradable de usar y podría dejar algunos residuos en la tabla. No use acetona u otros disolventes, ya que pueden dañar los componentes.
Luego uso el multímetro para asegurarme de que no haya cortocircuitos entre los rieles de alimentación. Una manera fácil de hacer esto es medir la resistencia a través de condensadores C1, C6, C9, C22, C23, C24 y C26. Debido a la acción del condensador, el medidor muestra que la resistencia cambia durante la medición, pero nunca debe ser inferior a aproximadamente la mitad de un megaohmio (el valor aumenta a medida que los condensadores se cargan).
Mida también la resistencia entre los canales izquierdo y derecho y entre cada canal y tierra, tanto para entrada como para salida. Todos estos deben leerse como circuitos abiertos, o al menos tener una alta resistencia.
Sin cortocircuitos en el circuito, conecté el cable USB y encendí el interruptor. El indicador led se iluminará. Usé el multímetro para comprobar todos los voltajes, y todo estaba bien. VCC debe ser +10 y VEE -10, con 20 voltios entre los pines 4 y 8 de cada CI.