Nachdem der Autor im vergangenen Jahr die Elektronikausstellung in Deutschland besucht hatte, machte er auf zwei Exponate aufmerksam, deren Kombination ihm ein hervorragendes Ergebnis beschert hätte. Dies ist der Tesla-Spiraltransformator, der von Daniel Eindhoven gebaut und am Stand des Elektor-Magazins vorgestellt wurde, sowie neue Galliumnitridschlüssel, die von Texas Instruments für Hochfrequenz-Impulswandler positioniert wurden.
Und hier ist das Ergebnis der Arbeit, die ab November letzten Jahres andauert: ein Tesla-Transformator mit gedruckten Spulen, der Entladungen von bis zu 50 mm Länge liefert und über einen 3-Ampere-Typ-C-Anschluss in einem Laptop funktioniert (es ist klar, dass durch ein langes Kabel). Von dort speist er nicht nur, sondern empfängt auch MIDI-Daten von beispielsweise LMMS oder Albeon.
Das Gerät hat alles offen, sowohl Hardware als auch Software, nämlich:
USB MIDI Class Treiber: CC BY 4.0
STM32 CubeF0: Drei-Punkte-BSD-Lizenz
Andere Software, Hardware, Schaltungen: GPLv3
Hier liegt alles.
Es zu wiederholen ist schwierig. Zum Beispiel müssen Sie QFN mit einem sehr kleinen Schritt löten. Der Autor plant, eines Tages mit dem Verkauf zusammengesetzter Sets zu beginnen. Wenn Sie jedoch drei Transformatoren gleichzeitig herstellen, erhalten Sie ein ausgezeichnetes Orchester:
Die Zusammensetzung des Geräts:Hauptplatine mit installierten SMD-Komponenten
Bedruckte obere SpuleKaptonband />
Bedruckte BodenplatteVier 8 mm Kunststoffscheiben
Vier 20 mm M3 Nylonschrauben
Vier 40 mm lange Verbindungsmuttern, einerseits M3-Innengewinde, andererseits das gleiche Außengewinde
Vier M3-Muttern
Drei 47nF Folienkondensatoren
XT60 Mate-Anschluss
Buchse für Mikroschaltung mit Federkontakten (muss zerlegt werden, siehe unten)
Die Resonanzfrequenz der Vorrichtung ist relativ hoch. Es ist schwierig, eine Vollbrücke auf gewöhnlichen Silizium-MOS-Transistoren mit einer solchen Frequenz zu bauen, hauptsächlich aufgrund von Verlusten beim Laden der Gatekapazität und beim Einschalten von Transistoren der erforderlichen Größe.
Es ist möglich, Entladungen in Luft mit solchen Frequenzen unter Verwendung der Klasse E zu empfangen. Aber dann arbeiten die Transistoren wie
hier im linearen Modus mit großen Leistungsverlusten.
Daniel Eindhoven löste dieses Problem mit herkömmlichen Bipolartransistoren, die mit Emitterfolgern arbeiten. Es stellte sich heraus, dass schnell mit geringen Verzögerungen geschaltet wurde. Sie benötigen jedoch einen großen Treiber, dessen Amplitude des Signals an dessen Ausgang gleich der Amplitude des Signals am Ausgang der Endstufe ist. Der Repeater verstärkt schließlich nur die Leistung und nicht die Spannung. Daniel hat dafür einen Treiberchip für MOS-Transistoren genommen, der jedoch nicht mehr als 32 V am Ausgang haben kann. Und Bipolartransistoren in der Endstufe sind nicht sehr effizient.
Schlüssel auf Galliumnitrid und Siliziumkarbid erfordern spezielle Gate-Treiber, beispielsweise mit einem Bereich von Ausgangsspannungen von -6 bis +10 V. Dies schützt die Gates vor Bursts, wenn sie getrennt werden. Der Fahrer sollte so nah wie möglich am Schlüssel platziert werden.
Texas Instruments veröffentlichte ein Gerät mit zwei integrierten Schlüsseln auf Galliumnitrid, einschließlich einer Halbbrücke, die alle erforderlichen Treiber enthielt. Seit etwa einem halben Jahr verkaufen sie für 9 USD pro Stück.
Von hier ausGerätediagramm:
Liegt hierDie gesamte Schaltung kann in fünf Funktionsblöcke unterteilt werden:
Mikrocontroller STM32
Flyback-Aufwärtswandler
Rückkopplungssignal-Empfangsschaltung
Leerlaufschaltung
Vollbrücke auf Galliumnitridschlüsseln
Board-Versionen:
Von allen Versionen der Boards hat der Autor beschlossen, drei zu zeigen:
- 1.0, 22. November 2018 - nicht belastetes, nicht ordnungsgemäß ausgelegtes Stromversorgungsschema
- 1.3, 22. Dezember 2018 - ohne Last, die ersten Entladungen in der Luft, Galliumnitrid-Schlüssel versagten nach 1 - 20 Minuten
- 1.5, 12. April 2019 (nur Kosmonautik-Tag) - funktioniert gut und zuverlässig, aber es gibt etwas zu verbessern. README.me sagt, dass in dieser Version, wenn die Entladung mit einem Finger oder einem Schraubendreher interagiert, die Schlüssel immer noch ausfallen, aber wenn dies nicht getan wird, funktionieren sie auf unbestimmte Zeit. Das sind nur 15 Watt - anständige Leistung, und es ist besser, auf keinen Fall einen Finger zu stecken, da die Gefahr von thermischen Verbrennungen besteht.
Um das Ergebnis zu erzielen, waren 6 Versionen von Schaltkreisen und Platinen erforderlich. Grundsätzlich geschah dies aufgrund der spezifischen Anforderungen an Schaltkreise an solchen Schlüsseln. Einige Versionen müssten nicht entwickelt werden, wenn der Autor die Empfehlungen im Datenblatt sofort angehört hätte. Normalerweise interpretiert der Konstrukteur die maximal zulässigen Parameterwerte als „empfohlen“, dies ist jedoch bei Galliumnitrid- und Siliziumkarbidschlüsseln nicht der Fall. Wenn TI verlangt, dass Sie die Komponenten auf den Seiten 10, 13, 14, 15 und 16 „so nah wie möglich beieinander“ platzieren und nicht nur einmal - nur achtmal -, bedeutet dies wirklich „so nah wie möglich“. "Nah" bedeutet nicht "in kurzer Entfernung", sondern "nah am Gesicht". Die kleinste Störinduktivität wird erzielt, indem die Komponenten auf verschiedenen Seiten der Platine platziert und so viele Löcher wie möglich mit Durchgangsmetallisierung verbunden werden.
Der Autor folgte diesen Empfehlungen nicht und ruinierte zehn LMG5200-Module, weil er glaubte, es besser zu wissen. Und jetzt wenden wir uns dem Kontrollschema zu, dort ist es einfacher:
Haben Sie etwas Ungewöhnliches bemerkt? Als ob DN und DP an der USB-Schnittstelle miteinander kurzgeschlossen wären? Es ist nur ein Symbol von USBLC6-2SC6, aber tatsächlich wird USBLC6-4SC6 verwendet. Der Autor wird dies in der nächsten Version der Schaltung korrigieren.
Hier ist alles normal. Das übliche STM32F072 ist billig, enthält den ARM M0-Kern und funktioniert ohne Quarz, der über USB getaktet wird. Für einen Dollar erhalten Sie einen Mikrocontroller mit USB und Timern, für den nur ein Minimum an externen Komponenten erforderlich ist. Der Autor entschied sich für einen Chip im QFN-Gehäuse, da dieser leichter zu löten war als QFP.
Es gibt auch einen DFU-Loader, was bedeutet, dass zum Hochladen der Firmware kein Programmierer erforderlich ist. Wenn Sie zum ersten Mal einen Jumper auf die Rückseite der Platine löten müssen, wird die Firmware beispielsweise über dfu-util ausgefüllt. Dann kann es entfernt werden und vor jedem Blinken das Gerät mit der Taste in den entsprechenden Modus versetzen.
Ein weiteres Schema ist ein Aufwärtswandler, mit dem Sie die Stromkreise des Geräts über Typ C mit Strom versorgen können:
... Aber der Autor wurde zunächst bei JLCPCB abgelehnt, weil er das Fehlen von Kurzschlüssen nicht garantieren konnte. Er versprach, Gebühren ohne Garantie zu übernehmen, und dann nahmen sie die Bestellung auf:
Dort vergebens besorgt. Von den 70 Leiterplatten mit Kurzschlüssen stellte sich nur eine heraus. Probieren Sie es aus ist einfach. Rufen Sie die Sekundärwicklungen mehrerer Platinen an und vergleichen Sie den Widerstand (der Autor hat ca. 180 Ohm). Wenn eine Karte etwas weniger hat, gibt es Kurzschlüsse.
Fertige Montage von drei Platinen:
Wenn Sie die Platinen mit Drähten miteinander verbinden, ist es wichtig, dass die Rationen glatt und ohne scharfe Vorsprünge sind. Ersparen Sie das Kapton-Band nicht, da während des Debugging-Vorgangs auch Folgendes passiert ist:
Von hier ausDie Platten mit den Wicklungen sind durch 8 mm dicke Kunststoffscheiben und Nylonschrauben getrennt. Die Bodenplatte ist über leitende Verbindungsmuttern mit einer Länge von 40 mm mit ihnen verbunden.
Die Idee, die Elektrode von der Buchse für die Mikroschaltung in die Federbuchse einzubauen, wird
von hier übernommen .