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Entwicklung eines Kopfhörerverstärkers

An dieser Stelle möchte ich gerne anhand eines Demoprojektes Einblicke in den Entwicklungsprozess eines Elektronikgerätes geben. Dabei soll dieser Artikel weniger technische Referenz, sondern viel mehr einen Überblick über die einzelnen Schritte und Techniken bieten, die bei der Entwicklung eines Produktes zum Einsatz kommen.

Violine mit Kofhörer und Verstärker

Vorwort

Die Idee zu diesem Projekt kam mir als ich vor Kurzem begonnen habe das Geigenspiel zu erlernen. Damit mein damals 7 monate alter Sohn und unsere Nachbarn sich nicht durch mein abendliches sehr "virtuoses" Geigenspiel gestört fühlen, entschied ich mich für eine E-Violine, welche ohne Verstärkung sehr leise ist. Mithilfe eines Kopfhörerverstärkers kann das Instrument, für den Träger des Kopfhörers, auf die Lautstärke einer gewöhnlichen Geige verstärkt werden. Da es mir ein besonderes Anliegen ist auch weniger technisch Versierten meine Leidenschaft für die Elektronikentwicklung nahe zu bringen, ich aber noch kein passendes Demoprojekt für diesen Artikel hatte, entschloss ich mich den Verstärker selbst zu entwickeln und den Prozess hier zu beschreiben.

Erstellen der Spezifikation

Erste Muster und Prototypen werden in der Regel in sehr kleinen Stückzahlen von ein bis fünf Geräten gefertigt. Daher scheidet eine preisliche Konkurrenz zu kommerziellen Produkten zunächst aus und es wurde darauf verzichtet ein Preisziel zu erstellen. Es sollte jedoch trotzdem ein hochwertiger Verstärker werden, der auch möglichst schön anzusehen ist. Die unten stehenden Anforderungen resultieren aus der Situation in welcher ich das fertige Gerät nutzen möchte. So habe ich zu Hause noch einen professionellen Studiokopfhörer, der nur Kabelgebunden funktioniert und ich habe keine Lust mehr Kabel als notwendig zu verbinden. Mein Kopfhörer besitzt zwei 50 Ohm Treiber und einen 6,3mm Klinkenstecker. Die Geige hat ebenfalls eine 6,3mm Klinkenbuchse. Diese Angaben bestimmen die Anschlussstecker des Verstärkers genau so wie dessen gewünschte Nennleistung. Ich habe ausserdem erwähnt, dass ich keine unnötigen Kabel anschließen möchte wenn ich das Üben beginne, also sollte das Gerät akkubetrieben sein und dieser auch nicht frühzeitig erschöpfen. Man will ihn weder jeden Tag noch während dem Spielen aufladen müssen. Aufgeladen werden muss er aber früher oer später und eine "universelle" Lademöglichkeit bietet der USB-Anschluss - heute hat eigentlich jeder mindestens ein Ladegerät fürs Handy - . Kaum weniger nervig ist wenn der Akku leer ist, weil man vergessen hat das Gerät auszuschalten. Es wäre also angenhem wenn das Gerät dies für mich erledigt. Noch besser wäre es wenn es sich auch noch selbstständig einschaltet, damit ich das auch erkenne, benötigt es mindestens eine LED zur Statusanzeige. Zu guter Letzt möchte ich ein ansprechend designtes Gehäuse. Da ich einen 3D-Drucker besitze, bietet es sich also an das Design und die Fertigung selbst zu übernehmen. Damit ergeben sich folgende Anforderungen:

Schaltungsentwurf / Bauteilauswahl

Der Piezotonabnehmer, der in Instrumenten zur Tonausgabe eingesetzt wird, kann nur sehr kleine Ströme -im millionstel Amperebereich- erzeugen. Dies ist jedoch nicht ausreichend, um mit einem Kopfhörer etwas Hörbares zu erzeugen. Außerdem sind die Signale, die der Piezotonabnehmer erzeugt sehr empfindlich und störanfällig. Durch eine sogenannte Impedanzwandlung kann mithilfe eines Operationsverstärkers das Signal eingelesen und "robuster" wieder ausgegeben werden. Die dabei erzeugten Ströme befinden sich dann schon im tausendstel Amperebereich. Um die Qualität des Signals zu verbessern, können zusätzlich Störungen, welche sich häufig durch Brummen oder Fiepen äußern, mit einem entprechendem Filter herausgefiltert werden. Die Konstruktion eines solchen Filters ist mit dem von uns entwickelten IBD Filtercreator möglich. Das Programm gibt anhand der eingegebenen Werte fertige Simulationsschaltpläne aus.

A Screenshot of IBD Filter Creator

Die Funktion der Verstärker und Filter kann mithilfe eines Simulationprogramms überprüft werden. In diesem Fall ist exemplarisch der Ausgang unseres Filters durch LTSpice abgebildet.

LT spice simulation

Ein Leistungsverstärker erzeugt nun aus dem gefilterten Signal ein für den Kopfhörer brauchbares Signal. Die spätere Größe des Gerätes wurde maßgeblich durch die Größe des 6,3mm großen Klinkensteckers sowie der passenden Buchse bestimmt. Diese wurden so gewählt, dass eine platzsparende Montagemöglichkeit auf der Leiterplatte gegeben ist. Das restliche zur Verfügung stehende Volumen wird großteils durch ein Lithium Polymer Akku ausgefüllt. Es wurde eine Ladefunktion integriert und eine USB-Buchse zum Aufladen angebracht. Um trotz der begrenzten Akkuladekapazität eine möglichst lange Laufzeit zu gewähren, wurde die Ausgangsbuchse so gewählt, dass sich beim Herausziehen des Kopfhöres das Gerät automatische abschaltet. Dies wird durch eine geschickte Doppelnutzung der Buchsenkontake erreicht, welche der Elektronik das Ein- und Ausstecken des Kopfhörers melden. Der Schaltplan und die Leiterplatte wurden mit KiCAD erstellt. Das Programm bietet auch die Möglichkeit die Leiterplatte als Konstruktionsmodell zu exportieren.

Leiterplatte Verstärker

Gehäusekonstruktion

Bei der Konstruktion lag der Fokus auf einem möglichst einfach zu montierendem Mechanismus und einem ansprechendem Design. Das Modell der Leiterplatter erleichtert diesen Prozess enorm. Außerdem wurde der spätere 3D Druck im Hinterkopf behalten und alle Kanten, Wandstärken sowie die Gesamtgeometrie so gestaltet, dass diese später gut produziert d.h. gedruckt werden können. Die Aussparungen für Ladebuchse und die Status-LEDs wurden ebenfalls berücksichtigt. Der Transport des Lichtsignals der LEDs wird mit speziell angefertigten Lichtleitern bewerkstelligt, die außerdem das Signal etwas diffuser darstellen. Diese Lichtleiter sind im Prinzip einfache Acrylglasstangen mit aufgerauter Stirnfläche. Des Weiteren sorgt eine kleine Rastnase dafür, dass Deckel und Gehäuse sich nicht gegeneinander verdrehen können und die Mutter der Klinkenbuchse fixiert Deckel und Hauptgehäuse, sodass zur Demontage lediglich die Mutter gelöst werden muss.

A Screenshot of the case in solidworks

Montage

Nun da die einzelnen Komponenten konstruiert sind, müssen sie noch gefertigt werden. Leiterplatten können heute bei einer Vielzahl von Herstellern über das Internet sehr kostengünstig bezogen werden. Das Bestücken der Leiterplatte funktioniert sehr gut mit einer sogenannten Pastenschablone, die beim Leiterplattenhersteller mit bestellt werden kann. Mithilfe dieser Schablone wird eine Paste aus sehr kleinen Zinnkügelchen und Flussmittel auf die Pads - das sind die Kontaktflächen der einzelnen Bauteile auf der Leiterplatte - aufgebracht. Nachdem die Lötpaste aufgetragen wurde, werden die Bauteile aufgesetzt und mithilfe eines speziellen Ofens, oder bei kleineren simpleren Leiterplatten mit dem Lötkolben oder Heißluft verlötet. Der Akku muss lediglich mit Montageklebeband auf der Leiterplatte fixiert werden, da das Gehäuße so konstruiert wurde, dass es dem Akku nach dem Einstecken kaum Bewegungsfreiheit bietet. Zuletzt wird das zweitteilige Gehäuse zusammengesteckt und die Lichtleiter von außen angebracht.

Inbetriebnahme

Es empfiehlt sich bei der Erstinbetriebnahme von akkubetriebenen Geräten aufgrund der hohen Kurzschlussleistung zunächst mit einer Laborspannungsversorgung zu arbeiten und den Akku ersteinmal nicht anzuschließen. Zur Generierung des Eingangssignals, also der Simulation des Piezos kann ein Signalgenerator verwendet werden. Dieser wird mit den beiden Kontakten des Klinkensteckers verbunden und anstelle des Kopfhörers kann ein Oszilloskop sowie ein Leistungswiderstand verbunden werden. Nun können die in der Simulation gewonnenen Daten überprüft werden. Soll genau auf bestimmte Spezifikationen und Normen geprüft werden reicht diese Genauigkeit oft nicht aus und anstelle eines Oszilloskops und eines Signalgenerators sollte ein Netzwerkanalysator mit entsprechend ausreichend genauer Signalquelle verwendet werden.

Fertiges Produkt

Sind alle Tests erfolgreich und die Funktionsweise des Produktes zufriedenstellend ist die Entwicklung abgeschlossen und das Produkt kann für die Serienproduktion optimiert werden. Da es hier keine Serienproduktion geben wird, endet der Prozess hier.

A Screenshot of IBD Filter Creator