Nekoliko posljednjih mjeseci radim na razvoju sustava Elektroničke mete. Tijekom razvoja ukazala se potreba za jednim nezavisnim bežičnim sustavom paljenja i gašenja glavnog napajanja elektroničke mete, radi uštede baterije i produljenja autonomije rada sustava na terenu. Potreban je sustav što većeg dometa (barem 500 metara) koji na prijemnoj strani troši minimalno struje (do 10 mA).
Teoretski ovaj sustav mogu izvesti sa postojećim LoRa primopredajnikom i sa MCU koje koristim na meti, međutim, upravljanje Sleep, Stand-by ili Power modovima ovih komponenti ima svoja ograničenja i u konačnici se ova opcija pokazala kao rizična i neisplativa.
Rješenje bi bio neki jednostavni telemetrijski predajnik i neki jednostavni prijemnik sa relejom, što manje vlastite potrošnje na prijemu i što veće osjetljivosti prijema. Kinezi nude širok raspon takvih sustava, za različite frekvencije, napajanja, domete, brojem kanala i drugo. Tako već za cijenu od 5-10 eura možete kupiti bežični sustav paljenja nekoliko releja, sa specifikacijama dometa od 100 metara pa sve do 3000 metara. Naravno, radi se o prilično rastegnutom kineskom marketingu, gdje se do realnih specifikacija dolazi tek provjerom uređaja u praksi.
Na slici je jedan kineski 12-kanalni relejni sustav sa daljinskim upravljanjem iz 2014. godine. Digital Remote Controller je jedina oznaka koja se vidi izvana. Tiskana pločica predajnika ima tvorničku oznaku CHJ-RX-8012, a tiskana pločica prijemnika HKAJSCON-12C. Našao sam da je ovaj model još uvijek u prodaji po cijeni u rasponu 20-25 eura. Evo specifikacija:
Prijemnik:
- Kanali: 12 kanala
- Načini upravljanja: Preklopni (Toggle), Trenutni (Momentary), Stalni (Latched)
- Dekodiranje: Kod učenja (Learning code)
- Frekvencija: 433 MHz
- Napajanje (Radni napon): DC 12V
- Relej: 10A/120VAC, 10A/277VDC
Odašiljač (Daljinski upravljač):
- Kanali: 12 kanala
- Domet: teoretski maksimalan domet do 100 metara, realno 10-50 metara (u otvorenom prostoru, s antenom prijamnika izvan kućišta); negdje se navodi podatak 50-200 metara
- Kodiranje: Fiksni kod, lemljenje
- Dimenzije: 125 mm x 49 mm x 20 mm
- Napajanje: 1 x 23A-12V baterija
- Baterija nije uključena u pakiranje.
Načini rada izlaznih releja
Trenutni (Momentary):
- Pritisnete gumb 1 -> relej 1 se UKLJUČUJE.
- Otpustite gumb 1 -> relej 1 se ISKLJUČUJE.
- Svih 12 kanala radi potpuno neovisno.
Preklopni (Toggle):
- Pritisnete gumb 1 jednom -> relej 1 se UKLJUČUJE.
- Pritisnete gumb 1 ponovno -> relej 1 se ISKLJUČUJE.
- Svih 12 kanala radi potpuno neovisno (kao klasični prekidač za svjetlo).
Stalni (Latched):
- Pritisnete gumb 1 -> relej 1 se UKLJUČUJE, a svi ostali releji (2-12) se isključuju.
- Pritisnete gumb 2 -> relej 2 se UKLJUČUJE, a svi ostali (uključujući 1) se isključuju.
- U ovom načinu rada samo jedan kanal može biti uključen u isto vrijeme. Čim upalite novi, stari se gasi.
Programiranje
Prije nego što počnete, spojite napajanje DC 12V na prijamnik (pazite na plus i minus).
Brisanje starih kodova (Obavezno prije novog programiranja)
- Pritisnite i držite gumb za učenje (Learning Button) na prijamniku.
- Držite ga oko 8 sekundi sve dok se LED indikator na prijamniku ne ugasi.
- Kodovi su obrisani.
Odabir načina rada
Ako želite Trenutni (Momentary) način:
- Pritisnite i držite gumb za učenje na prijamniku 2-3 sekunde dok ne čujete dugi zvučni signal “B” (LED lampica će zasvijetliti).
- Otpustite gumb na prijamniku.
- Pritisnite i držite GUMB 1 na daljinskom upravljaču.
- LED lampica na prijamniku će bljesnuti 3 puta. To znači da je učenje uspješno.
Ako želite Stalni (Latched) način:
- Ponovite istu proceduru (koraci 1-2), ali na kraju pritisnite i držite GUMB 2 na daljinskom upravljaču.
Ako želite Preklopni (Toggle) način:
- Ponovite istu proceduru (koraci 1-2), ali na kraju pritisnite i držite GUMB 3 na daljinskom upravljaču.
Tvornička postavka izlaza je trenutni način rada (pritisak tipke na daljinskom uključuje relej, otpuštanje tipke isključuje relej).
Kodiranje
Ovaj prijamnik nije ograničen samo na daljinski upravljač koji ste dobili u paketu. On može “naučiti” i raditi s drugim modelima daljinskih upravljača koji se prodaju na tržištu, pod uvjetom da rade na istoj frekvenciji (433 MHz) i koriste standardne čipove za kodiranje kao što su 2262 (fiksni kod) ili 1527 (kod učenja). Ako izgubite daljinski, lako možete kupiti zamjenski.
Ako na istom mjestu (npr. u istoj kući ili dvorištu) postavite dva ili više ovakvih prijamnika, oni neće smetati jedan drugome. Svaki prijamnik možete programirati na vlastiti kod (kodiranjem lemljenjem ili procesom učenja). Kada koristite daljinski s više gumba, svaki gumb radi zasebno za svoj kanal ili svoj prijamnik. Pritisak na jedan gumb neće slučajno aktivirati krivi uređaj.
Kodiranje, odnosno međusobno uparivanje kompatibilnih daljinskih upravljača i prijemnika vrši se na slijedeći način:
- Kada otvorite kućište daljinskog upravljača, na tiskanoj pločici vidjet ćete niz malih kontakata (tzv. jastučića za lemljenje) pokraj glavnog čipa.
- Ti kontakti predstavljaju adresu tog daljinskog upravljača. Spajanjem tih kontakata kapljicom lema (na HIGH, LOW ili ostavljanjem otvorenim) mijenja se jedinstveni kod koji daljinski upravljač odašilje.
- Tvornički je to već podešeno i spremno za rad. Lemilo vam je potrebno samo u dva slučaja: Ako kupite još jedan novi daljinski upravljač s fiksnim kodom i želite da on ima identičan kod kao prvi (tada prekopirate raspored lemljenja s prvog daljinskog). Ako sumnjate da netko u blizini ima isti uređaj pa želite ručno promijeniti adresu svog daljinskog upravljača radi sigurnosti.
Proces učenja prijemnika na nove kodove je potpuno elektronički. Kada pokrenete proceduru (pritisak na gumb za učenje na prijamniku, pa pritisak na gumb daljinskog), mikrokontroler u prijamniku digitalno pamti signal tog daljinskog upravljača.
Restart uređaja
Nakon što lampica bljesne 3 puta i potvrdi uspješno učenje:
- Isključite prijamnik iz struje (odspojite DC 12V).
- Ponovno ga uključite u struju.
- Sustav je spreman za normalan rad.
Sve ove mogućnosti programiranja rada releja i kodiranja kanala, ovaj 12-kanalni bežični sustav svakako čine široko primjenjivim.
Daljinski upravljač
Za generiranje kodova u daljinski upravljač je ugrađen integrirani krug PT2264. Kada pritisnete gumb na daljinskom upravljaču, čip s pina DOUT neprekidno šalje pakete podataka koji se nazivaju kodne riječi. Jedna kompletna kodna riječ sastoji se od 12 bitova podataka (adrese + komande) nakon kojih obavezno slijedi sinkronizacijski bit (Sync bit) koji služi prijamniku da prepozna kraj riječi i pripremi se za iduću riječ.
Ovisno o podešenoj frekvenciji oscilatora, trajanje jedne kompletne kodne riječi iznosi oko 45 ms. To znači da daljinski upravljač u jednoj sekundi pošalje oko 22 repeticije iste kodne riječi sve dok držite gumb pritisnutim. Prijamnik (dekoder) na drugoj strani mora primiti barem 2 do 3 identične riječi zaredom kako bi bio siguran da nema šuma i tek tada aktivira relej.
Frekvencija oscilatora se određuje vanjskim otpornikom spojenim između pinova OSC1 i OSC2 (najčešće se koristi otpornik od 1,2 MΩ do 4,7 MΩ). Standardna frekvencija oscilatora je oko 3 kHz do 5 kHz. Izlazni digitalni signal na pinu DOUT (Data Output) modulira vanjski RF odašiljački modul pomoću ASK (Amplitude Shift Keying) ili OOK (On-Off Keying) modulacijske metode.
Integrirani krug PT2264 ima maksimalno 4 ulazna podatkovna kanala (data pins), koji su označeni oznakama od D0 do D3 (dijele pinove s adresama A8-A11). To znači da sam čip izravno podržava daljinske upravljače s najviše 4 gumba.
Međutim, naš daljinski ima 12 ulaznih kanala, a to se postiže kombiniranjem više pritisaka tipki kroz posebne diodne matrice. Umjesto da svaki gumb vodi do svog zasebnog pina, gumbi su povezani preko dioda tako da pritisak na jedan gumb istovremeno aktivira kombinaciju dva ili više podatkovna pina (D0, D1, D2, D3). Budući da svaki od 4 pina može biti u stanju “0” ili “1”, s 4 podatkovna pina u binarnom sustavu teoretski možete dobiti do 16 različitih kombinacija.
PT2264 ima 12 adresnih pinova (A0 do A11) sa kojima može generirati čak 531 441 jedinstvenih adresnih kodova. Ova brojka proizlazi iz specifičnog načina kodiranja. Svaki od adresnih pinova je tri-state, što znači da može biti u jednom od 3 stanja: spojen na plus (HIGH stanje), spojen na minus (LOW stanje) ili ostavljen otvoren (lebdeći kontakt). Matematički, to daje kombinaciju od 3 na dvanaestu, što iznosi točno 531 441 mogućih adresa.
U našem slučaju se 4 adresna pina koriste za tipke daljinskog upravljača pa je preostali broj adresnih pinova 8 (A0–A7). U toj konfiguraciji čip generira 6 561 različitih adresa, što je još uvijek dovoljno da mogućnost preklapanja signala sa susjednim uređajima bude minimalna.
RF oscilator (predajnik) na daljinskom upravljaču se bazira na SAW rezonatoru R315A (315 MHz) i dva SMD tranzistora oznaka J3Y i F36. Konfiguracija upućuje na klasični, vrlo učinkoviti RF odašiljač sa SAW stabilizatorom frekvencije. Oscilatori sa SAW rezonatorom nalaze se gotovo kod svakog VF daljinskog upravljača za garažna vrata ili pametne sklopke.
Primjeri oscilatora sa SAW rezonatorom iz originalne tvorničke dokumentacije za SAW rezonator R315A.
U tvorničkoj dokumentaciji za SAW rezonator R315A vidimo dva primjera Colpittsovog oscilatora u konfiguraciji sa zajedničkom bazom. Pozitivna povratna sprega se održava preko C1 i C2. U topologiji zajedničke baze, signal se pojačava na kolektoru, a dio tog signala se preko ovih kondenzatora vraća na emiter (koji je u ovom slučaju ulaz tranzistora). Budući da su kolektor i emiter u ovoj topologiji u fazi (nema zakreta faze od 180° kao kod zajedničkog emitera), ovaj kondenzator izravno vraća pozitivnu povratnu vezu koja održava oscilacije na 315 MHz.
RC član na emiteru služi za stabilizaciju radne točke tranzistora (DC polarizacija emitera) i određivanje struje kroz tranzistor, kako oscilator ne bi pobjegao u zasićenje i počeo izobličavati signal. Serijski LC član sa antenom (L1, RF Bypass) ima dvostruku ulogu: radi kao selektivni filtar koji propušta samo čisti sinusni signal na 315 MHz (prigušuje više harmonike) te prilagođava visoku impedanciju kolektora tranzistora u nisku impedanciju antene, omogućujući maksimalni prijenos snage i što veći domet daljinskog upravljača.
Elektronička shema oscilatora sa SAW rezonatorom u daljinskom upravljaču.
Oscilatora sa SAW rezonatorom u daljinskom upravljaču ima nešto drugačiju topologiju od primjera koji smo vidjeli u tvorničkoj dokumentaciji. Razlog tome je što se ovdje mora vršiti „keying“ oscilatora u ritmu kodiranog digitalnog signala. Kada se pritisne gumb na daljinskom upravljaču, digitalni koder (PT2264) šalje impulse na bazu tranzistora S8050 koji u tom ritmu pali i gasi napajanje RF oscilatora (tzv. OOK – On-Off Keying).
Keying transistor S8050, kao što se vidi, prekida minus pol napajanja SAW oscilatora. Prekidanje minus pola napajanja (mase) u odnosu na plus pol napajanja ima nekih tehničkih i praktičnih prednosti. Najvažnija prednost je što se prekidanjem mase postiže veća brzina odziva oscilatora. Oscilator na brze digitalne impulse treba praktički trenutno reagirati svojim paljenjem i gašenjem.
Kada bi se prekidao plus napajanja (+Vcc) cijelog oscilatora, pri svakom uključenju moralo bi proći neko vrijeme da se napune svi parazitski kapaciteti tiskane pločice i samih elemenata iz čiste nule. Kada se prekida masa, plus napajanje je stalno prisutan na kolektoru tranzistora i okolnim kondenzatorima. Sklop je stalno “pod naponom”, a spuštanjem mase na nulu samo se zatvara strujni krug. Budući da su poluvodički slojevi tranzistora već polarizirani, oscilacije na 315 MHz počinju puno brže, unutar nekoliko mikrosekundi. Kod OOK modulacije, ako oscilator kasni s pokretanjem, digitalni signali (bitovi) bi se izobličili, što bi prijemnik mogao očitati kao grešku u kodu.
Drugi razlog prekidanja mase je bolja izolacija od VF šuma na kolektorskom krugu napajanja tranzistora. Kolektor RF tranzistora stvara snažne visokofrekventne naponske oscilacije koje se obično prigušuju zavojnicama na dolaznom vodu napajanja. dodatnim prekidanjem plus pola napajana u ritmu digitalnih signala unose se novi VF šumovi niže frekvencije koje opet treba filtrirati. Prekidanjem mase preko N-kanalnog prekidača, MCU vidi samo istosmjernu struju (DC), dok je RF signal izoliran unutar titrajnog kruga oscilatora na plus polu napajanja, te se ne vraća se na MCU.
Što se tiče praktičnih ili ekonomskih razloga, za prekidanje plus napajanja (+Vcc) pomoću mikrokontrolera uobičajeno se koristi PNP tranzistor ili P-kanalni MOS-FET kao prekidač, dok se za prekidanje mase koristi NPN tranzistor ili N-kanalni MOS-FET. NPN (N) prekidači su brži, jeftiniji za proizvodnju, imaju manji unutrašnji otpor i njima mikrokontroler upravlja izravno s 0V ili 3,3V/5V bez ikakvih popratnih komponenti. Često je N-kanalni MOS-FET integriran izravno unutar samog izlaznog pina mikrokontrolera (open-drain izlaz).
U teoriji NPN (N) elementi se mogu koristiti za prekidanje oba pola napajanja. Ako NPN tranzistor stavite u plus granu, njegov kolektor ide na +Vcc baterije, a emiter postaje izlaz koji napaja plus granu oscilatora. Tranzistor bi ovdje radio u spoju emiterskog slijedila, međutim to dovodi do jednog praktičnog nedostataka. Da bi tranzistor ostao potpuno otvoren, napon na njegovoj bazi mora biti 0,7 V veći od napona na emiteru. To znači da oscilator peko emitera tranzistora nikad neće dobiti puni napon napajanja, nego će on biti umanjen za 0,7 V. Ovo je posebno kritično kod napajanja niskog napona (3 V). Zato se za prekidanje plus grane najčešće bira PNP tranzistor (kod kojeg je upravljanje obrnuto), dok se NPN koristi isključivo za prekidanje mase, gdje radi bez ikakvih gubitaka napona.
Prekidanje minus pola napajanja, odnosno OOK na masi zahtijeva i nešto drugačiju topologiju SAW oscilatora. Ovdje se stoga ne koristi konfiguracija Colpittsovog oscilatora sa zajedničkom bazom, nego konfiguracija Colpittsovog oscilatora (Pierce-Colpitts) sa zajedničkim emiterom.
U tvorničkom primjeru je masa stabilna i fiksna, te nema opasnosti da se istosmjerni napon baze bilo kako naruši. Krug oscilira kontinuirano, a modulacija bi se u takvom sustavu obično izvodila prekidanjem glavnog plus napajanja (+Vcc) ili preko posebnog okidnog stupnja. Međutim, kod OOK modulacije preko mase, MCU daljinskog upravljača doslovno “pali” i “gasi” masu oscilatora brzinom slanja kodova (npr. nekoliko tisuća puta u sekundi). Kada mikrokontroler pošalje logičku nulu (0), on odspoji masu oscilatora s prave mase baterije. Tada masa oscilatora postaje “plutajuća” (floating ground). Kad bi SAW rezonator bio izravno spojen na tu “plutajuću” masu, parazitski naponi i zaostali naboj s baze tranzistora bi se nakupljali na pinu rezonatora. Stoga je serijski rezonatoru prema masi dodan kondenzator koji služi kao DC-blokada (izolator za istosmjernu struju). On osigurava da baza tranzistora zadrži svoju ispravnu istosmjernu radnu točku (DC bias) bez obzira na to je li masa trenutno spojena ili odspojena.
Tu se opet vraćamo i na brzinu odziva. Kada mikrokontroler ponovno spoji masu (logička 1), oscilator mora proraditi trenutačno (unutar nekoliko mikrosekundi). Kondenzator sprječava da se unutarnji statički kapacitet SAW rezonatora mora ponovno puniti iz nule pri svakom prekidu mase. On drži sklop “napetim” na određenom potencijalu i spremnim za trenutni start oscilacija na 315 MHz čim masa sjedne na nulu.
Uvođenjem serijskog kondenzatora omogućeno je razdvajanje DC režima od RF režima. Za visoku frekvenciju (315 MHz) taj kondenzator je praktički kratki spoj (ne postoji), pa SAW i dalje normalno radi svoj posao kao stabilizator. No za istosmjernu struju, on štiti bazu tranzistora od šokova koje uzrokuje brzo OOK prekidanje mase.
Za razliku od tvorničkog primjera sa zajedničkom bazom gdje tranzistor ne vrši okretanje faze, u spoju zajedničkog emitera unosi se zakretanje faze od 180° između baze i kolektora. Da bi oscilator radio i dobio povratni signal u fazi, povratna veza mora zakrenuti fazu za dodatnih 180° i tako vratiti na bazu signal u fazi. Taj dodatni pomak od 180° odrađuje mreža sastavljena od LC kruga na kolektoru, samog SAW rezonatora i serijskog kondenzatora prema masi.
SAW rezonator ima svoju ekvivalentnu električnu shemu (tzv. Butterword-Van Dykeov model) koja se sastoji od statičkog kapaciteta u paraleli sa serijskim LC krugom. Zbog toga on mijenja svoju narav ovisno o frekvenciji:
- Na frekvencijama nižim i višim od rezonantne SAW se ponaša isključivo kao običan mali kondenzator (reda veličine nekoliko pikofarada).
- Točno na radnoj frekvenciji (315 MHz) SAW rezonator ulazi u područje između svoje serijske i paralelne rezonancije gdje njegova kapacitivna reaktivnost nestaje, a komponenta postaje induktivna (ponaša se kao zavojnica / induktivitet).
Taj “induktivni” SAW serijski spojen sa kondenzatorom prema masi čini induktivno-kapacitivnu (LC) mrežu koja propušta samo rezonantnu frekvenciju natrag na bazu tranzistora. Također, to je i klasični LC djelitelj napona u povratnoj vezi te u kombinaciji s LC krugom na kolektoru i unutrašnjim kapacitetima tranzistora stvara 180° faznog pomaka koji su potrebni da bi oscilator proradio.
Kao VF oscilator upotrijebljen je SMD tranzistor s kodnom oznakom F36 za koju nisam našao kojem tipu tranzistora pripada. Ako uzmemo da je baza koda zapravo F3, a broj 6 označava internu šifru serije, godine ili pojačanja, onda bi to mogao biti KST1009-F3 ili ekvivalentni visokofrekventni japanski tranzistor poput serije 2SC2814 / 2SC4226. Primjerice 2SC2814-F3 ima tranzitnu frekvenciju (ft) od 320 MHz, što je na samoj granici ili dovoljno za stabilnu oscilaciju sa SAW filterom u Colpittsovom ili Pierceovom tipu oscilatora.
Na pločici je još jedan SMD tranzistor 2A (MMBT3906) kao drajver za paljenje indikacijske LED. Ovo je PNP tranzistor, a taj tip ovdje sigurno nije odabran bez razloga. U dizajnu daljinskih upravljača s čipovima poput PT2264, izlazni pinovi ili kontrolne linije mikrokontrolera često u stanju mirovanja “lebde” ili su na visokom naponu (HIGH). Kada se gumb pritisne, sklop povlači liniju prema masi (GND, LOW).
Kada nijedan gumb nije pritisnut, baza PNP tranzistora je na visokom potencijalu (naponu baterije). PNP tranzistor je tada potpuno zatvoren i struja ne teče. LED lampica je ugašena, čime se štedi baterija. Kada pritisnete gumb, diodna matrica ili koder povuku bazu ovog tranzistora prema niskom naponu (GND). Čim napon na bazi padne, PNP tranzistor se otvara (provodi struju). Eventualno lebdeće stanje (floating) na izlazu iz PT2264 se rješava pull-up otpornikom između baze tranzistora i pozitivnog pola napajanja.
Oscilator sa SAW rezonatorom (Surface Acoustic Wave) može se usporediti sa kristalnim oscilatorom (Kvarc / XTAL), međutim postoje bitne razlike. Kristalni oscilator koristi volumne akustične valove (engl. Bulk Acoustic Waves – BAW). To znači da električni signal uzrokuje mehaničko vibriranje kroz cijelu unutrašnjost (volumen) kvarcnog kristala. SAW rezonator pak koristi površinske akustične valove (engl. Surface Acoustic Wave). Kod njega valovi vibriraju i putuju isključivo po površini piezoelektrične podloge (supstrata), dok unutrašnjost materijala miruje. Na površini se nalaze minijaturni metalni češljevi (interdigitalni pretvarači) koji pretvaraju električni signal u površinski val i obrnuto.
Najvažnija praktična razlika je u frekvencijskom opsegu rada ova dva elementa. Kristalni oscilator izvrsno radi na nižim i srednjim frekvencijama (tipično od nekoliko kHz pa do otprilike 30 MHz do maksimalno 50 MHz za osnovni način rada). Da bi kvarc radio na višim frekvencijama, ploča kristala mora biti ekstremno tanka, što je fizički teško izvedivo jer postaje vrlo krhka. SAW rezonator pak je specijaliziran je za vrlo visoke frekvencije (VHF i UHF). Njegov radni raspon je tipično od 100 MHz pa sve do nekoliko GHz. Više frekvencije kod SAW-a postižu se jednostavnim smanjivanjem razmaka između metalnih češljeva na površini, što je lakše proizvesti.
Što se tiče stabilnosti i točnosti frekvencije, kristalni oscilator ima iznimno visok Q-faktor (faktor kvalitete), što znači da mu je frekvencija vrlo stabilna. SAW Ima nešto niži Q-faktor od kristala, pa mu frekvencija može malo više “šetati” pod utjecajem temperature (reda veličine nekoliko desetaka kHz). Međutim, za primjene poput daljinskih upravljača, ta je stabilnost i dalje više nego dovoljna jer prijamnici imaju dovoljno širok propusni opseg.
Prijemnik
RF prijemnik se bazira na integriranom krugu LM358 i dva tranzistora sa oznakom R25 (2SC3356). Sve upućuje na klasični superregenerativni RF prijamnik, koji se zbog svoje jednostavnosti i niske cijene masovno koristi za daljinske upravljače.
Pločica je previše sitna da bi crtao elektroničku shemu, međutim, puno se već može zaključiti i po samom rasporedu elemenata. Prvi tranzistor koji se nalazi blizu antene radi kao RF pojačalo. Njegov zadatak je primiti iznimno slab radijski signal iz zraka i pojačati ga prije nego što uđe u krug detekcije. Drugi tranzistor se nalazi blizu podesivog titrajnog kruga (promjenjiva zavojnica i kondenzator) te radi kao superregenerativni detektor/oscilator. On konstantno oscilira tik na rubu gušenja (tzv. quench frekvencija), što mu omogućuje da iz radijskog vala “izvuče” (demodulira) onaj isprekidani noseći signal kojeg šalje RF oscilator daljinskog upravljača.
LM358 je dvostruko operacijsko pojačalo niske potrošnje. Kada tranzistori izvuku digitalni signal iz radijskog vala, taj je signal u tom trenutku iznimno slab, analogan, pun šuma i ima nepravilne, oble rubove. Glavni mikrokontroler prijamnika ne bi mogao prihvatiti takav signal. Prvi stupanj operacijskog pojačala naponski pojačava demodulirani signal, dok drugi stupanj radi kao komparator ili oblikovač impulsa (data shaper). On uspoređuje pojačani signal s fiksnim naponom i pretvara ga u čisti digitalni pravokutni signal.
Direktne prijemnike s pozitivnom povratnom spregom, koja se prvotno nazivala regeneracija ili reakcija, pa otuda i nazivi poput: prijemnik s pozitivnom povratnom spregom, reakcijski prijemnik, super-regenerativni ili regeneracijski prijemnik i slično, već smo susretali u nekim našim objavama: Cijevni prijemnik – samogradnja, AM primopredajnik Modul 40154.
PT2264 (koder) obično radi u paru sa PT2294 (dekoder). Međutim, kako smo opisali kod daljinskog upravljača, u našem slučaju se ne koriste samo 4 različita kanala, nego je preko diodne matrice taj broj povećan na 12 kanala. PT2294 ne bi mogao dekodirati više od 4 kanala, tako da je ovdje za dekodiranje ugrađen namjenski MCU. Radi se o čipu u DIL-28 kućištu bez oznaka. Samo je na donjoj strani je otisnuta interna tvornička oznaka serije ili programske verzije koju je proizvođač pločice naručio: MEDDET1447-9.
Glavni MCU je vjerojatno Microchip PIC PIC16F57.
Budući da se ovi uređaji proizvode u milijunskim naknadama, kineski proizvođači naručuju mikrokontrolere kod kojih se program upisuje izravno u čip tijekom same proizvodnje u tvornici poluvodiča (umjesto da kupuju prazne čipove pa ih naknadno programiraju). Ovo može biti bilo koji standardni mikrokontroler iz Atmel AVR serije, Microchip PIC serije ili serije MCU-a bilo kojeg drugog proizvođača.
Ispod MCU-a je smještena serijska EEPROM memorija Atmel 93C46 u kojoj se čuvaju kodovi kanala i odabrani način rada (Momentary/Toggle/Latched) kada uređaj ostane bez napajanja.
Na nekim mutnim slikama sa interneta mogu razabrati da bi MCU mogao biti Microchip PIC PIC16F57. Godina proizvodnje otisnuta na pločici (2014.) također se uklapa u priču. U to je vrijeme je PIC16F57 bio jedan od najjeftinijih, najpouzdanijih i najmasovnije korištenih 8-bitnih mikrokontrolera na svijetu za bazičnu automatizaciju i RF prijamnike.
PIC16F57 je skromni MCU sa jednostavnim setom od svega 33 naredbe u asembleru, sa samo 3 KB Flash programske memorije i 72 bajta RAM-a za privremene podatke. Budući da sam čip nema ugrađenu internu EEPROM memoriju, onda je i logično zašto se pokraj njega na pločici nalazi zasebni 8-pinski Atmel 93C46 EEPROM čip.
Od 28 nožica na kućištu, PIC16F57 nudi čak 20 ulazno-izlaznih (I/O) pinova. To je inženjerima dalo točno onoliko prostora koliko im treba za ovaj uređaj: 12 pinova odlazi na upravljanje relejima (preko dva ULN2003A čipa), 1 pin za čitanje signala s LM858 pojačala, nekoliko pinova za komunikaciju s 93C46 memorijom te pin za gumb i LED lampu za učenje koda.
Zaštitna dioda, regulator napona 7805 i filtarski kondenzatori (lijevo), slijedi piezo-zvučnik, dva ULN2003A i EEPROM Atmel 93C46.
MCU relejima upravlja preko drajvera ULN2003A. Jedan ULN2003A u sebi sadrži 7 neovisnih Darlingtonovih parova tranzistora. Budući da prijemnik ima ukupno 12 kanala (12 releja), ugrađena su dva čipa ULN2003A.
ULN2003A radi na principu NPN tranzistora s otvorenim kolektorom (engl. open-collector sink driver). To znači da on ne šalje plus napajanja prema releju, već radi obrnuto:
- Jedna strana zavojnice svakog releja je trajno spojena na +12V.
- Druga strana zavojnice ide na izlazni pin čipa ULN2003A.
- Kada mikrokontroler pošalje signal (logičku jedinicu, npr. 5V) na ulazni pin čipa ULN2003A, tranzistor unutar čipa se otvara i spaja izlazni pin na masu (GND).
- Struja poteče kroz relej prema masi i relej “klikne” (aktivira se).
Kada se struja kroz zavojnicu releja naglo prekine (isključivanje), zavojnica zbog indukcije stvara ogroman naponski šiljak (povratni udar) koji može trenutno spaliti osjetljivu elektroniku i mikrokontroler. ULN2003A u sebi već ima ugrađene tzv. flyback (freewheeling) diode za svaki kanal posebno. Svi ti unutarnji diodni katodni spojevi izvedeni su na zajednički pin broj 9 (COM) na čipu, koji je na pločici spojen izravno na +12V.
Kod konektora za dovođenje napajanja može se vidjeti dioda za zaštitu od krivog polariteta, regulator napona za 5 V (7805) potrebnih za napajanje MCU-a i EEPROM-a te filtarski kondenzatori i piezo-zvučnik.
U uvodu sam napisao kako se ovaj uređaj i danas (nakon više od 10 godina) i dalje može kupiti u nepromijenjenom obliku sa istim onim čipom PIC16F57. Istražujući ovu poslovnu politiku, prvo me iznenadila činjenica da se MCU PIC16F57 i danas uredno proizvodi. Tvrtka Microchip Technology (vlasnik Atmeha i PIC-a) ima vrlo strogu politiku dugovječnosti proizvoda (engl. Product Longevity Policy). Oni službeno jamče da nikada neće ugasiti proizvodnju starih čipova sve dok za njima postoji ikakva komercijalna potražnja na tržištu. Kineske tvornice stoga ovakve čipove mogu legalno kupiti izravno iz tvornice poluvodiča u milijunskim količinama po cijeni od svega par eurocenti po komadu i nemaju nikakve računice mijenjati ovaj MCU nekim modernim koji košta dvostruko ili višestruko više. Daljinski upravljač danas ima potpuno istu zadaću kao i prije 20 godina: primiti impuls s gumba, provjeriti kod u memoriji i upaliti relej. Za to ne treba brzi procesor, niti internet, niti umjetna inteligencija. Arhitektura iz 2014. godine je za ovu namjenu savršena, pouzdana i jeftina.
Iako su kinezi apsolutni majstori u onome što se zove “urban mining” (urbano rudarenje) te recikliranje i obnova komponenti, očito je da odlično poznaju i tržište novih čipova te na uvođenje novih tehnologija u proizvodnju gledaju proračunato i dugoročno. Kada danas kupite neki ovakav kineski uređaj, velika je vjerojatnost da je pločica proizvedena nedavno, međutim na nju može biti ugrađen čip iz zastarjele tehnologije koji se još proizvodi ili savršeno obnovljeni (reciklirani) čip koji je skinut s nekog starog uređaja i dobio “novu mladost” u kineskoj tvornici. Dokle god stvar radi pouzdano i zadovoljen je uvjet održive i ultra-jeftine proizvodnje elektronike, dotle nema potrebe ništa mijenjati.
Frekvencija 315 MHz je standard za SAD (pod FCC regulativom) i Japan. Tamo se masovno koristi za daljinsko otključavanje automobila, garažna vrata i rampe. U Europi je frekvencija od 315 MHz zabranjena za civilne uređaje široke potrošnje. Taj dio spektra (312–315 MHz i 315–322 MHz) je prema Europskoj tablici alokacije frekvencija (CEPT) rezerviran za vojne obrambene sustave i kontrolu zračnog prometa. Ako se u Europi pojavi daljinski na 315 MHz, to je gotovo uvijek jeftini azijski uvoz namijenjen američkom tržištu.
Za uređaje kratkog dometa (SRD – Short Range Devices) poput daljinskih upravljača, europski standardi propisuju dvije glavne frekvencije (ETSI EN 300 220 standard):
- 433,92 MHz kao najčešći standard za garažna vrata, rampe, auto-ključeve, kućnu automatizaciju i slično. Maksimalna izračena snaga (ERP) ograničena je na 10 mW, uz ograničenje “duty cycle-a” (vrijeme emisije) na 10%.
- 868 MHz kao moderniji standard za pametne kuće, IoT uređaje, alarmne sustave i novije napredne daljinske upravljače. Ovaj pojas je puno čišći od 433 MHz, nudi veći propusni opseg i dopušta snage do 25 mW (ovisno o podkanalu), ali uz stroža pravila o duljini slanja signala (često samo 1% vremena po satu). Ovo je frekvencija na kojoj radi LoRa sustav moje elektroničke mete.
Kinezi nude različite daljinske upravljače za 433 i 868 MHz kao i „Multi Frequency“ sustave kojima možete namjestiti praktično bilo koju standardnu frekvenciju u frekvencijskim opsezima za tu namjenu 286-361MHz i 384-400MHz. Tipične frekvencije su: 287, 300, 306, 310, 315, 315.5, 318, 330, 360, 390, 410, 430.5, 433, 433.42, 433.92, 868, 868.32 i 868.8 MHz. One se kod Multi Frequency sustava namještaju preko DIP prekidača ili pak prijemni sustav ima automatsku detekciju i programiranje na frekvenciju odašiljača.
Kako bi ostao u zakonskim okvirima, za moju primjenu je povoljniji neki daljinski sustav na 868 MHz. Za projekt elektroničke mete već koristim LoRa sustav na toj frekvenciji, kojim se postižu dometi preko 10 km.
S obzirom da je elektronika mete prilično kompleksna, ideja je imati posve nezavisni daljinski upravljač na samom napajanju, koji će u pauzama gađanja posve odvojiti napajanje od elektronike mete (preko releja). Čini se da se svi ovi OOK sustavi temelje na jednom tranzistoru u oscilatoru čime se može postići domet do 50 metara. Sa slika na kineskim stranicama ne možete vidjeti od čega se sastoji predajnik koji se deklarira za domet od 3 kilometra. Cijena je ista kao i za predajnik dometa 100 metara, tako da je ovo vjerojatno samo marketing.
Vjerojatno će konačni odabir daljinskog upravljača ipak biti neki provjereni modul sa CC1101 ili LoRa SX1262 čipom u kombinaciji sa nekim štedljivim mikrokontrolerom.