Construisez Votre Propre Amplificateur de casque Pour Moins de 30 $ – Le Kuosch NS-01

Construisez Votre Propre Amplificateur de casque Pour Moins de 30 $ – Le Kuosch NS-01

Un guide étape par étape pour assembler un amplificateur haute performance en un après-midi pour moins de 50 $.

Qu’est-ce que le NS-01?

Le NS-01 est un petit amplificateur de casque DIY. Ce n’est pas le projet le plus simple possible, car il a été conçu avec la taille et la performance à l’esprit. La version présentée ici devrait pouvoir produire 90 mA à 7 volts RMS et fonctionner même avec des écouteurs à faible impédance.

Pour garder la taille physique petite, la carte est conçue à l’aide de composants à montage en surface. Ceux-ci sont plutôt petits, il faut donc prendre soin de ne pas perdre de pièces par inadvertance, mais l’assemblage lui-même doit être relativement simple. Par souci de simplicité, le nombre de pièces est réduit au minimum. Par exemple, la configuration par défaut n’utilise que deux valeurs de résistance différentes.

L’amplificateur lui-même est composé de deux étages:

1. un étage d’amplification de tension,
2. un étage tampon.

Cette approche en deux étapes devrait en théorie améliorer les performances de distorsion, car le même appareil n’a pas à gérer à la fois l’amplification de tension et de courant. Le reste des circuits constitue l’alimentation électrique. Le tableau présenté ici est la révision D. Les révisions ultérieures peuvent introduire de petits changements, mais la structure globale devrait rester la même.

La communauté des amateurs parle beaucoup de la difficulté d’utilisation du SMT / SMD, mais mon expérience personnelle est que le SMT est en fait plus facile à assembler à la main que les composants traversant. Le plus grand obstacle est la taille des composants, mais cela peut être aidé simplement en utilisant une loupe ou un microscope. Pour simplifier les choses, les plus petits composants de NS-01 sont de taille 0805, soit 2,0 x 1,2 mm.

Méthodes de soudage

Il existe de nombreuses méthodes différentes pour souder des composants SMD. Certains sont plus faciles à faire mais peuvent nécessiter un équipement spécialisé. La plupart d’entre eux utilisent de la pâte à souder, qui est essentiellement une pâte collante faite de minuscules billes de soudure et de flux qui aide la soudure fondue à s’écouler. De la méthode la plus simple à la plus difficile:

Four à refusion

Des grille-pain convertis aux grands systèmes industriels, ceux-ci chauffent la carte jusqu’à ce que la pâte à souder fond et que la tension superficielle tire les composants en place. La carte est refroidie de manière contrôlée pour éviter que les joints de soudure ne deviennent cassants.

Plaque chauffante / poêle

Fondamentalement une version pauvre du four à refusion. La carte de circuit imprimé est chauffée par le dessous jusqu’à ce que la température soit suffisamment élevée pour faire fondre la soudure et refouler les composants. Le refroidissement de la carte est difficile à contrôler. Le fait que les cartes de circuits imprimés en fibre de verre soient constituées d’un bon isolant thermique rend cette méthode également inefficace. La période de chauffage initiale est assez longue et rien ne se passe, puis tout se passe soudainement à la fois.

Station de refusion d’air chaud

Souffle de l’air chaud pour chauffer les composants et faire fondre la pâte à souder. Les stations à air chaud sont excellentes lorsque de petites corrections sont nécessaires, car vous pouvez concentrer la chaleur sur une petite surface, contrairement à un four, mais vous pouvez chauffer tout le composant à la fois, contrairement à un fer à repasser. Malheureusement, le flux d’air peut déplacer de petits composants, il faut donc faire attention.

Fer à souder

La façon de faire à l’ancienne. Demande plus d’efforts pour produire de jolis résultats. Seule méthode capable de travailler avec une soudure solide. Même un fer bon marché suffit, mais assurez-vous qu’il est à température contrôlée.

Pour les méthodes du four et de la plaque chauffante, placez d’abord tous les composants avant de les chauffer. Avec la méthode à air chaud, travaillez en petits groupes de composants, et avec un fer à souder, placez seulement quelques composants à la fois pour avoir de la place pour travailler.

Pour placer un composant, placez une petite goutte de pâte à souder sur chacun des plots du PCB et mettez le composant en place avec une pince à épiler. Selon la taille du composant, il peut être judicieux de maintenir le composant doucement vers le bas lors du soudage avec un fer à repasser.

Dans ce guide, j’utiliserai un fer à souder et une pâte à souder. En partie parce que je veux montrer comment cela se fait à la « dure », mais surtout parce que ces outils sont auxquels j’ai facilement accès.

Guide pour Construire Votre Propre Amplificateur de Casque

• Choses Dont Vous aurez besoin
• Ordre de soudure
• Étape 1: Connecteur USB
• Étape 2: Étage de gain
• Étape 3: Étages tampons
• Étape 4: Alimentation
• Étape 5: Nettoyage

Choses dont vous aurez besoin

Voici une courte liste d’outils et de pièces nécessaires à la construction. Il existe de nombreuses alternatives et plusieurs fournisseurs, alors prenez la liste suivante uniquement à titre de suggestion. Si vous ne prévoyez pas de construire plus d’électronique, il vaut la peine d’envisager d’emprunter les outils ou de visiter un makerspace.

Outils

• Fer à souder. Tant que la température est contrôlée, tout ira bien. J’utilise mon Weller de 20 ans, mais TS100 a reçu de bonnes critiques.
• Pâte à souder. J’ai utilisé ce produit ChipQuick, mais d’autres marques fonctionnent tout aussi bien.
• Multimètre. Tant qu’il peut mesurer la résistance et la tension, ça devrait aller. Par exemple, ANENG a des modèles décents et peu coûteux.
• Pince à épiler (non magnétique). Droit ou incurvé selon vos préférences.
• Loupe ou microscope pour inspection
• Alcool à friction

Composants

Voici une liste de composants électroniques suggérés. Il y a plusieurs distributeurs, mais par souci de clarté, j’ai ajouté un seul lien vers un seul. Également dans le cas de résistances et de condensateurs, etc. il est possible de les remplacer par un autre produit tant que la valeur et l’emballage correspondent. Parfois, les distributeurs sont en rupture de stock sur certains articles, il est donc parfois recommandé de trouver des alternatives.

Notez que les quantités ci-dessus sont les composants remplis dans l’amplificateur terminé. Parfois, des erreurs se produisent, il peut donc être judicieux d’acheter un ou deux composants supplémentaires. Pour plusieurs régions, les distributeurs offrent également la livraison gratuite si votre commande est suffisamment importante, alors vérifiez s’ils ont tout ce que vous voulez que vous puissiez utiliser pour compléter votre commande. J’achète souvent différentes LED de couleur et divers connecteurs audio.

Ordre de soudure

L’ordre dans lequel les composants sont le mieux soudés diffère considérablement entre l’assemblage SMD et l’assemblage traversant. Traditionnellement, les circuits intégrés ont été les derniers composants à souder, mais avec un montage en surface, les circuits intégrés devraient être parmi les premiers composants que vous montez. En effet, les circuits intégrés ont tendance à être plus plats et plus larges que la plupart des autres composants, et il est donc plus facile de les monter en premier.

Étape 1: Connecteur USB

Le NS-01 utilise un connecteur micro-USB pour l’alimentation. Le connecteur est la partie la plus délicate de la construction, c’est donc un bon point de départ. Je place un tout petit peu de pâte à souder sur les tampons, ou si vous utilisez du fil à souder, pré-étamez les tampons avec le moins de soudure possible.

Une fois le connecteur soudé, je vérifie les courts-circuits entre les broches d’alimentation avec un multimètre. S’il n’y a pas de court-circuit entre les broches centrales du commutateur SW1, tout va bien et la construction peut se poursuivre. Si les broches sont court-circuitées ensemble, vérifiez la soudure et mesurez à nouveau. Dans le pire des cas, retirez le connecteur et soudez-le à nouveau.

Étape 2: Étape de gain

Une fois le connecteur d’alimentation monté en toute sécurité, je commencerai par l’étape de gain, car c’est la partie la plus centrale de la carte et contient le plus de composants.

L’étage de gain prend le signal d’entrée et l’amplifie, augmentant le niveau de tension du signal audio. En d’autres termes, cette étape applique un gain au signal. Il effectue également un filtrage pour éliminer le bruit du signal qui pourrait perturber le système, comme les fréquences radio. L’amplification est réalisée par un OPA1656, qui est en fait deux amplificateurs opérationnels dans un boîtier, l’un d’eux est utilisé pour le canal gauche et l’autre pour le canal droit.

Je commence par placer l’amplificateur opérationnel (ampli-op), en m’assurant que l’orientation est correcte. Parfois, pour les circuits intégrés, il est plus facile d’utiliser une méthode appelée soudure par traînée, mais pour ces amplis opérationnels, le pas de la broche est suffisamment grand pour qu’il soit facile de souder une broche à la fois. Je tiens le CI doucement avec une pince à épiler, je choisis l’une des broches d’angle et je le soude. Ensuite, je soude le coin opposé, puis le reste des jambes.

Ce n’est jamais une mauvaise idée de vérifier qu’aucune des broches n’est court-circuitée avant de continuer. Si vous avez utilisé trop de pâte à souder, elle peut avoir coulé sous le composant et peut causer des problèmes.

Ensuite, j’ajoute les condensateurs de découplage. Ce sont des condensateurs 100nF 0805, alors faites attention à ne pas les perdre. Ces condensateurs servent à lisser l’alimentation de l’ampli-op et fonctionnent comme un réservoir d’énergie en cas de demande soudaine. Sans eux, il y a un risque accru que l’ampli-op commence à osciller.

Viennent ensuite les résistances. Ce sont toutes des résistances 10 kOhm 0805. Après eux, soudez des condensateurs de taille 1µF 1206, suivis de quatre condensateurs 68pF.

Les condensateurs 68pF forment deux filtres passe-bas différents pour chaque canal, l’un à l’entrée du signal et l’autre dans la boucle de rétroaction. Le filtre d’entrée empêche le bruit radiofréquence d’entrer dans l’amplificateur et le filtre de rétroaction limite la bande passante de l’amplificateur, réduisant ainsi le bruit global du système.

La fréquence de coin (la fréquence à laquelle le filtre amène le niveau du signal à -3 dB) du filtre de rétroaction est d’environ 230 kHz. Il pourrait être ajusté plus bas en augmentant la valeur du condensateur, mais je voulais utiliser le même composant que dans l’autre filtre, et je ne voulais pas entendre de plaintes selon lesquelles l’amplificateur « roule sur le haut de gamme ».

Les condensateurs de 1 µF forment des filtres passe-haut sur chaque entrée de canal, bloquant une éventuelle polarisation CC du signal d’entrée, ainsi que réduisant le grondement subsonique. La fréquence d’angle de ce filtre passe-haut est de 16 Hz.

Ensuite, j’installe des résistances 10 kOhm, suivies de condensateurs 1 µF. Les résistances forment la boucle de rétroaction avec, et les condensateurs créent des filtres passe-haut, réduisant le gain de l’amplificateur en courant continu à l’unité. Ce filtre a également une fréquence d’angle de 16 Hz.

Le gain de l’amplificateur est déterminé par le rapport R3 et R5 pour le canal gauche et le rapport R4 et R6 pour le canal droit. Toutes ces résistances étant de valeur égale, le gain de l’amplificateur est de 2, soit +6 dB. Il est possible d’ajuster le rapport des résistances pour le gain souhaité, mais il faut veiller à maintenir le signal amplifié maximum en dessous de la tension de fonctionnement de 10 volts.

Pour mon usage, 6 dB est plus que suffisant avec des sources modernes, mais vos besoins peuvent être différents. Notez que le réglage du gain affecte également les fréquences de coin de tous ces filtres, il peut donc être nécessaire d’ajuster les valeurs du condensateur.

Étape 3: Étages tampons

L’étage tampon prend le signal amplifié de l’étage gain et l’envoie au casque. En substance, c’est un amplificateur avec un gain de un. Ainsi, il ne fournit aucun gain de tension, mais il peut fournir un gain de courant. Cela devient important en particulier lorsque vous utilisez des écouteurs à faible impédance.

Chaque canal a son propre étage tampon avec 2 amplis op parallèles (un paquet IC complet par canal). Les amplis op parallèles signifient que l’amplificateur peut fournir plus de courant au casque qu’un seul ampli op ne le pourrait.

Parce que les sections sont identiques, elles sont faciles à assembler simultanément

Encore une fois, je vais commencer par les circuits intégrés.

Suivent les condensateurs. Ceux-ci fonctionnent comme des bloqueurs de courant continu, supprimant toute polarisation que l’étage de gain de tension aurait pu créer. Ils sont fonctionnellement identiques à ceux de l’étape gain. Ceux-ci peuvent également être remplacés par des liens de zéro ohm, mais cela ne devrait être fait que si vous êtes assez sûr que l’ampli-op d’entrée n’introduit pas de biais significatif.

Viennent ensuite les capuchons de découplage op-ampère de 100nF, suivis des résistances qui fournissent le trajet de masse pour les amplificateurs tampons.

Les composants finaux de l’étage tampon sont les résistances de sortie de 1 ohm. Ceux-ci aident à équilibrer les petites différences dans les étages de tampon et à s’assurer que les amplis op n’essaient pas de se piloter mutuellement.

Étape 4: Puissance

Lorsque le chemin du signal est prêt, il est temps de s’attaquer à la section d’alimentation. Je vais commencer par le voyant LED et c’est une résistance de limitation. D’après mon expérience, le courant nominal de 20 mA rend généralement les LED trop lumineuses. L’idée est d’indiquer que l’appareil est allumé, pas d’éclairer la pièce.

R15 est de 10 kOhm, ce qui est une valeur assez élevée, mais comme la LED est connectée au rail d’alimentation -10V, elle limite le flux de courant à environ 1 mA, ce qui devrait suffire. Une valeur inférieure pour R15 donne une LED plus lumineuse. Tout ce qui dépasse 1 kOhm devrait bien fonctionner. Ou si vous n’avez pas besoin d’indication, vous pouvez laisser D1 et R15 complètement inutilisés.

Après l’indicateur, je remplis les condensateurs d’alimentation. Ces condensateurs de 2,2 µF fonctionnent comme des réservoirs d’énergie et maintiennent la régulation de tension stable.

Il est maintenant temps de placer les régulateurs de tension linéaires à faible décrochage (LDO). Je commence par le régulateur de rail positif, en le suivant avec la contrepartie de tension négative. Ce sont des composants différents avec des brochages différents, veillez donc à ne pas les échanger.

Viennent ensuite les trois condensateurs de découplage / filtrage de puissance. Souder ces bouchons de 1µF devrait être une routine à l’heure actuelle.

Il est assez facile de mettre trop de pâte à souder sur les plaquettes et de provoquer un court-circuit dans le LDO, alors vérifiez avec un multimètre. J’ai fait cette erreur et j’ai dû remplacer l’un des LDO. Heureusement, j’avais acheté des composants de rechange, car ils sont faciles à casser en essayant de réparer les choses.

Je laisserai le convertisseur CC / CC pour plus tard en raison de sa grande taille, et je souderai d’abord le reste des composants.

En partant du composant le plus à l’intérieur de la ligne de quatre empreintes, je place et soude l’inducteur. Cela filtre le courant entrant et supprime le bruit de l’alimentation. Ensuite, j’installe les condensateurs de 4,7 µF. Enfin, je soude dans le condensateur 1nF. Ces quatre composants font partie du filtrage EMI du convertisseur CC / CC.

Maintenant, il est temps de souder le convertisseur. L’emballage est plus haut que le reste, mais trouver l’angle correct pour souder les coussinets ne devrait pas être difficile.

Après le convertisseur, je soude les prises d’entrée et de sortie. Lors de l’achat de composants, le type sans interrupteur utilisé dans ce circuit (SJ-3523-SMT-TR) était en rupture de stock, j’ai donc utilisé le modèle avec interrupteur (SJ-3524-SMT-TR) et plié les jambes supplémentaires avec une pince, afin qu’elles ne touchent pas les autres composants.

Interrupteur d’alimentation

Le dernier est l’interrupteur d’alimentation. Il est préférable de le placer en dernier car il s’agit d’une pièce traversante, et les jambes peuvent faire vaciller la planche après l’installation (en fonction de la surface). Si vous préférez que l’appareil soit toujours allumé, vous pouvez câbler les connexions en permanence. Connectez le pad central des deux rangées au pad le plus proche du connecteur USB. Les pads du côté de la prise d’entrée ne sont pas connectés et peuvent être ignorés.

Étape 5: Nettoyage

Une fois que tout est soudé, il est temps de nettoyer la planche. J’utilise de l’isopropanol et une brosse douce ou un coton-tige pour éliminer les résidus de flux et de pâte à souder de la carte. L’alcool dénaturé remplace également l’isopropanol, il n’est tout simplement pas aussi agréable à utiliser et pourrait laisser des résidus sur le tableau. N’utilisez pas d’acétone ou d’autres solvants, ils pourraient endommager les composants.

Ensuite, j’utilise le multimètre pour m’assurer qu’il n’y a pas de court-circuit entre les rails d’alimentation. Un moyen simple de le faire consiste à mesurer la résistance des condensateurs C1, C6, C9, C22, C23, C24 et C26. En raison de l’action des condensateurs, le compteur montre que la résistance change pendant la mesure, mais elle ne doit jamais être inférieure à environ un demi-mégaohm (la valeur augmente lorsque les condensateurs se chargent).

Mesurez également la résistance entre les canaux gauche et droit et entre chaque canal et la masse, pour l’entrée et la sortie. Ceux-ci doivent tous être lus comme des circuits ouverts, ou au moins avoir une résistance élevée.

Sans short dans le circuit, j’ai branché le câble USB et allumé l’interrupteur. Le voyant s’allume. J’ai utilisé le multimètre pour vérifier toutes les tensions, et tout allait bien. VCC doit être de +10 et VEE -10, avec 20 volts entre les broches 4 et 8 de chaque circuit intégré.