Richi´s Lab

 

Jukebox 3

Nach der Jukebox 1 und der Jukebox 2 soll es noch eine weitere Evolutionsstufe geben, die Jukebox 3.
Die Anforderungen haben sich minimal geändert: Akkulaufzeit und Lautstärke maximieren, dabei die Werte der vorherigen Modelle beibehalten oder verbessern. Die Jukebox 3 muss aber gleichzeitig einen guten Klang aufweisen, was bisher nicht im Vordergrund stand.

Die Eckpunkte der Planung umfassen einen selbst gebauten MP3-Player, einen LiPo-Akku, einen Klasse-D-Verstärker und einen Lautsprecher mit gutem Klang und hohem Wirkungsgrad.

 

CHR-70 Sica LP 165.25 / 280

Mit etwas Unterstützung aus dem Hifi-Forum kommen für die Jukebox 3 folgende Breitbandlautsprecher in die engere Auswahl: Mark Audio CHR-70 und Sica LP 165.25 / 280. Ziel ist es das Optimum aus Wirkungsgrad, Gehäusegröße und Klangqualität zu erreichen.

Der Lautsprecher von Mark Audio eignet sich recht gut für Bassreflexsysteme. Er spielt hier in einem Bassreflex-Testgehäuse mit 5L Volumen. Der Sica-Lautsprecher arbeitet in einem gut gedämmten geschlossenen 6L-Gehäuse. Mit eine Kapazität von 440µF in Serie zum Lautsprecher ergibt sich ein Konstrukt, welches als GHP (Geschlossen-HochPass) bezeichnet wird und die notwendige Gehäusegröße etwas reduziert.
Der Sica-Lautsprecher spielt sehr viel lauter, was für die mobile Beschallung entscheidend ist. Der Bass ist weniger kernig und der mittlere Frequenzbereich benötigt ein Sperrglied. Ziel ist es diese Nachteile so gut es geht über einen Equalizer zu kompensieren und so den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.

 

LiPo Hopf

Die LiPo-Akkus der Stromversorgung stammen von Hopf-Modelltechnik: Achtmal 3,7V und 4Ah. Das entspricht grob überschlagen 140% der Energie eines 7Ah-BleiGel-Akku aber nur 34% des Gewichts!

 

Jukebox 3 Akku

Der fertige Akkupack besteht aus vier Akkupaaren in Serie, was zu einer Nennspannung von 14,8V und einer Kapazität von 8Ah führt.

 

Jukebox 3 Ladegerät Schaltplan

Das Laden der LiPo-Akkus erfolgt etwas unkonventionell. Jeder Zelle beziehungsweise jedem Zellenpaar ist ein eigener MAX1898-Laderegler zugeordnet. Das erzeugt einen gewissen Aufwand, da jedem Laderegler ein separates klassisches Netzteil zur Seite gestellt werden muss, es ermöglicht aber auch den Verzicht auf eine Balancer-Schaltung.

Ein Mikrocontroller überwacht den Zustand der Akkus. Er misst die Temperatur des kompletten Systems, die Spannung der einzelnen Zellen und den Strom in oder aus dem Speicher. Auch den Statusausgang der Laderegler liest der Mikrocontroller ein.
Die Spannungsmessung erfolgt über drei als Subtrahierer aufgebaute Differenzverstärker. Sie liefern dem Analog-Digital-Wandler des Mikrocontrollers für jeden Akku eine auf Masse bezogene Zellspannung. Das Statussignal der Laderegler übertragen Optokoppler. Die Strommessung realisiert ein ACS714, ein IC der mit Hall-Messung arbeitete und daher potentialfreie Messungen ermöglicht. Die gewonnen Daten werden später per SPI-Bus zum "Hauptrechner" übertragen.

Einschalten lässt sich die Jukebox 3 mit einem Taster, der einen als Hauptschalter arbeitenden Transistor aktiviert. Nach dem Hochfahren stellt der Mikrocontroller den High-Pegel am Gate des Transistors. Ein zweiter Taster kann das Gate dominant auf ein Low-Potential ziehen, was die Stromversorgung wieder deaktiviert. Die 5V-Versorgung zur Versorgung der Logik generiert ein LT1376-Schaltregler.

 

Jukebox 3 Ladegerät Layout

Auf Grund der beengten Platzverhältnisse ist hier ein zweilagiges Layout angebracht.

 

Jukebox 3 Ladegerät Platine

Der Laderegler MAX1898 stellt während der Bestückung eine kleine Herausforderung dar. Das µMAX-Gehäuse ist sehr klein und besitzt entsprechend eng platzierte Pins.

Die verschiedenen Platinen der Jukebox sollen später mit Gewindestangen und Abstandsbolzen übereinander montiert werden.

 

Jukebox 3 Ladegerät Fädeldraht

Ein Library-Fehler in den Transistoren der Laderegelung zerstörte sogleich alle Laderegler. Das ist ein Punkt, an dem man eine Pause machen sollte.

 

Jukebox 3 Verstärker MAX9708

Die Klasse-D-Verstärker sollen bei der relativ geringen Spannung eine möglichst hohe Leistung abgeben können und nach Möglichkeit keinen externen Filter benötigen. Mit diesem Hintergrund ist die Auswahl nicht mehr allzu groß. Der letztlich gewählte MAX9708 liefert eine hohe Leistung (42W an 4Ohm bei 10%THD) und ermöglicht einen Wirkungsgrad von bis zu 87%. Leider ist der Verstärker nur im TQFN-Gehäuse verfügbar.

 

Jukebox 3 Verstärker Layout

Die Verstärkerplatine trägt letztlich drei der MAX9708-Verstärker. Einer versorgt später den einen Lautsprecher der Jukebox 3, die anderen beiden Verstärker können bei Bedarf zusätzliche externe Lautsprecher versorgen. Nicht ganz 4000µF Pufferkapazität sorgen für eine stabile Versorgungsspannung.

Der Hauptrechner kann die Verstärker einzeln aktivieren und ihren Status auslesen.

 

Jukebox 3 Verstärker QFN löten

Ohne eine Schablone ist das einigermaßen gleichmäßige Auftragen der Lotpaste eine Herausforderung.

 

Jukebox 3 Verstärker QFN löten

Das händische Aufsetzen des Chips in die gewünschte Position ist ebenso schwierig. Ein Stück weit muss man sich auf das Selbstausrichten während des Lötprozesses verlassen. Auf dem geschmolzenen Lötzinn führt die Oberflächenspannung in Kombination mit dem Lötstopplack dazu, dass sich die Pads des Chips auf den offenen Kontaktflächen ausrichten.

 

Jukebox 3 Verstärker QFN löten T-962A

Es gibt einige Möglichkeiten QFN-Packages zu löten. Die Beste ist ein kleiner Infrarot-Ofen. Hier handelte es sich um ein bekanntes chinesisches Modell.

 

Jukebox 3 Verstärker QFN löten T-962A

Im Rahmen des Lötprozesses erhitzt der Ofen zuerst die Platine auf ein mittlere Temperaturniveau. Diese Temperatur ist hoch genug, so dass der Weg bis zur eigentlichen Löttemperatur nicht mehr allzu weit ist. Gleichzeitig ist die Temperatur niedrig genug, um zumindest über kurze Zeit die Bauteile nicht zu schädigen.

 

Jukebox 3 Verstärker QFN löten

Das noch nicht nachgearbeitete Ergebnis sieht schlechter aus als es ist. Einige Lötzinnbrücken sind durchaus gewollt.

Nach dem Entfernen des überflüssigen Lötzinns zeigt sich, dass bei allen drei Verstärkern keine Masse- oder Kurzschlüsse vorhanden sind.

 

Jukebox 3 Verstärker Platine

Insgesamt wurden auf diese Weise zwei Platinen, also sechs QFN-Packages gelötet. Alle Verstärker sind funktional.

 

Jukebox 3 Hauptplatine Layout

Die Hauptplatine ist vierlagig realisiert.
Um einen MP3-Player ohne übermäßig viel Softwareaufwände realisieren zu können, bietet sich ein Vinculum VNC1L USB-Host an. Für diesen USB-Controller existiert bereits eine recht gute Beispielsoftware. Als MP3-Decoder dient einen VS1003.
Der RDS-Radio-Receiver SI4701 ermöglicht Radioempfang und ein Touchsensor-Controller vom Typ B6TS soll ein robustes Bedienelement ermöglichen. Ein 5-Band-Equalizer, ein digitales Potentiometer und ein Analogmultiplexer verwalten den Audiopfad. Zwei Stiftleisten bilden einen Vorhalt, an den später ein Bluetoothmodul angesteckt werden kann. Darüber sollte es möglich sein ein Handy als Signalquelle an die Jukebox 3 zu koppeln.
Selbstverständlich ist auch ein Vorhalt enthalten, um diverse Leuchtdioden ansteuern zu können.

 

Jukebox 3 Hauptplatine Platine

Wie die meisten professionellen Platinen, die hier zu sehen sind, wurde auch diese von der Firma Q-PCB gefertigt.

 

Jukebox 3 Hauptplatine SI4701 QFN löten

Der Radio-Receiver SI4701 befindet sich in einem QFN-Package, das sich allerdings wieder problemlos mit der "händischen Methode" auflöten lässt.
Was hier noch etwas unschön aussieht sind die Reste von no-clean-Flussmittel in Kombination mit klassischem Flussmittelreiniger.

 

Jukebox 3 Hauptplatine Platine

Die bestückte Platine funktioniert zu einem gewissen Teil. Die restlichen Schaltungsblöcke bedürften noch größeren Softwarearbeiten.

 

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