Construya su propio amplificador de auriculares por menos de 40 euros – El Kuosch NS-01

Una guía paso a paso para montar un amplificador de alto rendimiento en una tarde por menos de 50 dólares.

Unidad completa, conectada y jugando

¿Qué es el 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 emitir 90 mA a 7 voltios RMS , y funcionar incluso con auriculares de baja impedancia.

Para mantener el tamaño físico pequeño, el tablero está diseñado usando componentes de montaje de superficie. Éstos son bastante pequeños, por lo que se requiere cierto cuidado para no perder ninguna pieza inadvertidamente, pero el montaje en sí mismo debe ser relativamente sencillo. En aras de la simplicidad, el número de piezas se mantiene mínimo. Por ejemplo, la configuración por defecto utiliza sólo dos valores de resistencia diferentes.

El amplificador en sí mismo está compuesto de dos etapas:

  1. una etapa de amplificación de voltaje,
  2. una etapa de amortiguación.

Este enfoque en dos etapas debería en teoría mejorar el rendimiento de la distorsión, ya que el mismo dispositivo no tiene que lidiar con la amplificación del voltaje y la corriente. El resto de los circuitos conforman la fuente de alimentación. El tablero que se muestra aquí es la revisión D. Revisiones posteriores pueden introducir pequeños cambios, pero la estructura general debería permanecer igual.

Se habla mucho entre la comunidad de aficionados sobre la dificultad de utilizar la tecnología SMT/SMD, pero mi experiencia personal es que la tecnología SMT es en realidad más fácil de montar a mano que los componentes con agujeros. El mayor obstáculo es el tamaño de los componentes, pero eso puede ser ayudado simplemente usando una lupa o un microscopio. Para mantener las cosas simples, los componentes más pequeños del NS-01 tienen un tamaño de 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 un equipo especializado. La mayoría de ellos utilizan pasta de soldadura, que es esencialmente una pasta pegajosa hecha de diminutas bolas de soldadura y flujo que ayuda a que la soldadura fundida fluya. Desde el método más fácil hasta el más difícil:

Horno de reflujo

Desde las tostadoras convertidas hasta los grandes sistemas industriales, estos calientan la placa hasta que la pasta de soldadura se derrite y la tensión superficial tira de los componentes en su lugar. El tablero se enfría de forma controlada para evitar que las uniones de soldadura se vuelvan quebradizas.

Placa caliente / sartén

Básicamente la versión de un pobre hombre 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 refluir los componentes. El enfriamiento de la placa es difícil de controlar. El hecho de que las placas de circuito de material de fibra de vidrio sean un buen aislante térmico hace que este método también sea ineficiente. El período inicial de calentamiento 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 enfocar 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, así que se requiere cuidado.

Soldador

La forma antigua de hacer las cosas. Requiere más esfuerzo para producir resultados bonitos. El único método capaz de trabajar con soldadura sólida. Incluso un hierro barato es suficiente, pero asegúrate de que esté a temperatura controlada.

Para los métodos de horno y placa caliente, coloque primero todos los componentes antes de calentarlos. Con el método de aire caliente, trabaje en pequeños grupos de componentes, y con el soldador, coloque sólo unos pocos componentes a la vez para que tenga espacio para trabajar.

Para colocar un componente, ponga una pequeña gota de pasta de soldadura en cada una de las almohadillas del PCB, y ponga el componente en su lugar con unas pinzas. Dependiendo del tamaño del componente, puede ser una buena idea sujetar el componente suavemente cuando se suelda con una plancha.

Si usas una estación de aire caliente, asegúrate de que el flujo de aire no vuele los componentes más pequeños del tablero.

En esta guía, usaré un soldador y una pasta de soldar . 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 necesitarás
  • Orden de soldadura
  • Paso 1: Conector USB
  • Paso 2: Etapa de ganancia
  • Paso 3: Etapas de amortiguación
  • Paso 4: Poder
  • Paso 5: Limpieza

Cosas que necesitarás

Aquí hay una breve lista de herramientas y partes necesarias para la construcción. Hay muchas alternativas y varios proveedores, así que tome la siguiente lista sólo como una sugerencia. Si no está planeando construir más aparatos electrónicos, vale la pena considerar tomar prestadas las herramientas o visitar un taller de fabricación.

Herramientas

  • Soldador. Mientras tenga la temperatura controlada, estarás bien. Uso mi Weller de 20 años, pero el TS100 ha recibido buenas críticas.
  • Pasta de soldar. 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 decentes y baratos.
  • Pinzas (no magnéticas). Recto o curvo, según su preferencia.
  • Lupa o microscopio para la inspección
  • Alcohol para frotar

Sólo se necesita un poco de espacio en el escritorio y pocas herramientas.

Componentes

A continuación figura una lista de los componentes electrónicos sugeridos. Hay varios distribuidores, pero para mayor claridad he añadido un enlace sólo a uno. También en el caso de las resistencias y condensadores, etc. es posible sustituirlos por 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.

El amplificador ofrece mucha flexibilidad en la elección de los componentes. De hecho, casi todas las partes de abajo pueden ser cambiadas para modificar el amplificador a su gusto.

Estos son los materiales que necesitas, recomendarte un lugar donde comprarlos es algo complicado, pero te recomiendo visitar https://www.tme.eu/es/ o buscar en alguna tienda local de electronica.

Placa de circuito NS-011
Amplificador operacional, OPA16561
Amplificador operacional, OPA16782
Convertidor DC/DC1
Tomas de audio2
Regulador de voltaje, positivo1
Regulador de voltaje, negativo1
LED (opcional)1
Conector USB1
Cambiar1
Resistencia, 10 kOhm11
Resistencia, 1 Ohm, 08054
Condensador, 2.2µF, 08052
Condensador, 1nF, 08051
Condensador, 100nF, 08056
Condensador, 1µF, 120611
Condensador, 68pF, 12064
Condensador, 4.7µF, 08052
Inductor, 6.8µH, 08051

Tenga en cuenta que las cantidades anteriores son los componentes que se encuentran en el amplificador completo. A veces se producen errores, por lo que puede ser prudente comprar un componente o dos adicionales. En varias regiones, los distribuidores también ofrecen envío gratuito si su pedido es lo suficientemente grande, así que compruebe si tienen algo que usted quiera que pueda utilizar para rellenar su pedido. A menudo compro LEDs de diferentes colores y varios conectores de audio.

Orden de soldadura

El orden en que los componentes se sueldan mejor difiere considerablemente entre el ensamblaje SMD y el ensamblaje de agujero pasante. Tradicionalmente los circuitos integrados han sido los últimos componentes en soldarse, pero con el montaje superficial, los CI deberían ser algunos de los primeros componentes que se monten. Esto se debe a que los CI tienden a ser más planos y anchos que la mayoría de los demás componentes, y por lo tanto es más fácil montarlos primero.

La regla básica es pensar cómo los componentes están en la forma de soldar en otros componentes. Empieza con las partes más difíciles, para que haya menos que arreglar si algo sale mal, y luego trabaja
desde el centro del tablero hacia afuera, colocando los componentes planos antes de los componentes altos. Este es el tablero de circuitos desnudos con el que empezamos.

Paso 1: Conector USB

El NS-01 utiliza un conector micro-USB para la entrada de energía. El conector es la parte más difícil de la construcción, así que es un buen lugar para empezar. Coloco un poco de pasta de soldadura en las almohadillas, o si utilizo alambre de soldadura, pre-estaño las almohadillas con la menor cantidad de soldadura posible.

Un viejo dicho dice que si crees que has usado suficiente soldadura, has usado demasiada, y se aplica también aquí. Es fácil añadir soldadura si no hay suficiente, pero sacarla es mucho más difícil, especialmente después de que el componente se asienta sólido en el tablero.

Una vez que el conector está soldado, compruebo si hay cortocircuitos entre las clavijas 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 pines están en cortocircuito, compruebo la soldadura y vuelvo a medir. En el peor de los casos, retire el conector y vuelva a soldarlo.

Sólo se necesita un poco de pasta de soldar. Soldadura exitosa del conector USB. Los pines centrales no se usan y no es necesario soldarlos.

Paso 2: Etapa de ganancia

Después de que el conector de alimentación esté bien montado, empezaré con la etapa de ganancia, porque es la parte más central del tablero, y tiene la mayor cantidad de 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 la ganancia a la señal. También realiza algunos filtrados para eliminar el ruido de la señal que podría perturbar el sistema, como las radiofrecuencias. La amplificación es realizada por un OPA1656, que en realidad son dos amplificadores operacionales en un solo paquete, uno de ellos se utiliza para el canal izquierdo y el otro para el derecho.

Comienzo colocando el amplificador operacional (op-amp) [U2], asegurándome de que la orientación es correcta. A veces para los circuitos integrados es más fácil usar un método llamado soldadura de arrastre, pero para estos amplificadores operacionales el paso de las clavijas es tan grande que es fácil soldar una clavija a la vez. Sostengo el circuito integrado suavemente 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.

Primer op-amp soldado

Nunca es una mala idea comprobar que ninguno de los pines está en cortocircuito antes de proceder. Si usó demasiada pasta de soldar, puede haber fluido bajo el componente y podría causar problemas.

A continuación añado los condensadores de desacoplamiento [C16, C17]. Estos son condensadores de 100nF 0805, así que ten 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 demanda repentina. Sin ellos, hay un mayor riesgo de que el amplificador operacional empiece a oscilar.

Los condensadores de desacoplamiento para U2 han sido soldados.

A continuación están las resistencias [R1, R2, R5, R6]. Estas son todas las resistencias de 10 kOhm 0805. Después de ellos, soldar en 1µF condensadores de tamaño 1206 [C4, C5], seguido de cuatro condensadores de 68pF [C2, C3, C10, C11].

Los condensadores de 68pF forman dos filtros paso-bajo diferentes para cada canal, uno en la entrada de la 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 la señal sea de -3 dB) del filtro de retroalimentación es de unos 230 kHz. Se podría ajustar más baja aumentando el valor del condensador, pero yo quería usar el mismo componente que en el otro filtro, y no quería escuchar ninguna queja de que el amplificador «se está saliendo del límite superior».

Los condensadores de 1 µF forman filtros de paso alto en cada canal de entrada, bloqueando el posible sesgo de DC en la señal de entrada, así como reduciendo el retumbar subsónico. La frecuencia de esquina de este filtro de paso alto es de 16 Hz.

Resistencias para U2 soldadas. Condensadores de filtro soldados. Los cuatro condensadores de 68 picofaradios están soldados.

A continuación instalo resistencias de 10 kOhm [R3, R4] , seguidas de condensadores de 1 µF [C7, C8] . Las resistencias forman el bucle de retroalimentación con [R5 y R6] , y los condensadores crean filtros de paso alto, reduciendo la ganancia del amplificador en DC 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 son de igual 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 máxima señal amplificada por debajo de la tensión de funcionamiento de 10 voltios.

Para mi uso, 6 dB es una ganancia más que suficiente con las fuentes modernas, pero sus necesidades pueden ser diferentes. Tenga en cuenta que el ajuste de la ganancia también afecta a las frecuencias de las esquinas de todos estos filtros, por lo que puede ser necesario ajustar los valores del condensador.

Últimas resistencias para la etapa de ganancia. La etapa de ganancia está ahora completa. El nivel de línea de audio profesional tiene una amplitud de pico nominal de 1.736 voltios. Una ganancia de 5 significaría entonces un pico de 8,68 voltios, bien dentro del voltaje de operación con mucho margen.

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 seguro. Sin embargo, esto es probablemente demasiado alto para escucharlo en la mayoría de los auriculares.

Paso 3: Etapas de amortiguación

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 buffer con 2 op-amps paralelos (un paquete completo de IC por canal). Los amplificadores paralelos significan que el amplificador puede proporcionar más corriente a los auriculares de la que podría proporcionar un solo amplificador.

Debido a que las secciones son idénticas, son fáciles de ensamblar simultáneamente

De nuevo empezaré con los ICs [U3, U4] .

Los IC de los buffers op-amp están soldados.

Los siguientes en la línea son los condensadores [C12, C13, C14, C15] . Estos funcionan como bloqueadores de CC, eliminando cualquier sesgo que la etapa de ganancia de voltaje pudiera haber creado. Son funcionalmente idénticos a [C4, C5] en la etapa de ganancia. También se pueden sustituir por enlaces de cero ohmios, pero esto sólo se debe hacer si se está bastante seguro de que el amplificador óptico de entrada no introduce un sesgo significativo.

El sesgo es un problema porque los auriculares generalmente no reaccionan bien a la corriente directa que fluye a través de ellos. Una señal constante desplaza el diafragma de su posición prevista, limitando el recorrido que puede llevar a una mayor distorsión. Además, la DC calienta la bobina de voz, lo que puede causar la destrucción de los auriculares. Estos condensadores acoplan las etapas entre sí, y eliminan cualquier sesgo de DC que la señal pueda tener.

A continuación están las tapas de desacoplamiento de 100nF op-amp [C18, C19, C20, C21] , seguidas de las resistencias [R7, R8, R9, R10] que proporcionan la ruta de tierra para los amplificadores del búfer.

Los condensadores de desacoplamiento del búfer están soldados. Estos filtran la energía que va a los amplificadores del búfer. Resistencias de entrada del búfer soldadas. Éstas proporcionan una ruta de tierra para los amplificadores de operaciones.

Los componentes finales en la etapa de amortiguamiento son las resistencias de salida de 1 ohmio [R11, R12, R13, R14] . Estas ayudan a equilibrar las pequeñas diferencias en las etapas del buffer, y aseguran que los amplificadores operacionales no intenten impulsarse entre sí.

Las resistencias de salida equilibran cualquier desigualdad en los buffers paralelos.

Paso 4: Poder

Cuando el camino de la señal esté listo, es hora de abordar la sección de energía. Empezaré con el indicador LED [D1] y su resistencia limitadora [R15] . En mi experiencia, la corriente nominal de 20 mA suele hacer que los LEDs sean demasiado brillantes. La idea es indicar que el dispositivo está encendido, no iluminar la habitación.

R15 es de 10 kOhm, lo que es un valor bastante alto, pero como el LED está conectado al carril de alimentación de -10V, limita el flujo de corriente a cerca de 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 necesitas indicación, puedes dejar D1 y R15 sin poblar por completo.

Indicador LED y su resistencia limitadora de corriente. Estos componentes son opcionales. Cualquier color de LED está bien, pero aquí uso el verde.

Después del indicador, lleno los condensadores de la fuente de alimentación [C22, C23] . Estos condensadores de 2,2µF 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 [U5] , siguiendo con la contraparte de voltaje negativo [U6] . Estos son componentes diferentes con diferentes pinouts, por lo que hay que tener cuidado de no intercambiarlos.

A continuación vienen los tres condensadores de desacoplamiento/filtrado de potencia [C6, C9, C26] . Soldar estas tapas de 1µF ya debería ser una rutina.

Estos condensadores de 2,2 microfaradios estabilizan el voltaje regulado, proporcionando a los op-amps un voltaje de funcionamiento limpio. Utiliza una pequeña cantidad de pasta de soldadura para fijar los reguladores de baja caída. Añada más después si es necesario, pero usar demasiada pasta de soldar cuando se suelda el componente por primera vez puede provocar cortocircuitos bajo el componente (no pregunte cómo lo sé). Primer LDO soldado con éxito. Ambos reguladores están en su sitio. Estos tres condensadores filtran los voltajes procedentes del convertidor DC/DC.

Es bastante fácil poner demasiada pasta de soldar en las almohadillas y causar un cortocircuito en el LDO, así que compruébelo 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 cuando se intenta arreglar las cosas.

Triste resultado final de mi intento de arreglar un cortocircuito bajo uno de los reguladores. ¡Compren repuestos!

Dejaré el convertidor DC/DC [U1] para más tarde debido a su gran tamaño, y en su lugar soldaré el resto de los componentes primero.

Comenzando por el componente más interno en la línea de cuatro huellas, coloco y sueldo el inductor [L1]. Este filtra la corriente entrante y elimina el ruido de la fuente de alimentación. Luego instalo los condensadores de 4.7µF [C1, C24]. Finalmente sueldo el condensador de 1nF [C25]. Estos cuatro componentes forman parte del filtrado de EMI del convertidor DC/DC.

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, sueldo las tomas de entrada y salida [J2, J3]. Cuando compré los componentes, el tipo sin interruptor usado en este circuito (SJ-3523-SMT-TR) estaba agotado, así que usé el modelo con interruptor (SJ-3524-SMT-TR), y doblé las patas extras hacia arriba con unos alicates, para que no tocaran otros componentes [C19, R6].

Interruptor de encendido

El último es el interruptor de encendido [SW1]. Es mejor ponerlo en último lugar porque es una pieza de agujero 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 permanentemente. Conecta la almohadilla central de ambas filas a la almohadilla más cercana al conector usb. Las almohadillas del lado del conector de entrada no están conectadas y pueden ser ignoradas.

Paso 5: Limpieza

Después de que todo esté soldado, es hora de limpiar el tablero. Uso isopropanol y un cepillo suave o un bastoncillo de algodón para quitar el fundente y los residuos de pasta de soldar de la placa. El alcohol desnaturalizado también funciona como sustituto del isopropanol, pero no es tan agradable de usar, y podría dejar algún residuo en la placa. No uses acetona u otros disolventes, pueden dañar los componentes.

Luego uso el multímetro para asegurarme de que no haya cortocircuitos entre los rieles de energía. Una forma fácil de hacerlo es medir la resistencia a través de los condensadores C1, C6, C9, C22, C23, C24 y C26. Debido a la acción de los condensadores, el medidor muestra el cambio de resistencia mientras se mide, pero nunca debe ser inferior a aproximadamente medio megaohmio (el valor aumenta a medida que los condensadores se cargan).

Mide también la resistencia entre los canales izquierdo y derecho y entre cada canal y la tierra, tanto para la entrada como para la salida. Todos ellos 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 LED indicador se iluminará. Usé el multímetro para comprobar todos los voltajes, y todo estaba bien. El VCC debe ser +10 y el VEE -10, con 20 voltios entre los pines 4 y 8 de cada IC.

Conecte una fuente de señal con el volumen minimizado. Finalmente, conecté mis auriculares (usa un par desechables si puedes, por si algo sale mal), y aumenté el volumen.

Y después de hacer todo esta tendras un nuevo amplificador de auriculares listo.

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