Tras visitar la exposición de electrónica en Alemania el año pasado, el autor llamó la atención sobre dos exposiciones, cuya combinación le habría dado un excelente resultado. Este es el transformador espiral Tesla, construido por Daniel Eindhoven y presentado en el puesto de la revista Elektor, así como las nuevas llaves de nitruro de galio, posicionadas por Texas Instruments para los convertidores de pulso de alta frecuencia.
Y aquí está el resultado del trabajo que dura desde noviembre del año pasado: un transformador Tesla con bobinas impresas, que ofrece descargas de hasta 50 mm de largo y que funciona desde un conector tipo C de 3 amperios en una computadora portátil (está claro que a través de un cable largo). A partir de ahí, no solo alimenta, sino que también recibe datos MIDI de, por ejemplo, LMMS o Albeon.
El dispositivo tiene todo abierto, tanto hardware como software, a saber:
Controlador de clase MIDI USB: CC BY 4.0
STM32 CubeF0: Licencia BSD de tres puntos
Otro software, hardware, circuitos: GPLv3
Todo yace
aquí .
Repetirlo es difícil. Por ejemplo, debe soldar QFN con un paso muy pequeño. El autor planea algún día comenzar a vender conjuntos ensamblados. Pero si haces tres transformadores a la vez, obtienes una excelente orquesta:
La composición del dispositivo:Placa principal con componentes SMD instalados
Bobina superior impresaCinta Kapton />
Tablero inferior impresoCuatro arandelas de plástico de 8 mm.
Cuatro tornillos de nylon M3 de 20 mm
Cuatro tuercas de conexión de 40 mm de largo, por un lado, rosca interna M3, por otro lado, la misma externa
Cuatro tuercas M3
Tres condensadores de lámina de 47nF
Conector mate XT60
Zócalo para microcircuito con contactos de resorte (tendrá que desmontarse, ver más abajo)
La frecuencia de resonancia del dispositivo es relativamente alta. Es difícil construir un puente completo en los transistores MOS de silicio ordinarios a tal frecuencia, principalmente debido a las pérdidas al cargar la capacitancia de la puerta y al encender los transistores del tamaño requerido.
Es posible recibir descargas en el aire a tales frecuencias usando la clase E. Pero entonces los transistores funcionarán en modo lineal con grandes pérdidas de potencia, como
aquí .
Daniel Eindhoven resolvió este problema con transistores bipolares convencionales que funcionan con seguidores de emisor. Resultó un cambio rápido con bajos retrasos. Pero requerirán un controlador enorme, cuya amplitud de señal en la salida es igual a la amplitud de la señal en la salida de la etapa terminal. Después de todo, el repetidor se amplifica solo en potencia y no en voltaje. Daniel tomó un chip controlador para esto en los transistores MOS, pero no puede tener más de 32 V. en la salida. Y los transistores bipolares en la etapa terminal no son muy eficientes.
Las teclas de nitruro de galio y carburo de silicio requieren controladores de compuerta especiales, por ejemplo, con un rango de voltajes de salida de -6 a +10 V. Esto protege las compuertas de las explosiones cuando se desconecta. El controlador debe colocarse lo más cerca posible de la llave.
Texas Instruments lanzó un dispositivo con dos llaves incorporadas en nitruro de galio, incluido medio puente, que contiene todos los controladores necesarios. Durante aproximadamente medio año han estado vendiendo a $ 9 cada uno.
Desde aquiDiagrama del dispositivo:
Yace aquíTodo el circuito se puede dividir en cinco bloques funcionales:
Microcontrolador STM32
Convertidor de impulso de retorno
Circuito receptor de señal de retroalimentación
Circuito de ralentí
Puente completo sobre llaves de nitruro de galio
Versiones de tablero:
De todas las versiones del tablero, el autor decidió mostrar tres:
- 1.0, 22 de noviembre de 2018: esquema de energía sin carga y con diseño incorrecto
- 1.3, 22 de diciembre de 2018: sin carga, las primeras descargas en el aire, las teclas de nitruro de galio fallaron después de 1 a 20 minutos
- 15 de abril, 12, 2019 (solo Día de la Cosmonáutica): funciona bien y de manera confiable, pero hay algo que mejorar. README.me dice que en esta versión, cuando la descarga interactúa con un dedo o un destornillador, las teclas aún fallan, pero si esto no se hace, funcionan indefinidamente. Eso es solo 15 vatios: potencia decente, y es mejor no poner un dedo en ningún caso debido al peligro de quemaduras térmicas.
Para lograr el resultado, se requirieron 6 versiones de circuitos y placas. Básicamente, sucedió debido a los requisitos específicos para los circuitos en tales teclas. Algunas versiones no tendrían que desarrollarse si el autor escuchara de inmediato las recomendaciones de la hoja de datos. Normalmente, el diseñador interpreta los valores máximos permisibles de los parámetros como "recomendados", pero este no es el caso con las teclas de nitruro de galio y carburo de silicio. Si TI requiere que coloque los componentes "lo más cerca posible" en las páginas 10, 13, 14, 15 y 16, y más de una vez, solo 8 veces, significa realmente "lo más cerca posible". "Cerrar" significa no "a corta distancia", sino "cerca de la cara". La inductancia espuria más pequeña se obtiene colocando componentes en diferentes lados del tablero y conectando tantos agujeros con metalización como sea posible.
Sin seguir estas recomendaciones, el autor arruinó diez módulos LMG5200 porque pensó que sabía mejor. Y ahora pasamos al esquema de control, allí es más simple:
¿Has notado algo inusual? ¿Como si DN y DP en la interfaz USB están en cortocircuito entre sí? Es solo un símbolo de USBLC6-2SC6, pero de hecho se usa USBLC6-4SC6, el autor lo corregirá en la próxima versión del circuito.
Todo es normal aquí. El STM32F072 habitual, es barato, contiene el núcleo ARM M0 y funciona sin cuarzo, sincronizado desde USB. Por un dólar, obtienes un microcontrolador con USB y temporizadores, que requieren un mínimo de componentes externos. El autor eligió un chip en el paquete QFN, porque era más fácil de soldar que QFP.
También hay un cargador DFU, lo que significa que no se necesita un programador para cargar el firmware. La primera vez que tiene que soldar un puente en la parte posterior de la placa, resultará completar el firmware, por ejemplo, a través de dfu-util. Luego se puede quitar, y antes de cada parpadeo, transfiera el dispositivo al modo apropiado con el botón.
Y otro esquema es un convertidor de impulso, que le permite alimentar los circuitos de alimentación del dispositivo desde el Tipo-C:
... Pero el autor fue rechazado inicialmente en JLCPCB, porque no podían garantizar la ausencia de cortocircuitos. Prometió cobrar honorarios sin garantía, y luego tomaron el pedido:
Preocupado allí en vano. De las 70 placas con cortocircuitos, solo una resultó ser. Compruébalo es simple. Toque los devanados secundarios de varias tablas y compare la resistencia (el autor obtuvo unos 180 ohmios). Si una placa tiene un poco menos, entonces hay cortocircuitos.
Listo montaje de tres tableros:
Al conectar las tablas entre sí con cables, es importante asegurarse de que las raciones sean suaves, sin protuberancias afiladas. No ahorre la cinta Kapton, porque durante el proceso de depuración, también sucedió lo siguiente:
Desde aquiLas tablas con los devanados están separadas por arandelas de plástico de 8 mm de espesor y tornillos de nylon. Y el tablero inferior está conectado a ellos mediante tuercas conductoras de conexión con una longitud de 40 mm.
La idea de instalar el electrodo en el zócalo de resorte del zócalo para el microcircuito se toma
de aquí .