Amp de fone de ouvido equalizado para deficientes auditivos: 10 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Minhas necessidades

Alguns meses atrás, eu recebi aparelhos auditivos para compensar a perda de sensibilidade às altas frequências, fazendo com que os sons fossem abafados e uma dificuldade em distinguir os sibilares (por exemplo, "S" e "F"). Mas os auxílios não trazem nenhum benefício ao usar fones de ouvido, já que os microfones ficam atrás da orelha. Depois de experimentar um colar de indução e entrada direta em meus aparelhos auditivos (nenhum dos quais deu resultados satisfatórios), tive a ideia de um amplificador de fone de ouvido com uma resposta de frequência ajustável projetada para corresponder aos meus aparelhos auditivos.

Se você tiver algum outro requisito de equalização, este projeto pode ser facilmente adaptado. Ele fornece aumento (ou corte, com uma modificação trivial) em 3 frequências centrais. No entanto, ele pode ser estendido para mais bandas de frequência.

O resultado

O que eu acabei com foi uma pequena caixa quadrada de 6 cm com jack de 3,5 mm e entradas Bluetooth e uma saída de fone de ouvido de 3,5 mm. Achei a melhora na experiência de audição para música espetacular e uma grande melhora para a fala.

O que este Instructable vai lhe dar

Deixe-me afirmar desde o início, este não é um projeto para iniciantes. Você precisará de um nível razoável de habilidades de soldagem e, se quiser modificá-lo (como também pode), precisará aprender o Eagle para o layout da placa e o TinkerCAD para a caixa impressa em 3D. Ambos demoraram um pouco para dominar, mas nenhum dos dois foi difícil. Espero que as pessoas aprendam algo com meus Instructables (a menos que você já saiba mais do que eu), não apenas sigam as instruções cegamente.

Se você nunca soldou componentes de montagem em superfície, não desanime - não é tão difícil quanto você pode imaginar. Veja este guia para uma introdução.

O que você obterá com este projeto é:

• Arquivos de design Eagle (esquema e layout de placa)
• Uma planilha do Excel incorporando as equações de design para permitir que você personalize a equalização de acordo com suas necessidades
• O design do TinkerCAD para a caixa impressa em 3D.

Como o pedido mínimo para a placa de circuito impresso personalizada foi de 5 peças, tenho 3 placas vazias para reposição (uma vendida). Eles já estão à venda no eBay - consulte

Etapa 1: O Processo de Design: Requisitos e Estratégia

Quando comecei a pensar neste projeto, uma das primeiras dúvidas em minha mente foi se deveria usar filtros analógicos ou digitais. Em um tópico no fórum All About Circuits, Keith Walker me alertou sobre um equalizador gráfico (analógico) muito barato do Extremo Oriente (ilustrado acima) que ele usou para resolver o mesmo problema. Então, encomendei um como prova de conceito.

Funcionava bem, mas era muito volumoso para uso portátil e precisava de trilhos de alimentação positivos e negativos, um inconveniente adicional. Mas confirmou a abordagem e o tipo de circuitos de filtro a serem usados.

Refinei meus requisitos para o seguinte:

• Deve ser compacto, portátil e alimentado por bateria recarregável.
• Ele deve aceitar entrada de um conector de 3,5 mm ou Bluetooth.
• Deve ter canais estéreo esquerdo e direito separados.

Usei componentes convencionais de orifício e CIs DIL de 0,3 em stripboard em muitos projetos anteriores, mas isso o teria tornado muito volumoso. Portanto, decidi que teria que projetar um PCB personalizado (uma nova experiência para mim) usando superfície componentes de montagem (dos quais eu tenho alguma experiência modesta). Eu também teria que projetar uma caixa impressa em 3D (minha experiência em design 3D era muito limitada).

Um recurso Bluetooth seria fácil de adicionar usando qualquer um dos vários módulos Bluetooth baratos que estão disponíveis.

Há 2 ou 3 CIs equalizadores gráficos dedicados que eu olhei, mas usar opamps quad baratos parecia mais simples e requeria apenas alguns componentes externos.

Etapa 2: projeto detalhado

O elemento básico do circuito que usei é conhecido como girador. Ele usa um amplificador operacional para transformar um capcitor em um indutor virtual. Este, e mais um capacitor faz um circuito sintonizado, fornecendo corte ou reforço em uma certa faixa de frequências. Muitos designs de equalizadores gráficos usam um design virtualmente idêntico e não há por que se desviar dele. Eles são exemplificados por este de Electronics Today International, setembro de 1977, página 27. Este artigo explica muito claramente como o circuito funciona.

Eu apenas o modifiquei usando opamps quádruplos que funcionariam com uma única fonte de 5V e adicionando um amplificador de fone de ouvido IC para garantir que ele iria conduzir os fones de ouvido de forma adequada. Também troquei cada potenciômetro por um potenciômetro e um resistor para dar apenas boost e controle mais preciso, já que não precisei cortar.

O esquema e o layout da placa (ambos gerados usando o Eagle) são mostrados acima.

Uma grande característica do Eagle é que inclui o pacote de simulação de circuito Spice, tornando possível validar o projeto e prever a resposta em frequência antes de se comprometer com a fabricação do PCB.

A placa fornece 2 entradas, um conector jack de 3,5 mm e almofadas de solda para conexão de um módulo receptor Bluetooth. Eles estão efetivamente em paralelo. A energia pode ser fornecida por meio de um soquete mini-USB ou almofadas de solda. Usei mini em vez de micro-USB, pois um soquete micro-USB seria muito difícil de soldar à mão e também é menos robusto.

Etapa 3: Instalação e configuração do Eagle

Se você deseja enviar o design da placa para fabricação, modifique o layout ou simplesmente modifique a curva de resposta de que você precisará para instalar o Eagle. Se (como eu quando comecei este projeto) você não está familiarizado com ele, o site SparkFun tem uma série de tutoriais úteis em

O primeiro a ver é Como instalar e configurar o Eagle.

Isso inclui a instalação das bibliotecas SparkFun. O arquivo zip baixado contém uma pasta SparkFun-Eagle-Libraries-master que você deve copiar para EAGLE / libraries

Você também precisa importar meu esquema Eagle e arquivos de layout de placa e meus modelos Spice. (Spice é o software de simulação de circuito que nos permite simular a resposta de frequência do amplificador.)

Todos estão incluídos em um arquivo zip que você pode baixar

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Abra o arquivo zip e arraste e solte os projetos e pastas de especiarias em sua pasta EAGLE. (Ele já conterá uma pasta de projetos vazia.)

Agora você deve estar pronto para lançar o Eagle.

No painel esquerdo, abra Projetos, Projetos e Amp para fone de ouvido equalizado.

Clique duas vezes nos arquivos Headphone_Amp.brd e Headphone_Amp.sch. Eles serão abertos em janelas separadas, a primeira mostrando o layout do tabuleiro e a segunda o esquema.

No esquema, localize e clique no botão Simular.

Isso abre a configuração de simulação. Clique no botão de opção AC Sweep, defina o tipo como dezembro (o padrão) e a frequência inicial e final como 100 e 10000, respectivamente. Clique no botão Simular no canto inferior direito. Após uma pausa, um gráfico da resposta de frequência deve aparecer, conforme mostrado na próxima etapa.

Etapa 4: Ajustando a curva de resposta

É muito provável que seus ouvidos sejam diferentes dos meus, então, antes de mais nada, você precisa de uma cópia do seu audiograma. Seu audiologista deve ser capaz de fornecer isso a você, mas se você tiver um bom par de fones de ouvido, pode fazer o seu próprio acessando

Isso deve lhe dar uma boa idéia de quanto aumento você precisa em diferentes frequências. No meu caso, minha perda auditiva aumenta rapidamente acima de 3kHz, tornando inviável compensar muito acima disso. Em qualquer caso, alguns experimentos analisando o espectro de várias fontes com o Audacity indicaram que provavelmente não havia muito acima disso para eu estar faltando.

Como está, o projeto permite que você ajuste a resposta de frequência em 3 frequências centrais de 1,5, 2,3 e 3,3 kHz, independentemente entre os canais esquerdo e direito. Você pode manter essas frequências ou alterá-las (consulte a próxima etapa).

Na pasta EAGLE / spice você encontrará modelos para os 3 trimpots POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl e POT_VR131.mdl. Eles controlam a resposta nas 3 frequências. Abrir qualquer um deles com um editor de texto (por exemplo, Bloco de notas) verá uma linha como:

.param VAR = 50

Altere o número para qualquer coisa entre 0 e 100 para representar a posição do trimpot correspondente e, portanto, o aumento nessa frequência para qualquer coisa de zero ao máximo.

Agora execute novamente a simulação (clique em Atualizar lista de rede antes de clicar em Simular) para ver como a resposta de frequência se parece agora.

Etapa 5: Mudando as frequências centrais

Na pasta do Projeto Eagle, incluí uma planilha Excel Calc.xlsx. Abra-o com o Excel (ou se você não tiver o Excel, o LibreOffice Calc, que é gratuito). Esta planilha incorpora os cálculos de projeto para apenas uma das três seções de filtro.

A primeira caixa permite que você calcule a frequência central e o fator Q para determinados valores de R1, R2, C1 e C2. (O fator Q ou de qualidade determina a largura da banda. Um valor mais alto fornece uma banda mais estreita e mais impulso. Valores em torno de 4 parecem funcionar bem se cada frequência for aproximadamente 50% maior que a anterior.)

Na verdade, é mais provável que você queira escolher as frequências e calcular os valores dos componentes. Dada uma frequência desejada e três dos quatro valores do componente, a segunda caixa permite calcular o 4º valor do componente.

Os componentes vêm com o valor preferencial (por exemplo, a série E12), então você pode escolher o valor preferencial mais próximo do valor calculado e realimentá-lo na primeira caixa para ver qual é a frequência real.

Em seguida, você precisa inserir seus valores no esquema do Eagle e repetir a simulação.

Abra o esquema e, no painel esquerdo, clique no ícone do valor do componente e, em seguida, clique no componente que deseja alterar. (A simulação é configurada para operar apenas no canal inferior ou esquerdo.) Você receberá um aviso informando que o componente não tem valor definível pelo usuário. Você quer mudar isso? Claro que você faz! Insira o novo valor na caixa que aparece.

Clique no botão Simular, clique em Atualizar Lista de Rede e em Simular.

Etapa 6: componentes necessários

É claro que você precisará de uma placa de circuito. A menos que você use uma das minhas placas nuas sobressalentes, você precisará enviar os arquivos Eagle para fabricação. A maioria dos fabricantes exige o design como um conjunto de arquivos gerber. Em vez de duplicar as instruções aqui, pesquise online por Eagle export gerber ou consulte o tutorial Sparkfun.

Arquivos gerber separados descrevem as camadas de cobre, a máscara de solda, a impressão da tela de seda, a perfuração e o fresamento do contorno da placa.

Ao enviar os arquivos online para um fabricante, ele os validará e alertará se algum arquivo essencial estiver faltando. Mas não o alertará se um arquivo do silk screen estiver faltando, o que foi meu erro. Isso é separado dos contornos do dispositivo.

Você precisará dos seguintes componentes para preencher a placa.

• TL084 SOIC-14 amp op quad - 2 desligado
• Amplificador de potência LM4880M SOIC 250mW - 1 desligado
• 0603 sortimento de resistor SMD
• 0603 sortimento de capacitor de cerâmica SMD 100pF - 1μF
• 5K Trim Pot 3362P-502 - 6 desligado
• 10uF 16V SMD 0805 Capacitor de cerâmica multicamadas multicamadas - 4 desligado
• 2917 (EIA7343) capacitor de tântalo 100μF 16V - 2 desligado
• 2917 (EIA7343) capacitor de tântalo 470μF 10V - 2 desligado
• Soquete SMD Mini USB Feminino de 5 Pinos
• Conector de áudio estéreo de montagem em PCB de 3,5 mm - 2 desligado
• LED azul de 3 mm (ou sua escolha de cor)

Para uma unidade completa alimentada por bateria com entrada Bluetooth, você precisará adicionalmente de:

• Módulo receptor Bluetooth compatível com A2DP, como este
• Bateria LiPo: 503035 3,7 V 500 mAhr
• TP4056 Carregador LiPo com entrada mini-USB (ou microUSB se você preferir) como este
• Conversor de reforço de 3 V - 5 V como este
• Interruptor deslizante Mini SPDT

NB: O carregador LiPo provavelmente está configurado para uma corrente de carga de 1A, o que é muito para uma bateria de 500mAhr. É importante que você remova o resistor de programação da taxa de carga (normalmente 1,2K conectado ao pino 2 do chip TP4056) e substitua-o por um de 3,3k.

Usei uma bateria LiPo com terminação de fio, mas uma com um conector JST em miniatura permitiria que ela fosse conectada somente após a fiação e a verificação de todo o resto, além de facilitar a substituição.

Um módulo Bluetooth que funcione em 3,3 V ou 5 V é preferível, pois ele pode receber sua alimentação diretamente da bateria, reduzindo o ruído digital na alimentação de 5 V da placa de circuito principal.

Se você escolher um módulo Bluetooth com suporte para AVRCP e A2DP, poderá adicionar botões de pressão para aumentar / diminuir o volume e a faixa seguinte / anterior.

Muitos módulos Bluetooth têm um LED de montagem em superfície para indicar o estado da conexão, e o carregador TP4056 tem LEDs de montagem em superfície vermelho e verde para indicar o estado de carga. Uma caixa como a que fiz provavelmente os esconderá, para que possam ser substituídos (veja mais tarde) por:

• LED azul de 3 mm
• LED de ânodo comum vermelho / verde de 3 mm.

Etapa 7: usando um protótipo de placa nua

Se você obteve uma das minhas placas de protótipo sobressalentes, existem apenas alguns pequenos erros que você precisa estar ciente.

• Não há serigrafia na parte superior do quadro. Você achará útil ter uma cópia impressa do layout do quadro à mão enquanto o preenche.
• Algumas vias foram criadas para ligar os planos de solo superior e inferior, que não o fazem. Isso não tem importância.
• C3 era originalmente 100uF, em um pacote 2917. Este valor era muito grande e agora é 1uF 0603. Você precisará raspar um pouco da resistência de solda do plano de aterramento para encaixar isso, conforme mostrado na foto.

O ganho é definido pelos valores dos resistores R106 e R206. 22k dá aproximadamente ganho de unidade. Já que você pode querer experimentar valores diferentes, eu forneci ambos os pads de resistor SMD 0603 e orifícios com pitch de 0,3 para resistores de terminação de fio.

Etapa 8: encaixotando

Você pode encontrar o design para impressão em 3D da caixa que usei em tinkercad.com. As folgas estavam um pouco apertadas, então aumentei o comprimento e a largura da caixa em 1 mm.

A parte inferior da caixa fornece compartimentos para a bateria, o carregador, o conversor de reforço de 5 V e o módulo Bluetooth. A placa do amplificador do fone de ouvido se encaixa na parte superior. A tampa é presa por dois parafusos auto-roscantes M2x5mm.

Carregador idêntico e módulos de reforço de 5 V estão amplamente disponíveis, mas existem muitos módulos Bluetooth diferentes. Se algum deles for diferente do meu, você precisará modificar o design da caixa.

Uma vez no lugar, você pode reter levemente os módulos com cola quente.

Etapa 9: Conectando-o

Para fins de teste, anexei todos os módulos a um pedaço de papelão usando blu-tac. A partir disso, descobri que o roteamento das conexões de aterramento era crítico. O aterramento do módulo Bluetooth deve ser levado ao amplificador de fone de ouvido junto com os canais esquerdo e direito, mas a conexão de aterramento da placa de distribuição deve ir para o módulo Bluetooth, não o amplificador de fone de ouvido, caso contrário, você obterá muito ruído digital do módulo Bluetooth na saída.

Montei o interruptor liga / desliga em um pequeno pedaço de stripboard, 6 tiras de largura por 5 de comprimento e com um recorte de 2x4 para o interruptor. Isso também serve como um quadro de distribuição de energia. Quando estava totalmente instalado, colei o interruptor no lugar (com o stripboard preso) usando cola epóxi. Se eu estivesse refazendo o projeto, faria provisão para a chave na placa do amplificador do fone de ouvido.

Você precisa de um fio entrançado bastante fino para fazer a fiação, então eu divido um pedaço de cabo de fita arco-íris, o que me deu fios individuais de cores diferentes. Normalmente, você passaria os fios por um orifício em uma placa e soldaria do outro lado, mas com os vários módulos colocados na base da caixa, tive que soldar no mesmo lado da placa em que o fio entrou, com um pouco mais de isolamento do que o necessário. Tive que montar o stripboard com o lado do cobre voltado para cima e soldar as conexões de maneira semelhante.

Eu queria que os LEDs no carregador e os módulos Bluetooth fossem visíveis, então removi os LEDs SMD on-board e conectei as almofadas a LEDs de 3 mm. Fiz furos na caixa para isso, pois não havia permitido na minha caixa impressa em 3D. Eu os conectei aos blocos de solda nos módulos com fio esmaltado soldável. Este é revestido em poliuretano auto-fundente que derrete com o calor de um ferro de solda.

Para o módulo do carregador, usei um LED de ânodo comum vermelho / verde. O ânodo comum deve ser conectado a qualquer uma das almofadas de LED SMD mais próximas da borda da placa (que você pode confirmar com um multímetro). Se o seu módulo Bluetooth tiver um LED SMD, você terá que determinar a polaridade com um multímetro. Alguns módulos possuem conexões para um LED externo.

Antes de inserir o amplificador de fone de ouvido na caixa sobre os outros módulos, achei necessário colocar pequenos pedaços de fita de PVC na parte superior de dois capacitores eletrolíticos no módulo Bluetooth e na tomada de carregamento mini-USB para evitar curtos com o parte inferior do amplificador de fone de ouvido.

Etapa 10: melhorias

Se eu quisesse transformar isso em um produto, sem dúvida haveria coisas que mudaria, mas, tendo feito para mim um gadget que serve ao meu propósito, vou passar para outros projetos.

O circuito:

• Uma fonte de alimentação bipolar poderia ter sido melhor. Uma vez que a corrente consumida pelos opamps é pequena, um inversor de tensão de bomba capacitiva como o MAX660 teria facilmente fornecido o fornecimento negativo.
• Com uma alimentação bipolar, o conversor boost de 5 V não seria necessário para os amplificadores operacionais. O amplificador de fone de ouvido LM4880 funcionará na tensão de saída bruta de uma bateria LiPo, embora a potência máxima de saída seja reduzida de 250mW por canal para cerca de 100mW por canal.

O quadro:

• O tamanho da placa é exatamente o que resultou do processo de layout, mas comprimi-la para um tamanho exato, como 6x6cm, teria tornado o design da caixa um pouco mais fácil.
• Da mesma forma, teria sido mais legal colocar os conectores de entrada e saída de 3,5 mm em linha e exatamente no meio dos dois lados. Isso também facilitaria o design da caixa.
• Teria sido simples integrar o circuito do carregador LiPo. O conversor boost de 3 - 5 V não seria necessário com uma alimentação bipolar, economizando 2 módulos separados.
• Com um carregador TP4056 simples usado, a bateria pode ficar sobrecarregada se você tentar carregá-la com a unidade ligada. Carregadores um pouco mais sofisticados incluem um circuito de proteção simples, que valeria a pena incluir.
• Com as modificações acima, o switch pode então ser montado na placa. O método de montagem do switch na caixa impressa em 3D não era o ideal.
• Um interruptor de 2 pólos e 3 vias permitiria que o módulo Bluetooth fosse alimentado apenas quando necessário.

A Caixa:

• A montagem dos módulos em 2 camadas tornou a montagem mais difícil do que o necessário, e uma caixa mais fina, porém maior, poderia caber melhor em um bolso.
• A chave é facilmente ligada inadvertidamente. Teria sido simples incluir guardas ao seu redor no design de impressão 3D para evitar isso.

Outras aplicações:

Se, talvez como um audiófilo, você queira apenas um amplificador de fone de ouvido equalizado que dê tanto aumento quanto corte em uma variedade de frequências, você pode usar essencialmente o mesmo design.

Para dar impulso e corte, elimine R113, R123, R133 e R213, R223, R233 (ou substitua por resistores 0Ω) e substitua os trimpots por 10k (potenciômetros deslizantes se você preferir).

Você pode adicionar quantas instâncias do circuito girador forem necessárias.