bouw je eigen hoofdtelefoonversterker voor minder dan $30 – de KUOSCH NS-01
een stap-voor-stap handleiding voor het samenstellen van een high-performance versterker in een middag voor minder dan $50.
Wat is NS-01?
de NS-01 is een kleine Doe-het-zelf hoofdtelefoonversterker. Het is niet de eenvoudigste mogelijke project, omdat het werd ontworpen met grootte en prestaties in het achterhoofd. De hier gepresenteerde versie moet in staat zijn om 90 mA uit te voeren bij 7 volt RMS, en werken met zelfs lage impedantie hoofdtelefoon.
om de fysieke grootte klein te houden, is het bord ontworpen met behulp van componenten voor opbouwmontage. Deze zijn vrij klein, dus enige zorg is vereist om geen onderdelen per ongeluk te verliezen, maar de assemblage zelf moet relatief eenvoudig zijn. Ter wille van de eenvoud wordt het aantal onderdelen minimaal gehouden. De standaardconfiguratie gebruikt bijvoorbeeld slechts twee verschillende weerstandswaarden.
de versterker zelf bestaat uit twee fasen:
- een spanningsversterkingsfase,
- een bufferfase.
deze tweefasenaanpak zou in theorie de vervormingsprestaties moeten verbeteren, aangezien hetzelfde apparaat niet te maken heeft met zowel spanning als stroomversterking. De rest van het circuit maakt de voeding uit. Het hier getoonde bord is Revisie D. latere revisies kunnen kleine veranderingen introduceren, maar de algemene structuur moet hetzelfde blijven.
er wordt veel gepraat onder de hobbyisten over hoe SMT / SMD moeilijk te gebruiken is, maar mijn persoonlijke ervaring is dat SMT eigenlijk gemakkelijker met de hand te monteren is dan door-hole componenten. Het grootste obstakel is de grootte van de componenten, maar dat kan eenvoudig worden geholpen door het gebruik van een vergrootglas of een microscoop. Om het eenvoudig te houden, zijn de kleinste componenten in NS-01 in de grootte 0805, of 2,0 x 1,2 mm.
methoden voor het solderen
er zijn veel verschillende methoden voor het solderen van SMD-componenten. Sommige zijn gemakkelijker te doen, maar kan gespecialiseerde apparatuur vereisen. De meeste van deze gebruiken soldeerpasta, wat in wezen een kleverige pasta is gemaakt van kleine soldeerballen en flux die het gesmolten soldeer helpt te stromen. Van gemakkelijkste tot moeilijkste methode:
Reflow oven
van omgebouwde Broodroosters naar grote industriële systemen verwarmen deze de plaat totdat de soldeerpasta smelt en de oppervlaktespanning de componenten op hun plaats trekt. Het bord wordt gecontroleerd gekoeld om te voorkomen dat de soldeerverbindingen Bros worden.
kookplaat / koekenpan
in principe een slechte versie van de reflow oven. De printplaat wordt van onderen verwarmd tot de temperatuur hoog genoeg is om het soldeer te smelten en de componenten terug te geven. Het koelen van het bord is moeilijk te controleren. Het feit dat de glasvezel materiaal printplaten zijn gemaakt van een goede thermische isolator maakt deze methode inefficiënt ook. De eerste verwarmingsperiode is vrij lang en er gebeurt niets, en dan gebeurt alles ineens.
heteluchtterminal
blaast hete lucht om de componenten te verwarmen en smelt soldeerpasta. Heteluchtstations zijn uitstekend wanneer kleine fixes nodig zijn, omdat je de warmte kunt richten op een klein gebied, in tegenstelling tot een oven, maar je kunt het hele onderdeel in een keer verwarmen, in tegenstelling tot een strijkijzer. Helaas kan de luchtstroom kleine componenten verplaatsen, dus zorg is vereist.
Soldeerbout
de ouderwetse manier van werken. Kost meer moeite om mooie resultaten te produceren. Enige methode die kan werken met massief soldeer. Zelfs een goedkoop strijkijzer is genoeg, maar zorg ervoor dat het temperatuurgecontroleerd is.
voor de oven-en kookplaatmethode moeten alle onderdelen vóór het verwarmen worden geplaatst. Met de hete lucht methode, werken in kleine groepen van componenten, en met soldeerbout, plaats slechts een paar componenten tegelijk, zodat u ruimte om te werken in zult hebben.
om een component te plaatsen, plaats je een klein blokje soldeerpasta op elk van de pads op de printplaat en plaats je het component op zijn plaats met een pincet. Afhankelijk van de grootte van de component, kan het een goed idee zijn om de component voorzichtig naar beneden te houden bij het solderen met een strijkijzer.
in deze gids zal ik een soldeerbout en soldeerpasta gebruiken. Deels omdat ik wil laten zien hoe het is gedaan de “harde manier”, maar vooral omdat die tools zijn wat ik gemakkelijk toegang tot.
Gids Voor het bouwen van uw eigen hoofdtelefoonversterker
- dingen die u nodig hebt
- volgorde van het solderen
- Stap 1: USB-aansluiting
- Stap 2: Versterkingstrap
- Stap 3: Bufferstadia
- Stap 4: Vermogen
- Stap 5: Opruimen
dingen die u nodig hebt
hier is een korte lijst van gereedschappen en onderdelen die nodig zijn voor de build. Er zijn veel alternatieven en verschillende leveranciers, dus neem de volgende lijst alleen als een suggestie. Als u niet van plan bent om meer elektronica te bouwen, is het de moeite waard om de gereedschappen te lenen of een bezoek te brengen aan een makerspace.
Gereedschap
- Soldeerbout. Zolang het temperatuur geregeld is, komt het goed. Ik gebruik mijn 20-jarige Weller, maar TS100 heeft goede recensies gekregen.
- Soldeerpasta. Ik heb dit ChipQuick product gebruikt, maar andere merken werken net zo goed.
- Multimeter. Zolang het weerstand en spanning kan meten, moet je in orde zijn. Bijvoorbeeld, ANENG heeft fatsoenlijke goedkope modellen.
- Pincet (niet-magnetisch). Recht of gebogen afhankelijk van uw voorkeur.
- loep of microscoop voor inspectie
- Wrijvingsalcohol
componenten
Hieronder volgt een lijst van voorgestelde elektronische componenten. Er zijn verschillende distributeurs, maar voor de duidelijkheid heb ik er maar één link aan toegevoegd. Ook in het geval van weerstanden en condensatoren etc. het is mogelijk om ze te vervangen door een ander product, zolang de waarde en de verpakking overeenkomen. Soms distributeurs niet meer op voorraad op bepaalde items, dus soms is het vinden van alternatieven wordt aanbevolen.
| omschrijving | hoeveelheid | Link | prijs (ong.) |
|---|---|---|---|
| NS-01 van de kringsraad | 1 | Tindie | $10 |
| Operationele versterker, OPA1656 | 1 | Nieuws | $2.95 |
| Operationele versterker, OPA1678 | 2 | Nieuws | $1.66 |
| DC/DC converter | 1 | Nieuws | $4.28 |
| Audio-aansluitingen | 2 | Nieuws | $1.80 |
| spanningsregelaar, positief | 1 | Nieuws | $0.70 |
| spanningsregelaar, negatief | 1 | Nieuws | $0.90 |
| LED (optioneel) | 1 | Nieuws | $0.28 |
| USB-aansluiting | 1 | Nieuws | $0.43 |
| Switch | 1 | Nieuws | $0.52 |
| Weerstand 10 kOhm | 11 | Nieuws | $0.65 |
| Weerstand van 1 Ohm, 0805 | 4 | Nieuws | $0.40 |
| Condensator, op 2,2 µF, 0805 | 2 | Nieuws | $0.54 |
| Condensator, 1nF, 0805 | 1 | Nieuws | $0.44 |
| Condensator 100nF, 0805 | 6 | Nieuws | $0.60 |
| Condensator, 1µF, 1206 | 11 | Nieuws | $0.74 |
| Condensator, 68pF, 1206 | 4 | Nieuws | $0.84 |
| Condensator, 4.7 µF, 0805 | 2 | Nieuws | $0.38 |
| Spoel, 6.8 µH, 0805 | 1 | Nieuws | $0.14 |
| $28.25 |
houd er rekening mee dat de hoeveelheden hierboven zijn de componenten ingevuld in de voltooide versterker. Soms gebeuren er fouten, dus het kan verstandig zijn om een extra component of twee te kopen. Voor verschillende regio ‘ s bieden de distributeurs ook gratis verzending als uw bestelling groot genoeg is, dus controleer of ze iets hebben wat u wilt dat u kunt gebruiken om uw bestelling af te ronden. Ik koop vaak verschillende kleuren LED ‘ s en diverse audio aansluitingen.
Soldeervolgorde
de volgorde waarin de componenten het best worden gesoldeerd verschilt aanzienlijk tussen SMD-assemblage en doorlopende assemblage. Traditioneel geà ntegreerde schakelingen zijn de laatste componenten geweest om te solderen, maar met surface mount, zou ICs enkele van de eerste componenten moeten zijn die je monteert. Dit komt omdat ICs de neiging hebben platter en breder te zijn dan de meeste andere componenten, en daarom is het makkelijker om ze eerst te mounten.
Stap 1: USB-connector
de NS-01 gebruikt een micro-USB-connector voor het opnemen van stroom. De connector is het lastigste deel van de build, dus het is een goede plek om te beginnen. Ik plaats een klein beetje soldeerpasta op de pads, of bij gebruik van soldeerdraad, pre-tin de pads met zo weinig soldeer mogelijk.
zodra de connector is gesoldeerd, controleer ik met een multimeter of er tussen de vermogenspennen Korte broeken zijn. Als er geen kortsluiting is tussen de centrale pinnen van schakelaar SW1, is alles goed en kan de bouw doorgaan. Als de pennen kortgesloten zijn, controleer dan het solderen en meet opnieuw. In het ergste geval, verwijder de connector en soldeer het opnieuw op.
Stap 2: Versterkingstrap
nadat de voedingsconnector veilig is gemonteerd, begin ik met de versterkingstrap, omdat deze het meest centrale deel van het bord is en de meeste componenten bevat.
de versterkingstrap neemt het ingangssignaal en versterkt het, waardoor het spanningsniveau van het audiosignaal toeneemt. Met andere woorden, deze fase is van toepassing op de winst op het signaal. Het voert ook wat filtering uit om ruis te verwijderen van het signaal dat het systeem zou kunnen verstoren, zoals radiofrequenties. De versterking wordt uitgevoerd door een OPA1656, dat is eigenlijk twee operationele versterkers in een pakket, een van hen wordt gebruikt voor het linker en de andere voor het rechter kanaal.
ik begin met het plaatsen van de operationele versterker (op-amp) , om er zeker van te zijn dat de oriëntatie correct is. Soms is het voor ICs het makkelijkst om een methode te gebruiken die drag solderen heet, maar voor deze op-versterkers is de pin pitch groot genoeg dat het gemakkelijk is om één pin per keer te solderen. Ik houd de IC voorzichtig naar beneden met een pincet, kies een van de hoekpennen en soldeer het. Dan soldeer ik de tegenoverliggende hoek, en dan de rest van de poten.
het is nooit een slecht idee om te controleren of geen van de pinnen kortgesloten zijn voordat u verder gaat. Als u te veel soldeerpasta hebt gebruikt, kan het onder de component zijn gestroomd en kan het problemen veroorzaken.
vervolgens voeg ik de ontkoppelingscondensatoren toe . Dit zijn 100nF 0805 condensatoren, dus zorg ervoor dat je ze niet kwijtraakt. Deze condensatoren dienen om de stroomvoorziening voor de op-amp glad te strijken en werken als een energiereservoir in geval van plotselinge vraag. Zonder hen, is er een verhoogd risico dat de op-amp zou beginnen oscilleren.
vervolgens zijn de weerstanden . Dit zijn alle 10 kOhm 0805 weerstanden. Daarna soldeer je in 1µF 1206 condensatoren, gevolgd door vier 68pF condensatoren .
de 68pF-condensatoren vormen twee verschillende lowpass-filters voor elk kanaal, één bij de signaalinvoer en de andere in de terugkoppelingslus. Het ingangsfilter voorkomt dat radiofrequentieruis de versterker binnenkomt en het feedbackfilter beperkt de bandbreedte van de versterker, waardoor het algehele systeemruis wordt verminderd.
de hoekfrequentie (de frequentie waarmee het filter ervoor zorgt dat het signaalniveau -3 dB is) van het terugkoppelingsfilter is ongeveer 230 kHz. Het kon lager worden ingesteld door de condensatorwaarde te verhogen, maar ik wilde dezelfde component gebruiken als in het andere filter, en ik wilde geen klachten horen dat de versterker “van de high-end rolt”.
de 1 µF-condensatoren vormen hogedoorlaatfilters op elke kanaalingang, waardoor mogelijke DC-bias in het ingangssignaal wordt geblokkeerd en subsonische gerommel wordt verminderd. De hoekfrequentie van dit hoogdoorlaatfilter is 16 Hz.
vervolgens installeer ik 10 kOhm weerstanden, gevolgd door 1 µF condensatoren . De weerstanden vormen de terugkoppelingslus met, en de condensatoren maken high-pass filters, het verminderen van versterker winst bij DC tot eenheid. Dit filter heeft ook 16 Hz hoekfrequentie.
de versterkerversterking wordt bepaald door de verhouding van R3 en R5 voor het linkerkanaal en de verhouding van R4 en R6 voor het rechterkanaal. Omdat al deze weerstanden van gelijke waarde zijn, is de versterkerversterking 2, of +6 dB. Het is mogelijk om de verhouding van de weerstanden aan te passen voor de gewenste versterking, maar er moet op worden gelet dat het maximale versterkte signaal onder de bedrijfsspanning van 10 volt blijft.
voor mijn gebruik is 6 dB meer dan genoeg winst met moderne bronnen, maar uw behoeften kunnen anders zijn. Houd er rekening mee dat het aanpassen van de gain ook van invloed is op de hoekfrequenties van al deze filters, dus het aanpassen van de condensatorwaarden kan nodig zijn.
het niveau van de consumentenlijn heeft echter een piekamplitude van 0,447 volt, waardoor de maximale versterkingsfactor 22 of 20 is om op veilig te spelen. Dit is echter waarschijnlijk te luid om te luisteren op de meeste koptelefoons.
Stap 3: Bufferstap
de bufferstap neemt het versterkte signaal van de versterkingsstap en stuurt het naar de hoofdtelefoon. In essentie is het een versterker met een winst van één. Zo biedt het geen spanningsaanwinst, maar het kan huidige aanwinst verstrekken. Dit wordt vooral belangrijk bij het gebruik van een hoofdtelefoon met lage impedantie.
elk kanaal heeft zijn eigen buffertrap met 2 parallelle op-versterkers (één volledig IC-pakket per kanaal). Parallelle op-versterkers betekent dat de versterker meer stroom kan bieden aan de hoofdtelefoon dan een enkele op-amp zou kunnen.
omdat de secties identiek zijn, zijn ze gemakkelijk gelijktijdig te monteren
opnieuw begin ik met de ICs .
de volgende op de lijst zijn condensatoren . Deze werken als DC-blokkers, het verwijderen van elke bias die de spanning winst fase zou kunnen hebben gemaakt. Ze zijn functioneel identiek aan in de gain fase. Deze kunnen ook worden vervangen door nul-ohm links, maar dit moet alleen worden gedaan als je er vrij zeker van bent dat de input op-amp geen significante bias introduceert.Bias is een probleem omdat Hoofdtelefoons over het algemeen niet goed reageren op gelijkstroom die er doorheen stroomt. Een constant signaal verplaatst het membraan van de beoogde positie, waardoor de verplaatsing wordt beperkt, wat kan leiden tot een verhoogde vervorming. Bovendien verwarmt DC de spraakspoel die de vernietiging van de hoofdtelefoon kan veroorzaken.
vervolgens zijn 100nF op-amp ontkoppelingskappen, gevolgd door weerstanden die het grondpad bieden voor de bufferversterkers.
de eindcomponenten in de bufferfase zijn de uitgangsweerstanden van 1 ohm . Deze helpen evenwicht kleine verschillen in de buffer stadia, en ervoor te zorgen dat de op-versterkers niet proberen om elkaar te rijden.
Stap 4: Vermogen
wanneer het signaalpad klaar is, is het tijd om het stroomgedeelte aan te pakken. Ik zal beginnen met de indicator LED en het is limiting resistor . Naar mijn ervaring maakt de nominale stroom van 20 mA LED ‘ s meestal al te helder. Het idee is om aan te geven dat het apparaat is ingeschakeld, niet om de kamer te verlichten.
R15 is 10 kOhm, wat een vrij hoge waarde is, maar omdat de LED is aangesloten op de-10V power rail, beperkt het de stroomstroom tot ongeveer 1 mA, wat voldoende zou moeten zijn. Een lagere waarde voor R15 geeft een helderdere LED. Alles boven 1 kOhm moet goed werken. Of als je geen indicatie nodig hebt, kun je D1 en R15 helemaal niet bevolkt laten.
na de indicator vul ik de voedingscondensatoren in . Deze 2,2 µF condensatoren werken als energiereservoirs en houden de spanningsregeling stabiel.
nu is het tijd om de lineaire spanningsregelaars met lage uitval (low-dropout linear voltage regulators, LDO ‘ s) te plaatsen. Ik begin met de positieve rail regulator, gevolgd door de negatieve spanning tegenhanger . Dit zijn verschillende componenten met verschillende pinouts, dus wees voorzichtig om ze niet te verwisselen.
vervolgens komen de drie condensatoren voor ontkoppeling/vermogensfiltering . Het solderen van deze 1µF doppen zou nu routine moeten zijn.
het is vrij eenvoudig om te veel soldeerpasta op de pads te plakken en een kort LDO te veroorzaken, dus controleer met een multimeter. Ik maakte die fout, en moest een van de LDO ‘ s vervangen. Gelukkig had ik reserveonderdelen gekocht, omdat ze makkelijk te breken zijn tijdens het repareren van dingen.
ik laat de DC/DC converter voor later vanwege zijn grote formaat, en soldeer in plaats daarvan eerst de rest van de componenten.
uitgaande van het binnenste component in de lijn van vier voetafdrukken, plaats en soldeer ik de inductor . Dit filtert de inkomende stroom en verwijdert ruis van de voeding. Daarna installeer ik de 4,7 µF condensatoren . Tot slot soldeer ik in de 1NF condensator . Deze vier componenten maken deel uit van de DC / DC converter EMI filtering.
nu is het tijd om de converter te solderen . Het pakket is hoger dan de rest, maar het vinden van de juiste hoek voor het solderen van de pads moet niet moeilijk zijn.
na de converter soldeer ik de in-en uitvoeraansluitingen . Bij het kopen van onderdelen was het type zonder schakelaar dat in dit circuit werd gebruikt (SJ-3523-SMT-TR) niet op voorraad, dus gebruikte ik het model met schakelaar (SJ-3524-SMT-TR), en boog de extra poten omhoog met een tang, zodat ze andere componenten niet zouden raken .
Aan / Uit-schakelaar
laatste is de AAN / UIT-schakelaar . Dit kan het beste als laatste worden geplaatst omdat het een door-gatdeel is en de poten het bord kunnen doen wiebelen na het installeren (afhankelijk van het oppervlak). Als u liever het apparaat altijd op kunt u draad de aansluitingen permanent. Sluit het middenpad van beide rijen aan op het pad dat het dichtst bij de usb-connector ligt. De pads aan de ingang kant zijn niet aangesloten en kunnen worden genegeerd.
Stap 5: Opruimen
nadat alles aan elkaar is gesoldeerd, is het tijd om het bord schoon te maken. Ik gebruik isopropanol en een zachte borstel of wattenstaafje om flux en soldeer pasta residu van het bord te verwijderen. Gedenatureerde alcohol werkt ook als vervanging voor isopropanol, het is gewoon niet zo leuk om te gebruiken, en kan wat residu op het bord achterlaten. Gebruik geen aceton of andere oplosmiddelen, ze kunnen de componenten beschadigen.
dan gebruik ik de multimeter om er zeker van te zijn dat er geen kortsluiting is tussen power rails. Een eenvoudige manier om dit te doen is om de weerstand te meten tussen condensatoren C1, C6, C9, C22, C23, C24 en C26. Als gevolg van de condensator actie, de meter toont de weerstand veranderen tijdens het meten, maar het mag nooit lager zijn dan ongeveer een halve megaohm (de waarde stijgt als condensatoren worden opgeladen).
meet ook de weerstand tussen linker – en rechterkanalen en tussen elk kanaal en de grond, voor zowel input als output. Deze moeten allemaal lezen als open circuits, of op zijn minst een hoge weerstand hebben.
zonder shorts in het circuit heb ik de USB-kabel aangesloten en de schakelaar aangezet. De indicator LED zal branden. Ik gebruikte de multimeter om alle spanningen te controleren, en alles was ok. VCC zou +10 en VEE -10 moeten zijn, met 20 volt tussen spelden 4 en 8 van elk IC.