Ich bin ein elektronischer Student und eines Tages öffnete ich einen Energiezähler namens EM21 , den ich zu Hause habe , und fand heraus, dass sein Körper aus zwei Hauptkomponenten besteht:
- Der Zählerkörper, der an das Netz angeschlossen ist und Spannung und Strom misst (theoretisch verfügt er über die gesamte Intelligenz des Zählers).
- Das LCD-Display, das dem Benutzer Echtzeitinformationen zu den Messungen anzeigt (dumm, verfügt über genügend Intelligenz, um das LCD und die Drucktasten zu steuern und den Körper mithilfe von Induktion nach Informationen zu Spannung, Strom und Leistung zu fragen).
Das Tolle daran ist, dass die LCD-Komponente vom Körper mit Strom versorgt wird und mit dem Körper nur durch Induktion (kontaktlos) kommuniziert .
[LCD with buttons]-----coil <magnetism magic> coil-----[meter body]In ein paar Stunden habe ich versucht, die Schaltung umzukehren, die die Kopplung verwendet, um einen LCD-Bildschirm mit Tasten mit Energie zu versorgen, und gleichzeitig wird diese Kopplung als kontaktloser Kommunikationskanal verwendet.
Dies war das Endergebnis:
simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab
Vielen Dank an Transistor und / u / eyal0 @ Reddit für die Organisation der Verbindungen
Und das sind die Fotos der echten Kannibalisierung:
- VORNE (in einer Registerkarte geöffnet)
- ZURÜCK (in einer anderen Registerkarte öffnen und dann zwischen beiden pendeln, sie sind miteinander ausgerichtet)
- VORNE beschriftet
- PWR SRC Die Spule, die zur Stromversorgung des Stromkreises (der Körper versorgt den LCD-Stromkreis über ihn) und zur Kommunikation verwendet wird
(Können Sie überprüfen, ob ich das Diagramm richtig verstanden habe?)
Vielen Dank an / u / InductorMan @ Reddit, dass Sie mich auf den C4 / R4-Fehler hingewiesen haben, den ich im Diagramm hatte.
Ich habe einige Fragen zum Innenleben, auf die ich keine Antwort finden kann:
Wie kann die Spule das ATMEGA mit Gleichstrom versorgen ? Wie kommt es, dass VCC direkt mit einem der Spulenenden verbunden ist und das ATMEGA nicht brät?
Welche Rolle spielt Q1?
Was ist die WB2-Komponente?
Welche ATMEGA-Pins werden für die Kommunikation verwendet? Wie kann ich ihnen (mit einem Oscillo) "zuhören" und das Kommunikationsprotokoll entdecken?
Was machen AVCC und AREF so, wie sie im Diagramm verdrahtet sind?
Wie kann ich die Werte der Kondensatoren und Zenere leicht finden?
Vielen Dank!
Antworten:
Einige Annahmen mussten getroffen werden, da keine Details angeboten wurden.
Bei Verwendung eines Transformators mit einer 200-uH-Primärspule (nicht angegeben) wie bei einer Empfangsspule mit gleichen Windungen ist das Verhältnis = 1, die gegenseitige Kopplung wurde jedoch auf optimistische 75% reduziert, wobei der 20-Vpp-Eingang und der 15-V-Ausgang (ohne Last) von 50 k auf 250 kHz gewobbelt wurden. Das Laden scheint (nach meiner jüngsten Analyse) im Bereich von ~ 100 ~ 200 kHz gut zu funktionieren, was durch meine Schätzung der Spuleninduktivität anhand von Fotos und Erfahrungen mit RFIDs und WPT (Wireless Power Transfer) erzwungen wird.
Mit Zener, D2 und C2, 220 uF Kappe habe ich C3 über einen weiten Bereich gewählt und mich für 5 nF entschieden. Ohne C3 und die obigen Einstellungen erreichte es 5 V in 50 ms und mit C3 in der Hälfte der Zeit 25 ms (was ein niedriges Q impliziert). Da der Anfangszustand von C2 = 0 V das Impedanzverhältnis (Diode ESR) / Xc (f) = Q wrt senkt. LC (dh niedriges Q) , es gibt keine Resonanz und es ist mit viel Welligkeitsstrom unterdämpft, beginnend unter 0,5 A (Effektivwert) (am größten bei der niedrigsten Frequenz meines Bereichs impliziert Impedanz) und reduziert dann Ipk, während es sich auflädt. aber Ipk noch viele Male DC-Last.
Mit diesen Werten in der Theorie von 200 uH und 5 nF sollte es knapp über 100 kHz schwingen, aber in der Praxis funktionierte es mit einer geschalteten Lastimpedanz von Zener bis 220 uF Kappe für alles über 100 kHz gleich, was ein sehr niedriges Q unter Verwendung einer 1 K Last R und 220 Ohm für X impliziert (f) für LC mit Impulsströmen. (nicht linear)
Wenn Sie mit den Werten spielen möchten, klicken Sie hier. Wenn Sie mit Falstad nicht vertraut sind, markieren Sie die Wellenform und markieren Sie den Teil mit dem Gültigkeitsbereich und umgekehrt mit Max / Min-Werten für jede Spur. Außerdem habe ich Max Scale ausgewählt, das sich wie die AC-Kopplung automatisch anpasst, aber immer noch die tatsächlichen DC-Max-Werte anzeigt und langsam anzeigt -motion in Echtzeit, aber einstellbar mit Schieberegler und Optionen> andere Optionen
Ich nahm an, dass der SOT23 ein 5,6-V-Zener war.
Dies analysiert nur den drahtlosen LF-DC-Pfad. Nicht effizient, aber mit einem Schalter am XFMR-Ausgang scheint es für eine maximale Leistungsübertragung nahezu gleich zu sein. Alle Obergrenzen gelten als verlustfrei, es sei denn, Sie fügen Rs hinzu. 1G Ohm R wurden nur zur Oszilloskopverfolgung und 1 Ohm Eingangs-ESR zur Messung der Eingangsimpedanz hinzugefügt.
Denken Sie daran, dass Masse nur eine 0-V-Referenz auf einen schwebenden Stromkreis ist. Wenn ich sie gemeinsam mache, geht der Ausgang von -5V bis 0V.
Durch Verringern des Eingangs von 20 Vss auf 18 Vss wird die Ladung um das Doppelte auf 5 V erhöht. Die interessante Spur des oberen rechten Oszilloskops ist die im stationären Zustand mit einer sehr kleinen Last von 5 mA verstärkte Wechselspannung mit 220 uF. Die ansteigende Spannung zeigt an, dass die Gleichstromladung in der Mitte des f-Bereichs von 100 bis 200 kHz eine ziemlich konstante Steigung I = CdV / dt ist und dann außen an den äußeren Enden des FM-Test-Sweep-Leistungssignals nach unten abfällt. Da mein Sweep nicht bidirektional war, ist es ein Sägezahnprotokoll für Sweep. . Daraus ergibt sich die Spannungsübertragungsfunktion durch die Cap-Ladespannung aus der Halbwellen-Zener-Gleichrichtung. Obwohl ein Sweep zu DC nicht gezeigt ist, koppelt die Auswahl von C3 = 5nF den Zener mit dem C2 = 220 uF und dessen Spannungsanstieg am unteren f-Endeimpliziert den Strom und die Impedanz der induktiven Kopplung.
Die Falstad-Simulation wendet alle gegebenen Komponenteneigenschaften und Gesetze der Physik an.
Damit ist meine Analyse abgeschlossen und entspricht jetzt meinen Erwartungen.
"Ballpark" -Annahmen für den Betrieb mit 100 kHz ~ 200 kHz
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D2 ist ein Halbwellengleichrichter, der Gleichstrom aus dem Transformator erzeugt, um die CPU mit Strom zu versorgen. C1 und C3 sind parallel und glätten den Gleichstrom, wobei die unbekannte Komponente wahrscheinlich eine Zenerdiode oder ein Shunt-Regler ist, um die Versorgungsspannung für die Schaltung zu steuern.
Obwohl es ungewöhnlich aussieht, in der negativen Schiene zu sein, ist D2 wahrscheinlich so angeordnet, dass die Spannungen zum Erfassen und Ansteuern des Transformators mit Q1 für die Rückkommunikation geeignet sind.
C3 schwingt den Transformator mit der Frequenz des Trägers in Resonanz, der für die Übertragung von Leistung und Kommunikation verwendet wird. Ich würde eine Frequenz im Bereich von 100-200 kHz erwarten.
Das Wechselstromsignal wird für die Kommunikation über D1 an Pin PE1 der CPU geleitet. Die Kombination von D1 und R1 begrenzt die Spannung, die die CPU sieht, auf akzeptable Werte.
Q1 wird für die CPU verwendet, um Daten an die Basiseinheit zurückzusenden. Wenn es von der MCU angewiesen wird, PE1 hoch zu setzen, treibt es die Spannung von C1 über die Sekundärseite des Transformators - die Basiseinheit kann diese aufnehmen.
Ich vermute, es implementiert eine Halbduplex-Sequenz, bei der die Basiseinheit einige Daten durch Variieren des Tastverhältnisses des Signals in den Transformator überträgt, wodurch gleichzeitig Energie in C2 zur Stromversorgung der Frontplatte eingespeist wird.
Der Sender stoppt dann das Senden und wartet, bis die Frontplatte Informationen an die Basiseinheit zurücksendet. Die Sequenz wird dann wiederholt. Die Sequenz muss ziemlich schnell ausgeführt werden (10 oder 100 Mal pro Sekunde), da die Frontplatte während der Zeit, in der Informationen an die Basiseinheit zurückgesendet werden, vollständig mit der Energie in C1 arbeitet.
Da AREF mit Masse verbunden ist, bedeutet dies, dass der ADC nicht verwendet wird. Es wird jedoch normalerweise empfohlen, ihn offen zu lassen.
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