低音強化耳機擴大機

九月 4, 2014
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你可以打造這組低音功率放大器來提升你個人的音樂體驗。這組放大器可以讓任何一組耳機或是喇叭都能擁有清晰且有力的聲音效果。
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此為擴大機的電路圖。左半邊是輸入端和控制音調的位置,右半邊則是放大器的區塊。訊號會從最左邊的地方送入。

這組自製放大器電路可以依照你的需求來增強音樂的低頻區域,而且效果比大部分智慧型手機與MP3內建的驅動電路來得好,因為它具有較低的阻抗還有更大的驅動電流。意思是,在你耳機中的聲音將不受電線長度或阻抗分配不良的影響。這專題中的所有零件都可在RadioShack買到,當然也包含充電電池和外接充電器。現在來做做看,你就會聽出之間的差異。

我之所以會選擇LM386是因為它簡單、好用又很容易買到,就算只使用一個5V的電源也能運作,而且也不需用到太多的外接元件。當然市面上還是有其他性能更好的功率放大器IC,但它們通常需要搭配雙電源,會使供電與充電電路變得比較複雜。況且LM386就已經夠用,而且整體架構也比較簡單。

這臺低音耳機功率放大器並沒有電源開關,只要將電池接上附有同軸插頭的電線,並直接接到放大器電路的同軸插孔就能啟動它。光這兩個零件就有三種功能:電源開關(插座和插頭)、充電(電池插頭)以及外接電源(電源插座)。插頭跟插座都蠻耐用的,如果你想要用固定供電的方式,你也可以用自製的傳輸線將這個放大器接到USB埠上,當然我們也會教你如何製作這條傳輸線。

運作方式

電阻R8會當作訊號來源裝置的負載,並可以減少雜訊。輸入的訊號會從100Hz這個分界點,也就是在一般的中低音範圍時分成兩股訊號。高頻的訊號會經過C6和R3構成的區域;低頻訊號則是經過R7和C5那一端。串聯的R4、R5和R6電阻會與高低通濾波器相連,用來重新組合輸出的頻率。R5是可變電阻,可以用來控制高低通濾波器對於輸出端訊號的重組程度。電阻R4會將低音削弱至3dB左右;電阻R6則會限制低音增強的上限在13dB左右。R4和R6使用不同電阻值的原因在於我們打算要增強多於削弱。

濾波器上的訊號會由U1這顆LM386放大IC的第3針腳輸入,電阻R1用來當作IC輸入端的接地參考點。電容C1則當作接地的濾波器會過濾掉任何從訊號源而來的高頻雜訊,此IC可使用9V電池或外接電源連接到第6腳位來進行供電。第4腳位則直接接地;電容C4則用來過濾電源供應端的雜訊。

第5針腳為放大器的聲音輸出端,這個針腳會額外提供一個相當於輸入電壓一半的直流電壓源給聲音訊號(使用9V電池的話就是4.5V,如果是使用USB埠便為2.8V)。電容C3則用來阻擋額外的直流電影響聲音輸出,而且只讓交流訊號通過。R2和C2一起組成一套Zobel網路,可以在高頻或減幅振盪時保持一定的底阻抗負載。電阻R9則用來當作接地參考點,以避免在接上耳機時使得電容C3出現充電的現象。

開始動手製作吧!

步驟一:準備外殼底座

  • 將印刷電路板放在外殼底部,如圖所示置中且垂直擺放,並緊靠其中一邊的螺絲鎖點。
  • 以雕刻刀或簽字筆標記印刷電路板的左下和右上安裝孔。
  • 在這兩個標記處鑽出4mm的孔洞。
步驟二:註明電路板的孔洞位置

  • 此塊印刷電路板會有兩個一模一樣的區塊,一塊用於左聲道一塊則用於右聲道。在兩個區塊上重複一樣的步驟。
  • 每個區塊上都有20個銅焊點,每個焊點都有5個導線孔。其中有八個焊點會用來固定IC插槽,其他的會用來連接元件和外接的線路。
  • 如圖所示,在安裝元件之前用細簽字筆在有銅焊點的那側(背面)寫上號碼。
  • 把電路板翻過來,在安裝元件那側(正面)也標上號碼以利組裝。
  • 把電路板翻過來,在安裝元件那側(正面)也標上號碼以利組裝。
  • 最後,標記「L」和「R」來區分左右聲道。
步驟三:固定IC腳座、電容還有跳線

  • 在1A-4A和20A-17A的位置上固定8針腳的IC腳座,並將插槽本身的缺口朝向1A和20A(向上)的方向。把電路板翻面,將腳座固定到焊點上。
  • 注意:電解電容有極性,必須以正確的方向安裝。在電容外殼上會有垂直的線條可以辨認負極針腳。
  • 將電容器C3(220μF)的正極針腳接到17E,負極針腳則接到15E,再焊接修剪剩餘的針腳長度。
  • 如圖所示,電容器C4(100μF)則會放在IC插槽上方,其針腳則會跨接腳座的兩側。將正極針腳接到18B,負極針腳接到2C,並將它們焊接修剪至適當的長度。
  • 在8A和13A以及2B和4B之間焊接跳線。
  • 在4E和8E之間也焊上跳線,但不要擋到其他E孔。
步驟四:裝上薄膜電容和陶瓷電容

  • 注意:這些電容並沒有極性,所以並沒有固定的安裝方向。
  • 將電容C2(0.047μF)兩端接到16C和13C,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將電容C1(33pF)兩端接到2D和3D,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將電容C1(33pF)兩端接到2D和3D,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 注意:將0.22μF的電容固定在距離PCB表面1mm左右的高度,保留一點活動空間可以安裝電阻,只要裝上電阻就會靠得比較緊密。
  • 將電容C5(0.22μF)兩端接到7E和8D,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將電容6C(0.22μF)兩端接到6C和5D,並將其焊接修剪至適當長度。
步驟五:裝上電阻

  • 注意:所有的電阻都是以直立的方式來安裝,除了R9和R4以外。電阻的誤差值範圍會在+/-10%。舉例來說,要有2K的電阻值就要選用1800Ω和2200Ω之間的電阻,但盡量以不影響電路表現為前提。
  • 將R1(22K)連接到3C和4C之間,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將R2(10Ω)連接到17B和16B之間,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將R3(10K)連接到4D和5E之間,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將R4(10K)連接到14A和5A之間,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將R6(2K)連接到9C和7C之間,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將R7(10K)連接到6D和7D之間,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將R8(100Ω)連接到8B和6B之間,並將其焊接修剪至適當長度。
  • 將R9(100Ω)連接到13D和15D之間,並將其焊接修剪至適當長度。
步驟六:連接電路板外接導線

  • 注意:將這些導線裁成4”長,並在其中一端剝去1/8”的絕緣外皮。
  • 將黑色線焊到13E的位置。
  • 將紅線焊到18E的位置。
  • 將藍線焊到14B的位置。
  • 將綠線焊到9E的位置。
  • 將黃線焊到3E的位置。
  • 將灰線焊到13B的位置。
  • 將棕線焊到8C的位置。
  • 並將焊接在印刷電路板上的導線修剪至適當長度。
步驟七:標記並裁切可變電阻

  • 將可變電阻的轉軸朝外擺放,底部則朝向自己,將焊接針腳朝右擺。將中間的焊接針腳上標示為「CT」;下方的焊接針腳標示為「CW」;上方的焊接針腳則標示為「CCW」。
  • 原先可變電阻的轉軸長度較長需要裁切至適當的長度,長度大約從可變電阻往上算10mm即可。
  • 用虎頭鉗或一對鉗子固定轉軸,用手鋸或切割機從標記處切掉多餘的轉軸。
  • 用銼刀打磨切割處,記得不要讓金屬碎屑掉進可變電阻中,以免干擾其運作情形。
  • 可變電阻通常附有方便對正的小標籤,但我們不會使用它們,所以可以用鉗子把它們拿掉。
步驟八:準備輸出和輸入導線

  • 因為安裝在外殼上的電源輸入插孔很容易損壞,所以我決定用比較耐用的外接式導線來作為輸入和輸出的連接線。
  • 將耳機或電腦喇叭的延長線剪下16”的長度來製作輸入和輸出線。插頭端用來當作輸入線;插孔端則用來當作輸出線。剩下的電線可以留起來製作充電線。
  • 從切割處剝除3”的黑色絕緣外皮,並移除裡面的金屬膜,並保留裸露的銀色接地線。
  • 將接地線修剪至½”的長度,並把電線捲在一起。接著,剝除紅線及黑線¼”的絕緣外皮,並將電線絲捲在一起。
  • 從導線的切割端套上一個護線環(外徑10mm、內徑5mm 、孔洞尺寸8mm)。
步驟九:安裝輸出和輸入導線

  • 將輸入導線放在PCB邊緣的兩個孔洞之間,讓紅線和黑線朝向電路板中央。
  • 將3mm或1/8”的束線帶(圖中紅色部分)穿過電路板的孔洞並用來固定導線,讓露出來的接地線指向遠離電路板的方向,最後將束線帶拉緊固定導線。
  • 將輸入導線中的紅線焊接到電路板右邊區塊的6E。
  • 將輸入導線中的黑線焊接到電路板左邊區塊的6E。
  • 將灰色的線接到兩個區塊中13B的位置上。稍微調整灰線的長度使其可以與輸入導線的接地端相連,再把絕緣外皮剝除,直接與接地線焊在一起。
  • 如同輸入導線的作法,將輸出導線固定在下緣的中心孔上。
  • 將輸出導線中的紅線焊接到右邊線路的15B位置。
  • 將輸出導線中的黑線焊接到左邊線路的15B位置。
  • 將棕色的線接到兩個區塊中8C的位置上。稍微調整棕線的長度使其可以接到輸出導線的接地端相連,再把絕緣外皮剝除,直接與接地線焊在一起。
步驟十:連接低音控制可變電阻

  • 將兩區塊中的14B用藍線與可變電阻上的CCW相連。
  • 將兩區塊中的3E用黃線與可變電阻上的CT相連。
  • 將兩區塊中的9E用綠線與可變電阻上的CW相連。
步驟十一:連接電源輸入插孔

  • 用紅線將兩區塊中的18E拉出,並固定在電路板右下角的安裝孔中。
  • 再用黑線將兩區塊中的13E拉出,並穿過相同的安裝孔。
  • 將這四條線修剪到同樣的長度,並剝除尾端1/8”長的絕緣外皮。
  • 將墊片裝到M型電源輸入插孔上,並鎖上螺帽。
  • 將兩條黑線接到外側接腳上。
  • 將紅線綑在一起並接到插孔的中心接腳上。
步驟十二:製作電池的電源線

  • 如圖所示,拆下共軸M型插頭,將9V電池扣的導線穿過黑色的插頭外殼。
  • 將電池扣的紅線接到共軸插頭中間的接腳上;黑線則接到外側的接腳。
  • 將導線固定在正確的位置上,切記不要把絕緣外皮弄破。最後將黑色的外殼鎖回插頭上,這個導線就可以拿來用了!

步驟十四:製作充電線
步驟十三:製作USB電源線(非必要)
  • 將USB線修剪到適當長度,並小心地剝除7mm長的絕緣外皮。你將會看到四條不同顏色的線,也許還有一層金屬膜,請將金屬膜去掉。
  • 保留紅線和黑線,另外兩條線則盡量剪短,以防它們誤觸到其他部分。
  • 紅線是5V電源線,黑線則是接地線。分別將兩條線剝除2mm的絕緣外皮。
  • 將兩條線分開連接到電表上進行測試,你應該可以得到5V的電壓值。
  • 如圖所示,拆開共軸M型插頭,將USB導線切掉的那端穿過外殼。
  • 將紅線接到共軸插頭中間的短接腳上;黑線則接到外側的接腳上。
  • 小心地將導線固定住,以形成一個堅固的接頭。
  • 注意:這些纜線都很精細,所以你可能會想用熱熔膠來將其連接得更牢固。但別用太多,否則外殼將無法鎖回去。
  • 將插頭外殼裝回去,這條導線就可以使用了。

  • 9V電池的充電器可以拿來提9V電池充電,但因為電池不好取出,所以我們可以利用焊接到電池扣上的插頭來進行充電。
  • 取出之前剩餘的延長線,將他們修剪到任何你想要的長度,在兩端各剝除1/2”長的絕緣外皮,除去接地線與金屬膜。並在紅線和黑線的兩端都剝除1/4”長的絕緣外皮。
  • 將紅線焊接到共軸M型直流電源插孔的中間接腳上。
  • 將黑線焊接到插孔的外側接腳上,並小心地將導線固定住。
  • 將插頭的黑色塑膠外殼從導線的另一端裝回去,並將它旋緊。
  • 將2”長、1/4”口徑的熱縮套管裝到導線的切割端上。
  • 將1”大小、接近3/16”口徑的熱縮套管裝在2條接到9V電池扣的導線上。
  • 注意:請將電池扣的紅線焊到黑線上,相反地,如果在這個步驟中你依照顏色配對的話,會導致極性相反,不但不會充到電,還可能會損壞電池。
  • 將比較小的熱縮套管到電池座線路的焊接處,並加熱它們使其固定。
  • 將比較大的熱縮套管到其它所有的焊接點上,並加熱它們使其固定。
步驟十五:檢查電路

  • 仔細地檢查電路板的兩邊線路,可以參照一開始的圖片。在元件的部分,檢察針腳是否有接到正確的位置上。在焊接的部分,可以用放大鏡看看是否有漏掉的焊接點,是否有空縫,或者焊接錯誤導致短路的地方。這是一塊小型的電路板,只用肉眼檢查的話很容易會有疏失。
  • 如果你覺得你在焊點上看到短路接點,可以用刀尖將其刮除。
  • 如果你覺得你發現哪些地方漏焊、空縫或其它沒有焊好的接點,可以用加熱過的烙鐵來解決這些問題,或是再加一點焊錫。
步驟十六:測試電路

  • 如圖所示,將LM386插入腳座,接腳1和8應該會在最靠近上緣的地方。
  • 將一顆9V電池固定在電池扣上,並接上電源。
  • 將可變電阻依逆時針轉到底。
  • 將輸入導線接到如MP3等音樂播放器並播放音樂。
  • 將耳機接入輸出導線。
  • 如果一切運作正常的話,你應該會透過耳機聽到聲音,而且可以順時針轉動可變電阻來調整低音的效果。
步驟十七:在外殼裝置貼上膠帶標記

  • 將外殼的蓋子先置於一旁,在外殼最大面、兩個最小面以及其中一面長面上都貼上一白色膠帶。
  • 將開口朝下,並將貼上膠帶的長面面向自己,並在大面上標出「B」,將左邊的小面標上「A」,而右邊的較小面標上「C」。
步驟十八:標記切割點

  • 在「B」面距離下方邊緣25mm且距離左側邊緣37mm與62mm處分別標示兩個點。
  • 在「A」面距離左右邊緣各13mm處畫上兩條10mm垂直線,而這兩條線段間的距離則為33mm。
  • 在「C」面距離左方20mm處畫出一條15mm長的垂直線。
步驟十九:挖出孔洞與凹槽

  • 在「B」面的標記位置鑽出8mm的洞。
  • 在「A」面的標記處,挖出6mm寬、10mm長的弧形凹槽。為確保準確性,盡量用鋸子或小型切割機沿著記號切割。
  • 在「C」面的標記處挖出10mm寬、15mm長的弧形凹槽。
  • 用美工刀將切割後的外殼與裁切後的粗邊修平。完成以後就可以把膠帶撕掉,便可針對外殼進行最後的組裝。
步驟二十:安裝電子元件

  • 轉動可變電阻讓其焊接針腳朝向兩側。先將墊片和螺帽拿掉,由內朝外將可變電阻穿過8mm的孔,再將墊片與螺帽鎖回去來固定可變電阻。
  • 將底座電源插孔的螺帽鬆開,暫時將它放到凹槽裡面。將泡棉雙面膠黏在電池扁平的那端,再將它安裝在電源插孔的旁邊。將電池扣的電線對齊外殼邊緣,而電池盡量安裝在外殼角落處。現在,可以先將電池插頭拿下來。
  • 將電路板裝在外殼的底部,用兩個6-32×1/2”的螺絲由外向內穿過先前所鑽的孔洞並將電路板置於其上,最後用螺帽固定電路板,但請不要鎖太緊。
步驟二十一:蓋上外殼

  • 將輸入和輸出導線上的護線環推到適合固定在凹槽的位置上,設計起來應該是剛好密合的──我打算將導線穩固地卡在護線環中。將底部蓋上,將護線環那側的兩顆螺絲先鎖上一半。
  • 將底座的電源插孔放到凹槽中,用無牙尖嘴鉗將電源插孔的螺帽鎖緊。將電池扣的電線自電池插孔凹槽較低的角落拉出。並在靠近電源插孔的兩個角落也鎖上2顆螺絲,再將4顆螺絲都鎖緊。
  • 在外殼上4個底部螺絲上面黏上橡膠軟墊。我其實也有在外殼上加裝小型橡膠軟墊,這樣能防止我的iPhone滑掉。
  • 將旋鈕安裝在可變電阻的轉軸上。
步驟二十二:放大音量

  • 將電池的電線插到電源插孔之後,裝置應該就可以順利運作。但要注意的是,無論功率放大器是否有在播放音樂,只要接上插頭,電池的電量便會一直消耗。
  • 注意:如果你是以智慧型手機作為音樂來源的話,有時候耳機中會出現靜電的聲音。這是因為手機會定時向塔臺進行電波的通訊,可是耳機的放大電路沒辦法完全排除雜訊,此問題在下載串流檔案時更容易發生。所以可以透過Wifi或等音樂下載完成後再播放,來減少此效果。
  • 注意:我發現有些智慧型手機的四節耳機,會播放單聲道的聲音,除非拔出插孔約1mm才可以正常播放。如果使用三節耳機,就不會有這樣的問題。
步驟二十三:改裝外殼(非必要)

  • 你可以用透明的上蓋來炫耀一下低音強化耳機擴大機的內部構造。我萬用盒原先搭配的金屬底座來做出3mm厚的壓克力上蓋。先用鋸子裁切壓克力並用砂紙打磨外形,並在角落挖出鎖螺絲用的3mm螺絲孔。因為壓克力的熔點比較低,所以在裁切或鑽孔時速度要放慢一點,若磨擦產生太多熱能的話,壓克力可能會熔掉。
  • 把原本外殼的上蓋用研磨圓鋸沿著邊緣裁掉並以砂紙打磨邊緣,再用刀子或銼刀將邊緣修平。用短的#3螺絲固定透明上蓋,別鎖得太緊,不然壓克力會裂開。
  • 我發現外殼最小其實可以裁到只有35mm的高度。只要把可變電阻的位置往下移,電池也平放在電路板下方,電路板卡到外殼與可變電阻之間,如此一來就可以把元件緊密地放在外殼中,雖然作法有點麻煩,但是完成後尺寸真的縮小蠻多的。
  • 最後還有一個作法:就是用0.100”壓克力和0.250”PE板製作的外殼。在四個角落放上金屬管與墊片,並用螺絲穿過藉此固定外殼。更換體積較小的可變電阻以節省空間。可是已經沒有空間可以放置電力來源,所以用搖頭開關來啟動裝置或切換使用同軸插頭的充電模式。
結論

要使用充電線的話,先將電池扣接到9V電池充電器,並將插孔接到放大器的內部電池上。如此一來,你就可以在電池用USB埠充電時,繼續使用低音放大器。

由於吉他放大器好手鄧肯.蒙羅(Duncan Munro)所撰寫的Tone Shack Calculator應用程式的文章,啟發了我製作此專題的想法。我用其音調顯示圖形的功能來計算此專題中的低音濾波數值,如果你對於音調濾波器有興趣,你可以下載這個應用程式並測試各種不同的濾波器種類。


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羅斯.赫斯柏格(Ross Hersgberger)
當我從1970年代進入職業學校時,我就一直在接觸電子技術,我曾經是一位大型電腦的軟體工程師,也擔任過模具技師和真空管放大器的維修員,以及設備維修技術員等其他不同領域的工作。而我從2012年開始在TRUMPF GmbH北美分部擔任YAG雷射客戶服務工程師。

[原文]


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