Bauen Sie Ihren eigenen Kopfhörerverstärker für unter $ 30 – Der Kuosch NS-01
Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Zusammenbau eines Hochleistungsverstärkers an einem Nachmittag für unter $ 50.
Was ist NS-01?
Der NS-01 ist ein kleiner DIY-Kopfhörerverstärker. Es ist nicht das einfachste Projekt, da es mit Blick auf Größe und Leistung entworfen wurde. Die hier vorgestellte Version sollte in der Lage sein, 90 mA bei 7 Volt RMS auszugeben und sogar mit niederohmigen Kopfhörern zu arbeiten.
Um die physische Größe klein zu halten, wurde die Platine mit oberflächenmontierten Komponenten entwickelt. Diese sind eher klein, so dass einige Sorgfalt erforderlich ist, um keine Teile versehentlich zu verlieren, aber die Montage selbst sollte relativ einfach sein. Der Einfachheit halber wird die Stückzahl minimal gehalten. Beispielsweise verwendet die Standardkonfiguration nur zwei verschiedene Widerstandswerte.
Der Verstärker selbst besteht aus zwei Stufen:
- eine Spannungsverstärkungsstufe,
- eine Pufferstufe.
Dieser zweistufige Ansatz sollte theoretisch die Verzerrungsleistung verbessern, da dasselbe Gerät nicht sowohl mit Spannungs- als auch mit Stromverstärkung umgehen muss. Der Rest der Schaltung bildet die Stromversorgung. Die hier gezeigte Platine ist Revision D.. Spätere Überarbeitungen können kleine Änderungen bewirken, Die Gesamtstruktur sollte jedoch gleich bleiben.
In der Hobby-Community wird viel darüber gesprochen, wie schwierig SMT / SMD zu verwenden ist, aber meine persönliche Erfahrung ist, dass SMT tatsächlich einfacher von Hand zu montieren ist als Durchgangsbauteile. Das größte Hindernis ist die Größe der Komponenten, aber das kann einfach mit einer Lupe oder einem Mikroskop geholfen werden. Um die Dinge einfach zu halten, sind die kleinsten Komponenten in NS-01 in der Größe 0805 oder 2,0 x 1,2 mm.
Lötmethoden
Es gibt viele verschiedene Methoden zum Löten von SMD-Bauteilen. Einige sind einfacher zu tun, erfordern jedoch möglicherweise spezielle Ausrüstung. Die meisten von ihnen verwenden Lötpaste, die im Wesentlichen eine klebrige Paste aus winzigen Lötkugeln und Flussmittel ist, die das geschmolzene Lot zum Fließen bringt. Von der einfachsten bis zur schwierigsten Methode:
Reflow-Ofen
Von umgebauten Toastern bis hin zu großen Industrieanlagen heizen diese die Platine auf, bis die Lötpaste schmilzt und die Oberflächenspannung die Komponenten an Ort und Stelle zieht. Die Platine wird kontrolliert gekühlt, um zu verhindern, dass die Lötstellen spröde werden.
Kochplatte / Pfanne
Im Grunde eine Arme-Mann-Version des Reflow-Ofens. Die Leiterplatte wird von unten erhitzt, bis die Temperatur hoch genug ist, um das Lot zu schmelzen und die Komponenten aufzuschmelzen. Die Kühlung der Platine ist schwer zu kontrollieren. Die Tatsache, dass die Leiterplatten aus Glasfasermaterial hergestellt sind, ist ein guter Wärmeisolator, der dieses Verfahren ebenfalls ineffizient macht. Die anfängliche Heizperiode ist ziemlich lang und nichts passiert, und dann passiert plötzlich alles auf einmal.
Heißluft-Reflow-Station
Bläst heiße Luft, um die Komponenten zu erwärmen und Lotpaste zu schmelzen. Heißluftstationen eignen sich hervorragend, wenn kleine Reparaturen erforderlich sind, da Sie die Wärme im Gegensatz zu einem Ofen auf einen kleinen Bereich konzentrieren können, aber im Gegensatz zu einem Bügeleisen die gesamte Komponente auf einmal erhitzen können. Leider kann der Luftstrom kleine Komponenten bewegen, daher ist Vorsicht geboten.
Lötkolben
Die altmodische Art, Dinge zu tun. Erfordert mehr Aufwand, um schöne Ergebnisse zu erzielen. Nur methode in der lage zu arbeiten mit solide solder. Selbst ein billiges Bügeleisen reicht aus, aber stellen Sie sicher, dass es temperaturgesteuert ist.
Bei der Ofen- und Kochplattenmethode alle Komponenten vor dem Erhitzen zuerst platzieren. Arbeiten Sie mit der Heißluftmethode in kleinen Gruppen von Komponenten und platzieren Sie mit dem Lötkolben nur wenige Komponenten gleichzeitig, damit Sie Platz zum Arbeiten haben.
Um ein Bauteil zu platzieren, geben Sie einen winzigen Klecks Lötpaste auf jedes der Pads auf der Leiterplatte und setzen Sie das Bauteil mit einer Pinzette ein. Je nach Größe des Bauteils kann es sinnvoll sein, das Bauteil beim Löten mit einem Lötkolben sanft festzuhalten.
In dieser Anleitung verwende ich einen Lötkolben und eine Lötpaste. Zum Teil, weil ich zeigen möchte, wie es auf die „harte Tour“ geht, aber vor allem, weil ich auf diese Tools leicht zugreifen kann.
Anleitung zum Bau eines eigenen Kopfhörerverstärkers
- Dinge, die Sie benötigen
- Reihenfolge des Lötens
- Schritt 1: USB-Anschluss
- Schritt 2: Verstärkungsstufe
- Schritt 3: Pufferstufen
- Schritt 4: Stromversorgung
- Schritt 5: Aufräumen
Dinge, die Sie benötigen
Hier ist eine kurze Liste der Werkzeuge und Teile, die für den Build erforderlich sind. Es gibt viele Alternativen und mehrere Anbieter, also nehmen Sie die folgende Liste nur als Vorschlag. Wenn Sie nicht planen, mehr Elektronik zu bauen, lohnt es sich, die Werkzeuge auszuleihen oder einen Makerspace zu besuchen.
Werkzeuge
- Lötkolben. Solange es temperaturkontrolliert ist, wird es dir gut gehen. Ich benutze meinen 20-jährigen Weller, aber TS100 hat gute Kritiken bekommen.
- Lotpaste. Ich habe dieses ChipQuick-Produkt verwendet, aber andere Marken funktionieren genauso gut.
- Multimeter. Solange es Widerstand und Spannung messen kann, sollten Sie in Ordnung sein. Zum Beispiel hat ANENG anständige preiswerte Modelle.
- Pinzette (nicht magnetisch). Gerade oder gebogen, je nach Vorliebe.
- Lupe oder Mikroskop zur Inspektion
- Alkohol
Komponenten
Nachfolgend finden Sie eine Liste der vorgeschlagenen elektronischen Komponenten. Es gibt mehrere Distributoren, aber aus Gründen der Klarheit habe ich nur einen Link hinzugefügt. Auch bei Widerständen und Kondensatoren etc. es ist möglich, sie durch ein anderes Produkt zu ersetzen, solange Wert und Verpackung übereinstimmen. Manchmal haben Händler bei bestimmten Artikeln keinen Vorrat mehr, daher wird manchmal empfohlen, Alternativen zu finden.
| Beschreibung | Menge | Link | Preis (ca.) |
|---|---|---|---|
| NS-01 platine | 1 | Tindie | $10 |
| Operationsverstärker, OPA1656 | 1 | Mouser | $2.95 |
| Operationsverstärker, OPA1678 | 2 | Maus | $1.66 |
| DC/DC-Wandler | 1 | Mouser | $4.28 |
| Audio-Buchsen | 2 | Mouser | $1.80 |
| Spannungsregler, positiv | 1 | Mouser | $0.70 |
| Spannungsregler, negativ | 1 | Mouser | $0.90 |
| LED (optional) | 1 | Mouser | $0.28 |
| USB-Anschluss | 1 | Maus | $0.43 |
| Schalter | 1 | Mouser | $0.52 |
| Widerstand, 10 kOhm | 11 | Mouser | $0.65 |
| Widerstand, 1 Ohm, 0805 | 4 | Mouser | $0.40 |
| Kondensator, 2,2µF, 0805 | 2 | Mouser | $0.54 |
| Kondensator, 1nF, 0805 | 1 | Mouser | $0.44 |
| Kondensator, 100nF, 0805 | 6 | Maus | $0.60 |
| Kondensator, 1µF, 1206 | 11 | Mouser | $0.74 |
| Kondensator, 68pF, 1206 | 4 | Mouser | $0.84 |
| Kondensator, 4,7µF, 0805 | 2 | Mouser | $0.38 |
| Induktivität, 6,8µH, 0805 | 1 | Mouser | $0.14 |
| $28.25 |
Beachten Sie, dass die oben genannten Mengen die Komponenten sind, die im fertigen Verstärker enthalten sind. Manchmal passieren Fehler, daher kann es ratsam sein, ein oder zwei zusätzliche Komponenten zu kaufen. Für mehrere Regionen bieten die Händler auch kostenlosen Versand an, wenn Ihre Bestellung groß genug ist, also überprüfen Sie, ob sie etwas haben, was Sie wollen, um Ihre Bestellung aufzufüllen. Ich kaufe oft verschiedene Farb-LEDs und verschiedene Audio-Anschlüsse.
Lötreihenfolge
Die Reihenfolge, in der Komponenten am besten gelötet werden, unterscheidet sich erheblich zwischen SMD-Bestückung und Durchsteckmontage. Traditionell waren integrierte Schaltkreise die letzten zu lötenden Komponenten, aber bei der Oberflächenmontage sollten ICs einige der ersten Komponenten sein, die Sie montieren. Dies liegt daran, dass ICs tendenziell flacher und breiter sind als die meisten anderen Komponenten, und daher ist es einfacher, sie zuerst zu montieren.
Schritt 1: USB-Anschluss
Der NS-01 verwendet einen Micro-USB-Anschluss für die Stromversorgung. Der Connector ist der schwierigste Teil des Builds, also ist es ein guter Anfang. Ich lege ein kleines bisschen Lötpaste auf die Pads, oder wenn Sie Lötdraht verwenden, Verzinnen Sie die Pads mit so wenig Lot wie möglich.
Sobald der Stecker gelötet ist, überprüfe ich mit einem Multimeter auf Kurzschlüsse zwischen den Strompins. Wenn zwischen den zentralen Pins des Schalters SW1 kein Kurzschluss besteht, ist alles in Ordnung und der Build kann fortgesetzt werden. Wenn die Stifte kurzgeschlossen sind, überprüfen Sie das Löten und messen Sie erneut. Entfernen Sie im schlimmsten Fall den Stecker und löten Sie ihn wieder an.
Schritt 2: Verstärkungsstufe
Nachdem der Stromanschluss sicher montiert ist, beginne ich mit der Verstärkungsstufe, da sie der zentralste Teil der Platine ist und die meisten Komponenten enthält.
Die Verstärkungsstufe nimmt das Eingangssignal auf und verstärkt es, wodurch der Spannungspegel des Audiosignals erhöht wird. Mit anderen Worten, diese Stufe wendet Verstärkung auf das Signal an. Es führt auch eine Filterung durch, um Rauschen aus dem Signal zu entfernen, das das System stören könnte, z. B. Funkfrequenzen. Die Verstärkung erfolgt durch einen OPA1656, bei dem es sich eigentlich um zwei Operationsverstärker in einem Gehäuse handelt, von denen einer für den linken und der andere für den rechten Kanal verwendet wird.
Ich beginne mit der Platzierung des Operationsverstärkers (Op-Amp) und stelle sicher, dass die Ausrichtung korrekt ist. Manchmal ist es für ICs am einfachsten, eine Methode namens Drag-Löten zu verwenden, aber für diese Operationsverstärker ist der Pin-Pitch groß genug, dass es einfach ist, jeweils einen Pin zu löten. Ich halte den IC vorsichtig mit einer Pinzette fest, wähle einen der Eckstifte und löte ihn. Dann löte ich die gegenüberliegende Ecke und dann den Rest der Beine.
Es ist nie eine schlechte idee zu überprüfen, dass keiner der pins sind kurzgeschlossen vor fortfahren. Wenn Sie zu viel Lötpaste verwendet haben, ist diese möglicherweise unter das Bauteil geflossen und kann Probleme verursachen.
Als nächstes füge ich die Entkopplungskondensatoren hinzu. Diese sind 100nF 0805 kondensatoren, so vorsichtig sein, nicht zu erhalten sie verloren. Diese Kondensatoren dienen zur Glättung der Stromversorgung des Operationsverstärkers und dienen bei plötzlichem Bedarf als Energiespeicher. Ohne sie besteht ein erhöhtes Risiko, dass der Operationsverstärker zu schwingen beginnt.
Als nächstes kommen die Widerstände . Dies sind alles 10 kOhm 0805 Widerstände. Löten Sie danach Kondensatoren der Größe 1µF 1206 ein, gefolgt von vier 68pF-Kondensatoren .
Die 68pF-Kondensatoren bilden für jeden Kanal zwei verschiedene Tiefpassfilter, einen am Signaleingang und den anderen in der Rückkopplungsschleife. Der Eingangsfilter verhindert, dass Hochfrequenzrauschen in den Verstärker gelangt, und der Rückkopplungsfilter begrenzt die Verstärkerbandbreite, wodurch das Gesamtsystemrauschen reduziert wird.
Die Eckfrequenz (die Frequenz, bei der das Filter einen Signalpegel von -3 dB bewirkt) des Rückkopplungsfilters beträgt etwa 230 kHz. Es könnte durch Erhöhen des Kondensatorwerts niedriger eingestellt werden, aber ich wollte dieselbe Komponente wie im anderen Filter verwenden, und ich wollte keine Beschwerden hören, dass der Verstärker „vom High-End abrollt“.
Die 1 µF-Kondensatoren bilden an jedem Kanaleingang Hochpassfilter, die eine mögliche DC-Vorspannung im Eingangssignal blockieren und das Rumpeln von Unterschall reduzieren. Die Eckfrequenz dieses Hochpassfilters beträgt 16 Hz.
Als nächstes installiere ich 10 kOhm Widerstände , gefolgt von 1 µF Kondensatoren . Die Widerstände bilden die Rückkopplungsschleife mit , und die Kondensatoren erzeugen Hochpassfilter, Reduzierung der Verstärkerverstärkung bei Gleichstrom auf Einheit. Dieser Filter hat auch 16 Hz Eckfrequenz.
Die Verstärkerverstärkung wird durch das Verhältnis von R3 und R5 für den linken Kanal und das Verhältnis von R4 und R6 für den rechten Kanal bestimmt. Da alle diese Widerstände gleich sind, beträgt die Verstärkerverstärkung 2 oder +6 dB. Es ist möglich, das Verhältnis der Widerstände für die gewünschte Verstärkung einzustellen, es sollte jedoch darauf geachtet werden, das maximal verstärkte Signal unter der Betriebsspannung von 10 Volt zu halten.
Für meinen Gebrauch sind 6 dB mehr als genug Verstärkung mit modernen Quellen, aber Ihre Bedürfnisse können unterschiedlich sein. Beachten Sie, dass sich die Einstellung der Verstärkung auch auf die Eckfrequenzen all dieser Filter auswirkt, sodass möglicherweise die Kondensatorwerte angepasst werden müssen.
Der Verbraucherleitungspegel hat jedoch eine Spitzenamplitude von 0,447 Volt, was einen maximalen Verstärkungsfaktor von 22 oder 20 ermöglicht, um auf Nummer sicher zu gehen. Dies ist jedoch wahrscheinlich zu laut, um auf den meisten Kopfhörern zu hören.
Schritt 3: Pufferstufen
Die Pufferstufe nimmt das verstärkte Signal von der Verstärkungsstufe und sendet es an Kopfhörer. Im Wesentlichen ist es ein Verstärker mit einer Verstärkung von eins. Somit bietet es keine Spannungsverstärkung, aber es kann Stromverstärkung liefern. Dies wird insbesondere bei Verwendung von niederohmigen Kopfhörern wichtig.
Jeder Kanal verfügt über eine eigene Pufferstufe mit 2 parallelen Operationsverstärkern (ein komplettes IC-Paket pro Kanal). Parallele Operationsverstärker bedeuten, dass der Verstärker den Kopfhörern mehr Strom liefern kann als ein einzelner Operationsverstärker.
Da die Sektionen identisch sind, sind sie einfach gleichzeitig zu montieren
Wieder beginne ich mit den ICs .
Als nächstes stehen Kondensatoren an . Diese arbeiten als DC-Blocker und entfernen jede Vorspannung, die die Spannungsverstärkungsstufe erzeugt haben könnte. Sie sind funktionell identisch mit der Verstärkungsstufe. Diese können auch durch Null-Ohm-Verbindungen ersetzt werden, Dies sollte jedoch nur erfolgen, wenn Sie ziemlich sicher sind, dass der Eingangs-Operationsverstärker keine signifikante Vorspannung einführt.
Als nächstes folgen 100nF Op-Amp-Entkopplungskappen , gefolgt von Widerständen, die den Massepfad für die Pufferverstärker bereitstellen.
Letzte Komponenten in der Pufferstufe sind die 1 Ohm Ausgangswiderstände. Diese helfen, kleine Unterschiede in den Pufferstufen auszugleichen, und stellen Sie sicher, dass die Operationsverstärker nicht versuchen, sich gegenseitig anzutreiben.
Schritt 4: Stromversorgung
Wenn der Signalpfad bereit ist, ist es Zeit, den Leistungsteil in Angriff zu nehmen. Ich beginne mit der Anzeige-LED und dem Begrenzungswiderstand . Meiner Erfahrung nach macht der Nennstrom von 20 mA LEDs meist zu hell. Die Idee ist, anzuzeigen, dass das Gerät eingeschaltet ist, nicht den Raum zu beleuchten.
R15 ist 10 kOhm, was ein ziemlich hoher Wert ist, aber da die LED an die -10V-Stromschiene angeschlossen ist, begrenzt sie den Stromfluss auf etwa 1 mA, was ausreichen sollte. Ein niedrigerer Wert für R15 ergibt eine hellere LED. Alles über 1 kOhm sollte gut funktionieren. Oder wenn Sie es nicht brauchen, können Sie D1 und R15 ganz unbesetzt lassen.
Nach der Anzeige fülle ich die Stromversorgungskondensatoren . Diese 2,2µF Kondensatoren arbeiten als Energiespeicher und halten die Spannungsregelung stabil.
Jetzt ist es an der Zeit, die Low-Dropout-Linearspannungsregler (LDOs) zu platzieren. Ich beginne mit dem positiven Schienenregler und folge ihm mit dem negativen Spannungsgegenstück . Dies sind verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen Pinbelegungen, also achten Sie darauf, sie nicht zu tauschen.
Als nächstes kommen die drei Entkopplungs-/Leistungsfilterkondensatoren . Das Löten dieser 1µF-Kappen sollte mittlerweile Routine sein.
Es ist ziemlich einfach, zu viel Lötpaste auf die Pads zu geben und einen Kurzschluss im LDO zu verursachen. Ich habe diesen Fehler gemacht und musste einen der LDOs ersetzen. Glücklicherweise hatte ich Ersatzteile gekauft, weil sie beim Versuch, Dinge zu reparieren, leicht zu brechen sind.
Ich werde den DC / DC-Wandler aufgrund seiner Größe für später belassen und stattdessen zuerst die restlichen Komponenten löten.
Ausgehend von der innersten Komponente in der Reihe der vier Fußabdrücke platziere und löte ich den Induktor . Dies filtert den ankommenden Strom und entfernt Rauschen aus der Stromversorgung. Dann installiere ich die 4,7µF Kondensatoren . Schließlich löte ich den 1nF-Kondensator ein. Diese vier Komponenten sind Teil der EMI-Filterung des DC / DC-Wandlers.
Jetzt ist es Zeit, den Konverter zu löten . Das Paket ist höher als der Rest, aber es sollte nicht schwierig sein, den richtigen Winkel zum Löten der Pads zu finden.
Nach dem Konverter löte ich die Eingangs- und Ausgangsbuchsen . Beim Kauf von Komponenten war der in dieser Schaltung verwendete Typ ohne Schalter (SJ-3523-SMT-TR) nicht auf Lager, daher habe ich das Modell mit Schalter (SJ-3524-SMT-TR) verwendet und die zusätzlichen Beine mit einer Zange gebogen, damit sie andere Komponenten nicht berühren .
Netzschalter
Zuletzt ist der Netzschalter. Dies wird am besten zuletzt eingesetzt, da es sich um ein Durchgangslochteil handelt und die Beine dazu führen können, dass die Platine nach der Installation wackelt (abhängig von der Oberfläche). Wenn Sie das Gerät immer eingeschaltet haben möchten, können Sie die Verbindungen dauerhaft verdrahten. Verbinden Sie das mittlere Pad beider Reihen mit dem Pad, das dem USB-Anschluss am nächsten liegt. Die Pads auf der Seite der Eingangsbuchse sind nicht angeschlossen und können ignoriert werden.
Schritt 5: Aufräumen
Nachdem alles zusammengelötet ist, ist es Zeit, die Platine aufzuräumen. Ich verwende Isopropanol und eine weiche Bürste oder einen Wattestäbchen, um Flussmittel- und Lötpastenreste von der Platine zu entfernen. Denaturierter Alkohol funktioniert auch als Ersatz für Isopropanol, es ist einfach nicht so schön zu verwenden und kann Rückstände auf der Platine hinterlassen. Verwenden Sie kein Aceton oder andere Lösungsmittel, da diese die Komponenten beschädigen können.
Dann benutze ich das Multimeter, um sicherzustellen, dass es keine Kurzschlüsse zwischen den Stromschienen gibt. Eine einfache Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, den Widerstand der Kondensatoren C1, C6, C9, C22, C23, C24 und C26 zu messen. Aufgrund kondensator action, die meter zeigt die widerstand ändern während der messung, aber es sollte nie niedriger sein als über eine halbe megaohm (die wert steigt als kondensatoren erhalten aufgeladen).
Messen Sie auch den Widerstand zwischen dem linken und rechten Kanal sowie zwischen jedem Kanal und Masse, sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang. Diese sollten alle als offene Stromkreise gelesen werden oder zumindest einen hohen Widerstand aufweisen.
Da der Stromkreis nicht kurzgeschlossen war, steckte ich das USB-Kabel ein und schaltete den Schalter ein. Die anzeige LED leuchtet. Ich habe das Multimeter verwendet, um alle Spannungen zu überprüfen, und alles war in Ordnung. VCC sollte +10 und VEE -10 sein, mit 20 Volt zwischen den Pins 4 und 8 jedes IC.