Resol 71005014 Schnittstellenadapter

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Version vom 2. November 2022, 22:55 Uhr von Chris (Diskussion | Beiträge) (Seite erstellt)
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Reparatur

Ab und zu geht auch was kaputt. So schrieb mich vor einiger Zeit Erhard an, der an seinem DeltaSol ES einen Resol DL2 Datenlogger betreibt. Obwohl beide Geräte für sich funktionieren, kamen keine Daten mehr an.

An der VBus-Schnittstelle lag ohne Datenlogger nur ein eine Spannung von etwa 4 V an, mit Datenlogger brach die Spannung weiter auf ca. 2,7 V ein. Bei erwarteten ca. 8 Volt und den definierten Schwellen in der Datei:VBus-Protokollspezifikation.pdf ist die Begründung für die Funktionslosigkeit gefunden - aber nicht die Ursache.

Nach kurzer Recherche bin ich auf einen Thread bei Home Assistant gestoßen, in dem ein u. a. VBus-Modul gezeigt wird. Rechts oben prankt die Bezeichnung 71005014.

In einem Katalog über Resol-Produkte ließ sich zumindest ansatzweise erkennen, dass das Modul auch in anderen Reglern verwendet wird, also ging die Suche nach Ersatz los - und tatsächlich ließ sich das Modul für schlappe 12 Euro auf eBay finden.

Es ging ein bisschen Zeit ins Land, bis eine weitere Anfrage bzgl. defektem VBus-Interface kam. Also den Mailthread herausgekramt und nochmal nachgefragt, wie die Reparatur ausging - leider noch nicht ganz so erfolgreich, da das Modul nicht passt. Statt der geraden Stiftleiste ist eine gewinkelte nötig und die Bestückung weicht ab.

Also einfach mal gefragt, ob Erhard das Defekte Modul und den Ersatz schicken möchte - und ein paar Tage später lagen die Boards auf dem Tisch:

Abgesehen von der leicht unterschiedlichen Farbe des Lötstopps (und des Weißabgleichs) sieht man der Leiterkarte aus dem Regler deutlich an, dass sie Temperatur im Bereich des Chips links unten gesehen hat.

Beim dem Bauteil handelt es sich um einen LM317 - also ein Spannungsregler. ein kurzer Blick ins Datenblatt verrät, dass links unten der Adjust-Pin ist, der Pin links oben der Eingang und die Pins dazwischen die Ausgänge sind.

Da die Regler üblicherweise einen Spannungsteiler und damit 2 Widerstände zum Einstellen der Spannung brauchen, wird der Regler wohl anders verwendet wird: Der 24,3 Ohm-Widerstand befindet sich zwischen Ausgang und Adjust, mehr sieht man leider nicht.

In diesem Sinne "glücklicherweise" ist der LM317 bei Ersatzleiterkarte der Käfer nicht bestückt - die Leiterbahnen zeigen: die Ausgangspins sind zwar miteinander verbunden, aber das war's auch schon. Ein Via führt lediglich zum Adjust-Pin. Etwas weiter unten im Datenblatt ist auch diese Anwendung aufgeführt: Stromquelle.

Deren Stärke lässt sich sehr einfach nach \(I_\textrm{out} = \frac{1.2}{R}\) berechnen. Mit 24,3 Ohm ergibt das (Trommelwirbel) 49,4 mA.

Die Pins zurückverfolgt wird an den rechten beiden 9 V eingespeist und geschaut, welcher Strom vom Ausgang der Stromquelle nach Masse fließt - unspektakuläre 1,2 mA. Ein LM317 liegt noch herum, also runter das olle Teil und rauf mit dem Neuen.

Nochmals nachgemessen: um die 50 mA. Super! Fall erledigt, eintüten und ab dafür!

Reverse Engineering

Äh, nein. So läuft das hier nicht.

Aufmerksame Leser werden schon bemerkt haben, dass die Bilder oben (nicht ganz) zufällig die gleiche Größe haben und sehr gleichartig abgebildet sind. Es gibt noch ein weiteres Foto und eine bearbeitete Version - beim Foto fehlen ein paar Bauteile, bei der Bearbeitung haben alle Komponenten einen Namen bekommen und eine Innenbeschaltung hat es auf das Foto geschafft:

Warum Namen? Zugegebenermaßen mag das bei der Komplexität der Schaltung etwas übertrieben sein, aber es hilft, den Schaltplan zu entflechten und im Anschluss beim Placement.

Auf eine weitere Lage in naint.net werden Vias markiert, für die wenigen Leiterbahnen auf der Unterseite gibt es ebenfalls eine.

Bauteile

D3 ist eine mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit eine TVS-Diode. Nach etwas längerer Suche nach dem Logo stellte sich heraus, dass es sich um ein Teil von General Semiconductor (heute Vishay) handelt. Die Suche nach "KM 66A" brachte zumindest bei Google erst einmal nur eine öffentliche Toilette in Österreich (wen es interessiert: A12 Intall Autobahn, bei km 66,28 Richtung Zams). Hm, das war wohl ein... ...griff ins Klo?! Unstrittig ist jedenfalls, dass es sich um ein SMB-Gehäuse handelt. Nach etwas mehr Sucherei und dem Auffinden einer alten Version eines Dokuments zum PDD Marking müsste es sich um eine SMBJ7.0A handeln. Auch wenn mir Parameter wie Breakdown Voltage und Stand-off Voltage etwas niedrig vorkommen - die Angabe deckt sich mit dem vorgeschlagenen Bauteil in der Datei:VBus-Protokollspezifikation.pdf

D5, die Diode im MiniMelf-Gehäuse, musste kurz die Leiterkarte verlassen um gemessen zu werden, ähnlich wie die Kondensatoren. Bei der Diode handelt es sich mutmaßlich um eine Z-Diode mit 4,7 V Rückwärtsspannung. Widerstände im 0805 Gehäuse haben dankenswerterweise noch Beschriftungen, hier ist einzig R9 etwas tricky: Ist das nun 1091 oder 1601? Ersteres würde 1,09 kOhm bedeuten, letzteres 1,6 kOhm. Da 1,09 in den E-Reihen nicht existiert, muss es wohl 1,6 kOhm sein. Ein anderer Hinweis ist natürlich, dass die 9 rechts unten abgeschrägt ist (ähnlich wie die 2).

Eine kleine Gemeinheit: R9 und R11 sind auf den beiden Boards unterschiedlich - eine Erklärung hierzu findet sich weiter unten.

T1 dient vermutlich zum Senden der Daten, indem er die VBus-Leitung nach Masse kurschließt. Hätte es mir im Master etwas eleganter vorgestellt, aber warum auch nicht - es funktioniert. Wobei der FET, ein Fairchild RFD14N05L, mit seinen 14 A natürlich durchaus wohlwollend dimensioniert ist.

Bei IC2 handelt es sich um einen Komparator, genau genommen einem TI TLC3702; IC3 ist ein Quad 2 Input NAND Gatter mit Schmitt-Trigger-Eingängen.

Noch einmal in die Protokollspezifikation gespickt: da wurde das Rad auf keinen Fall neu erfunden.

Da muss man beim Reverse Engineering eigentlich nicht viel können und auch kein schlechtes Gewissen haben.

Einzig unklar sind die beiden unbestückten Bauteile links oberhalb von IC1. Den Footprints nach zu urteilen dürfte "?1" entweder ein Widerstand oder ein Kondensator sein, "?2" wäre in Hinblick auf D5 ebenfalls eine Diode im MiniMelf-Package. Mehr dazu weiter unten.

Schaltplan

Den Schaltplan abzuzeichnen in etwa so schnell wie den Artikel bis hier zu schreiben.

Auch wenn die Schaltung sehr nah am Referenzschaltplan ist, kleine Unterschiede gibt es doch: D5 ist dort eine gewöhnliche Kleinsignaldiode, die Überspannung nach Vcc ableitet, auf dem Modul ist es mit einer Z-Diode, die nach Masse "verbrennt" etwas besser gelöst.

Um es kurz zu machen, so schaut's aus:

Erhard war so freundlich und hat noch weitere Fotos vom Innenleben des Reglers geschickt (siehe link) und noch ein paar Messungen durchgeführt. So liegen an dem mit 12V bezeichneten Pin 8 von X1 stolze 20,7 V an. Plausibel? Laut Bild hat die DeltaSol ES ein Transformator mit 12,5 V am Ausgang. Das ergibt einen Spitzenwert von 17,7 V - ohne Berücksichtigung des Gleichrichters und natürlich der etwas höheren Leerlaufspannung. Also ja, plausibel.

Die andere Versorgung sowie die IO-Spannung beläuft sich auf 3,3 V.

Kleine Sünden

Nun wird auch in Hinblick auf die TVS-Diode ein Schuh draus: Die Stromquelle begrenzt, wie oben bereits berechnet, auf etwa 50 mA auf dem Bus. Der Spannungsabfall über diesen dürfte auf jeden Fall unter 2 V liegen. Dementsprechend müsste man auf dem Bus um die 18 V sehen - was aber nicht der Fall ist. Die TVS-Diode ist im Breaktdown und wandelt die Spannungsdifferenz in Wärme um. Da haben wir unsere ca. 8,2 V. Hurra. Nicht.

In der Schaltung fließen auf jeden Fall 50 mA, bei den 8,2 V ist das eine Leistung von rechnerisch 410 mW. Der Rest bleibt am LM317 (und seinem Serienwiderstand) hängen, also (20,7 - 8,2 V) * 50 mA = 625 mW. Etwas mehr als 1 Watt für die unbenutzte Kommunikationssschnittstelle, wenn der Regler im Idle ist? Hui.

Ok, sobald die Relais anziehen sinkt die Spannung und damit Verlustleistung ein bisschen, aber erstrebenswert ist das nicht. Wird, bei Kommunikation, VBUS nach Masse gezogen, bleibt fast die volle Leistung am armen LM317 hängen - zwar nur kurzzeitigig aber Stress ist Stress.

Das erklärt nun auch die Verfärbung der Leiterkarte und ggf. das verfrühte Ableben des ICs.

Was macht das eine Watt aus? Bei 24/7-Betrieb im Jahr ca. 8,8 kWh, bei 40 ct/kWh sind das knapp 3,5 Euro. Nicht viel aber nicht nichts, plus leidende Elektronik.

Wie man es besser machen kann? Verschiedene Ansätze sind möglich:

  • Auf der Main-PCB 12 V geregelt bereitstellen oder Spannung verringern - verringert auch die Stromaufnahme der anderen 12V-Komponenten (Relais), die der Schnittstelle aber nur um ein knappes halbes Watt
  • Zweiter Regler für die Schnittstelle: Spannung auf 8,nochwas Volt regeln und den Strom auf 50 mA begrenzen. So wird die TVS-Diode nicht leitend und wenn nicht kommuniziert wird, wird auch kein Strom sinnlos verbraten.
  • Breakdown-Voltage der TVS-Diode erhöhen. Höhere Spannung am Bus (und damit Specbruch)
  • Vorige Punkte in Kombination

Sollte jemand tatsächlich so verrückt sein und ein alternatives Modul entwickeln, scheiden Änderungen an der Main-PCB natürlich aus, also bleiben die letzten 3 Punkte.

Die Widerstände

Wie bereits erwähnt, weichen die Widerstände R9 und R11 auf den beiden Boards etwas ab:

Variante R9 R11 unterer Knoten oberer Knoten
Regler 2,4k 1,4k 60,0 % 61,1 %
Ersatz 1,6k 820R 61,0 % 68,7 %

Multipliziert man die Verhältnisse mit 3,3 und 5 V, findet man bekannte Werte: Bei der Leiterkarte aus dem Regler und 5 V ergeben sich 3,00 und 3,25 V, was den Schaltschwellen für einen Master ergibt, für die Ersatzleiterkarte und einer Spannung von 3,3 V kommen 2,27 und 2,02 V heraus, was noch immer recht gut zu den Werten eines Slaves passt.

Nur passt nichts so richtig zu dem tatsächlichen Einsatz - allerdings kann man hier die Kirche im Dorf lassen: Es geht lediglich darum, High und Low möglichst ohne Gezappel zu unterscheiden. Auf ein paar hundert Millivolt kommt es bei den Schaltschwellen sicher nicht an. Überspitzt gesagt könnte man den ganzen Bohei mit Komparator und Optokoppler durch einen Spannungsteiler mit Tiefpass ersetzen. Dürfte in den allermeisten Fällen genauso gut funktionieren.

Verbesserte Version

Ungetestet

Die Unzulänglichkeit des unnötig hohen Stromverbrauches der Originalversion ist Grund genug, das Design anzufassen.

Statt den Strom zu begrenzen und die zu hohe Spannung in der TVS-Diode zu verbraten, läuft der LM317 nun als Spannungsregler mit etwa 8,2 V Ausgangsspannung. Der Strom wird über zwei parallele 330 Ohm-Widerstände auf knapp 50 mA begrenzt.

Die TVS-Diode hat nun eine Breakdown-Spannung von 10 V - die restlichen Bauteile sind dadurch weiterhin gegen Überspannung geschützt und die "Gefahr", dass sinnlos Leistung verbraten wird, vom Tisch.

Die Logik-Gatter werden durch die bekannte und erprobte Beschaltung der Komparatoren ersetzt. Zusätzlich hat die (optionale) Z-Diode ihren Weg in den Schaltplan gefunden. Zum Invertieren von UART_TX wird ein BSS138 eingesetzt, der einen etwas einfacher erhältlichen IRF7470 treibt. Dieser kann zwar deutlich weniger Strom als der ursprüngliche treiben, muss er aber auch nicht.

Schlussendlich ist die Leiterkarte auch etwas geschrumpt:

Die BOM umfasst hier lediglich die (wohl interessanteste) Variante für den 3,3 V Master.

Bitte beachten, dass die in EAGLE generierbare BOM nur die Bestellcodes für diese Variante enthalten.

Qty Referenzen Wert Package Reichelt Bestellcode
1 X1 MA05-2 MPE 088-2-010
2 R1, R2 0R R0805 SMD-0805 0,00
3 C1, C2, C3 100n C0805 X7R-G0805 100N
1 C6 100p C0805 NPO-G0805 100P
4 R6, R8, R11, R16 15k R0805 RND 0805 1 15K
1 R13 1k5 R0805 SMD-0805 1,50K
1 C4 1n C0805 NPO-G0805 1,0N
1 R5 270 R0805 SMD-0805 270
1 D6 2V4 SOD80C TZMC2V4
4 R9, R17, R18, R19 2k2 R0805 RND 0805 1 2,2K
2 R14, R15 330 R1206 RND 155HP06 CJ
2 R7, R10 4k7 R0805 RND 0805 1 4,7K
1 Q1 BSS138 SOT23 BSS 138 SMD
1 T1 IRF7470 SO08-IRF IRF 7470
1 IC1 LM317LD SO08
1 IC4 LM393D SO08 LM 393 D SMD
1 D3 P6SMB10CA SMBJ P6SMB 10CA SMD

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