Kapitel Soundbox kap05
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HSR Hochschule für Technik Rapperswil 5 Projekt Soundbox Die Soundbox spielt die Musik von einem MP3-Player oder einem anderen Audiogerät ab. Über die Audiobuchse kann eine Audioquelle mit der Soundbox verbunden werden. Die Stromversorgung ist über die Netzspannung realisert. Die Elektronik der Soundbox ist bewusst mit Standardbauteilen konstruiert. Sowohl die Spannungsregelung als auch der Audioverstärker sind mit diskreten Transistoren realisiert. Neben der Bestückung der Leiterplatte muss das Gehäuse bearbeitet werden, das heisst Löcher für den Lautsprecher, den Schalter und die Buchsen müssen gebohrt werden. Am Schluss wird die Box verdrahtet, dabei werden die Techniken Crimpen, Schraubklemmen sowie Löten und Isolieren mit Schrumpfschlauch angewendet. Die Schaltung der Soundbox besteht hauptsächlich aus zwei Teilbereichen, die in der Elektronik sehr häufig vorkommen. Der erste Bereich beinhaltet den Speisungsteil. Dieser Teil der Schaltung sorgt dafür, dass eine stabile und rauschfreie Speisespannung für die weitere Schaltung zur Verfügung steht. Der zweite Bereich beinhaltet den eigentlichen Audioverstärker. Dieser Schaltungsteil verstärkt das eingespeiste Audiosignal und gibt es durch den Lautsprecher wieder. 5.1 Funktion des Speisungsteils Die Soundbox wird über das Netzkabel gespeist und bezieht somit die nötige elektrische Energie aus der Steckdose. Jedoch liefert das Netz eine Wechselspannung von 230 V. Bevor die Soundbox damit betrieben werden kann, müssen noch einige wichtige Massnahmen getroffen werden, denn das direkte Betreiben einer Schaltung mit Netzspannung hat grosse Nachteile und ist in einigen Fällen sogar verboten. Die Netzspannung muss im Gerät zuerst galvanisch getrennt und in eine niedrigere Spannung (z.B. 12 Volt) transformiert werden, damit ein Personenschutz gewährleistet ist. Sowohl die galvanische Trennung wie auch die Transformierung wird mittels eines Transformators erreicht. 5.1.1 Der Transformator Das Prinzip des Transformators beruht auf elektromagnetischer Induktion. Ein Transformator besteht grundsätzlich aus zwei Drahtwicklungen, die isoliert auf einem gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind. Die beiden Wicklungen werden Primär- und Sekundärwicklung genannt. Durch den gemeinsamen Eisenkern sind die beiden Wicklungen miteinander magnetisch gekoppelt. Somit kann elektrische Energie von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung übertragen werden, ohne dass die beiden Wicklungen elektrisch verbunden sein müssen. 26 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Der Transformator ist in der Lage eine Primär-Wechselspannung sowohl in eine höhere wie auch in eine niedrigere Sekundär-Wechselspannung zu transformieren. Die Spannungsübersetzung (ü) ist grundsätzlich proportional zum Verhältnis der beiden Windungszahlen Nprim und Nsek . ü = = = (5.1) In der Soundbox-Schaltung wird die Netzspannung auf eine Sekundärspannung von 12 V∼ transformiert. Da aber der Audioverstärker nicht mit einer Wechselspannung betrieben werden kann, muss diese zuerst in eine Gleichspannung gewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt das Speisungsteil der Soundbox-Schaltung. Um die gewünschte Gleichspannung zu erreichen, muss die Wechselspannung zuerst gleichgerichtet werden und anschliessend geglättet und stabilisiert werden. 230V~ Primärwicklung Sekundärwicklung 12V~ Abbildung 5.1: Schaltzeichen eines Transformators 5.1.2 Der Gleichrichter Eine typische Gleichrichterschaltung ist der Brückengleichrichter. Dieser besteht aus vier Siliziumdioden, wie in Abbildung 5.2 dargestellt. Der Brückengleichrichter funktioniert wie folgt: die positive Halbwelle der Wechselspannung wird unverändert durchgelassen; die negative Halbwelle hingegen, wird vom Gleichrichter “hinaufgeklappt”. Somit resultiert am Ausgang des Gleichrichters eine rein positive Spannung, die in Abbildung 5.3b als gestrichelte Linie gezeichnet ist. Um diese pulsierende Spannung zu glätten kann ein Kondensator parallel zum Ausgang geschaltet werden. Dadurch werden die tiefen Spannungseinbrüche kompensiert und die Spannung sieht nun eher nach einer Gleichspannung aus, wie dies in Abbildung 5.3b die durchzogene Linie zeigt. U1 U2 Abbildung 5.2: Brückengleichrichter mit Glättungskondensator 27 HSR Hochschule für Technik Rapperswil u1 (t) a) t u2 (t) b) t Abbildung 5.3: Spannungsverlauf: a) reine Wechselspannung, b) nach dem Gleichrichter Bei einer reinen Wechselspannung (z.B. die Netzspannung) unterscheidet man zwischen verschiedenen Grössen: Effektivwert Ueff : Der Effektivwert einer Wechselspannung entspricht der Grösse, die eine Gleichspannung haben müsste, um die gleiche Leistung (z.B. an einer Glühlampe) zu erzielen. Bei der Netzspannung aus der Steckdose gilt Ueff = 230 V. Spitzenwert Û : Der Spitzenwert einer Wechselspannung entspricht dem höchsten Wert der √ Sinusschwingung. Diese √ errechnet sich bei einem reinen Sinus zu Û = 2 · Ueff . Bei der Netzspannung gilt Û = 2 · 230 V ≈ 325 Vs . Nach dem Gleichrichten und Glätten der Wechselspannung U1 = 12 Veff resultiert nun eine Gleichspannung U2 mit einer Amplitude von ca. 17 Volt. Diese höhere Spannung lässt sich damit erklären, dass der Glättungskondensator immer auf den Spitzenwert der Wechselspannung aufgeladen wird. √ Spitzenwert Û = 2 · Ueff ≈ 17 Vs Effektivwert Ueff = 12 V u1 (t) t Abbildung 5.4: Spitzen- und Effektivwert der transformierten Wechselspannung 28 HSR Hochschule für Technik Rapperswil 5.1.3 Die Spannungsstabilisierung Die Spannung nach dem Gleichrichter wird nun mittels dem nachgeschalteten Spannungsregler auf einen konstanten Wert stabilisiert. Die Spannungsregler-Schaltung gleicht die restlichen Schwankungen aus. Am Ausgang des Reglers resultiert dann eine Gleichspannung von exakt 12 V, die frei von jeglichen Schwankungen und Spannungseinbrüchen ist, die sich negativ auf den nachfolgenden Verstärker auswirken könnten. Abbildung 5.5: Schema des Speisungsteils 5.2 Audioverstärker Die stabilisierte Spannung versorgt den Audioverstärker mit Energie. Der Audioverstärker besteht aus drei Teilen: die Lautstärkeregelung, der Vorverstärker und der Leistungsverstärker. Abbildung 5.6: Schema des Verstärkerteils 5.2.1 Lautstärkeregelung Unser Verstärker arbeitet als Monoverstärker, das heisst, er hat keine Stereofunktion. Am Eingang des Verstärkers werden zwei Signale eingespiesen: der linke und der rechte Musikkanal 29 HSR Hochschule für Technik Rapperswil einer Stereo-Audioquelle. Diese beiden Signale werden addiert, damit kann die Leistung vom Eingangssignal erhöht werden. Mit einem Potentiometer, einem einstellbaren Widerstand, kann die Lautstärke eingestellt werden. 5.2.2 Vorverstärker Das Audiosignal wird nun über den Kondensator C3 in den Vorverstärker eingekoppelt. Der Kondensator lässt die Wechselspannung durch, blockiert aber die Gleichspannung. Im Vorverstärker wird hauptsächlich die Spannung verstärkt. Über die beiden Transistoren T7 und T8 wird der Spannungspegel in die richtige Höhe gebracht, um das Signal anschliessend dem Leistungsverstärker zu übergeben. 5.2.3 Leistungsverstärker Der Leistungsverstärker besteht aus zwei komplementären Leistungstransistoren T9 und T10. Wie das Wort Leistungsverstärker schon aussagt, wird hier die Leistung generiert, welche dem Lautsprecher übergeben wird und dann als Lautstärke wahrgenommen wird. Zwischen dem Leistungsversstärker und dem Lautsprecher ist der Kondensator C7 geschaltet, er dient wiederum als DC1 -Blocker. Der Leistungsverstärker und der Vorverstärker arbeiten eng zusammen. Der Widerstand R17 wirkt als Rückkopplung und schliesst somit den Regelkreis des Verstärkers. 5.3 Mechanische Fertigung 5.3.1 Crimpverbindung Eine Crimpverbindung ist eine lötfreie elektrische Verbindung. Sie wird durch Kaltverformen (Verpressen) der Crimphülse mit dem elektrischen Leiter hergestellt. Beim Anfertigen einer Crimpverbindung müssen Leiterquerschnitt, Crimphülse und Presswerkzeug aufeinander abgestimmt sein. Arbeitsfolge für das Pressen von Crimpverbindungen: 1. Leiter abisolieren und verdrillen. 2. Hülse in Werkzeug stecken und leicht andrücken, damit dieses nicht hinaus rutscht. 3. Litze in Hülse einführen und verpressen. 4. Werkzeug bis zum Anschlag fest zusammendrücken. 1 englisch: direct current, deutsch: Gleichspannung/-strom 30 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Folgende Punkte machen eine gute Crimpverbindung aus: 1. Das Litzenende muss sichtbar sein. 2. Die Leiterisolation muss bei der Isolationshalterung unterklemmt sein. 3. Die Verbindung muss einem Zugversuch standhalten. 5.3.2 Schraubverbindung Die Verbindungsstelle zwischen dem Netzkabel und dem Netzstecker oder der Soundbox-Leiterplatte ist als Schraubverbindung realisiert. Litzen dürfen bei Schraubverbindungen weder direkt unterklemmt noch verzinnt werden. Es sind Aderendhülsen zu verwenden. Arbeitsfolge für das Aufpressen von Aderendhülsen: 1. abisolieren 2. verdrillen 3. passende Hülse aufstecken 4. Hülse crimpen und bei Bedarf auf bestimmte Länge schneiden 5.3.3 Schrumpfschlauch Der Schrumpfschlauch ist ein Kunststoffschlauch, der sich bei Erwärmung durch Heissluft stark zusammenzieht. Diese werden hauptsächlich zur elektrischen Isolation von Leitern oder Lötverbindungen eingesetzt. Schrumpfschläuche werden in verschiedenen Farben und mit Durchmessern von 1mm bis über 1m produziert. Das Schrumpfverhältnis vom ungeschrumpften zum geschrumpften Durchmesser beträgt bei den üblichen Schläuchen 2:1. Arbeitsfolge: 1. Passender Schlauchdurchmesser wählen. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn der Schrumpfschlauch gerade noch über das zu umhüllende Objekt passt. 2. Schrumpfschlauch auf das gewünschte Mass abschneiden und auf saubere Schnittkanten achten. 3. Schrumpfschlauch um das zu schrumpfende Objekt schieben und mit einem Heissluftfön bei einer Temperatur von ca. 250-300°C schrumpfen. 31 HSR Hochschule für Technik Rapperswil 5.3.4 Montageunterlagen Abbildung 5.7: Anschlussbelegung des Netzsteckers 32 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Name Bezeichnung Wert/Typ Lieferant, Art.Nr. TR1 LED1 X1 F1 D1-D4 D5-D7 D8 R1 R2 R3 R4,R19 R5,R10,R12,R13,R17 R6,R14,R18 R7 R8,R9,R15 R11 R16 C1 C2,C7 C3,C4,C5,C6 T1,T2,T8 T3 T4,T5,T6,T7 T9 T10 Printtransformator LED Printklemme Sicherungshalter Gleichrichterdiode Siliziumdiode Schottkydiode Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Elektrolyt-Kondensator Elektrolyt-Kondensator Elektrolyt-Kondensator PNP-Transistor NPN-Transistor NPN-Transistor NPN-Transistor PNP-Transistor Sicherungen 5×20 mm Breitbandlautsprecher Wippschalter Netzkabel Netzstecker Schweiz Potentiometer Mutterabdeckung für Poti Knopf für Poti Deckel für Poti Kühlkörper für TO220 Senkschrauben Torx Unterlagsscheiben Sicherungsmuttern Audiokabel Klinkenbuchse Kunststoffgehäuse Flachsteckhülsen Flachsteckhülsen Kabelbinder T18R Durchführungstülle Flachsteckhülsen vollisoliert Aderendhülse 12 V, 10 VA grün, 5mm MKDSN1.5/4 Distrelec, 352495 Distrelec, 251536 Distrelec, 141211 Distrelec, 270184 Distrelec, 603560 Distrelec, 603016 Distrelec, 601424 Distrelec, 714141 Distrelec, 714072 Distrelec, 714057 Distrelec, 714000 Distrelec, 714132 Distrelec, 714089 Distrelec, 714113 Distrelec, 714077 Distrelec, 714148 Distrelec, 714094 Distrelec, 801192 Distrelec, 801187 Distrelec, 800628 Distrelec, 611579 Distrelec, 611212 Distrelec, 610359 Distrelec, 610084 Distrelec, 610085 Distrelec, 280089 Distrelec, 153906 Distrelec, 202184 Distrelec, 510125 Distrelec, 958028 Distrelec, 748353 Distrelec, 261708 Distrelec, 261522 Distrelec, 261582 Distrelec, 650142 Distrelec, 343242 Distrelec, 343017 Distrelec, 343053 Distrelec, 672265 Conrad, 738619-62 Distrelec, 301689 Distrelec, 504265 Distrelec, 504261 Distrelec, 503782 Distrelec, 500572 Distrelec, 504290 Distrelec, 504241 1N4001 1N4148 BAT83S 51k 200R 100R 1R 22k 1k 8k2 330R 100k 1k5 1000 µF/35V 2200 µF/16V 47 µF/25V BC557B BD243C BC547C BD139 BD140 0.25 A T 15 W, 4 Ω ON-OFF 0.75 mm2 , grau 10 A, schwarz 10 kOhm 15 mm, schwarz 15 mm, schwarz 15 mm, schwarz 27.3 K/W M4×12 mm M4×0.8 mm M4 1.8 m 3.5 mm 180×130×60 mm 4.8×0.8 mm 2.8×0.8 mm 102 mm 4.8×0.8 mm 0.75 mm2 ×6 mm Tabelle 5.1: Stückliste der Soundbox 33 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Abbildung 5.8: Bohrvorlage für den Gehäusedeckel 34 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Abbildung 5.9: Bestückungsplan der Soundbox 35
