brandName1 убил россиянку ударом тока! brandName2 на секунду упал на живот: сына известной блогерши убило током в ванне! Россиянка уронилавваннутелефони погибла. Четырнадцатилетнюю москвичку убило током в ванной. В Красноярске школьница погибла от упавшего в ванну смартфона. Жертв все больше: почему не стоит брать телефон в ванну?

Это лишь несколько заголовков на новостных сайтах. Журналисты любят жареные факты, но как бы то ни было, случаи гибели людей от смартфона на зарядке отмечаются. В этой статье я попробую провести небольшое расследование возможных причин подобных несчастных случаев.

Может ли убить 5 В?

Определенно можно сказать, что это крайне маловероятно. При таком напряжении, да еще и при постоянном токе для достижения опасного для жизни тока нужно, чтобы сопротивление в цепи снизилось ниже 100 Ом, при том, что ток должен течь по "опасному" пути через грудную клетку. То есть, придется как минимум оторвать от адаптера разъем и прикрутить провода к плотным металлическим браслетам, надетым на руки жертвы, лежащей в ванне с соленой водой. Или еще лучше -- к двум гвоздям, забитым в грудную клетку. Такие случаи бывали: при неисправностях медицинских приборов, в гальванических цехах. В остальных случаях ток пойдет, минуя жизненно-важные органы и скорее всего вообще будет необнаружим за пределами корпуса телефона.

Нет, причину смерти определенно надо искать в другом месте.

Блок питания без гальванической развязки?

В обсуждениях подобных случаев часто проскакивает идея, что "из экономии китайцы не делают гальваническую развязку".

Да, существует такой класс вторичных источников питания. В первую очередь это схема с гасящим конденсатором, в прошлом достаточно популярная для питания маломощных потребителей из-за своей дешевизны. Опасность этой схемы в том, что несмотря на безопасное выходное напряжение, между выходными клеммами и землей присутствует опасное напряжение. Если повезет, ток, протекающий через тело, ограничивается гасящим конденсатором, но величина этого тока близка к максимальному выходному току блока питания и в большинстве случаев опасна для жизни. В худшем -- ток вообще пойдет мимо этого конденсатора.

К счастью, для телефонных зарядных устройств такая схема малопригодна, так как потребляет ток, почти равный выходному. Этот ток -- реактивный, но с таким реактивным током можно мириться, пока он не превышает 100-200 мА, но не когда он 1-2 ампера. Ну а другая причина -- солидные габариты конденсатора. Можно, конечно, совместить конденсаторный блок питания с понижающим импульсным преобразователем, но сложность такого устройства не будет сильно уступать стандартному импульсному блоку питания.

Все встречавшиеся мне телефонные "зарядки", включая примитивные зарядки кнопочных "Нокий" без стабилизации и еще более примитивные их китайские подделки, были обратноходовыми ИБП. Гальваническая развязка в таких блоках питания обеспечивается импульсным трансформатором. Обратная связь для стабилизации напряжения организуется либо через оптрон, либо через дополнительную обмотку трансформатора , либо по импульсам на первичной обмотке, либо вообще отсутствует, как в вышеупомянутых примитивных китайских поделках (впрочем, оригинальная зарядка от Nokia тоже не имела стабилизации). Экзотические решения типа контроллера ADP1071 или INN3264C со встроенной развязкой встречаются все чаще в связи с Quick Charge. Во всех случаях как таковая гальваническая развязка присутствует и нарушается она только Y-конденсатором, соединявшим "высокую" и "низкую" стороны по высокой частоте. Без этого конденсатора наводка на низковольтную сторону через межобмоточную емкость импульсного трансформатора слишком велика. Например, у смартфона с сенсорным экраном от нее сходит с ума сенсор. Но он и создает условия для легкого "пощипывания" при прикосновении к низковольтной стороне. А может ли ток через него убить, если одновременно схватиться за трубу или лежать в ванне?

Емкость этого конденсатора обычно не более 2200 пФ (часто -- еще ниже, в районе 1000 пФ). Реактивное сопротивление на частоте 50 Гц, соответствующая емкости 2,2 нФ -- 1,45 МОм, и соответственно, ток в цепи "сеть-конденсатор-жертва в ванне-земля" не превысит 150 мкА, что абсолютно безопасно. На самом деле, ток будет несколько больше из-за присутствия в цепи диодов, а значит и высших гармоник, но принципиально ничего не меняется: и это не причина летальных исходов. Также прикосновение в момент пикового напряжения при одновременном заземлении тела приводит к разряду конденсатора через тело, но энергия этого разряда -- 0,1 мДж. Достаточно, чтобы слегка "куснуло", но совершенно недостаточно для убийства (для этого нужна энергия хотя бы в тысячу раз больше, 0,1 Дж).

Итак, исправный адаптер, включенный в сеть, ни при каких условиях убить не может. Значит, дело в неисправностях.

А теперь заглянем внутрь китайской зарядки

На этом фото -- плата, извлеченная из классической китайской зарядки под российским брендом за 250 рублей, купленной когда-то в ларьке в подземном переходе. На первый взгляд, ничего особенного. Обратноход на микросхеме "все в одном" со встроенным ключом в восьминогом корпусе. Оптрон для обратной связи -- на своем месте. Не самый плохой экземпляр -- по крайней мере, перед разборкой она без вопросов прослужила года три, и заявленные два ампера она держит. Но... что это? Где на плате помехоподавляющий конденсатор? Он должен быть: проблем с помехами на сенсоре не наблюдалось. Да вот он, SMD-конденсатор на обратной стороне (C2).

А должен быть вот таким.

В качестве Y-конденсаторов принято использовать специализированные конденсаторы, сделанные с упором на максимальную электробезопасность, с очень солидным запасом по напряжению. Они рассчитаны на работу при 250 В переменного тока, но способны надежно выдерживать несколько киловольт. Пробой такого конденсатора случается, пожалуй, только при прямом попадании атомной бомбы молнии. Характерным визуальным признаком таких конденсаторов является то, что они окуклены толстым слоем изолирующей пластмассы, их маркировка имеет явное указание на применение (Y2) и включает массу значков всевозможных стандартов и сертификатов безопасности.

Поскольку такие конденсаторы не самые дешевые (не в последнюю очередь из-за стоимости прохождения этих бесчисленных сертификаций и одобрений), велик соблазн заменить их на что попроще. И в дешевых блоках питания частенько стоит какая-нибудь безымянная керамика на 630 В или киловольт. Этого мало, так как в сети иногда проскакивают импульсы, наводимые молниями, короткими замыканиями на высоковольтных ЛЭП и другими аварийными ситуациями. Несколько таких импульсов вполне способны "подпробить" такой конденсатор, особенно при его невысоком качестве, и самое страшное, что это никак не повлияет на работоспособность блока питания. При заземлении низковольтной части (например, через жертву, лежащую в ванне и пока ничего не подозревающую) через конденсатор потечет уже не только емкостный ток, но и ток утечки. Сначала незначительный, доли миллиампера, но вызывающий локальный нагрев диэлектрической керамики. С ростом температуры он тоже растет, и еще сильнее греет. Развивается тепловой пробой и цепь окончательно замыкается со всеми печальным последствиями.

Как оказалось, такой конденсатор -- это еще не худший вариант. Ставить в такое место SMD-компонент вообще безрассудство. Такие миниатюрные многослойные конденсаторы гораздо менее устойчивы к импульсным перегрузкам, гораздо сильнее подвержены тепловому пробою, могут треснуть при тепловой деформации платы, с большой вероятностью давая полное КЗ. И в целом многослойные конденсаторы менее надежны из-за эффектов электромиграции. Маленькое расстояние между выводами и предположительно не смытый флюс под корпусом тоже не способствуют надежности и безопасности такого решения.

Y-конденсатор -- не единственная проблема этого БП. Здесь нет практически никакого конструктивного разделения низковольтной части и высоковольтной. Нет даже прорезей в плате, предотвращающих пробой по стеклотекстолиту из-за его перегрева или налипания пыли на поверхность, и даже просто увеличенного зазора между их печатными проводниками, не говоря уж о каких-либо барьерах, которые могли бы предотвратить перебрасывание дуги между ними. Здесь также нет ни варистора на входе, ни предохранителя, так что он опасен не только в плане поражения током, но и тем, что выйдя из строя, он загорится. Помехоподавляющих элементов здесь тоже и близко нет, хотя это уже не про безопасность, а про, скажем так, культуру поведения в обществе.

Это то, что можно увидеть глазом. Никто, однако, не может гарантировать, что, например, импульсный трансформатор сделан с качественной межобмоточной изоляцией. Требования к ней ничуть не меньше требования к изоляции Y-конденсатора и оптрона, а последствия пробоя столь же опасны.

Надо сказать, это не худший вариант. "Классика жанра" выглядит как-нибудь так:

А зарядка "здорового человека" выглядит изнутри вот так (это, кстати, подделка под Samsung, но качественная):

Хорошо видна прорезь на плате, надежно разделяющая высоковольтную и низковольтную части в самом опасном месте, и вставленная в нее пластиковая перегородка. С другой стороны платы эта перегородка тоже есть. И есть хороший зазор на плате, в котором нет ничего, кроме оптрона и трансформатора.

Что делать?

Если вы -- владелец смартфона, то в первую очередь внимательнее относитесь к тому, что пихаете в свой телефон. Зарядные устройства, подобные описанным выше, могут убить не только человека. Часто у них на выходе творится черте-чего: напряжение "гуляет" и "плавает", уровень пульсаций -- запредельный. В случае выхода из строя они запросто утянут за собой и ваш гаджет. Ну и даже с самым лучшим и оригинальным зарядным устройством держитесь подальше от воды. Вода и 220 вольт -- вещи малосовместимые.

Если же вы разработчик блока питания, то ваша задача -- сделать хорошо. Если же от вас хотят сделать дешево, то урезать бюджет за счет безопасности -- самое последнее дело.

А "хорошо" в данном случае означает надежную изоляцию низковольтной части от высоковольтной. Основа этой изоляции -- расстояние. Если предполагается, что низковольтная часть доступна для прикосновения к ее токоведущим частям, расчетное напряжение изоляции должно быть 2,5-4 кВ. Достаточным минимум можно считать 6-8 мм, причем в этом зазоре не должно быть ничего, кроме элементов гальванической развязки. Желательно предусмотреть в этой зоне окно в маске, которое может быть закрыто "валиком" изоляционного компаунда, удлиняющим путь утечки по поверхности. Пробой по поверхности предотвращается прорезями на наиболее нагруженных участках платы. Особенно велик риск такого пробоя, если барьерная зона подвергается излишнему нагреву от сильно греющихся компонентов: их необходимо переместить подальше.

Зазор должен выдерживаться и между компонентами. При плотном монтаже нужно организовать дополнительную изоляцию: установить глухую перегородку из изоляционного материала между "высокой" и "низкой" сторонами, закрыть выводы и корпусы компонентов, находящихся под высоким напряжением, термоусадкой, принять меры против взаимного смещения крупногабаритных элементов при толчках и ударах, дополнительно закрепив их компаундом. Хорошим вариантом, хоть и приводящим к неремонтопригодности, является и полная заливка блока теплопроводным компаундом.

Особое внимание нужно уделить выбору элементов, "перекрывающих" барьер гальванической изоляции. Ни о какой "самодеятельности" и применении компонентов не предназначенных для работы под сетевым напряжением и не имеющих соответствующей сертификации, не может идти речи, даже если это ваш любительский проект. Вообще же при разработке блоков питания для мобильных устройств, которые в процессе зарядки могут держать в руках, в идеале стоило бы ориентироваться на стандарт безопасности медицинского оборудования IEC60601-1 , рассматривая мобильный гаджет, как рабочую часть класса BF с доступной металлической частью. В соответствии с этим стандартом напряжение, на которое должна быть рассчитана изоляция, составляет ~ 4000 Вэфф, при этом ток утечки на пациента не должен превышать 100 мкА при штатной работе и 500 мкА при аварии. Впрочем, я реалист и прекрасно понимаю... Именно поэтому даже пользуясь качественным зарядным устройством, следует дополнительно избегать опасной ситуации.

Заключение

Предпосылки к несчастным случаям со смартфонами и водой создаются не самим фактом наличия напряжения. Для того, чтобы случилась трагедия, нужно стечение обстоятельств: конструктивные недостатки зарядного устройства, его неисправность и заземление тела жертвы посредством воды. Устранение хотя бы одного из этих факторов значительно снижает риск несчастного случая. Нет необходимости относиться к телефону, подключенному к сети, как к высоковольтному проводу под напряжением, но следует учитывать вероятность поломки сетевого адаптера и соблюдать определенную осторожность в тот момент, когда этот телефон оказывается у вас в руках, а в первую очередь -- избегать использования зарядок непонятного происхождения из ближайшего ларька. Их опасность заключается не только в возможности получить электрический удар, но и в возможности возгорания.

Совсем недавно мне в руки попался один из вариантов отладочной платы с SoC Zynq XC7Z020. Поискав в Интернете материалы, а-ля how-to, и попробовав накидать свой минимальный проект обнаружил, что есть целый ряд подводных камней. Именно об этом я и хотел бы рассказать в статье. Кому интересно - добро пожаловать под кат.

Важно! Перед началом повествования, хотелось бы заранее оговориться, что основная цель которую я преследую при написании этой статьи - показать любителям, с чего можно начать, при изучении отладочных плат на базе Zynq. Я не являюсь профессиональным разработчиком под ПЛИС и SoC Zynq и могу допускать какие-либо ошибки в использовании терминологии, использовать не самые оптимальные пути решения задач, etc. Но любая конструктивная и аргументированная критика только приветствуется. Что ж, поехали

Что за отладка такая? Покажи-расскажи...

Мне очень давно хотелось поиграться с SoC Zynq, но никак не доходили руки. Но в очередной раз погуглив - увидел, что за вполне вменяемый ценник продаётся отладка с Zynq на борту, от компании QMTech, называется она Bajie Board. Выпускается отладка в нескольких вариантах с разными вариантами SoC Zynq. Я выбрал для себя вариант на XC7Z020 и тут же ее заказал, через пару недель она у меня уже была в руках.

После распаковки я был приятно удивлен, комплект поставки порадовал. Это была сама отладочная плата, блок питания на 5В/2А, mini-USB кабель и microSD Flash-карта SanDisk на 16Гб с уже залитым на нее Linux. То есть, сразу после получения вы можете подключить к плате питание, воткнуть USB-шнурок, открыть Putty и получить в свое распоряжение полноценный mini-компьютер с Embedded Linux. О Linux для Zynq, я думаю, расскажу в другой статье, поэтому едем дальше...

Итак, рассматривая плату и попутно документацию на нее я увидел относительно не плохой набор всякого-разного:

• SoC: XC7Z020-1CLG400C

• (datasheet:https://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds190-Zynq-7000-Overview.pdf);

• Осциллятор на 33,333 МГц;

• Оперативная память DDR3 на 512 Мб от компании Micron, MT41K256M16TW-107:P;

• Встроенный слот micro SD;

• Источник питания для FPGA TPS563201 с широким диапазоном входных напряжений (от 4.5V до 17V, 3A);

• Один 50-пиновый и две Digilent PMOD совместимых, гребёнки с пинами, с шагом в 2,54 мм. для пользовательских кейсов (как заверяет производитель, все проводники до пинов выровнены по длине);

• Кнопка для логического сброса процессорной системы (PS);

• Гигабитный RGMII Ethernet-контроллер Realtek RTL8211E-VL, подключенный к PS;

• Два пользовательских светодиода, один подключен к программируемой логике (PL) и другой подключен к процессорной системе (PS);

• Встроенный HDMI-совместимый интерфейс дисплея TI TPD12S016;

• Гребёнка для подключения JTAG-отладчика;

Для большинства задач начального уровня такого количества всего будет прям за глаза.

Единственное, что меня опечалило и про что я напрочь забыл, когда покупал плату - это то что для работы с платой необходим JTAG-программатор. Но я его быстро нашел в Москве и мне его привезли курьером буквально в этот же день.

Установка необходимого набора ПО для разработки

Итак, прежде чем начать работу с платой мне было необходимо установить ПО Xilinx Vivado и Xilinx SDK. Насколько я понимаю, грубо говоря, Vivado используется для конфигурации аппаратной части используемой платы и для работы с программируемой логикой. А Xilinx SDK (ныне именуется Vitis) используется для создания кода непосредственно для процессорной системы.

Поскольку бОльшая часть примеров из документации и репозитория производителя и разнообразных примеров из роликов на YouTube делались в версии Vivado 2019.1 (видимо из-за того, что это последняя версия поддерживающая работу с Xilinx SDK) - я установил именно её, а не последнюю доступную 2020.2.

Все программные продукты необходимые для работы с Xilinx Zynq - можно взять на официальном сайте Xilinx, тут. Сразу же спешу обратить внимание, что те из вас, кто захочет установить самую новую версию Vivado - нужно скачивать версию 2020.2, а не 2020.3 т.к. последняя поддерживает только Versal SoC, и не поддерживает Zynq.

В моём случае, т.к. я работаю в операционной системе Linux - я перешел в меню Vivado Archive - 2019.1 и нажал на кнопку скачивания по ссылке Vivado HLx 2019.1: WebPACK and Editions - Linux Self Extracting Web Installer в списке Vivado Design Suite - HLx Editions - 2019.1. Для пользователей Windows - выбирайте Windows Self Extracting Web Installer.

После скачивания открываем инсталлятор, установив права на исполнение:

chmod +x ~/Downloads/Xilinx_Vivado_SDK_Web_2019.1_0524_1430_Lin64.bin~/Downloads/Xilinx_Vivado_SDK_Web_2019.1_0524_1430_Lin64.bin 

Вся установка состоит из набора стандартных шагов.

1. Вводим авторизационные данные, которые мы указывали при регистрации;

2. Принимаем условия лицензионных соглашений;

3. Выбираем Vivado HL WebPACK;

4. Удостоверяемся в том, что выбран SoC Zynq в списке предложенного оборудования.

   

5. Далее программа скачает порядка 16Гб всякого-разного, установит это и на Рабочем столе появятся иконки нужных нам приложений.

После установки Vivado необходимо установить драйвер для JTAG-программатора. В Linux это делается так:

cd Xilinx2019.1/Vivado/2019.1/data/xicom/cable_drivers/lin64/install_script/install_drivers/sudo ./install_drivers 

Подключаем все 6 пинов от JTAG-программатора в соответствии с шелкографией на плате. И проверяем установлены ли драйвера и определяется ли наша отладочная плата:

cd ~/Xilinx2019.1/Vivado/2019.1/bin./xsdb xsdb% connect -host localhost   xsdb% jtag targets                                                                                                                                                             1  Platform Cable USB 13724327082b01     2  arm_dap (idcode 4ba00477 irlen 4)     3  xc7z020 (idcode 23727093 irlen 6 fpga)

На этом подготовительных этап можно считать завершенным.

Hello, world или Баяны подъехали

Не будем отходить от традиции и попробуем поморгать LED-иком который подключен к программируемой логике.

Запускаем Vivado и создаем новый проект. Нажимаем File - Project - New

Откроется мастер создания нового проекта, нажимаем Next > и пишем название нашего проекта PL-Blink.

Выбираем RTL Project и ставим галочку у пункта Do not specify sources at this time.

Далее в списке ищем наш процессор xc7z020clg400-1.

Жмём на кнопку Finish.

Перед нами открывается главное окно программы Vivado и мы можем приступать к реализации намеченной нами цели!

Первым делом, мы добавим необходимые указания программе, на то, какие физические ножки мы задействуем в нашей моргающей вакханалии =)

Находим меню Sources и нажимаем кнопку Add Sources.

Откроется мастер импорта и нам нужно выбрать Add or create constraints.

В следующем меню нажимаем Create file и пишем название нашему файлу physical_constr. Именно в этом файле мы опишем какие ножки и в каком режиме должны работать.

Нажимаем кнопку Finish и в дереве Sourсes ищем только что созданный нами файл и открываем его:

Обратимся к схеме, которую любезно предоставил нам производитель и найдем какая ножка отвечает за тактирование, а какая за наш светодиод.Бегло поискав, я отметил для себя, что из Ethernet-контроллера RTL8211E-VL выведен опорный тактовый сигнал с его внутреннего PLL, частотой в 125МГц и заведен в ножку H16 (IO_L13P_T2_MRCC_35).Так почему бы нам его и не задействовать в нашем примере? =)

Его мы и заюзаем для нашего счетчика, который будет генерировать задержку между включенным и выключенным состоянием светодиода.

Тут же, рядом, на ножке H17 (IO_L13N_T2_MRCC_35) расположен светодиод, которым мы будем моргать.

Итак. Открыв наш constraints-файл запишем в него следующие строки:

# User LED and Clockset_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports led_h17_d4]set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_clk]set_property PACKAGE_PIN H17 [get_ports led_h17_d4]set_property PACKAGE_PIN H16 [get_ports sys_clk]

Поскольку опыта создания подобных конфигов у меня нет, могу лишь предположить, что первые две строки задают режим работы ножек указанных в аргументе, а третья и четвертая указывают на то, какие физические ножки будут использоваться.

В квадратных скобках, после get_ports необходимо указать логическое имя ножки (на ваше усмотрение). Имена стоит придумать осмысленно, потому что мы его будем использовать в Verilog-коде.

Кстати, подробнее о Physical Constraints можно почитать тут в главе 8.

Добавим в наш проект таким же образом Design Source. Находим меню Sources и нажимаем кнопку Add Sources.

Откроется мастер импорта и нам нужно выбрать Add or create design sources. Далее нажимаем Create File, смотрим, что выбран язык Verilog. Нажимаем ОК и Finish.

В следующем меню всё оставляем без изменений и нажимаем ОК и Yes.

Открываем созданный файл и видим небольшую заготовку:

Здесь вместо предложенного кода пишем наш Verilog-код и прокомментируем что значит каждая из строк:

// Директива компилятора, которая определяет единицу времени и точность для моделирования Verilog.// В целом, не очень интересный пункт для нас.`timescale 1ns / 1ps // Определяем стандартный блок-модуль (как класс в С++)module pl_blink(input sys_clk, output led_h17_d4);    // Задаем регистр для хранения записи о текущем состоянии светодиодаreg r_led; // Задаем регистр для хранения значения счётчика, использующегося в задержкеreg [31:0] counter;// Тут мы задаем действия которые должны быть выполнены при старте программыinitial begin    counter <= 32'b0;//  Обнуляем счётчик    r_led <= 1'b0;//  Делаем запись о состоянии светодиодаend// Тут описываем поведенческий блок, который будет реагировать на ниспадающий фронт тактовой частотыalways@(posedge sys_clk)begin    counter <= counter + 1'b1;// Увеличиваем счетчик        if(counter > 12000000)// Если счетчик больше некоторого условного значения    begin        r_led <= !r_led;// Инвертируем запись о значении состоянии светодиода        counter <= 32'b0;// Сбрасываем счетчик    end       endassign led_h17_d4 = r_led;          // Присваиваем текущее состояние ножке (условно)           endmodule

Нажимаем сочетание клавиш Ctrl + S чтобы сохранить код. Смотрим, не подсвечены ли где возможные ошибки. Если нет - то можем приступить к синтезированию, имплементации и генерации бинарного файла который мы потом зальем в нашу плату Zynq и будем наблюдать за морганием светодиода.

Нажимаем кнопку Run Synthesis и дожидаемся завершения синтеза. После окончания программа нам скажет, что синтез успешно завершен и мы можем переходить к следующему шагу:

Выбираем Run implementation и дожидаемся окончания. После выбираем пункт Generate Bitstream для запуска финального этапа:

Тут так же дожидаемся сигнала о том, что всё прошло успешно, выбираем Open Hardware Manager и можем приступать к заливке результата компиляции в нашу плату:

В открывшемся меню Hardware Manager нажимаем кнопку Auto connect, дожидаемся когда произойдет успешное соединение и откроется меню со списком устройств:

В меню слева или через нажатие правой кнопкой по xc7z020_1 в меню Hardware нажимаем пункт Program Device.

В следующем окне убеждаемся, что правильно указан путь к bitstream-файлу и нажимаем кнопку Program.

Программа заливается на нашу плату

И через мгновение на плате загорается светодиод D2, который сообщает нам, что FPGA DONE и в другом конце платы мы видим весело моргающий светодиод. =)

В целом задачу можно считать выполненной. Думаю, что по мере освоения мной языка Verilog и решения всяких новых задач с использованием этой платы - я смогу порадовать вас ещё.

Итак - желтый прямоугольник, ограниченный штрихпунктирной линией и есть сам контроллер резервного питания.

Контроллер работает совместно с тремя внешними модулями:

• сетевым источником питания 220 VAC в 24 VDC

• инвертором 24 VDC в 220 VAC

• аккумуляторной батареей 24 В

В момент отключения сетевого напряжения или понижения ниже предельного значения контроллер переключает потребителей на питание от аккумулятора и инвертора.
Переключение 24 В происходит без провалов напряжения, переключение 220 происходит с задержкой равной времени переключения реле.

Преимущества

Такая архитектура обеспечивает гибкость, масштабируемость и оптимальную стоимость.
- Гибкость выражается в цифровом управлении и возможности выбирать источник питания, инвертер и аккумулятор из широкого ассортимента представленного на рынке без привязки к конкретным производителям и продавцам. Это довольно актуально с современной турбулентностью поставок и при мелкосерийном производстве.
- Масштабируемость определяет возможность варьировать в широких пределах мощность источника питания, инвертера и емкость аккумулятора.
- Оптимальная стоимость. На рынке можно найти предложения по созданию аналогичной архитектуры на более раздробленных дискретных модулях или вовсе на нескольких автономных UPS-ах. Но чтобы добиться встраиваемости в системы потребителей по габаритам и с полным контролем со стороны систем управления потребителей понадобится еще много дополнительных средств. Обратная связь от потребителей в данной схеме позволяет не устанавливать избыточные резервные мощности, и сэкономить на емкости аккумулятора и мощности инвертора.

Применение

Применить такой контроллер можно в промышленных и бытовых устройствах и агрегатах, подъемниках, лифтах, автоматических воротах, кранах, автоматических дверях, системах домашней автоматизации и т.д.
Контроллер способен работать и как простой зарядник аккумуляторов емкостью до 30 А*ч, как измеритель параметров электросети, измеритель КПД инвертеров, как источник питания с регулируемым напряжением, током до 10 А и защитой от перегрузок и т.д.

Принцип работы

Особенностью архитектуры данного контроллера является его тесная связь с потребителями.
Для того чтобы не превысить предельно допустимую мощность источника питания и инвертера и не спровоцировать проседания выходных напряжений контроллер получает от потребителей информацию о планируемом подключении нагрузок и сообщает потребителям о текущем состоянии сетевого напряжения. Таким образом потребители не будут пытаться получить недоступную мощность или предпринимать действия способные быстро и непрогнозируемо привести к исчерпанию аккумулятора. Связь потребителей с контроллером осуществляется через один из цифровых интерфейсов : CAN, RS485, USB.

При наличии сетевого напряжения контроллер пропускает напряжение 24 В от внешнего источника питания к потребителям через управляемый ключ 1 (см. структурную схему) и напряжение 220 В через реле Р1. Ключ 1 работает одновременно также как ограничитель входного напряжения, ограничитель тока, защита от переполюсовки и идеальный диод. Ключ 1 не дает проникать обратному току на источник питания в случае отключения сетевого напряжения. Может показаться, что это излишняя мера, но некоторые промышленные источники питания MEAN WELL не включаются, когда на их входе уже присутствует напряжение. Одновременно с подачей тока потребителям контроллер заряжает аккумулятор (если аккумулятор этого требует). При этом ток заряда аккумулятора балансируется с током уходящим потребителям так чтобы не превысить допустимый ток источника питания.
Цифровое управление и повышающее/понижающий (Buck-Boost) преобразователь зарядника позволяют точно учитывать степень заряда и разряда аккумулятора и выбирать правильные профили заряда в зависимости от состояния аккумулятора.

При отсутствии сетевого напряжения контроллер пропускает через ключ 2 напряжение 24 В потребителям от аккумулятора. Напряжение при этом может варьироваться от 27 В (полностью заряженный) до 20 В (полностью разряженный). Потребители должны быть готовы работать в таком диапазоне, что обычно не представляет проблемы. Напряжение 220 В подается через реле Р2 от внешнего инвертера. Сам инвертер питается от аккумулятора через ключ 3. Инвертер может поддерживаться как в горячем резерве так и быть отключенным (что более экономично). Однако из выключенного состояния инвертеры обычно выходят несколько секунд и это затягивает переключение.

Основные характеристики

• максимальный коммутируемый переменный ток напряжения 200 В - 35A

• максимальный коммутируемый постоянный ток напряжения 24 В - 15 А

• максимальный ток на входе инвертера - 50 А

• максимальный ток заряда аккумулятора при наличии радиатора - 10 А

• максимальный ток заряда аккумулятора без радиатора - 4 А

• тип аккумулятора - cвинцово-кислотная батарея 24 B

• тип микроконтроллера - MKE18F512VLL16 (ARM Cortex-M4F, 32-Bit, 168MHz, 512KB (512K x 8) FLASH, 64 KB SRAM, -40C ~ 105C)

• Цифровые интерфейсы: CAN гальвано-изолированный, RS485 гальвано-изолированный, USB 2.0 Full Speed VCOM

• Два гальвано-изолированных цифровых выхода

• Дисплей с энкодерным управлением

• Встроенные измерители токов, напряжений, мощностей и прочего по входным и выходным линиям 220 и 24 В.

• Утечка тока аккумулятора в отключённом состоянии не более 200 мкА

• Все основания рассчитывать что на половине заявленных максимальных токов плата способна будет длительно работать без радиаторов при условии свободной конвекции.

Схема

Структурная схема

Особенности схемы

Зарядник аккумулятора выполнен на регулируемом DCDC преобразователе U23 серии LTC3789.
Выходное напряжение преобразователя задается микросхемой U24 DAC80501 управляемой по интерфейсу I2C. DAC80501 преобразует 16-и битный код в выходное напряжение в диапазоне от 0 до 1.25 В. Резистивный делитель на R94, R96, R100 смешивает напряжение от U24 и выходное напряжение DCDC преобразователя чтобы получить опорное напряжение VFB, для микросхемы LTC3789 оно должно равняться 0.8 В. DCDC преобразователь работает так чтобы напряжение VFB всегда оставалось равным 0.8 В, когда микросхема U24 меняет свое выходное напряжение.
Таким образом DCDC преобразователь способен регулировать свое напряжение от 1.65 В до 31.9 В.
Для расчета схем на базе LTC3789 и подобных существует специальная программа - LTpowerCAD
Вид окна программы для рассматриваемого преобразователя показан ниже:

В целом программа показывает более оптимистичные результаты чем есть в реальности, особенно на малых мощностях. В частности недооценивается влияние паразитных элементов трассировки.
Даже упрощенная модель в программе LTpowerCAD не дает однозначного ответа по оптимальному выбору компонентов, поскольку при разных режимах и комбинациях входных и выходных напряжений и токов значительно меняется вклад разных элементов в нагрев схемы. Т.е. программа не выполняет глобальной оптимизации по всему диапазону рабочих режимов. И приведенная схема была в основном оптимизирована для случая выходного напряжения в 32 В и выходного тока 10А, т.е. самого тяжелого режима при зарядке 24В аккумулятора.
На КПД преобразователя также влияет состояние сигнала DCDC_MODE. Как показала практика в состоянии лог. 0 (forced continuous mode ) катушка индуктивности L5 меньше нагревается чем когда на DCDC_MODE присутствует лог. 1 (pulse-skipping mode)
Сигнал EN_CHARGER в состоянии лог. 0 запрещает работу преобразователя. В выключенном состоянии преобразователь не пропускает напряжение с выхода на вход.

Ключ источника питания SW1. Выполнен на микросхеме U20 LTC4364. Через этот ключ проходит ток от источника питания к потребителям. Когда происходит переключение от питания от аккумулятора этот ключ выключается микроконтроллером.

Ключ кроме непосредственно коммутации выполняет еще несколько защитных функций:
- работает как идеальный диод от входа к выходу,
- выполняет защиту от перегрузок по току,
- защищает выходную цепь от перенапряжений на входе (отключается при перенапряжении) ,
- не пропускает в систему слишком низкое напряжение от источника питания,
- ограничивает броски тока при включении,
- обеспечивает плавное нарастание выходного напряжения,
- предохраняет схему от переполюсовки на входе.
При этом о своих аварийных состояниях ключ сообщает сигналом PIDS_FAULT.
Сигналом PIDS_SHDN в высоком состоянии ключ выключается. Если схема обесточена, то при включении источника питания будет находиться в открытом состоянии.

В промышленных системах столько защит не является лишним. Особенно когда работать приходится в окружении электроники сомнительного качества и надежности.

Ключ аккумулятора SW2. Выполнен на микросхеме U21 LTC4364.

Назначение этого ключа в том чтобы пропустить ток от аккумулятора к потребителям в режиме работы резервного питания. Транзистором Q9 задается два разных уровня выходного напряжения.
При уровне 0 сигнала AIDS_FBC ключ начинает пропускать ток от аккумулятора в систему (т.е. потребителям) только если напряжение в системе упадет ниже 22.9 В (т.е. внешний источник питания не будет способен удержать свое номинальное напряжение)
При уровне 1 сигнала AIDS_FBC ключ пропустит ток если в системе напряжение будет ниже 26.3 В.
Это необходимо когда в систему включается полностью заряженный аккумулятор с напряжением до 32 В чтобы транзисторы ключа не перегрелись из-за слишком большого падения напряжения на них.
Поскольку ключ еще и выполняет функции идеального диода, то ток из системы в аккумулятор через него не проходит.
В обесточенном состоянии и подключении только аккумулятора ключ останется закрытым. Таким образом систему нельзя включить от аккумулятора не подав предварительно напряжение от внешнего источника питания.

Ключ питания инвертора SW3. Выполнен на микросхеме U14 LTC4368.

Этот ключ включает питание на инвертор. Для быстрого переключения на резервное питание инвертор желательно держать включенным. Однако инверторы потребляют значительный ток. Например инвертор MEAN WELL TS-1500-224 мощностью 1.5 КВт

на холостом ходу потребляет более 1 А. После аварийной перегрузки такой инвертер не включится вновь пока на с него не снимут напряжение ( если не пользоваться его интерфейсом управления). В таком случае ключ помогает избавиться от лишнего потребления тока и упростить восстановление после перегрузок, хотя и ценой некоторой инерционности.
Ключ защищает аккумулятор от слишком больших токов. В данной схеме защита должна срабатывать при токе превышающем 50 А, на самом деле будет меньше, тут критически важна трассировка.

Высоковольтная часть. В высоковольтной части коммутация производится с помощью реле K1 и K2 типа AHES4292. Не самый быстрый и надежный способ коммутации, но дело в том что схема предназначена для коммутации самых разнообразных нагрузок и напряжений, в частности для коммутации межфазных напряжений в 3-х фазных сетях (тогда ставятся еще вспомогательные внешние 3-х фазные контакторы). Реле относятся к типу реле безопасности и на схеме они взаимно блокированные. Принято считать что по такой схеме реле такого типа ни при каких обстоятельствах не смогут включиться одновременно, даже когда одно из них залипнет. Значит сетевое напряжение никогда не сможет проникнуть на выход инвертора и погубить его.
Залипание реле контролируется измерителями напряжения на резистивных делителях R51, R52 и R53, R54

Мониторы мощности. Реализованы на микросхемах U15 и U17 типа ACS37800KMACTR-030B3-SPI.
Микросхемы способны измерять переменный ток, напряжение, мощность, действующие их значения, средние от действующих значений за заданное время, способны измерять действующее как по переходу через ноль так и действующее значение постоянных токов. Каждая из микросхем отдельно гальвано-изолирована и может выполнять точные измерения не беспокоясь о способе реализации заземления и зануления источников напряжения и даже измерять при межфазном подключении. Микросхемы измеряют ток амплитудой до 30А.
Считывание данных производится по интерфейсу SPI. На каждую микросхему идет отдельный интерфейс SPI поскольку они не могут совместно работать на одном общем интерфейсе.

Измерители токов и напряжений. Как пример приведен фрагмент схемы ниже -

U22 и U13 здесь измеряют ток. Микросхемы INA240A1 хорошо подходят для условий измерений с большими синфазными помехами. Они двунаправленные. Средняя точка для них формируется общей для всех прецизионной мало-шумящей схемой на операционном усилителе U26 THS4281DBVR. Кроме того INA240A1 достаточно хорошо согласуются в входами АЦП микроконтроллеров.
Микросхема U27 на схеме выполняет роль дифференциального усилителя напряжения для измерения напряжения аккумулятора. Дифференциальный усилитель применен здесь для того чтобы минимизировать ток потребляемый от аккумулятора, когда система обесточена, также дифференциальный усилитель как ни странно упрощает трассировку платы в отношении топологии аналоговых и цифровых земель.

Элементы управления. Для управления платой в первую очередь предназначены коммуникационные интерфейсы, но предусмотрено также и непосредственное ручное управление и настройка. Для этого введен в схему ручной механический энкодер SW1 с двухцветной подсветкой и нажатием PEL12D-4225S-S2024.

Для отображения информации есть OLED дисплей ER-OLED015-2W. Монохромный, 128x64 точки, управляется по интерфейсу SPI. Немного усложненная схема

объясняется тем что дисплею для работы нужно повышенное напряжение 12 В. Ключ питания U34 здесь добавлен скорее для страховки ввиду неопределенности поведения в даташите на дисплей в случае пониженного уровня VCC.

Микроконтроллер MKE18F512VLL16 будет работать на частоте 120 МГц. Его внутренней RAM размером в 64 кБ должно хватить для операционной системы реального времени чтобы управлять несколькими автономными задачами: GUI, измерений, контроля, связи.

Что стоит помнить.
Как и программное обеспечение такие схемы подвергаются постоянному рефакторингу - меняются названия сигналов, заменяются микросхемы на другие, меняются дискретные компоненты, исправляются грубые ошибки и т.д. Изменения происходят постоянно и даже на этапе эксплуатации изделия. Эта схема прошла уже 3-и итерации с очень существенными изменениями.
Самый страшный враг схемотехника промышленных изделий - желание экономить на компонентах, пытаться снизить себестоимость отказываясь от тех или иных защитных средств: супрессоров, гальвано-изоляции, разделения земель, лимитеров и т.д.
Пример: можно не ставить супрессор на входе к которому подключается внешний источник питания. Казалось бы логично, ведь источник питания и так имеет многочисленную защиту на своем выходе. Но на производстве нередко включенный источник подключают к не запитанной плате. При достаточно длинных проводах и мощном источнике на входе платы в момент непосредственно коммутации и сопровождающего ее дребезга возникают резонансные явления приводящие к перенапряжениям и выходу из строя полупроводниковых ключей на плате.
Отловить такой баг уже отдав устройство в эксплуатацию можно лишь по факту массового обращения недовольных потребителей.

Далее предстоит плату страссировать, спаять, написать программу.
Трассировкой предполагается заняться в следующей статье.

Все началось с того, что коллега на работе попросил мне помочь запустить сцинтилляционный счетчик для какого-то натурного эксперимента на борту парохода. Принес мне завернутый со всех сторон в фольгу монокристалл BGO -- цилиндрическую шайбу размером 40х15 мм, и кремниевый ФЭУ типа MicroFC 60035, и сказал, что ничего не работает. В том виде, как это было собрано у него, он в принципе давал импульсы. Но в среднем раз в секунду, что для сцинтилляционного детектора с немаленьким кристаллом как-то совсем слабо. И на поднесение источника в 50 кБк цезия-137 он не реагировал в принципе. Как и вообще на что-то мягче кобальта-60. И с этим надо было что-то сделать.

Итак, начнем.

Выбор материала

Вспомнив опыт со своим сцинтилляционным радиометром, я сразу сказал: BGO здесь едва ли будет работать. Детектор от Atom Fast 8850 начинает надежно "видеть" гамма-кванты от 30 кэВ, а BGO имеет сцинтилляционную эффективность раз в десять хуже. Добавим сюда упавшую в разы эффективность светосбора из-за больших поперечных размеров шайбы по отношению к детектору, огромный показатель преломления BGO и конструкцию детектора, сделанную на тяп-ляп, вот и получаем порог в районе 0,5-0,6 МэВ. Его можно снизить до 150-200 кэВ при должном старании, но не более. Ищи, говорю, цезий-йод. Тем временем разобрал конструкцию, оттер SiPM от вазелинового масла, припаял поаккуратнее проводочки из МГТФа к его контактным площадкам и убрал его в надежное место...

И подходящий кристалл CsI(Tl) нашелся, причем очень удачной для SiPM геометрии. "Палочка" диаметром 20 мм и длиной 80 мм во вполне стандартном алюминиевом корпусе с окном. Тип СДН.25.20.80, "Для регистрации". Правда, нашелся он на "Авито", у широко известного в узких кругах украинского продавца. И вот прошло десять дней и сцинтиллятор уже лежал на моем столе. Кристалл, надо сказать, большого доверия не внушал: внутри имелась прослойка включений в виде нескольких черных точек и легкой вуали, окно немного отстало от кристалла по краям. Но по крайней мере, целый, не мутный, не желтый, да и другого все равно нет. Будем работать с ним.

Тут нужно пояснение, почему именно CsI(Tl), а не его "старший брат" NaI(Tl). Дело в том, что последний очень чувствителен к перепадам температуры и даже слабым ударам, приводящим к растрескиванию. CsI -- материал, обладающий определенной степенью пластичности и при небольших механических нагрузках не трескается, а деформируется. Также CsI(Tl) позволяет себя "раздеть" и переупаковать без сухой камеры с инертной атмосферой, тогда как NaI(Tl) настолько гигроскопичен, что покрывается росой и начинает расплываться уже через пару минут нахождения на воздухе. В нашем случае необходимости в переупаковке не было -- корпус детектора был вполне исправен и герметичен, а ручаться за герметичность самодельного контейнера я б не стал.

Первая проба

Для начала решил на скорую руку приложить к кристаллу SiPM даже без всякой оптической смазки между ним и окном -- чтобы не пачкать лишний раз. Заклеил алюминиевым скотчем и черной изолентой от внешней засветки, подключил к лабораторному БП через нагрузочное сопротивление 2,2 кОм, подключил к нему щуп осциллографа... Мнда, негусто. Конечно, небо и земля по сравнению с BGO, но сигнал от Am-241 (59 кэВ) -- около 8-10 мВ при 29,5 В. При этом засинхронизироваться от этих импульсов очень трудно: шумовые импульсы, обусловленные темновыми фотоэлектронами, лишь немного меньше полезного сигнала.

Ну что ж, для начала попробуем сделать, как положено. Заодно оценим, насколько нужны те или иные ухищрения.

Соединяем Si-ФЭУ и сцинтиллятор грамотно

Тут надо начать с того, что сам кремниевый ФЭУ -- крохотный по сравнению с его вакуумным аналогом. Размеры его входного окна -- всего 6х6 мм. И даже наш невеликий кристалл имеет площадь выходного окна в 8,7 раза больше. Обычно ФЭУ подбирают с диаметром фотокатода, совпадающим или почти совпадающим с диаметром сцинтиллятора, именно в таком случае светосбор наиболее эффективен и, что особенно важно для гамма-спектрометрии, не зависит от расположения источника света (вспышки сцинтилляции) в пространстве. В нашем же случае пришлось бы поставить мозаику как минимум из четырех кремниевых ФЭУ, что в бюджет не влезало с учетом того, что уже пришлось купить кристалл (да -- нам, ученым, иногда приходится покупать кое-что для работы из своего кармана). Спектрометрия нам тоже не требовалась, и оставалось надеяться на то, что собранного света окажется достаточно.

Как мы можем оптимизировать светосбор в нашем случае? Если не распаковывать кристалл, у нас возможностей немного. И мы ими воспользуемся.

Какие это возможности? Во-первых, мы должны устранить воздушную прослойку между кристаллом и ФЭУ. Как вы думаете, сколько излучения теряется при ее наличии? Казалось бы, немного. Коэффициент отражения на границе стекло-воздух равно ~ 4%, и можно ожидать, что потеряем мы лишь 8% света. Но это было бы верно, если бы все излучение падало бы на фотокатод перпендикулярно. Но это не так: из сцинтиллятора свет выходит под всеми углами. И при наличии прослойки часть света просто не покидает кристалл из-за полного внутреннего отражения, а излучение внутри "конуса выхода" тоже частично отражается внутрь кристалла, и чем больше угол, тем сильнее.

Для устранения воздушной прослойки кристалл и фотоприемник соединяют с помощью прозрачной оптической смазки или клея, показатель преломления которой максимально близок к показателям преломления окон кристалла и ФЭУ. В качестве смазки можно использовать прозрачное вазелиновое или силиконовое масло, винилин. Существуют также специальные оптические контактные смазки наподобие тех, что производят компании Alpha Spectra Inc и Saint Gobain (BC-631). Для приклейки применимы прозрачные силиконовые и эпоксидные компаунды. С успехом можно использовать OCA -- листовой оптический клей вроде двустороннего скотча, предназначенный для приклейки сенсора к дисплеям смартфонов. Этот материал продается во всех магазинах запчастей для их ремонта и стоит несколько десятков рублей за кусок, вырезанный по форме дисплея.

Второе, что нужно сделать -- это закрыть все пути утечки света из кристалла. И худшее, что здесь можно сделать -- это поддаться соблазну решить все по-простому и заклеить окно алюминиевым скотчем.

Дело в том, что голый алюминий отражает только 85-88% света. Отражательная способность алюминиевого скотча со стороны клея -- еще ниже, не более 60-70%. Учитывая то, что свет будет несколько раз переотражаться туда-сюда внутри кристалла, пока не попадет на фотоприемник, это очень плохие цифры. Существует ряд материалов с очень высоким коэффициентом диффузного отражения, превышающим 95% -- многослойные пластиковые пленки, синтетическая бумага Tyvek и др. Тем не менее, наиболее доступным и весьма эффективным отражателем является обыкновенная сантехническая ФУМ-лента белого цвета в несколько (4-6) слоев , покрытая сверху алюминиевой фольгой, что дает коэффициент отражения примерно 95%. SensL рекомендует [1] для изготовления сцинтилляционных детекторов на основе SiPM именно ее. "Культурный" аналог производства Saint Gobain Crystals называется BC-642Teflon Tape.

Кто сказал "фокон"?

Фокон -- это сокращение от "фокусирующего конуса". Идея в том, что свет падает на конический или параболический рефлектор, концентрирующий свет с большой входной площадки на маленькую выходную. И такое решение действительно часто применяют в сцинтилляционных детекторах, чтобы сопрячь кристалл с ФЭУ меньшего диаметра. Но работает это решение весьма спорно.

Дело в том, что чем больше отношение входной площади фокона к выходной, тем уже конус, из которого фокон собирает свет. Свет, падающий под углом больше критического, отражается обратно. А сцинтиллятор светит во все стороны, и ограничивая угол сбора света, мы теряем его часть, так что обмануть природу не получится. В статье [2] показано, что фоконное сопряжение не дает ничего ни для эффективности светосбора, ни для спектрального разрешения при аналогичном нашему соотношении размеров кристалла и сборки из SiPM (кристалл диаметром 2" и сборка 2х2 из MicroFC 60035).

Сборка детектора

Поскольку наш кристалл находится в стандартном контейнере с кварцевым окном в торце, нам не нужно заботиться о светоотражающем покрытии всего кристалла. Им нужно закрыть его торец, оставив в покрытии квадратное окошко по размерам SiPM, то есть 7х7 мм. Всю остальную площадь окна нужно закрыть полосками ФУМ-ленты в 5-6 слоев. Затем из алюминиевого скотча вырезать круг диаметром около 50 мм, в его центре прорезать макетным ножом такое же квадратное отверстие и наклеить его поверх ФУМ-ленты, чтобы отверстия совпали. Теперь аккуратно заворачиваем его края на цилиндрическую поверхность корпуса, максимально тщательно разглаживая и разравнивая складки, через которые может проникать свет.

В свободный от ФУМ-ленты и фольги квадратик вклеиваем SiPM с помощью квадратика, вырезанного под его размер из OCA-пленки. Сверху на него наклеиваем кусочек каптоновой пленки, чтобы не замкнуть выводы кремниевого ФЭУ фольгой, а затем заклеиваем сверху кружком из алюминиевого скотча для защиты попадания света, пропустив провода от SiPM вдоль цилиндрической поверхности кристалла и оборачиваем боковую поверхность полосой алюминиевого скотча, спрятав под ней некрасивые и могущие пропустить свет складки. Правда, первое включение показало, что этого недостаточно и детектор нормально работает только если прикрыть его от света. Поэтому я закрыл конструкцию еще одним слоем самоклеящейся фольги и пропустил провода под ним в виде петли. В окончательном варианте детектор выглядит вот так.

Результат не заставил себя ждать: амплитуда сигнала от америция возросла более чем вдвое, достигая 20 мВ, что позволяет его уверенно выделять на фоне темнового шума. Вот сколько можно потерять света только из-за того, что пара квадратных сантиметров вокруг сиФЭУ закрыта неидеальным отражателем, и из-за зазора между ним и сцинтиллятором, заполненного воздухом.

Показательным является то, что уровень сигнала не меняется заметно при перемещении америциевого источника вдоль кристалла. Это говорит о том, что даже при столь субоптимальном сопряжении кристалла и фэу светосбор остается относительно равномерным.

Ссылки

1. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9774-D.PDF

2. Kim J., Park K., Hwang J. et al. Efficient design of a 22 inch NaI(Tl) scintillation detector coupled with a SiPM in an aquatic environment. // Nuclear Engineering and Technology. 2019. V. 51. 4. P. 1091-1097.

3. Lavelle C.M., Shanks W., Chiang C. Approaches for single channel large area silicon photomultiplier array readout // AIP Advances. 2019. 9. 035123.

В предыдущей статье, посвящённой моим попыткам погрузится в увлекательный мир программирования микроконтроллеров, я грозился сделать обзор на "обновку". К сожалению, мне сейчас не хватает навыков и времени чтобы сделать, что-то достойное полноценного обзора. Однако, я всё-таки решил подготовить забавы ради, короткую статью на тему игрушечного соревнования CANNY 3 TINY PRO и неоригинальной Arduino Nano. Соревноваться контроллеры будут в своеобразном аналоге перетягивания каната, на роль которого был выбран двухцветный светодиод марки BL-L2519EGW.

Итак в сегодняшнем материале мы подключим оба контроллера к светодиоду и будем подавать случайный сигнал на его выводы. Правила простые кто большее напряжение подаст у того и кристалл в светодиоде загорится ярче. Попутно мы воспользуемся ЦАП на контроллере CANNY и доработаем стандартный ГСЧ с помощью составного функционального блока.

В статье не будет сложной электроники или мудрёного программирования, так что она вполне подойдет новичкам.

Оглавление:

1. Введение

2. Схема

3. Программа

4. Заключение

Введение

Я намерено не буду разбирать технические характеристики нового (для меня) контроллера CANNY. Скажу только одну вещь. Несмотря на то, что они оба контроллера внешне чем-то похожи сравнивать их совершенно не уместно и мы этого делать не будем.

Для того, чтобы повторить "дуэль века" вам потребуется:

1. Двухцветный светодиод - я использовал BL-L2519EGW, но марка не особо критична.

2. Контроллер CANNY 3 TINY PRO именно у этого контроллера есть ЦАП, к тому же он самый доступный по цене в линейке контроллеров CANNY.

3. Совместимый с Arduino контроллер - я использовал неоригинальную Nano, но можно было и UNO.

4. Пара резисторов 100 Ом, - я не силен в электронике, но решил подстраховаться и использовать их как ограничители тока (может это и неверное решение). В любом случае думаю, что у контроллеров есть свои встроенные ограничители тока и схема может работать и без резисторов.

5. Соединительные провода и макетная плата.

Напомню цель. Мы хотим чтобы оба контроллера подавали на светодиод в течение короткого периода времени, случайное напряжение. В зависимости от уровня напряжения на выходах контроллера кристаллы внутри светодиода будут светится с разной интенсивностью, или не будут вовсе, в случае ничьей.

Предвосхищая некоторую критику, сразу скажу, что само собой раз контролеры Кэнни стоят в "Дакаровских" Камазах, наверное и CANNY 3 TINY PRO явно предназначен для чего-то большего, чем просто моргать светодиодом. Собственно Arduino Nano тоже может намного больше. Просто я ничего сложнее в этот раз собрать не смог, а поделится впечатлением хотелось.

Ну и на всякий случай остальные статьи цикла размещу под спойлером.

Схема

Питать контроллеры мы будем через USB-порты, поскольку оба контроллера имеют USB-VCP мы при необходимости сможем еще и передавать данные. Но в принципе контроллеры можно питать и от двух USB зарядных устройств, схема всё равно будет работать.

Первым делом объединим "Землю" у двух контроллеров соединив выводы "GND".

Затем, от каждого из контроллеров "подведем" к светодиоду выводы от канала ЦАП.
У Arduino - "D5", у CANNY - "C2" (это единственный выход с ЦАП).
В нашем случае светодиод имеет два вывода и работает он примерно так: если на левой ноге напряжение больше, чем на правой то загорается красный кристалл. Чем больше разница потенциалов, тем ярче он загорится. И наоборот, если на правой ноге напряжение больше, чем на левой, то загорится зеленый. При примерном равенстве потенциалов светодиод вообще не будет светится.

Мы будем "перетягивать канат" 2.5 секунды, нам важно, чтобы контроллеры подали сигнал более-менее синхронно. Для этого (а также для нашей тренировки) контроллеры подадут друг другу сигналы. Выход "D7" Arduino подаст логическую единицу на вход "C6" CANNY. В свою очередь, CANNY с выхода "C4" подаст логическую единицу на вход "D3" Arduino. В программе каждого из контроллеров предусмотрим проверку наличия сигнала, при успешном прохождении которой подается напряжение на светодиод.

Для того, чтобы узнать какое напряжение подали оба контроллера, мы с помощью АЦП CANNY померим напряжение поданное Arduino. Для этого подсоединим выход "C10" CANNY к резистору.

Кстати лично я очень рад что у Canny 3 TINY PRO для того, чтобы включить режим АЦП канала не нужно паять перемычку, как в случае с обычным CANNY 3 TINY.

В итоге должно получится примерно вот-так:

Я правда использовал специальные резисторы из набора, но в остальном схема как на картинке.

Ещё важно напомнить, что у кристаллов внутри светодиода немного разные электрические параметры, поэтому возможно, что будут светится одновременно оба кристалла, также возможны другие непредвиденные мелочи, которыми мы можем пренебречь.

Перейдем к программной части.

Программа

Обе программы можно скачать с GitHub.

Программа для Arduino очень простая, думаю нет смысле её комментировать:

/*Synhronized Randomize DAC.See more http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/561148/*/int ADC_pin = 5;int input_pin = 3;int output_pin = 7;int synch_signa = 0;int v_min = 10;int v_max = 2550;int synch_signal = 0;float rand_voltage = 0;// the setup function runs once when you press reset or power the boardvoid setup() {  pinMode(ADC_pin, OUTPUT);  pinMode(output_pin, OUTPUT);  digitalWrite(output_pin,HIGH);  pinMode(input_pin, INPUT);  Serial.begin(9600);}// the loop function runs over and over again forevervoid loop() {synch_signal = digitalRead(input_pin);      // read signal from another deviceif (synch_signal) { rand_voltage=random(v_min, v_max) / 10; analogWrite(ADC_pin, rand_voltage); Serial.println(rand_voltage);  delay(2500);   // wait for seconds}else{ delay(500);   // wait for seconds}                }

Программа для контроллера CANNY:

• При включении контроллер устанавливает на выходе "С4" логическую "1" для синхронизации с Arduino.

• Канал "C10" в режиме АЦП измеряет напряжение от Arduinio и с помощью функции MAP переводит его в удобный для чтения вид.

• ШИМ-генератор в сочетании с детектором переднего фронта раз в 2.5 секунды дают сигнал для записи случайного значения в канал "C2".

  • Значение при этом запишется, только если на входе "С6" есть логическая "1" от Arduino.

  • Значение напряжения для подачи на светодиод генерируется случайным образом. Поскольку у CANNY нет встроенного блока для сброса ГСЦ, "случайность" сигнала обеспечивается, сложением "истории" сигналов, поступивших от Arduino.

  • Для уменьшения количества элементов на основной диаграмме, реализация функции "Random" перенесена в одноименный составной блок (об этом чуть позже).

• Значения напряжений на выводах светодиода от обоих контроллеров передается в виртуальный COM-порт ПК. Данный порт мы можем мониторить в любой программе, например в Hterm, но я для простоты решил использовать Arduino IDE.

  • Чтобы не "заморачиваться" с лишними символами, напряжение контроллеров выводится без точки, например, "c=45" значит, что напряжение на выводе ЦАП CANNY = 4.5В, соответственно "a=27" значит, что на ЦАП выводе Arduino = 2.7В.

Рассмотрим составной блок "Random (min...max)":

В данном блоге мы используем встроенный ГСЧ и функцию MAP для того чтобы выводить не просто числа от 0 до 65000, а в нужном нам диапазоне. Данный блок можно использовать, как библиотечный элемент и повторно использовать в других схемах. Более подробно о том, как работать с составными функциональными блоками, я писал в этой статье.

Примечание: когда вы загружаете программу в один из контроллеров, второй лучше отсоединять от ПК.

Заключение

Если вы все собрали верно, то получится примерно такой результат:

Слева направо:

1. У контроллеров ничья, напряжение примерно равно.

2. CANNY немножко выигрывает.

3. CANNY ощутимо выигрывает.

4. Arduino ощутимо выигрывает.

Пример вывода данных из монитора COM-порта (несвязанный с картинкой выше):

Если честно изначально, я хотел сделать крестики-нолики на светодиодах, но потом понял, что для меня это тяжело, но, если кто-то вдруг сделает поделитесь пожалуйста ссылкой в комментариях.

Ну и еще под конец хочу сказать, что чертовски любопытно иногда погрузится в другую парадигму программирования. Я получил удовольствие, когда своими руками из функциональных блоков собрал простенький аналог функции "Random". Сейчас подумываю сделать еще несколько "библиотечных" элементов реализующих распространенные функции, которых порой не хватает среди готовых блоков CANNY и набросать об этом статью.

На этом всё. Надеюсь, что статья была для вас если уж не особо полезна, то хотя бы просто любопытна.

В предыдущей статье http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/557242/ была описана схемотехника контроллера резервного питания. Такой контроллер может пригодится в разнообразных технических системах и устройствах. Поэтому конструктив платы был выбран максимально нейтральный с возможностью выноса элементов управления на отдельную панель.

Выбор конструкции платы и ее трассировка - это каскад компромиссов. Компромиссы возникают когда надо удовлетворить целый список желаний включающий, но не ограниченный пунктами:

• электромагнитная совместимость удовлетворяющая стандартам

• высокая теплоотдача и большая рассеиваемая мощность без радиаторов и вентиляторов

• низкая цена печатной платы

• минимальные размеры

• возможность изменять варианты сборки

• обеспечение электробезопасности и электрической прочности

• ремонтопригодность с минимальной оснасткой и оборудованием

• пригодность для коррекций ошибок трассировки и схемотехники

• технологичность сборки и невысокая цена сборки

• максимальная тестируемость после сборки

• удобство монтажа в целевой системе

Естественно что весь этот список невозможно не только максимально удовлетворить, но даже держать в памяти затруднительно.
Поэтому эмпирически выбираем два-три высших приоритета с которыми работаем в первую очередь.
Низкая серийность позволяет нам сдвинуть цену вниз по приоритетам. Боль прошлого опыта заставляет нас поднять ремонтопригодность и тюнингируемость на пару уровней выше чем это принято обычно.
В верхней строчке может оказаться электробезопасность и соответствие стандартам по ЭМС.
И не только потому что без этого регуляторы просто не позволят эксплуатировать плату. Плохая ЭМС может поднять результирующую цену платы многократно, поскольку приведет к длительному циклу отладки, к повышенному проценту ремонтов, удорожанию технической поддержки и многому другому. Соответственно вердикт - плата должна иметь не менее 4-х слоев.

В 4-х слоях удастся сделать максимально большие полигоны земли и питания, а также полигоны отвода тепла.
Толщину платы выбираем из соображений жесткости и из перечня доступных вариантов у производителя плат. Внутренние слои расположены ближе к внешним чтобы иметь лучшую емкостную связь с дорожками в верхних слоях и обеспечивать лучшую ЭМС, а также для лучшей передачи тепла от SMD компонентов в стороны от них.
Шесть слоев конечно было бы лучше, но нельзя забывать что цена еще не выкинута из списка приоритетов.

Вопрос выбора программных инструментов для трассировки решается в пользу Altium Designer. Как считают его разработчики он на сегодня наиболее массово применяемый инструмент в данной области.
Цена за standalone лицензию Altium до акций могла обойтись пределах 10 тыс. евро, еще 3 тыс. евро возможно придется отдать за опцию PDN Analyzer если потребуется точнее рассчитать потери и наводки в проводниках.
К счастью есть возможность поработать с триальной версией Altium и при должной сноровке выполнить трассировку необходимой нам платы в триальный период.

Результат работы показан ниже:

Компоновка
При компоновке внимание было уделено дистанцированию высоковольтных коммутаторов от низковольтных цепей, компактности отдельных ключей для минимизации длины дорожек проводящих большие токи, распределению силовых компонентов способом обеспечивающим наилучший отвод тепла. Таким образом все силовые транзисторы оказались на нижнем слое.
При необходимости на них всех можно установить единый радиатор.

На посадочном месте дисплея находится ряд отверстий под установку разъема. Если дисплей и энкодер нужно вынести, то ставится разъем на который выходят все необходимые для выноса сигналы.

Работа по правилам.
В Altium есть оригинальный механизм правил. Правила позволяют делать автоматическую проверку соответствия трассировки заданным технологическим нормам.

Для данной платы были созданы следующие основные правила:

Определение зазоров.
Зазоры - это то на чем вас в первую очередь могут подловить сертифицирующие органы если вы не уделите необходимого внимания этому аспекту. Зазоры необходимо увеличивать для защиты от пробоев электрическим напряжением и всяческих неприятностей при длительной эксплуатации, но делать зазоры слишком большими тоже не вариант. Поэтому делать их надо по предельно допустимым величинам из стандартов. На каждое напряжение свой зазор, причем он разный во внешних и внутренних слоях, зависит от того открыта паяльная маска или нет и прочих условий.
Дополнительно надо помнить о двух разных понятиях: зазор (clearance) и длина пути (creepage).

Путь (creepage) должен быть строго таким как указывают стандарты, а вот зазор может быть меньше если между площадками находится вырез в плате. Очень часто высоковольтные разъемы имеют дистанцию между выводами меньшую чем допустимо при указанном на них максимальном напряжении. В этом случае делают вырезы чтобы обеспечить необходимый creepage.

Чтобы иметь возможность разным цепям назначать разные зазоры по отношению к другим цепям на схеме задаются классы цепей. Классы назначаются с помощью специальных визуальных элементов присоединяемых к цепям, как показано на рисунке. При щелчке на элементе открывается диалог, где можно написать имя класса цепи.
Затем в редакторе печатной платы в диалоге правил каждому классу обнаруженному на схеме можно записать свое правило со значением зазора. Естественно для классов можно задать и иные категории правил, например ширину проводников, типы переходных отверстий разрешенных для класса, способы подключения к полигонам, термо-барьеры и проч. Но для данной платы это не используется.
Обратной стороной правил является то что их может стать слишком много и тогда поддерживать правила при рефакторинге станет труднее чем делать ручные операции.

Площадки и их особенности

Как и при разработке программного обеспечения так и при разработке платы не имеет смысла сразу уделять много внимания форме площадок. Для этого есть рефакторинг и в Altium этот рефакторинг делать достаточно удобно.
Но несколько советов все же дам.

Во первых, все площадки скругляю (или почти все, насколько видится целесообразным) .
Это заметно повышает плотность трассировки и заполняемость полигонами. Исключение составляют только первые пины многовыводных компонентов. Их делаю прямоугольными чтобы сразу визуально отличить и понять ориентацию компонента с какой бы стороны платы мы не смотрели (если это не SMD компонент)

Следующим важным моментом является маска для нанесения пасты. Все области открытой маски для пасты на поверхности платы должны быть примерно одинаковыми. Так требуют технологи контрактных сборщиков чтобы лучше контролировать количество наносимой пасты.
Поэтому под большие площади занимаемые SDM транзисторами маска пасты делается не сплошной, а перфорированной. Если ее сделать сплошной, то переизбыток пасты вызовет миграцию корпуса силового транзистора при пайке с сторону со значительным смещением (доли миллиметра). Такой миграции хватит чтобы замкнуть затвор с истоком.
Если переходные отверстия находятся на площадке, то их диаметр не более 0.3 мм и над ними закрыта маска пасты. Паста никогда не ложится на переходные. С обратной стороны платы у таких переходных всегда открыта паяльная маска. Такие меры вполне эффективно препятствуют массивному перетеканию припоя на обратную сторону и образованию дефектов вспучивания паяльной маски на обратной стороне.

Площадки измерительных шунтов.
Оба показанных ниже варианта приемлемы. Но все же первый вариант выдаст менее точное измерение. И погрешность будет выше чем заявленная погрешность номинала самого шунта.

Шелкография

Стиль шелкографии на плате достаточно скупой.
Насыщенная шелкография, где обводятся контуры каждого элемента может привести к большому объему трудозатрат по корректировки нахлёстов шелкографии на открытые площадки для пайки.
Главное что нужно от шелкографии - показать позиционные обозначения компонентов и их ориентацию.

Какие рекомендации действительно важны

В интернете на сайтах любителей да и производителей есть множество советов как и что нельзя делать при разработке печатных плат. В целом обычно верно, но часто остается непонятным насколько критичны те или иные рекомендации. Два примера ниже.

Рекомендация по установке термо-барьеров. Она напрямую конфликтует с требованиями ЭМИ и теплопередачи, однако выполнение рекомендации обеспечивает исключительное удобство ремонта. Как правило если элемент не греется, не проводит большие токи, то ремонтировать его не приходится, если только не считать тюнинга.
Современные контрактные сборщики, по моему опыту, не отдают плат с дефектом надгробного камня, а исправляют его у себя, если он появляется. Они также и претензий не предъявляют в случае отсутствия термо-барьера.
Что же касается ремонта, то современные паяльники без труда справляются с отпайкой компонентов без термо-барьеров. Словом, рекомендация сомнительная.

Рекомендация для паяльной маски. Это очень важная рекомендация. Области открытой паяльной маски ни в коем случае не должны охватывать соседние площадки если они принадлежат разным цепям. Иначе практически гарантировано где-то возникнет замыкание между площадками и контрактный сборщик отдаст плату с дефектом потому что визуальный контроль его не обнаружит, так как замыкания могут быть под корпусами микросхем.

Проблемы земли
Вопрос о земле - важнейший в цифро-аналогово-силовых схемах. Малейшая неосмотрительность может привести к тяжелым финансовым последствиям либо, в лучшем случае, к значительной деградации качества работы схемы.
У Altium есть инструмент под названием PDN Analyzer для точного расчета потенциалов в проводниках с большими токами к которым относятся и полигоны земель. Однако в данном проекте этот анализатор не использовался. Все же это дорогое и трудоемкое удовольствие оправданное в более сложных проектах. Здесь подход был проще.
Были идентифицированы несколько основных доменов земли которые необходимо максимально разделить:
- цифровая земля микроконтроллера
- аналоговая земля микроконтроллера
- возвратная земля силовых ключей и DC/DC преобразователя
- чувствительная земля DC/DC преобразователя
- непосредственно заземление

Потом эти земли были обратно на схеме разделены специальными компонентами-перемычками представляющими собой просто короткие дорожки, как на рисунке ниже

После такого разделения на плате эти земли уже трассировались как отдельные не связанные между собой цепи. И конечно не забывалось о правиле минимизации петли возвратных токов, т.е. сигналы каждого домена шли поверх или рядом с полигоном земли этого домена.

Ниже показана результирующая топология каждой из земель.

На этом описание трассировки заканчивается. Насколько это возможно в формате короткой статьи я постарался отметить самые важные на мой взгляд моменты.

Следующим этапом будет программирование, наладка и тестирование платы. Но об этом позже.

Автор: Alex Wulff (из-за глюков хабраредактора не получилось оформить как перевод)

К старту курса о разработке на С++ мы перевели статью о персональном регистраторе молний небольшом устройстве, сообщающем об ударах молнии поблизости. Оно даже сообщает, на каком расстоянии ударила молния; при этом, по словам автора, собрать его самому обойдётся дешевле, чем купить в магазине. Ещё один очевидный плюс вы сможете отточить свои умения в схемотехнике.

В основу устройства положен детектор молний AS3935 с ВЧ-каналом производства DFRobot. Детектор обнаруживает электромагнитное излучение молнии и с помощью специального алгоритма преобразовывает эту информацию в информацию о расстоянии до удара.

Датчик может обнаруживать удары молнии на расстоянии до 40 км (25 миль) и определять расстояние до места удара молнии с точностью до 4 км (2,5 мили). Сам датчик довольно надёжен, но может срабатывать неверно, если устройство находится на открытом воздухе. Самодельное устройство может работать не так надёжно, как коммерческий регистратор молний.

1. Разработка схемы соединений

Схема устройства проста. Информация с датчика молнии передаётся по линиям SCL и SDA, плюс к этому одно соединение предусмотрено для звукового сигнала. Устройство питается от литий-ионного полимерного аккумулятора (LiPo), поэтому я решил встроить в схему зарядное устройство для такой батареи.

Схема устройства показана на рисунке A. Обратите внимание, что аккумуляторная батарея LiPo соединяется с зарядным устройством через штекерно-гнездовые разъёмы JST и не требует пайки.

2. Сборка схемы

Для сборки устройства лучше всего применить так называемую технику свободной сборки. Детали не крепятся к подложке (например к перфорированной плате) а просто соединяются проводами (рис. Б). Так устройство собирается гораздо быстрее и получается меньше по размеру. Правда, страдает эстетика... Но сомнительную эстетику никто не увидит, если сборку закрыть напечатанным на 3D-принтере корпусом. На видео выше показано, как я собрал схему методом свободной сборки.

Подсоедините жучок к зарядному устройству

Отпаяйте зелёные клеммы от зарядного устройства LiPo. Они бесполезны, но занимают пространство. Соедините положительную (+) и отрицательную (-) клеммы зарядного устройства аккумуляторной батареи LiPo с положительной (+) и отрицательной () клеммами на лицевой части жучка. По этим проводам первичное напряжение батареи LiPo будет подаваться непосредственно на микроконтроллер. Технически жучку требуется 5В, но от напряжения 4В батареи LiPo он всё равно будет работать.

Подключение датчика молнии

Обрежьте входящий в комплект четырёхконтактный кабель так, чтобы от провода осталось примерно 5 см. Зачистите концы и подключите кабель к датчику молнии, выполнив следующие соединения:

• положительную (+) клемму на датчике молнии соедините с положительной (+) клеммой на жучке;

• отрицательную () клемму на датчике молнии соедините с отрицательной (-) клеммой на жучке;

• контакт синхронизации (C) на датчике молнии соедините с колодкой SCL на жучке;

• контакт данных (D) на датчике молнии соедините с колодкой SDA на жучке.

Контакт IRQ на датчике молнии также должен быть соединён с колодкой RX на жучке. Соединение должно подходить к аппаратному прерывателю на жучке; колодка RX (контакт 0) единственный оставшийся контакт, поддерживающий прерывание.

Подключение зуммера

Подключите короткий провод зуммера к отрицательной () клемме на жучке (земля), а длинный провод к контакту 11. Сигнальный вывод зуммера должен быть подключён к выводу PWM (для обеспечения максимальной гибкости), здесь идеально подходит контакт 11.

Подсоединение переключателя

Подсоедините к аккумуляторной батарее переключатель. Он будет включать и выключать устройство. Сначала припаяйте два провода к соседним клеммам переключателя. Поскольку соединения переключателя довольно хрупкие, после пайки я также закрепил их горячим клеем.

Обрежьте красный провод на аккумуляторной батарее примерно наполовину и к каждому концу припаяйте провода от выключателя. Эти соединения показаны с правой стороны на рисунке Б. Обязательно закройте открытые участки провода термоусадочной трубкой или залейте горячим клеем, так как они могут соприкоснуться с одним из заземляющих проводов и привести к короткому замыканию. После подсоединения переключателя к зарядному устройству можно подключить аккумулятор.

Окончательная компоновка

Последний шаг избавляемся от беспорядочного скопления проводов и компонентов и приводим устройство в более презентабельный вид (рис. В). Это нужно делать аккуратно, чтобы не переломить провода. Приклейте горячим клеем зарядное устройство LiPo к верхней части батареи LiPo, затем сверху приклейте жучок. И последнее действие: приклейте к самому верху датчик молнии. Зуммер я вывел на сторону, как показано на рисунке В. В результате получилось несколько скреплённых между собой плат с торчащими из них проводами. Выводы переключателя я также оставил свободными, чтобы позже вставить их в корпус, распечатанный на 3D-принтере.

3. Программирование микроконтроллера

Запустите на компьютере Arduino IDE и убедитесь, что в меню ToolsBoard (ИнструментыПлата) выбрано значение Leonardo. Загрузите и установите библиотеку для датчика молнии. Затем скачайте код проекта и загрузите его на жучок. Программа предельно проста и очень легко настраивается.

Обнаружив молнию, устройство сначала подаст несколько звуковых сигналов, чтобы предупредить об ударе молнии поблизости, а затем подаст определённое количество звуковых сигналов, соответствующее расстоянию до молнии в километрах. Если молния находится на расстоянии менее 10 км (6,2 мили), детектор подаст один длинный звуковой сигнал. Если расстояние превышает 10 км (6,2 мили), расстояние будет поделено на 10, округлено, и устройство подаст соответствующее полученному числу количество сигналов. Например, если молния ударит на расстоянии 26 км (16 миль), то сигнала будет три.

Программное обеспечение запускается прерываниями от датчика молнии. Когда он обнаружит электромагнитное излучение от удара, на контакт IRQ подаётся высокое напряжение, оно вызывает прерывание в микроконтроллере. Датчик также может посылать прерывания для событий, не связанных с ударом молнии, например при превышении порогового уровня помех/шума.

В этом случае нужно отойти с детектором подальше от электронных устройств. Исходящее от таких устройств излучение может "забить" сравнительно слабое излучение удалённого удара молнии.

4. Распечатка корпуса на 3D-принтере (не обязательно)

Корпус для устройства разработал я сам. Файлы для 3D-печати можно загрузить здесь. (рис. Г, Д). Верхняя часть корпуса прищёлкивается к нижней, никакого специального оборудования не требуется. Корпус достаточно просторный, чтобы в нём могло поместиться и ваше устройство, если вы будете собирать его по-другому (рис. Д). В любом случае вам ничего не мешает спроектировать аналогичный корпус самому:

• определите габариты устройства;

• спроектируйте устройство в программе CAD (мне нравится Fusion 360 студенты могут получить её бесплатно);

• создайте корпус, перетащив профиль из модели устройства. Допуска в 2 мм будет вполне достаточно.

Обнаружение ударов молнии

Поздравляем, теперь у вас есть работающий регистратор молний! Как проверить, работает ли устройство? Ответ очевиден дождитесь грозы. Не знаю, насколько надёжен датчик, но мой сработал с первого раза.

Заряжать устройство очень просто достаточно подключить microUSB-кабель к зарядному устройству LiPo и дождаться, когда индикатор зарядки загорится зелёным цветом. Во время зарядки устройство должно быть включено, иначе энергия не будет поступать в аккумулятор!

Внесение изменений

Регистратор молнии можно сделать более полезным и удобным в использовании, если внести в программное обеспечение определённые изменения:

• другие звуковые сигналы: чтобы устройство звучало приятнее, используйте библиотеку звуков Tone.h;

• спящий режим: микроконтроллер ATmega32u4 (чип, на основе которого работает жучок) поддерживает аппаратные прерывания в спящем режиме. Устройство можно перевести в спящий режим, и любое поступившее от датчика молнии, событие заставит датчик реагировать. Спящий режим может значительно продлить срок службы батареи.

Этот материал показывает, что умение разрабатывать программы на С++, работа с электроникой, даёт широкие возможности и может быть полезна в самых разных сферах: представьте, например, что вы часто бываете на природе тогда о грозе лучше знать заранее и даже за километры, но не нужно дорогого оборудования. Если вам нравится чувствовать, как вы управляете железом, идущим по микросхемам током, то вы можете присмотреться к нашему курсу о разработке на С++, где студенты готовятся к началу карьеры разработчика ПО на этом сложном и мощном языке.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

Вообще-то в блогах я обычно выступаю в роли фриковатого научного сотрудника, занудным голосом вещающего про какое-нибудь измерение параметров Стандартной Модели. Но сейчас я попробую совсем другой жанр. Короче говоря, в один прекрасный день я понял, что мне не хватает железного научного калькулятора. Пришлось делать самому.

Но зачем?

По работе (а я занимаюсь физикой элементарных частиц), кроме серьёзных вычислений, часто нужно делать какие-то прикидки на коленке, и калькулятор так или иначе приходится использовать. Долгое время я пользовался чем придётся чаще всего приложением на телефоне или питоновским интерпретатором. Но всё же удобно, когда на столе есть железяка, которая выполняет свою функцию, и выполняет её хорошо.Ну и на Facebook меньше поводов отвлекаться.

Калькуляторов у меня не было с окончания универа (последний был Citizen SRP-75). Как оказалось, дизайн их интерфейса с тех пор изменился неузнаваемо и топовые модели теперь скорее напоминают какую-нибудь Wolfram Mathematica. Ничего не имею против, но если мне надо посчитать действительно что-то сложное, гораздо удобнее это сделать на компьютере. В калькуляторе же мне хотелось бы иметь минимальный набор функций, которые мне нужны, без необходимости путешествовать по многоуровневым меню. И не иметь тех, которые точно не нужны, т. к. место на клавиатуре не резиновое.

Как оказалось, есть небольшая фирма SwissMicros, которая выпускает неплохие копии старых программируемых калькуляторов Hewlett Packard (HP) на основе современных ARM-процессоров и симулятора Free42 с открытым кодом. Но опять же, это не идеал есть некоторые функции (об этом ниже), которые мне пришлось бы программировать, а запускать программы это совсем не то же самое, что нажать на кнопку.

Вот примерно такая мотивация привела меня к решению сделать свой калькулятор (с трудом удерживаюсь от цитирования персонажа Футурамы). Хотя, честно, полностью рациональным такое решение назвать нельзя, и по большей части оно объясняется диагнозом руки чесались.

Для разнообразия я решил в кои-то веки сделать проект, который не выглядит слишком колхозно, которым реально можно пользоваться, и может быть даже не слишком прячась от коллег по работе. Хотя это и не первый раз, когда я делаю какую-то электронику, до сих пор я в основном возился с DIP-корпусами, макетками и синей изолентой, а тут сам бог велел сделать что-то посовременнее. Соответственно, я получил море новых впечатлений, разбираясь с многими вещами с нуля (программирование для ARM, пайка SMD, разработка в KiCAD и OpenSCAD, 3D-печать). Готовьтесь, сейчас я ими здесь поделюсь. Вдруг кому-то поможет, или кто из более опытных посоветует что-нибудь дельное.

Код, как и вся, с позволения сказать, документация выложены на GitHub. Да, код ужасен. Да, постараюсь исправиться :)

Концепция

Итак, будем делать научный, непрограммируемый, калькулятор, в который при желании можно добавлять новые функции. Как бывший член экипажа лунолёта Кон-Тики, я, конечно, обязан был сделать калькулятор с обратной бесскобочной (она же польская, она же RPN) логикой. Благо, её и программировать легче.Ещё одним преимуществом RPN поделился со мной пользователь с сайта Hackaday: такой калькулятор у вас вряд ли кто попросит попользоваться на время.

Итак, что хотелось мне иметь в идеале в своей машинке:

• Стандартный набор научных функций (тригонометрия, корни, степени, логарифмы, преобразование углов, систем координат и т.д.). Не уверен, чтобы я когда-то на трезвую голову пользовался гиперболическими функциями, поэтому шинусы и кошинусы идут лесом. Туда же отправляем и углы в градах градусов и радиан будет достаточно.

• Из того, что редко попадается в коммерческих калькуляторах некоторые функции для работы со случайными распределениями: erf(x) (бывает частенько, но обычно с доступом через меню) и обратная к ней erf^-1(x) (никогда не встречал), интеграл от распределения хи-квадрат для данного числа степеней свободы, распределение Пуассона. При этом мне не нужен статистический режим как таковой с вводом больших массивов данных для тяжёлой обработки данных у меня всё равно есть компьютер.

• Режим вычислений с ошибками (точнее, неопределённостями), хотя бы без учета корреляций. Такой режим есть в нескольких калькуляторах на Android, но в железных, насколько я знаю, такого нигде нет, а жаль.

• Некоторые очень специфические функции, в основном связанные с релятивистской кинематикой.

• Стандартные режимы отображения SCI (с мантиссой и порядком) и ENG (с порядком, кратным трём) и изменяемым количеством значащих цифр мантиссы (3-10). В режиме ENG, к тому же, можно для удобства сделать показ префиксов единиц СИ (m, k, M и т. д.).Диапазона double будет более чем достаточно. SwissMicros делает калькуляторы c quarduple precision (что ещё ждать от швейцарской-то фирмы?), но в нашей немудрёной науке, если в вычислении используется больше шести-семи значащих цифр с вычислением что-то не так.

• Обратная бесскобочная логика со стеком из 4 элементов (X,Y,Z,T) плюс регистр предыдущего результата (LASTx или X1) как у HP или Б3-34. Есть ещё вариант сделать бесконечный стек, как у старших моделей HP, но пока я ограничился более простым вариантом.

• Что бы самодельщик ни делал, получаются либо часы, либо погодная станция, поэтому я решил отказаться от любых функций, которые не относятся непосредственно к калькулятору. Часы у меня и на руке есть, а погодную станцию я уже собрал на Raspberry Pi. Единственный датчик, который есть в проекте напряжение питания батареи.

Электроника

В нашей машинке всё должно быть прекрасно, и экран, и клавиатура, и процессор. Вспомнив про SwissMicros, можно посмотреть, какие детали используют они, и попытаться сделать как минимум не хуже (благо любители их калькуляторы уже расковыряли).

С экраном вопросов нет это будет монохромный ЖКИ дисплей Sharp Memory LCD, как у SwissMicros DM42. Судя по многим отзывам, это практически идеальный дисплей с хорошей контрастностью, очень малой потребляемой мощностью, и управляется по последовательной шине SPI. В нашем случае это будет модуль LS027B7DH01размером 2.7 (размер изображения 60x40 мм) и разрешением 400x240 точек. С таким разрешением можно показывать все 4 регистра стека одновременно, да и для режима вычислений с ошибками это будет полезно.Модуль потребляет всего около 20 мкА от 5В в режиме показываю, но ничего не делаю.

Процессор, недолго думая, я тоже взял из DM42: STM32L476, правда, в корпусе LQFP64 (модификация STM32L476RG). В DM42 стоит тот же процессор в корпусе LQFP100 (100 пинов), но нам не нужны ни внешний Flash, ни SD-карта, так что 64 пина хватит за глаза. Процессор может работать на частоте до 80 МГц, есть 128 кБ оперативки и 1 МБ программного флеша ought to be enough for anybody. Ну и ещё много всяческого добра, которым мы по большей части не будем пользоваться.

С клавиатурой вопросов больше. Многие обозреватели жалуются, что у SwissMicros слишком жёсткая клавиатура, быстро кнопки нажимать неудобно, и вообще ничто не может сравниться с классикой HP. Попробуем найти что-то получше, чем купольные кнопки на DM42. Первые попавшиеся тактовые кнопки с AliExpress мне показались слишком тугими. Порывшись по каталогам, я нашёл самые мягкие и достаточно плоские из тех, которые можно заказать, не особо напрягаясь Panasonic EVQQ2B01W с усилием нажатия 50 г (при том, что обычные кнопки, которые продаются на каждом углу, обычно требуют усилие в 150-200 г).

Схема всего девайса элементарная и показана на рисунке выше. Собственно, кроме STM32 в стандартном подключении, клавиатурной матрицы и пары разъемов (один для ЖКИ, другой для программатора) там есть только преобразователь напряжения 3В в 5В для питания ЖКИ на очень экономном чипе TPS61222. STM запитан непосредственно от литиевой батарейки. Не знаю, хорошая ли это идея, или лучше было поставить стабилизированный преобразователь. Кварц для тактирования процессора решил не ставить (можно и встроенным RC генератором обойтись), но на всякий случай поставил часовой кварц.

Кстати, по поводу питания ЖКИ. То, что нарисовано сейчас на схеме, хоть и работает, но не совсем правильно. Как оказалось уже после того, как я развел и заказал плату, преобразователь TPS61222 не полностью отключает выходную цепь от питания при низком уровне сигнала 5V_EN, а только выключает сам преобразователь, оставляя на выходе 3В вместо пяти. Надо внимательнее читать даташиты! Попутно оказалось, что и от трех вольт ЖКИ прекрасно работает, и даже контрастность не страдает. Может быть, в следующей версии платы преобразователь можно просто выкинуть?

Рисовал схему и разводил плату в KiCAD. Почти все элементы там нашлись в стандартной библиотеке, кроме 10-пинового разъёма Molex с шагом 0.5 мм для ЖКИ, его пришлось нарисовать самому по образцу какого-то другого с другим шагом.

С лазерным утюгом я не дружу, поэтому плату заказал на одном из специализированных сайтов (в плате нет никаких тонкостей, так что любой дешёвый PCB-сервис должен с ней справиться). Дисплей Sharp и разная мелочь продаётся на AliExpress, а вот с покупкой процессора STM я, похоже, пал жертвой дефицита чипов. Три китайских продавца меня кинули (причём один сделал вид, что всё выслал, тянул две недели, после чего уверял, что посылку задержала таможня, а сам поднял цену на тот же чип раза в три). К счастью, в один прекрасный момент несколько сотен нужных чипов выбросили на сайте Mouser, из которых я и отхватил несколько штук. На том же Маузере я заказал и кнопки Panasonic, т.к. на Али практически все кнопки noname с непонятно какими характеристиками.

Несмотря на мой изначальный страх, пайка SMD пошла на удивление легко, даже разъём LCD и сам STM32 с ножками с шагом в 0.5 мм паяются без проблем. Оказалось, пора уже было забыть про натуральную сосновую канифоль и перейти на современную бездушную паяльную пасту. Немного больше тренировки потребовала пайка разной мелочи типоразмера 0603 (резисторы, конденсаторы).

Прошивка STM32

Как оказалось, найти информацию для того, чтобы начать программирование на STM32 с нуля, не так-то просто, похоже, из-за того, что альтернативных инструментов очень много, они быстро появляются и устаревают. Наверное, в конце концов лучше учиться писать на голом gcc, но для начала я хотел взять какой-нибудь IDE в стиле для чайников с визуальным конфигурированием процессора. В результате я использовал STM32Cube IDE. Я так и не смог добиться, чтобы он работал в Ubuntu, поэтому пришлось ставить ради него целую виртуальную машину с Windows 10.

Несколько слов о том, как работает прошивка. STM большую часть своего времени проводит в режиме STOP, в котором сохраняется вся память контроллера, разрешены внешние прерывания и прерывания по таймеру, но тактовый генератор остановлен. При этом все колонки клавиатурной матрицы установлены в ноль, а строки подтянуты к плюсу питания и сконфигурированы на внешнее прерывание по спаду сигнала. Когда одна из кнопок нажата, контроллер просыпается и начинает сканировать клавиатуру.

Функции для работы с дисплеем Sharp я писал сам по даташиту, и там всё оказалось очень просто. Система команд дисплея состоит, практически, из 2-х команд. Первая это очистка экрана. Вторая передача массива информации, который состоит из номера строки и 50 байт данных строки.Одна тонкость работы с дисплеем когда он включен, ему нужен постоянный внешний сигнал около 1 Гц для периодического изменения полярности электрического поля на ЖК-матрице. Этот сигнал генерируется по прерыванию от внутреннего таймера STM. При выключенном ЖКИ этот сигнал надо также выключать.

Собственно саму реализацию алгоритма работы калькулятора я сперва отладил на большом компьютере, написав заглушки для функций работы с клавиатурой и дисплеем. STM32L476 поддерживает полную математическую библиотеку gcc, более того, вычисления с плавающей точкой там реализованы в железе, так что всё работает очень быстро. Я понизил частоту работы процессора до 8 МГц, чтобы ограничить максимальный потребляемый ток (который тогда получается около 4 мА при полной нагрузке), при этом никаких видимых задержек при вычислениях не появляется. При меньшей частоте начинает заметно тормозить вывод на экран.

Для прошивки я купил один из китайских клонов программатора/отладчика ST-Link v2, которые продают где угодно за копейки. С ним вышла небольшая проблема: судя по всему, мой экземпляр не умеет делать connect under reset, из-за чего STM в состоянии спячки я программировать не могу. Пришлось предусмотреть в прошивке волшебное сочетание кнопок (Shift+RESET), при котором контроллер не уходит в STOP, а ждёт соединения с программатором. Неприятно, но не смертельно.

Вся прошивка занимает примерно 120 кБ программной памяти. При этом большую часть объёма составляют растровые экранные шрифты (размером от 6x8 до 24x40).

Корпус и клавиатура

Первоначальная наивная задумка была сделать корпус, фрезерованный из алюминия, так, чтоб на века. Но фрезерного станка у меня нет, а после изучения расценок на штучные детали на сайтах типа 3DHubs и Xometry планы пришлось подкорректировать и смотреть в сторону 3D-печати из пластика.Поскольку до этого я ничего, кроме кошечек по готовым чертежам, на своём 3D-принтере не печатал, заодно пришлось разобраться с софтом для 3D-дизайна.

Промаявшись несколько вечеров с глючным FreeCADом (не покупать же программы Autodesk за бешеные деньги), я понял, что гораздо легче написать программу, которая описывает геометрию детали, чем ползать мышкой по меню, поэтому перешёл на OpenSCAD. Хотя у него есть свои ограничения: например, в отличие от FreeCAD, в нём сложно делать фаски и скругления граней.На OpenSCAD дело пошло гораздо веселее.

Корпус состоит из двух частей, скрепляющихся простыми защёлками, без единого болта. Клавиатура представляет собой единую деталь в виде тонкой решётки, к которой за нижнее ребро прикреплены клавиши. После первой попытки изготовления клавиатуры оказалось, что клавиши с такой конструкцией срабатывают очень ненадёжно, в зависимости от того, на какую их часть нажать пальцем. Пришлось делать дополнительную деталь с толкателями, которые передают усилие с клавиши на шток кнопки. Возможно, если бы я заказал кнопки с более длинными штоками (в моих он выступает над поверхностью всего на 0.2 мм), такой проблемы бы не возникло.

Корпус получился не очень тонким (полная толщина 12.5 мм), хотя внутри он по большей части пустой. Всё из-за того, что гнездо для батарейки CR2032 довольно высокое (5.5 мм) и с этим сложно что-либо поделать. Для следующей версии надо будет изучить вопрос, существуют ли более тонкие держатели для CR2032, которые к тому же можно установить в вырез на печатной плате. Таким образом можно было бы сэкономить как минимум пару-тройку миллиметров толщины.

Не буду здесь долго описывать сагу про печать корпуса скажу только, что он получился лишь с четвёртой или пятой попытки, при этом пришлось тонко настраивать геометрию моего Ender 3 (перпендикулярность осей X и Y), иначе корпус вело винтом после соединения двух половин. Печатал пластиком PETG.

Надписи на кнопках и на корпусе я напечатал на тонкой матовой клеящейся плёнке для лазерных принтеров (чего только не существует в мире канцелярских товаров!). Кажется, эту идею я нашёл на каком-то форуме любителей самостоятельно делать наклейки для русификации клавиатур (да, такое тоже бывает). Сам PDF-файл с надписями и линиями отреза генерируется питоновским скриптом с использованием библиотеки matplotlib. А что ещё можно использовать для графики с обилием математических символов?Напечатанный текст держится на стикерах намертво, их можно даже мыть. Тот стикер, который на корпусе, за счёт большой площади прилип надёжно. К сожалению, стикеры на кнопках не очень прочно прилипают и неосторожным движением их можно отодрать. Впоследствии, возможно, их лучше будет покрыть сверху лаком, но пока надписи на клавиатуре не устаканились, и так сойдет. Минус такой технологии наклейки будут хорошо видны только на белом корпусе.

Результат

Калькулятор в его сегодняшнем состоянии показан на картинке. Большая часть кнопок пояснений не требует. Вот список тех, которые могут быть неочевидными:

• F, G клавиши shift. Пока в основном задействована только F. G нужна только для обратного направления преобразований (), (), а дальше будет использоваться для новых функций, если таковые появятся.

• Mode изменение режима отображения чисел (FIX, SCI, ENG).

• Uncr включение/выключение режима вычислений с неопределённостями (UNCERT).

• Prec переключение количества значащих цифр мантиссы (от 10 до 3 циклически, с F в обратную сторону).

• Drop, X<>Y, Rot работа со стеком. LASTx вызов результата предыдущей операции.

• DR переключение измерения углов между градусами и радианами, D<>R то же с преобразованием значения угла в регистре X.

• RP, PR перевод между декартовыми и полярными координатами.

• N(x), N(x-y) работают только в режиме неопределённостей, и выполняют, соответственно, вычисление стат. значимости значения в регистре X (значение, деленное на неопредёленность) и значимости разности значений в регистрах X и Y.

• (), (), p(zxy) те самые специфические функции, которые мало кому нужны: вычисление псевдобыстроты (pseudorapidity), релятивистского гамма-фактора, вычисление импульса в центре масс двухчастичного распада.

• /-/ обычное изменение знака числа в регистре X, а переключение между вводом значения и ошибки в режиме UNCERT.

Планы на будущее

В принципе, машинка уже сейчас вполне функциональная, но всегда можно что-то улучшить:

• Есть ещё резервы в плане уменьшения энергопотребления. Сейчас калькулятор расходует около 50 мкА в режиме со включенным дисплеем, и 40 мкА с выключенным. Как я уже говорил, полностью питание с дисплея сейчас не снимается, хотя надо бы это пофиксить. Кроме того, можно улучшить алгоритм опроса клавиатуры: сейчас, когда калькулятор включен и работает дисплей, процессор не засыпает, пока нажатая кнопка не отпущена, и потребляет при этом около 4 мА. Надо бы здесь тоже задействовать внешние прерывания и режим STOP.

• Функция сканирования клавиатуры понимает только одну нажатую кнопку за раз. Хотелось бы сделать режим two-key rollover, когда регистрируется кнопка, нажатая до того, как отпущена предыдущая, чтобы кнопки надёжнее срабатывали при быстром наборе.

• Как я уже писал выше, можно было бы сделать более тонкий корпус за счёт другого держателя батареи.

• Клавиатуре всё ещё далеко до HP и даже до Citizen. Кнопки нажимаются легко, но глубина нажатия всего 0.2 мм это не очень комфортно. Не знаю, можно ли сделать что-то сильно лучше в домашних условиях, не заказывая кастомную мембранную клавиатуру.

• Что хотелось бы из нового функционала. Более удобное отображение значений с неопределённостью, когда есть ненулевой порядок, в виде (10.1)e-10 вместо теперешнего 1e-10 1e-11. Больше регистров памяти (пока только один). Целочисленный режим с булевыми функциями и переводом между двоичной, десятичной и шестнадцатеричной системами. Новые функции по мере надобности (вычисление распределений Пуассона и хи-квадрат пока не сделал, но это дело техники).

По мере работы над проектом, я выкладываю новости в блог Hackaday.io.

P.S. Спасибо @Boomburumза приглашение и советы.

Вот уже несколько лет производители электроники говорят о новой прорывной технологии, которая изменит привычные нам устройства и подход к их проектированию: никаких больше механических кнопок и переключателей, сокращение толщины до 2 мм, снижение веса на 70%, а себестоимости на 30%. Причем речь идет не о будущих серийных устройствах типа экрана с двойным сложением, который недавно представила Samsung, а о технологии производства, которая уже сейчас используется в автомобилях, бытовой технике и IoT-гаджетах. Эта технология называется литье с интегрированной / встроенной электроникой или In-Mold Electronics (IME).

На Хабре эту интересную тему еще почему-то не затрагивали. Исправляем это досадное недоразумение.

Начнем со спойлера и сразу отметим, что литье со встроенной электроникой (IME) это не какая-то кардинально новая технология, а эволюция техпроцессов, которые уже использовались ранее. Появились более эластичные материалы и более качественные токопроводящие чернила, которые выдерживают формовку при высокой температуре, поэтому проводники, которые раньше покрывали печатную плату, теперь можно наносить прямо на пластиковый корпус электронного устройства. В результате мы избавляемся от жесткой печатной платы в формате 2D и переключаемся на пленочные платы и 3D-электронику с резисторами, микросхемами, сенсорами, антеннами и светодиодами, которые покрывают изогнутые формы корпусов самых разных устройств.

А теперь давайте обо всем по порядку. Литье с интегрированной электроникой это одно из направлений литья с декорированием в форме, о котором мы уже рассказывали на Хабре. В англоязычных инженерных публикациях такая технология называется In-Mold Decoration (IMD). Напомним, что корпус декорируется под давлением прямо в пресс-форме или в процессе выдувного формования.

В результате получается полностью готовая деталь, которая не требует дополнительной обработки поверхности, маркировки или окрашивания.

Принцип маркировки в форме (In-Mold Labeling, IML) Источник: Maspi S.r.l.

На схеме выше показана суть технологий IMD и IML:

1. Сначала на тонкопленочный пластик наносят нужный рисунок текст, декор или текстуру (например, лого фирмы-изготовителя или подписи для кнопок). Это делается за счет трафаретной или цифровой печати. Получается так называемая аппликация.

2. Аппликацию помещают в пресс-форму для литья.

3. Затем в формовочную машину засыпают сухие гранулы полимера, который в расплавленном виде под давлением подается в пресс-форму за пленкой или перед ней.

4. Форма заполняется полимером, и печатная этикетка приклеивается к пластику.

5. На выходе при раскрытии формы мы получаем готовую деталь пластикового корпуса уже со встроенной графикой.

Технология декорирования в форме позволяет качественно реализовать идеи промышленных дизайнеров даже в конструкционно сложных пластмассовых компонентах. Детали получаются долговечными и устойчивыми к царапинам.

На фото выше верхняя панель пульта дистанционного управления, изготовленная с декорированием в форме (IMD). Другие всем знакомые примеры устройств, которые производятся по этой технологии: мультиметры, автомобильные панели, игрушки и мобильные телефоны.

В чем разница между декорированием в форме (IMD) и маркировкой в форме (IML)?

Если графика или текстура внутри пресс-формы наносится не на всю поверхность изделия от края до края, а локально, на отдельный участок, то такой тип декорирования называется маркировка в пресс-форме или In-Mold Labeling (IML). С помощью этой технологии можно добавлять цвет, графические элементы и текстурированные области.

IML часто используют для нанесения логотипов, предупреждающих знаков, иконок сертификатов, номеров деталей или мини-инструкций. Вы наверняка встречали такую маркировку на одноразовой упаковке и пластиковых контейнерах для домашнего использования.

И вот теперь мы возвращаемся литью с электроникой (In-Mold Electronics), которая стала логическим продолжением предыдущих двух технологий. Похоже, что первое коммерческое внедрение IME было реализовано в инновационной подвесной консоли для автомобиля Ford в 2012 году. Сегодня же IME применяется в производстве бытовой техники, автомобильных панелей, медицинского оборудования, аэрокосмической и носимой электроники.

Эта технология объединяет декоративную аппликацию из IMD-процесса с функциональной электроникой. Только в этом случае на пленке печатается не декор или текст, а дорожки проводников из токопроводящих серебряных красок, также на пленку можно добавлять резисторы, микросхемы и светодиоды. В результате в процессе формовки получаются пластиковые компоненты небольшой толщины (до 2 мм) с достаточной прочностью, высокой функциональностью, добавлением света, клавиатуры и декоративных элементов.

На схеме ниже показано, как это работает:

Источник изображения: Functional Ink Systems for In Mold Electronics by DuPont

1. Трафаретная печать графики и проводящих дорожек из функциональных чернил на тонкой полимерной подложке, такой как полиэстер или поликарбонатная пленка.

2. Термоформование придает печатным носителям трехмерную форму, которая соответствует форме для литья под давлением.

3. Литье под давлением.

IME, как правило, термоформованные, но не всегда. В областях с сенсорным интерфейсом поверхность может остаться плоской.

Наметившаяся тенденция использование полиэтилентерефталата (PET), который не очень хорошо поддается формовке, но подходит для конструкций с меньшим радиусом кривизны. Однако ПЭТ не переносит сильного нагрева, поэтому сейчас разрабатываются низкотемпературные припои.

Пока эта технология еще воспринимается потребителями как новаторская, сами дорожки-проводники выглядят как элементы декора. :-) Со временем промдизайнеры и hardware-стартапы наверняка предложат свежие идеи по использованию возможностей такого литься.

Источник фото: аналитический отчет IDTechEx за 2020 год.

На фото выше серийные устройства и прототипы, созданные по технологии In-Mold Electronics.

Пример литой электроники чаще всего можно увидеть в новых автомобилях и бытовой технике, где форма электроники полностью соответствует кривым поверхностям задуманного дизайна.

В приборных панелях больше нет традиционных кнопок, датчиков и других функциональных переключателей. Вместо всего этого сенсорные визуальные интерфейсы. IME позволяет встроить освещение, разъемы, микросхемы или емкостное сенсорное покрытие в практически любую изогнутую деталь.

Формованные таким образом устройства и встроенная электроника выглядят красиво, они функциональны и надежны. Из-за многократного уменьшения деталей и подвижных компонентов сокращается не только риск поломок, но и затраты на производство, сборку и обслуживание.

Емкостное сенсорное управление и пользовательские интерфейсы

Технология емкостного сенсорного управления используется во многих приложениях IME. Такой интерфейс заменяет нажатие физической кнопки на прикосновение пальца. Дорожки на плате находятся под сенсорной точкой на панели и следят за изменением в электростатическом поле. Палец действует как функциональный конденсатор, который участвует в электрической цепи устройства. Например, в автомобиле, такие интерфейсы используются для включения фар, питания или регулировки громкости.

Вот, как американская химическая компания Dupont, один из мировых разработчиков токопроводящих чернил для IME, представляет в своей презентации интерфейсы для автомобилей настоящего и будущего:

Подводим итоги

Автопром это всего лишь одна из многих сфер применения IME, которые мы уже называли выше. Но давайте на ее примере рассмотрим реальный кейс. Возьмем потолочную консоль в автомобиле, которая была спроектирована с использованием печатной платы и классического пластикового корпуса, состоящего из десятков компонентов и сборных деталей, и сравним ее с консолью финской компании TactoTek, которая сейчас разрабатывает свою технологию in-mold structural electronics (IMSE):

Итого, мы получаем значительное уменьшение веса, габаритов, количества подвижных частей и, как следствие, надежности и себестоимости устройства в целом. Судя по активным разработкам в этой теме и отчетам аналитиков, которые прогнозируют рост внедрений IME, начиная с 20232024 года, на рынке электроники намечается новый тренд переход от печатных плат в коробке к трехмерной структурной электронике. Так что если ваша работа связана hardware, можно присмотреться к этому направлению и успеть попасть на гребень волны. Надеемся, что мы вскоре сможем поделиться с читателями Хабра собственными кейсами по разработкам и запуску производства литой электроники.

Если у вас есть опыт в этой сфере или идеи по внедрению IME в новых устройствах расскажите об этом в комментариях. Будет здорово, если к обсуждению подключатся инженеры, технологи, промдизайнеры и простые юзеры. Мы сейчас горим этой темой, так что с удовольствием пообщаемся.