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.
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.
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!
Der fertige Akkupack besteht aus vier Akkupaaren in Serie, was zu einer Nennspannung von 14,8V und einer Kapazität von 8Ah führt.
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.
Auf Grund der beengten Platzverhältnisse ist hier ein zweilagiges Layout angebracht.
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.
Ein Library-Fehler in den Transistoren der Laderegelung zerstörte sogleich alle Laderegler. Das ist ein Punkt, an dem man eine Pause machen sollte.
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.
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.
Ohne eine Schablone ist das einigermaßen gleichmäßige Auftragen der Lotpaste eine Herausforderung.
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.
Es gibt einige Möglichkeiten QFN-Packages zu löten. Die Beste ist ein kleiner Infrarot-Ofen. Hier handelte es sich um ein bekanntes chinesisches Modell.
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.
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.
Insgesamt wurden auf diese Weise zwei Platinen, also sechs QFN-Packages gelötet. Alle Verstärker sind funktional.
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.
Wie die meisten professionellen Platinen, die hier zu sehen sind, wurde auch diese von der Firma Q-PCB gefertigt.
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.
Die bestückte Platine funktioniert zu einem gewissen Teil. Die restlichen Schaltungsblöcke bedürften noch größeren Softwarearbeiten.