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电器工程 大气压 电感器 去耦电容 耦合 解耦
2022-02-01 13:12:35

我是一名电子专业的学生,​​有一天我打开家里的一个电表,叫EM21,发现它的主体由两大部分组成:

  • 表体,连接到电网并测量电压和电流(理论上,它具有仪表的所有智能)
  • LCD 显示屏,向用户显示有关测量的实时信息(愚蠢,有足够的智能来控制 LCD、按钮并使用感应向身体请求电压/电流/功率信息)

在此处输入图像描述

这里最棒的是 LCD 组件由身体供电,并与身体交流,仅使用感应(非接触式)

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

在几个小时内,我尝试反转使用耦合为带有按钮的 LCD 屏幕提供能量的电路,同时,该耦合用作非接触式通信通道。

这是最终结果:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

感谢Transistor和 /u/eyal0 @Reddit 组织连接

这些是真正的自相残杀电路的照片:

  • 正面(在一个选项卡中打开)
  • BACK(在另一个选项卡中打开,然后在两者之间往返,它们相互对齐)
  • 前面标有
  • PWR SRC用于为电路供电(身体通过它为 LCD 电路供电)和通信的线圈

(你能检查我的图表是否正确吗?)

感谢 /u/InductorMan @ Reddit 指出我在图表中遇到的 C4/R4 错误。

我对此的内部运作有一些疑问,但我找不到答案:

  1. 线圈如何为ATMEGA提供直流电流?为什么 VCC 直接连接到线圈的一端并且不会炸 ATMEGA?

  2. Q1的作用是什么?

  3. 什么是 WB2 组件?

  4. 哪些 ATMEGA 引脚用于通信?我怎样才能“听”他们(用示波器)并发现通信协议?

  5. AVCC 和 AREF 在图中的接线方式是什么?

  6. 如何轻松找到电容器和齐纳二极管的值?

谢谢!

链接:Reddit 上正在进行的讨论

2个回答

D2 是一个半波整流器,它从变压器产生直流电,为 CPU 供电。C1 和 C3 并联并平滑 DC,未知组件可能是齐纳二极管或并联稳压器,以控制电路的电源电压。

虽然在负轨上看起来不寻常,但 D2 可能是这样排列的,以便电压便于感应和驱动带有 Q1 的变压器以进行反向通信。

C3 使变压器谐振到用于传输电力和通信的载波频率。我希望频率在 100-200kHz 范围内。

交流信号通过 D1 到 CPU 上的引脚 PE1 进行通信。D1 和 R1 的组合将 CPU 看到的电压限制在可接受的值。

Q1 用于 CPU 将数据发送回基本单元。当 MCU 将 PE1 设为高电平时,它会驱动来自 C1 的电压穿过变压器的次级 - 基本单元将能够接收到该电压。

我怀疑它实现了半双工序列,其中基本单元通过改变信号的占空比将一些数据传输到变压器中,同时将能量输入 C2 为前面板供电。

然后发射器将停止发送并等待前面板将信息发送回基本单元。然后该序列将重复。该序列必须相当快地执行(每秒 10 或 100 次),因为前面板在将信息发送回基本单元期间完全依靠 C1 中的能量运行。

由于 AREF 接地,这意味着 ADC 没有被使用 - 通常建议将其保持打开状态。

必须仔细选择对直流功率元件的射频感应,以实现互耦合和阻抗,但谐振 Q~1 非常低。

由于没有提供细节,因此必须做出一些假设。

使用具有 200uH 初级线圈(未给出)的变压器,与接收线圈相同的匝数,比率 = 1,但在 20Vpp 输入和 15Voutpp(无负载)从 50k 扫描到 250kHz 的情况下,互耦减少到乐观的 75%。充电似乎在 ~100~200kHz 范围内运行良好(根据我最近的分析) ,这是由于我从照片中估计线圈电感以及使用 RFID 和 WPT(无线功率传输)的经验而得出的

使用齐纳二极管、D2 和 C2、220uF 电容,我在很宽的范围内选择了 C3,并选择了 5nF。在没有 C3 和上述设置的情况下,它在 50ms 内达到 5V,而使用 C3 在一半时间内达到 25ms(意味着低 Q)。由于 C2=0V 的初始状态降低了(二极管 ESR)/Xc(f)=Q 阻抗比 wrt。LC (即低 Q),没有谐振,并且由于大量纹波电流而受到欠阻尼,从 0.5A(rms)以下开始(在我的范围的最低频率处最大意味着阻抗),然后在充电时降低 Ipk,但 Ipk 仍然是直流负载的许多倍。

理论上这些值是 200uH 和 5nF,它应该在 100kHz 以上产生谐振,但在实践中,将负载阻抗齐纳开关切换到 220uF 电容,它对于 100kHz 以上的任何东西的工作原理都是一样的,这意味着使用 1K 负载 R 和 220 ohms 的 Q 值非常低(f) 对于具有脉冲电流的 LC。(非线性)

如果你想玩这些价值观,去这里。如果不熟悉 Falstad,点到波形会突出显示范围的部分,反之亦然,每条迹线上都有最大值/最小值,我还选择了 Max Scale,它像 AC 耦合一样自动调整,但仍显示实际的 DC 最大值并以慢速显示-运动实时但可通过滑块和选项>其他选项进行调整

我假设 SOT23 是一个 5.6V 齐纳二极管。

这只是分析无线 LF 到 DC 路径。效率不高,但通过 XFMR 输出的开关,它似乎与最大功率传输几乎匹配。除非您添加卢比,否则所有上限都暗示为无损。添加了 1G Ohm R's 仅用于示波器跟踪和 1 ohm 输入 ESR 用于测量输入阻抗。

在此处输入图像描述

请记住,接地只是浮动电路的 0V 参考。如果我让它们通用,输出会从 -5V 变为 0V。

将输入从 20Vpp 降低到 18Vpp 会使充电到 5V 的时间增加一倍。有趣的右上角示波器轨迹是 220uF 交流电压放大满量程稳态,负载非常小,只有 5mA。上升的电压表明在 100~200kHz 的 f 范围中间的直流充电是相当恒定的斜率 I=CdV/dt 然后在 FM 测试扫描功率信号的外端向下衰减。由于我的扫描不是双向的,所以它是一个锯齿对数 f 扫描。. 由此我们可以看到半波齐纳整流的电容充电电压的电压传递函数。虽然没有显示对 DC 的扫描,但 C3= 5nF 的选择将齐纳二极管耦合到 C2=220 uF,并且它的电压在低 f 端上升表示电感耦合的电流和阻抗。

Falstad 模拟应用所有给定的组件属性和物理定律。

我的分析到此结束,现在与我的预期一致。

100kHz~200kHz 操作的“Ballpark”假设

  • 给定 C3=220uF(假设低 ESR)
  • 线圈 Ls=200uH,初级,Lp 未显示,假设 L 相同,1:1 比率耦合因子 = 0.75
  • C2= 5nF(假定低 ESR)
  • D2 齐纳二极管必须为 11.5V~12V 才能有效获得 5Vdc,使用 12V
  • SOT23 ,假定为 5.6V 钳位并不重要,用于 OVP。