Necesita ayuda para realizar ingeniería inversa y comprender un circuito pequeño

Soy un estudiante de electrónica, y un día abrí un medidor de energía que tengo en casa llamado EM21 , y descubrí que su cuerpo se compone de dos componentes principales:

• El cuerpo del medidor, que se conecta a la red y mide el voltaje y la corriente (en teoría, tiene toda la inteligencia del medidor)
• La pantalla LCD, que muestra al usuario información en tiempo real sobre las mediciones (tonto, tiene suficiente inteligencia para controlar la pantalla LCD, presionar botones y solicitar al cuerpo información de voltaje / corriente / potencia mediante inducción)

Lo sorprendente aquí es que el componente LCD es alimentado por el cuerpo y se comunica con el cuerpo, utilizando nada más que inducción (sin contacto) .

[LCD with buttons]-----coil  <magnetism magic>  coil-----[meter body]

En un par de horas, he tratado de invertir el circuito que usa el acoplamiento para proporcionar energía a una pantalla LCD con botones, y al mismo tiempo, ese acoplamiento se usa como un canal de comunicación sin contacto.

Este fue el resultado final:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Gracias Transistor y / u / eyal0 @ Reddit por organizar las conexiones.

Y estas son las fotos del verdadero circuito canibalizado:

• FRENTE (abierto en una pestaña)
• ATRÁS (abrir en otra pestaña, y luego conmutar entre ambos, están alineados entre sí)
• FRONTAL Etiquetado
• PWR SRC La bobina que se utiliza para alimentar el circuito (el cuerpo alimenta el circuito LCD a través de él) y para la comunicación

(¿puedes verificar si obtuve el diagrama correctamente?)

Gracias / u / InductorMan @ Reddit por señalarme el error C4 / R4 que tuve en el diagrama.

Tengo algunas preguntas sobre el funcionamiento interno de esto para las cuales no puedo encontrar una respuesta:

1. ¿Cómo puede la bobina suministrar al ATMEGA corriente DC? ¿Cómo es que el VCC está conectado directamente a uno de los extremos de la bobina y no fríe el ATMEGA?

2. ¿Cuál es el papel de Q1?

3. ¿Qué es el componente WB2?

4. ¿Qué pines ATMEGA se utilizan para la comunicación? ¿Cómo puedo "escucharlos" (con un oscillo) y descubrir el protocolo de comunicación?

5. ¿Qué están haciendo AVCC y AREF de la forma en que están conectados en el diagrama?

6. ¿Cómo puedo encontrar fácilmente los valores de los condensadores y los zeners?

¡Gracias!

Enlace: La discusión en curso sobre Reddit

La inducción de RF a los componentes de alimentación de CC debe seleccionarse cuidadosamente para el acoplamiento mutuo y la impedancia, pero la resonancia es muy baja Q ~ 1.

Se tuvieron que hacer algunas suposiciones ya que no se ofrecieron detalles.

Usando un transformador con bobina primaria de 200uH (no incluida) igual que la bobina de recepción con las mismas vueltas, relación = 1, pero el acoplamiento mutuo se redujo a un 75% optimista con entrada de 20Vpp y barrido de 15Voutpp (sin carga) de 50k a 250kHz. La carga parece funcionar bien (de mi análisis reciente ahora) en el rango de ~ 100 ~ 200kHz, forzada por mi estimación de la inductancia de la bobina de la foto y la experiencia con RFID y WPT (transferencia de energía inalámbrica)

Con Zener, D2 y C2, límite de 220uF, elegí C3 en un amplio rango y me decidí por 5nF. Sin C3 y las configuraciones anteriores, alcanzó 5V en 50ms y con C3 en la mitad del tiempo, 25ms (lo que implica un Q bajo). Dado que el estado inicial de C2 = 0V disminuye la (diodo ESR) / Xc (f) = Q relación de impedancia wrt. LC (es decir, Q baja) , no hay resonancia y está poco amortiguada con mucha corriente de ondulación, comenzando por debajo de 0.5A (rms) (mayor a la frecuencia más baja de mi rango implica impedancia) y luego reduce Ipk a medida que se carga, pero Ipk todavía muchas veces carga DC.

Con estos valores en teoría 200uH y 5nF debería resonar justo por encima de 100kHz, pero en la práctica con una impedancia de carga conmutada Zener a 220uF cap funcionó igual para cualquier cosa por encima de 100kHz, lo que implica una Q muy baja usando una carga de 1K R y 220 ohmios para X (f) para LC con corrientes de pulso. (no lineal)

Si quieres jugar con los valores, ve aquí. Si no está familiarizado con Falstad, el punto de forma de onda resalta la parte que está siendo explorada y viceversa con valores Max / min en cada trazo y también seleccioné Max Scale, que se ajusta automáticamente como el acoplamiento de CA pero aún muestra valores reales de DC max y se muestra en lento -motion en tiempo real pero ajustable con control deslizante y Opciones> otras opciones

Asumí que el SOT23 era un zener de 5.6V.

Esto solo analiza la ruta inalámbrica de LF a DC. No es eficiente, pero con un interruptor en la salida XFMR parece estar casi igualado para una transferencia de potencia máxima. Todos los límites están implícitos como sin pérdida, a menos que agregue Rs. Se agregaron 1G Ohm R solo para el rastreo del alcance y ESR de entrada de 1 ohm para medir la impedancia de entrada.

Recuerde que la tierra es solo una referencia de 0V a un circuito flotante. Si los hago comunes, la salida va de -5V a 0V.

Reducir la entrada de 20Vpp a 18Vpp aumenta la carga al tiempo de 5V por el doble. La traza interesante del alcance superior derecho es la escala completa amplificada de voltaje de 220uF ac en estado estable con una carga muy pequeña de 5 mA. El aumento de voltaje indica que la carga de CC en el medio del rango f de 100 ~ 200 kHz es una pendiente bastante constante I = CdV / dt y luego decae hacia afuera en los extremos exteriores de la señal de potencia de barrido de prueba de FM. Como mi barrido no era bidireccional, es un registro de diente de sierra f Barrido. . A partir de esto, vemos la función de transferencia de voltaje por el voltaje de carga de la rectificación Zener de media onda. Aunque no se muestra un barrido a CC, la selección de C3 = 5nF acopla el Zener al C2 = 220 uF y su aumento de voltaje en el extremo f bajoimplica la corriente e impedancia del acoplamiento inductivo.

La simulación de Falstad aplica todas las propiedades de componentes y leyes de la física.

Eso concluye mi análisis y es consistente con mis expectativas, ahora.

Suposiciones "Ballpark" para operación de 100kHz ~ 200kHz

• dado C3 = 220uF (se supone baja ESR)
• bobina Ls = 200uH, primaria, no se muestra Lp, se supone que es la misma L con un factor de acoplamiento de relación 1: 1 = 0,75
• C2 = 5nF (se supone baja ESR)
• D2 Zener debe ser de 11.5V ~ 12V para obtener 5Vdc eficientemente, usado 12V
• SOT23, se supone que la pinza de 5.6V no es crítica, para OVP.

D2 es un rectificador de media onda que crea CC desde el transformador para proporcionar energía a la CPU. C1 y C3 están en paralelo y suavizan la CC con el componente desconocido que probablemente sea un diodo zener o regulador de derivación para controlar el voltaje de suministro a los circuitos.

Aunque parece inusual estar en el riel negativo, D2 probablemente esté dispuesto de esa manera para que los voltajes sean convenientes para detectar y accionar el transformador con Q1 para la comunicación posterior.

C3 resuena el transformador a la frecuencia de la portadora utilizada para transferir energía y comunicaciones. Esperaría una frecuencia en el rango de 100-200kHz.

La señal de CA pasa a través de D1 al pin PE1 en la CPU para la comunicación. La combinación de D1 y R1 limita el voltaje que la CPU ve a valores aceptables.

Q1 se utiliza para que la CPU envíe datos a la unidad base. Cuando la MCU le indica que conduzca a PE1 alto, impulsa el voltaje desde C1 a través del secundario del transformador; la unidad base podrá detectarlo.

Sospecho que implementa una secuencia semidúplex en la que la unidad base transmite algunos datos variando el ciclo de trabajo de la señal en el transformador, que al mismo tiempo pondrá energía en C2 para alimentar el panel frontal.

El transmisor dejará de enviar y esperará a que el panel frontal envíe la información de regreso a la unidad base. La secuencia luego se repetirá. La secuencia debe realizarse con bastante rapidez (10s o 100s de veces por segundo) ya que el panel frontal funciona completamente a partir de la energía en C1 durante el tiempo que está enviando información a la unidad base.

Dado que AREF está conectado a tierra, implica que el ADC no se está utilizando; sin embargo, normalmente se recomienda dejarlo abierto.