Una guía paso a paso para ensamblar un amplificador de alto rendimiento en una tarde por menos de $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 debería ser capaz de salida 90 mA a 7 voltios RMSy funciona incluso con auriculares de baja impedancia.
Para mantener el tamaño físico pequeño, la placa está diseñada con componentes de montaje en superficie. Estos son bastante pequeños, por lo que se requiere cierto cuidado para no perder ninguna pieza sin darse cuenta, pero el ensamblaje en sí debería ser relativamente sencillo. En aras de la simplicidad, el recuento 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:
- una etapa de amplificación de voltaje,
- una etapa tampón.
En teoría, este enfoque de dos etapas debería mejorar el rendimiento de la distorsión, ya que el mismo dispositivo no tiene que lidiar con la amplificación de voltaje y corriente. El resto del circuito constituye la fuente de alimentación. El tablero que se muestra aquí es la revisión D. Las revisiones posteriores pueden introducir pequeños cambios, pero la estructura general debe permanecer igual.
Se habla mucho entre la comunidad de aficionados acerca de 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 eso se puede solucionar simplemente usando una lupa o un microscopio. Para simplificar las cosas, los componentes más pequeños del NS-01 tienen un 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 soldadura en pasta, que es esencialmente una pasta pegajosa hecha de pequeñas bolas de soldadura y fundente que ayuda a que fluya la soldadura fundida. Del método más fácil al más difícil:
horno de reflujo
Desde tostadoras reconvertidas hasta grandes sistemas industriales, estos calientan la placa hasta que la soldadura en pasta se derrite y la tensión superficial coloca los componentes en su lugar. La placa se enfría de forma controlada para evitar que las juntas de soldadura se vuelvan quebradizas.
placa caliente / sartén
Básicamente, la versión de un hombre pobre del horno de reflujo. La placa de circuito se calienta desde abajo hasta que la temperatura es lo suficientemente alta como para derretir la soldadura y hacer que los componentes vuelvan a fluir. Enfriar el tablero es difícil de controlar. El hecho de que las placas de circuito de material de fibra de vidrio estén hechas de un buen aislante térmico hace que este método también sea ineficaz. 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 derretir la pasta de soldadura. Las estaciones de aire caliente son excelentes cuando se necesitan pequeños arreglos, ya que puedes concentrar el calor en un área pequeña, a diferencia de un horno, pero puedes calentar todo el componente a la vez, a diferencia de una plancha. Desafortunadamente, el flujo de aire puede mover pequeños componentes, 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 asegúrese de que tenga la temperatura controlada.
Para los métodos de horno y placa caliente, coloque todos los componentes primero antes de calentar. 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 unas pinzas. Dependiendo del tamaño del componente, puede ser una buena idea sujetar el componente con suavidad cuando se suelda con una plancha.
En esta guía, utilizaré 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 tampón
- Paso 4: Poder
- Paso 5: Limpieza
Cosas que necesitará
Aquí hay una breve lista de herramientas y piezas necesarias para la construcción. Hay muchas alternativas y varios proveedores, así que toma la siguiente lista solo como una sugerencia. Si no planea construir más productos electrónicos, vale la pena considerar tomar prestadas las herramientas o visitar un espacio de fabricación.
Herramientas
- Soldador. Mientras esté a temperatura controlada, estarás bien. Uso mi Weller de 20 años, pero el TS100 ha recibido buenas críticas.
- Pasta de soldadura. Usé este producto ChipQuick, pero otras marcas funcionan igual de bien.
- Multímetro. Siempre que pueda medir la resistencia y el voltaje, debería estar bien. Por ejemplo, ANENG tiene modelos económicos decentes.
- Pinzas (no magnéticas). Recto o curvo según su preferencia.
- Lupa o microscopio para inspección
- alcohol isopropílico
Componentes
A continuación se muestra una lista de componentes electrónicos sugeridos. Hay varios distribuidores, pero en aras de la claridad, he agregado un enlace solo 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.) |
---|---|---|---|
placa de circuito NS-01 | 1 | tiñe | $10 |
Amplificador operacional, OPA1656 | 1 | Ratonero | $2.95 |
Amplificador operacional, OPA1678 | 2 | Ratonero | $1.66 |
Convertidor CC/CC | 1 | Ratonero | $4.28 |
tomas de audio | 2 | Ratonero | $1.80 |
Regulador de voltaje, positivo | 1 | Ratonero | $0.70 |
Regulador de voltaje, negativo | 1 | Ratonero | $0.90 |
LED (opcional) | 1 | Ratonero | $0.28 |
conector USB | 1 | Ratonero | $0.43 |
Cambiar | 1 | Ratonero | $0.52 |
Resistencia, 10 kOhmios | 11 | Ratonero | $0.65 |
Resistencia, 1 ohmio, 0805 | 4 | Ratonero | $0.40 |
Condensador, 2,2 µF, 0805 | 2 | Ratonero | $0.54 |
Condensador, 1nF, 0805 | 1 | Ratonero | $0.44 |
Condensador, 100nF, 0805 | 6 | Ratonero | $0.60 |
Condensador, 1 µF, 1206 | 11 | Ratonero | $0.74 |
Condensador, 68pF, 1206 | 4 | Ratonero | $0.84 |
Condensador, 4,7 µF, 0805 | 2 | Ratonero | $0.38 |
Inductor, 6,8 µH, 0805 | 1 | Ratonero | $0.14 |
$28.25 |
Tenga en cuenta que las cantidades anteriores son los componentes poblados en el amplificador completo. A veces ocurren errores, por lo que puede ser conveniente 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 ensamblaje SMD y el ensamblaje de orificio pasante. Tradicionalmente, los circuitos integrados han sido los últimos componentes en soldar, pero con el montaje en superficie, los circuitos integrados deberían ser algunos de los primeros componentes que monte. Esto se debe a que los circuitos integrados tienden a ser más planos y anchos que la mayoría de los demás 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 compilación, por lo que es un buen punto de partida. Coloco un poco de pasta de soldadura en las almohadillas, o si uso alambre de soldadura, estaño previamente las almohadillas con la menor cantidad de soldadura posible.
Una vez que el conector está soldado, compruebo si hay cortocircuitos entre los pines de alimentación con un multímetro. Si no hay un cortocircuito entre los pines centrales del interruptor SW1, todo está bien y la construcción puede continuar. Si los pines están en corto, revise la soldadura y mida nuevamente. En el peor de los casos, retire el conector y vuelva a soldarlo.
Paso 2: etapa de ganancia
Una vez que el conector de alimentación esté montado de manera 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 un filtrado para eliminar el ruido de la señal que podría perturbar el sistema, como las frecuencias de radio. La amplificación la realiza un OPA1656, que en realidad son dos amplificadores operacionales en un solo paquete, uno de ellos se usa para el canal izquierdo y el otro para el derecho.
Comienzo colocando el amplificador operacional (op-amp) [U2], asegurándose 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 operacionales, el paso de los pines es lo suficientemente grande como para que sea fácil soldar un pin a la vez. Sostengo el IC suavemente hacia abajo con pinzas, tomo uno de los pines de las esquinas y lo sueldo. Luego sueldo la esquina opuesta, y luego el resto de las patas.
Nunca es una mala idea verificar que ninguno de los pines esté en cortocircuito antes de continuar. Si usó demasiada pasta de soldar, es posible que haya fluido debajo del componente y podría causar problemas.
A continuación añado los condensadores de desacoplamiento [C16, C17]. Estos son capacitores 100nF 0805, así que tenga cuidado de no perderlos. Estos condensadores sirven para suavizar el suministro de energía para el amplificador operacional y funcionan como un depósito de energía en caso de una demanda repentina. Sin ellos, existe un mayor riesgo de que el amplificador operacional comience a oscilar.
A continuación están las resistencias. [R1, R2, R5, R6]. Estas son todas las resistencias de 10 kOhm 0805. Después de ellos, suelde capacitores de tamaño 1206 de 1 µF [C4, C5]seguido de cuatro condensadores de 68pF [C2, C3, C10, C11].
Los capacitores de 68pF forman dos filtros de paso bajo diferentes para cada canal, uno en la entrada de señal y el otro en el circuito de retroalimentación. El filtro de entrada evita que el ruido de radiofrecuencia ingrese al amplificador y el filtro de retroalimentación limita el ancho de banda del amplificador, lo que reduce el ruido general del sistema.
La frecuencia de esquina (la frecuencia a la que el filtro hace que el nivel de la señal sea de -3 dB) del filtro de realimentación es de unos 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 está «bajando el extremo superior».
Los condensadores de 1 µF forman filtros de paso alto en la entrada de cada canal, bloqueando la posible polarización de CC en la señal de entrada y reduciendo el ruido subsónico. La frecuencia de esquina de este filtro de paso alto es de 16 Hz.
Luego instalo resistencias de 10 kOhm [R3, R4]seguido de condensadores de 1 µF [C7, C8]. Las resistencias forman el bucle de realimentación con [R5 and R6], y los condensadores crean filtros de paso alto, lo que reduce 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 obtener la ganancia deseada, pero se debe tener cuidado de mantener la señal amplificada máxima por debajo del voltaje operativo de 10 voltios.
Para mi uso, 6 dB es una ganancia más que suficiente con fuentes modernas, pero sus necesidades pueden ser diferentes. Tenga en cuenta que el ajuste de la ganancia también afecta las frecuencias de esquina de todos estos filtros, por lo que es posible que sea necesario ajustar los valores de los condensadores.
Sin embargo, el nivel de línea del consumidor tiene una amplitud máxima de 0,447 voltios, lo que permite un factor de ganancia máximo de 22 o 20 para ir a lo seguro. Sin embargo, esto es probablemente demasiado alto para escuchar en la mayoría de los auriculares.
Paso 3: Etapas tampón
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 operacionales paralelos (un paquete IC completo por canal). Los amplificadores operacionales paralelos significan que el amplificador puede proporcionar más corriente a los auriculares que un solo amplificador operacional.
Debido a que las secciones son idénticas, son fáciles de ensamblar simultáneamente
Nuevamente, comenzaré con los circuitos integrados. [U3, U4].
Los siguientes en la línea son los condensadores [C12, C13, C14, C15]. Estos funcionan como bloqueadores de CC, eliminando cualquier sesgo que pueda haber creado la etapa de ganancia de voltaje. Son funcionalmente idénticos a [C4, C5] en la etapa 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 operacional de entrada no presenta un sesgo significativo.
A continuación se encuentran las tapas de desacoplamiento de amplificadores operacionales de 100nF [C18, C19, C20, C21]seguido de resistencias [R7, R8, R9, R10] 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 [R11, R12, R13, R14]. Estos ayudan a equilibrar las pequeñas diferencias en las etapas del búfer y aseguran que los amplificadores operacionales no intenten impulsarse entre sí.
Paso 4: Poder
Cuando la ruta de la señal está lista, es hora de abordar la sección de potencia. Voy a empezar con el indicador LED [D1] y es resistencia limitante [R15]. Según mi experiencia, la corriente nominal de 20 mA suele hacer que los LED brillen demasiado. La idea es indicar que el dispositivo está encendido, no iluminar la habitación.
R15 es de 10 kOhm, que es un valor bastante alto, pero debido a que el LED está conectado al riel de alimentación de -10 V, limita el flujo de corriente a aproximadamente 1 mA, lo 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 D1 y R15 despoblados por completo.
Después del indicador, lleno los condensadores de la fuente de alimentación. [C22, C23]. Estos condensadores de 2,2 µF funcionan como depósitos de energía y mantienen estable la regulación de tensión.
Ahora es el momento de colocar los reguladores de voltaje lineal (LDO) de caída baja. Comienzo con el regulador de carril positivo. [U5]siguiéndolo con la contraparte de voltaje negativo [U6]. Estos son componentes diferentes con pinouts diferentes, así que tenga cuidado de no intercambiarlos.
Luego vienen los tres condensadores de desacoplamiento/filtrado de potencia [C6, C9, C26]. Soldar estas tapas de 1 µF ya debería ser una rutina.
Es bastante fácil poner demasiada pasta de soldar en las almohadillas y provocar 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 las cosas.
te dejo el conversor dc/dc [U1] para después por su gran tamaño, y en su lugar soldar primero el resto de componentes.
Partiendo del componente más interno en la línea de cuatro huellas, coloco y sueldo el inductor [L1]. Esto filtra la corriente entrante y elimina el ruido de la fuente de alimentación. Luego instalo los capacitores de 4.7µF [C1, C24]. Finalmente soldé el capacitor de 1nF [C25]. Estos cuatro componentes forman parte del filtrado EMI del convertidor CC/CC.
Ahora es el momento de soldar el convertidor. [U1]. El paquete es más alto que el resto, pero encontrar el ángulo correcto para soldar las almohadillas no debería ser difícil.
Después del convertidor, soldé los conectores de entrada y salida. [J2, J3]. Al comprar componentes, el tipo sin interruptor utilizado en este circuito (SJ-3523-SMT-TR) estaba agotado, así que utilicé el modelo con interruptor (SJ-3524-SMT-TR) y doblé las patas adicionales con alicates, para que no toquen otros componentes [C19, R6].
Interruptor de alimentación
El último es el interruptor de encendido. [SW1]. Es mejor colocarlo al final porque es una pieza con orificio pasante y las patas pueden hacer que la tabla se tambalee después de la instalación (dependiendo de la superficie). Si prefieres tener el dispositivo siempre encendido puedes cablear las conexiones de forma permanente. Conecte la almohadilla central de ambas filas a la almohadilla más cercana al conector USB. Los pads del lado del conector de entrada no están conectados y pueden ignorarse.
Paso 5: Limpieza
Después de que todo esté soldado, es hora de limpiar la placa. Utilizo isopropanol y un cepillo suave o un bastoncillo de algodón para eliminar el fundente y los residuos de pasta de soldadura de la placa. El alcohol desnaturalizado también funciona como reemplazo del isopropanol, solo que no es tan agradable de usar y puede dejar algunos residuos en el tablero. No use acetona u otros solventes, 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 los condensadores. C1, C6, C9, C22, C23, C24 y C26. Debido a la acción del capacitor, el medidor muestra que la resistencia cambia mientras mide, pero nunca debe ser inferior a medio megaohmio (el valor aumenta a medida que se cargan los capacitores).
Mida también la resistencia entre los canales izquierdo y derecho y entre cada canal y tierra, tanto para la entrada como para la 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 encenderá. Usé el multímetro para verificar 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 IC.
Conecté una fuente de señal con el volumen minimizado. Finalmente, conecté mis auriculares (use un par prescindible si puede, en caso de que algo salga mal) y aumenté el volumen.
Un nuevo amplificador de auriculares está listo.