Amplificador de auriculares ecualizado para personas con problemas de audición: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Mis necesidades

Hace algunos meses me colocaron unos audífonos para compensar la pérdida de sensibilidad a las frecuencias altas, lo que provocaba que los sonidos se amortiguaran y me resultara difícil distinguir los sybillants (por ejemplo, "S" y "F"). Pero las ayudas no brindan ningún beneficio cuando se usan auriculares, ya que los micrófonos están detrás de la oreja. Después de experimentar con un collar inductivo y una entrada directa a mis audífonos (ninguno de los cuales dio resultados satisfactorios) se me ocurrió la idea de un amplificador de audífonos con una respuesta de frecuencia ajustable diseñada para igualar la de mis audífonos.

Si tiene algún otro requisito para la ecualización, este proyecto podría adaptarse fácilmente. Proporciona realce (o corte, con una modificación trivial) en 3 frecuencias centrales. Sin embargo, podría extenderse a más bandas de frecuencia.

El resultado

Lo que terminé con fue una pequeña caja cuadrada de 6 cm con un conector de 3,5 mm y entradas de Bluetooth y una salida de auriculares con conector de 3,5 mm. Encontré que la mejora en la experiencia auditiva para la música es espectacular y una gran mejora para el habla.

Lo que te dará este Instructable

Permítanme decir desde el principio que este no es un proyecto para principiantes. Necesitará un nivel razonable de habilidades de soldadura, y si desea modificarlo (como es posible), deberá aprender Eagle para el diseño de la placa y TinkerCAD para la caja impresa en 3D. Ambos me tomó un poco de tiempo dominarlos, pero ninguno fue difícil. Espero que la gente aprenda algo de mis Instructables (a menos que ya sepas más que yo), no que sigan las instrucciones a ciegas.

Si nunca ha soldado componentes de montaje en superficie, no se desanime, no es tan difícil como podría pensar. Consulte esta guía para obtener una introducción.

Lo que obtendrá de este proyecto es:

• Archivos de diseño de Eagle (esquema y diseño de la placa)
• Una hoja de cálculo de Excel que incorpora las ecuaciones de diseño para permitirle personalizar la ecualización según sus necesidades.
• El diseño de TinkerCAD para la caja impresa en 3D.

Dado que el pedido mínimo para la placa de circuito impreso personalizada era de 5 piezas, tengo 3 placas desnudas de repuesto (una vendida). Estos ya están a la venta en eBay; consulte

Paso 1: El proceso de diseño: requisitos y estrategia

Cuando comencé a pensar en este proyecto, una de las primeras preguntas en mi mente era si usar filtros analógicos o digitales. En un hilo en el foro All About Circuits, Keith Walker me alertó sobre un ecualizador gráfico (analógico) muy barato del Lejano Oriente (ilustrado arriba) que había usado para resolver el mismo problema. Así que pedí uno como prueba de concepto.

Funcionó bien, pero era demasiado voluminoso para el uso portátil y necesitaba rieles de alimentación tanto positivos como negativos, un inconveniente adicional. Pero confirmó el enfoque y el tipo de circuitos de filtro a utilizar.

Refiné mis requisitos a lo siguiente:

• Debe ser compacto, portátil y alimentado por una batería recargable.
• Debe aceptar la entrada de un conector de 3,5 mm o Bluetooth.
• Debe tener canales estéreo derecho e izquierdo separados.

He utilizado componentes convencionales de orificios pasantes y circuitos integrados DIL de 0,3 en placas de láminas en muchos proyectos anteriores, pero esto lo habría hecho demasiado voluminoso. Así que decidí que tendría que diseñar una PCB personalizada (una nueva experiencia para mí) utilizando la superficie componentes de montaje (de los cuales tengo una experiencia modesta) También tendría que diseñar una caja impresa en 3D (mi experiencia en diseño 3D era muy limitada).

Una capacidad Bluetooth sería fácil de agregar usando cualquiera de los varios módulos Bluetooth económicos que están disponibles.

Hay 2 o 3 circuitos integrados de ecualizador gráfico dedicados que miré, pero el uso de amplificadores cuádruples baratos parecía al final más simple y solo requería la misma cantidad de componentes externos.

Paso 2: Diseño detallado

El elemento de circuito básico que utilicé se conoce como girador. Utiliza un amplificador operacional para convertir un capcitor en un inductor virtual. Esto y un condensador más hacen un circuito sintonizado, proporcionando corte o refuerzo en un cierto rango de frecuencias. Muchos diseños de ecualizadores gráficos utilizan un diseño prácticamente idéntico y no tiene sentido apartarse de él. Están ejemplificados por éste de Electronics Today International, septiembre de 1977, página 27. Este artículo explica muy claramente cómo funciona el circuito.

Solo lo modifiqué usando cuatro amplificadores operacionales que funcionarían con una sola fuente de 5V, y agregando un IC amplificador de auriculares para asegurarme de que conduciría adecuadamente los auriculares. También reemplacé cada potenciómetro por un potenciómetro y una resistencia para dar solo impulso y un control más fino, ya que no necesitaba cortar.

El esquema y el diseño de la placa (ambos generados con Eagle) se muestran arriba.

Una gran característica de Eagle es que incluye el paquete de simulación de circuito Spice, lo que permite validar el diseño y predecir la respuesta de frecuencia antes de comprometerse con la fabricación de la PCB.

La placa proporciona 2 entradas, un conector jack de 3,5 mm y almohadillas de soldadura para la conexión de un módulo receptor Bluetooth. Estos están efectivamente en paralelo. La energía se puede suministrar a través de una toma mini-USB o almohadillas de soldadura. Usé mini en lugar de micro-USB, ya que un conector micro-USB sería bastante difícil de soldar a mano y también es menos robusto.

Paso 3: Instalación y configuración de Eagle

Si desea enviar el diseño de la placa para su fabricación, modificar el diseño o simplemente modificar la curva de respuesta, deberá instalar Eagle. Si (como yo cuando comencé este proyecto) no está familiarizado con él, el sitio web de SparkFun tiene una serie de tutoriales útiles en

El primero en mirar es Cómo instalar y configurar Eagle.

Esto incluye la instalación de las bibliotecas SparkFun. El archivo zip descargado contiene una carpeta SparkFun-Eagle-Libraries-master que debe copiar a EAGLE / libraries

También necesita importar mis archivos de esquema y diseño de placa de Eagle, y mis modelos de Spice. (Spice es el software de simulación de circuitos que nos permite simular la respuesta de frecuencia del amplificador).

Todos estos están incluidos en un archivo zip que puede descargar desde

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Abra el archivo zip y arrastre y suelte los proyectos y las carpetas de especias en su carpeta EAGLE. (Ya contendrá una carpeta de proyectos vacía).

Ahora debería estar listo para iniciar Eagle.

En el panel de la izquierda, abra Proyectos, luego proyectos y luego Ecualizado para amplificador de auriculares.

Haga doble clic en los archivos Headphone_Amp.brd y Headphone_Amp.sch. Estos se abrirán en ventanas separadas, la primera mostrando el diseño de la placa y la segunda el esquema.

En el esquema, busque y haga clic en el botón Simular.

Esto abre la configuración de simulación. Haga clic en el botón de opción Barrido de CA, establezca el Tipo en Dec (el valor predeterminado) y las Frecuencias de inicio y finalización en 100 y 10000 respectivamente. Haga clic en el botón Simular en la parte inferior derecha. Después de una pausa, debería aparecer un gráfico de la respuesta de frecuencia, tal como se muestra en el siguiente paso.

Paso 4: Ajustar la curva de respuesta

Es muy probable que sus oídos sean diferentes a los míos, por lo que primero necesita una copia de su audiograma. Su audiólogo debería poder proporcionarle esto, pero si tiene un buen par de auriculares, puede hacer los suyos en

Esto debería darle una buena idea de cuánto impulso necesita en diferentes frecuencias. En mi caso, mi pérdida auditiva aumenta rápidamente por encima de los 3 kHz, por lo que no es factible compensar mucho más. En cualquier caso, algunos experimentos que analizaron el espectro de varias fuentes con Audacity indicaron que probablemente no había mucho por encima de eso para que yo me perdiera.

Tal como está, el proyecto le permite ajustar la respuesta de frecuencia en 3 frecuencias centrales de 1.5, 2.3 y 3.3kHz, independientemente entre los canales izquierdo y derecho. Puede seguir con estas frecuencias o cambiarlas (consulte el siguiente paso).

En su carpeta EAGLE / spice encontrará modelos para los 3 trimpots POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl y POT_VR131.mdl. Estos controlan la respuesta en las 3 frecuencias. Al abrir cualquiera de estos con un editor de texto (por ejemplo, el Bloc de notas) verá una línea como:

.param VAR = 50

Cambie el número a cualquier valor entre 0 y 100 para representar la posición del potenciómetro de ajuste correspondiente y, por lo tanto, el impulso a esa frecuencia entre cero y el máximo.

Ahora vuelva a ejecutar la simulación (haga clic en Actualizar lista de redes antes de hacer clic en Simular) para ver cómo se ve ahora la respuesta de frecuencia.

Paso 5: Cambio de las frecuencias centrales

En la carpeta Eagle Project, he incluido una hoja de cálculo de Excel Calc.xlsx. Ábralo con Excel (o si no tiene Excel, LibreOffice Calc, que es gratis). Esta hoja de cálculo incorpora los cálculos de diseño para solo una de las 3 secciones de filtro.

El primer cuadro le permite calcular la frecuencia central y el factor Q para valores dados de R1, R2, C1 y C2. (El factor Q o Calidad determina el ancho de la banda. Un valor más alto da una banda más estrecha y más realce. Los valores alrededor de 4 parecen funcionar bien si cada frecuencia es aproximadamente un 50% mayor que la anterior).

De hecho, es más probable que desee elegir las frecuencias y calcular los valores de los componentes. Dada una frecuencia deseada y tres de los cuatro valores de los componentes, el segundo cuadro le permite calcular el valor del cuarto componente.

Los componentes vienen en valor preferido (por ejemplo, la serie E12), por lo que puede elegir el valor preferido más cercano al valor calculado y retroalimentarlo en el primer cuadro para ver qué frecuencia real da.

Luego, debe conectar sus valores en el esquema de Eagle y repetir la simulación.

Abra el esquema y, en el panel de la izquierda, haga clic en el icono del valor del componente y luego haga clic en el componente que desea cambiar. (La simulación está configurada para operar solo en el canal inferior o izquierdo). Recibirá una advertencia que indica que el componente no tiene un valor definible por el usuario. Quieres cambiarlo? ¡Por supuesto que sí! Ingrese el nuevo valor en el cuadro que aparece.

Haga clic en el botón Simular, haga clic en Actualizar lista de redes y luego en Simular.

Paso 6: componentes necesarios

Por supuesto, necesitará una placa de circuito. A menos que use una de mis tablas desnudas de repuesto, deberá enviar los archivos Eagle para su fabricación. La mayoría de los fabricantes requieren el diseño como un conjunto de archivos gerber. En lugar de duplicar las instrucciones aquí, busque en línea Eagle export gerber o consulte el tutorial de Sparkfun.

Los archivos gerber separados describen las capas de cobre, la máscara de soldadura, la serigrafía, la perforación y el fresado del contorno de la placa.

Al enviar los archivos en línea a un fabricante, los validará y le avisará si falta alguno de los archivos esenciales. Pero no le avisará si falta un archivo de serigrafía, que fue mi error. Esto es independiente de los esquemas del dispositivo.

Necesitará los siguientes componentes para llenar la placa.

• Amplificador operacional cuádruple TL084 SOIC-14 - 2 unidades
• Amplificador de potencia LM4880M SOIC 250mW - 1 unidad
• Surtido de resistencias SMD 0603
• Surtido de condensadores cerámicos SMD 0603 100pF - 1μF
• 5K Trim Pot 3362P-502 - 6 unidades
• Condensador de cerámica multicapa de 10uF 16V SMD 0805 - 4 unidades
• 2917 (EIA7343) Condensador de tantalio 100μF 16V - 2 unidades
• 2917 (EIA7343) Condensador de tantalio 470μF 10V - 2 unidades
• Mini enchufe USB hembra de 5 pines SMD
• Conector de audio estéreo para montaje en PCB con orificio pasante de 3,5 mm - 2 unidades
• LED azul de 3 mm (o su elección de color)

Para una unidad completa alimentada por batería con entrada Bluetooth, además necesitará:

• Módulo receptor Bluetooth compatible con A2DP como este
• Batería LiPo: 503035 3.7V 500mAhr
• Cargador TP4056 LiPo con entrada mini-USB (o microUSB si lo prefiere) como este
• Convertidor elevador de 3V - 5V como este
• Interruptor deslizante Mini SPDT

NB: Es probable que el cargador LiPo esté configurado para una corriente de carga de 1A, que es demasiado para una batería de 500mAhr. Es importante que retire la resistencia de programación de la tasa de carga (normalmente 1.2K conectada al pin 2 del chip TP4056) y la reemplace con una de 3.3k.

Usé una batería LiPo con extremos de cable, pero una con un conector JST en miniatura permitiría que se conectara solo después de realizar el cableado y verificar todo lo demás, además de facilitar su reemplazo.

Es preferible un módulo Bluetooth que funcione con 3.3 V o 5 V, ya que luego puede tomar su suministro directamente de la batería, reduciendo el ruido digital en el suministro de 5 V a la placa de circuito principal.

Si elige un módulo Bluetooth compatible con AVRCP y A2DP, puede agregar botones para subir / bajar el volumen y la pista siguiente / anterior.

Muchos módulos Bluetooth tienen un LED de montaje en superficie para indicar el estado de conexión, y el cargador TP4056 tiene LED de montaje en superficie rojo y verde para indicar el estado de carga. Una caja como la que hice probablemente los ocultará, por lo que pueden ser reemplazados (ver más adelante) por:

• LED azul de 3 mm
• LED de ánodo común rojo / verde de 3 mm.

Paso 7: uso de un prototipo de placa desnuda

Si ha obtenido uno de mis prototipos de placas de repuesto, solo hay algunos errores menores que debe conocer.

• No hay serigrafía en la parte superior del tablero. Le resultará útil tener a mano una copia impresa del diseño del tablero a medida que lo completa.
• Un par de vías estaban destinadas a unir los planos de tierra superior e inferior que no lo hacen. Esto no tiene importancia.
• C3 originalmente era 100uF, en un paquete 2917. Este valor era demasiado grande y ahora es 1uF 0603. Deberá raspar un poco de la resistencia de soldadura del plano de tierra para ajustarlo, como se muestra en la foto.

La ganancia se establece mediante los valores de las resistencias R106 y R206. 22k da una ganancia unitaria aproximada. Como es posible que desee experimentar con diferentes valores, proporcioné almohadillas de resistencia SMD 0603 y orificios con un paso de 0,3 para las resistencias con extremos de cable.

Paso 8: Boxing It

Puede encontrar el diseño imprimible en 3D para la caja que utilicé en tinkercad.com. Las holguras eran demasiado estrechas, así que he aumentado la longitud y el ancho de la caja en 1 mm.

La parte inferior de la caja proporciona compartimentos para la batería, el cargador, el convertidor elevador de 5V y el módulo Bluetooth. La placa del amplificador de auriculares encaja en la parte superior. La tapa está sujeta por dos tornillos autorroscantes M2x5mm.

El cargador idéntico y los módulos de refuerzo de 5 V están ampliamente disponibles, pero hay muchos módulos Bluetooth diferentes. Si alguno de estos es diferente al mío, deberá modificar el diseño de la caja.

Una vez en su lugar, puede retener ligeramente los módulos con pegamento termofusible.

Paso 9: Cableado

Para propósitos de prueba, adjunté todos los módulos a un trozo de cartón usando blu-tac. A partir de esto, descubrí que el enrutamiento de las conexiones a tierra era fundamental. La tierra del módulo Bluetooth debe llevarse al amplificador de auriculares junto con los canales let y right, pero luego la conexión a tierra de la placa de distribución debe ir al módulo Bluetooth, no al amplificador de auriculares, de lo contrario obtendrá mucho ruido digital desde el módulo Bluetooth en la salida.

Monté el interruptor de encendido / apagado en un pequeño trozo de tablilla, de 6 tiras de ancho por 5 de largo y con un corte de 2x4 para el interruptor. Esto también sirve como tablero de distribución de energía. Cuando estuvo completamente cableado, pegué el interruptor en su lugar (con el tablero de listones adjunto) con pegamento epoxi. Si estuviera rehaciendo el proyecto, haría una provisión para el interruptor en la placa del amplificador de auriculares.

Necesita un cable trenzado bastante delgado para conectarlo, así que dividí un tramo de cable de cinta de arco iris, lo que me dio cables individuales de diferentes colores. Normalmente, pasaría los cables a través de un orificio en una placa y los soldaría en el otro lado, pero con los diversos módulos en su lugar en la base de la caja, tuve que soldar al mismo lado de la placa desde donde entró el cable, con solo un poco más de aislamiento de lo que hubiera sido necesario. Tuve que montar la placa de láminas con el lado de cobre hacia arriba y soldar las conexiones de manera similar.

Quería que los LED del cargador y los módulos Bluetooth fueran visibles, así que quité los LED SMD integrados y conecté las almohadillas a los LED de 3 mm. Perforé agujeros en la caja para estos ya que no los había permitido en mi caja impresa en 3D. Los conecté a las almohadillas de soldadura de los módulos con alambre esmaltado que se puede soldar. Está recubierto de poliuretano autofundente que se funde con el calor de un soldador.

Para el módulo del cargador, utilicé un LED de ánodo común rojo / verde. El ánodo común debe estar conectado a cualquiera de las almohadillas LED SMD más cercanas al borde de la placa (que puede confirmar con un multímetro). Si su módulo Bluetooth tiene un LED SMD, deberá determinar la polaridad con un multímetro. Algunos módulos tienen conexiones para un LED externo.

Antes de insertar el amplificador de auriculares en la caja sobre los otros módulos, me pareció necesario colocar pequeños trozos de cinta de PVC en la parte superior de dos condensadores electrolíticos en el módulo Bluetooth y en la toma de carga mini-USB para evitar cortocircuitos con el parte inferior del amplificador de auriculares.

Paso 10: mejoras

Si quisiera convertir esto en un producto, indudablemente hay cosas que cambiaría, pero habiéndome hecho un gadget que sirve para mi propósito, pasaré a otros proyectos.

El circuito:

• Una fuente de alimentación bipolar podría haber sido mejor. Dado que la corriente consumida por los amplificadores operacionales es pequeña, un inversor de voltaje de bomba capacitivo como el MAX660 habría proporcionado fácilmente el suministro negativo.
• Con un suministro bipolar, los amplificadores operacionales no necesitarían el convertidor elevador de 5V. El amplificador de auriculares LM4880 funcionará con el voltaje de salida sin procesar de una batería LiPo, aunque la potencia de salida máxima se reducirá de 250 mW por canal a alrededor de 100 mW por canal.

El tablero:

• El tamaño de la placa es exactamente el resultado del proceso de diseño, pero reducirlo a un tamaño exacto como 6x6 cm habría facilitado un poco el diseño de la caja.
• Del mismo modo, habría sido más ordenado haber colocado las tomas de entrada y salida de 3,5 mm en línea y exactamente en el medio de los dos lados. Esto también habría facilitado el diseño de la caja.
• Hubiera sido sencillo incorporar el circuito del cargador LiPo. El convertidor elevador de 3 a 5 V no sería necesario con un suministro bipolar, por lo que se ahorrarían 2 módulos separados.
• Con un simple cargador TP4056 como se usa, la batería puede sobrecargarse si intenta cargarla con la unidad encendida. Los cargadores un poco más sofisticados incluyen un circuito de protección simple, que valdría la pena incluir.
• Con las modificaciones anteriores, el interruptor podría montarse en la placa. El método de montaje del interruptor en la caja impresa en 3D no fue el ideal.
• Un interruptor de 2 polos y 3 vías permitiría que el módulo Bluetooth se encienda solo cuando sea necesario.

La caja:

• El montaje de los módulos en 2 capas hizo que el montaje fuera más difícil de lo necesario, y una caja más delgada pero más grande podría haber encajado mejor en un bolsillo.
• El interruptor se enciende fácilmente sin darse cuenta. Hubiera sido sencillo incluir protectores a su alrededor en el diseño de impresión 3D para evitar esto.

Otras aplicaciones:

Si, tal vez como audiófilo, solo desea un amplificador de auriculares ecualizado que brinde realce y corte en una variedad de frecuencias, puede usar esencialmente el mismo diseño.

Para dar tanto impulso como corte, elimine R113, R123, R133 y R213, R223, R233 (o reemplácelos por resistores de 0Ω) y reemplace los trimpots por 10k (potenciómetros deslizantes si lo prefiere).

Puede agregar tantas instancias del circuito giratorio como necesite.