Всем привет! Я Артем Литвинович, разработчик с многолетним стажем, радиолюбитель с детства, ридеры проектировал сам.
На мой взгляд, сделать его самостоятельно по своим требованиям во всех отношениях интереснее и удобнее, чем покупать готовую вещь.
Например, тот же читатель.
У меня есть четыре лично собранные модели ридеров из комплектующих, найденных на радиорынке и заказанных из Китая.
Например, описаны электронные чернила здесь , также известный как Леонид Каганов здесь посмотрел все ранние поделки Здесь .
Чехлы я печатаю сама на 3D принтере, который тоже спроектировала сама.
А когда лень печатать, леплю из эпоксидки.
Опыт, как вы понимаете, накоплен очень серьезный и в какой-то степени уникальный.
И вот ко мне обратились ребята из PocketBook с предложением сделать какой-нибудь мод для одной из их моделей.
В итоге мы решили собрать ридер с солнечной батареей на базе Карманный Бук 631 Плюс , один из флагманских читателей линейки.
Об этом я расскажу в посте.
Я не буду вдаваться в подробности функционирования этой модели с точки зрения пользователя.
Многие писали о том, сколько форматов он поддерживает, какие у него есть приложения, как работает поддержка звука и насколько хорошо этот бумажник читает книги на пятнадцати языках.
Просто отмечу, что в целом согласен с этими высказываниями – читатель бывалый и действительно искушенный.
Получив читалку на руки, я даже не стал ее включать – сразу разобрал.
Поэтому начнем с изучения того, что у него внутри.
Это для меня более интересно.
Разобрать читалку проще простого, как раз, два, три.
Идти! Один раз – с помощью пластикового клина отщелкивается передняя панель.
Второе – рамка экрана аккуратно отделяется от передней панели.
Подозреваю, что он герметичен, чтобы затруднить попадание влаги и пыли внутрь через щель.
В Карманный Бук 631 Плюс в отличие от того же самого PocketBook 641 Aqua 2 , защита от воды официально не заявлена.
И все же «зачатки» защиты здесь присутствуют. С такими элементами конструкции брызги влаги этой модели, надо полагать, не очень страшны.
И третье – выкручены винты, удерживающие сам ридер в корпусе.
Из чего состоит современная читалка?
Неподготовленному глазу может показаться, что здесь все ужасно сложно, но, в целом, устройство достаточно простое.Чтобы упростить задачу, давайте сравним его с моей самодельной читалкой справа.
На моей доске четко выделяются три блока.
- Красный – цепь питания экрана.
Кран электронных чернил управляется электростатически и требует нескольких уровней напряжения: положительного и отрицательного.
- Зеленый – контроллер питания, заряд и разряд аккумулятора.
Литиевые батареи заряжаются постоянным током и производят переменное напряжение.
Электронике требуется постоянное напряжение 3,3В.
Солнечная батарея производит неудобный ток.
Соответственно, вам понадобится контроллер постоянного тока для зарядки, преобразователь напряжения для разрядки и ограничитель мощности солнечной панели.
- Желтый – компьютерный блок.
Есть процессор, память и хранилище данных, со всем железом.
Теперь заглянем во внутренности ридера PocketBook.
Здесь вы можете увидеть похожие блоки — питание, работа экрана и компьютер.Дополнительно есть еще два блока — синий модуль Wi-Fi и розовый аудиокодек.
Последнее весьма нетипично — практически все современные ридеры с экранами E Ink не имеют звуковых возможностей.
Их наличие — одна из уникальных особенностей PocketBook 631 Plus. 
Давайте поближе познакомимся с внутренностями ридера PocketBook.
Сам процессор виден на процессорном модуле MCIMX6L7DVN10AB. Это ARM Cortex-A9, одноядерный, 32-битный, номинально 1 ГГц.
Вещь заметно мощнее тех, которыми я пользуюсь.
Что неудивительно, Pocketbook читает 18 форматов без предварительной конвертации (PDF, PDF-DRM, EPUB, EPUB-DRM, DJVU, FB2, FB2.ZIP, DOC, DOCX, RTF, PRC, TCR, TXT, CHM, HTM, HTML, MOBI и ACSM), а также озвучивает текст, сидит в Интернете, играет в игры и умеет расставлять слова через дефис.
Чтобы поддерживать и реализовывать все это добро, нужно соответствующее оборудование.
Справа от процессора находится память NT5CC256M16DP. Это DDR3, 4 Гбит (512 МБ).
За памятью находится обычный разъем MicroSD с картой на 8 ГБ, выполняющей роль встроенного хранилища.
Дешево, сердито и удобно – при желании внутреннюю память можно легко расширить (Проверка показала, что карта привязана к какому-то аппаратному идентификатору, поэтому слово «просто» в данном случае неуместно), а в случае катастрофическая встреча ридера с земной твердью, Для восстановления данных нужен только картридер.
На карте изображен обычный Linux, что не может не радовать.
Справа находится разъем отладки UART. Если мы ткнем в него зондом, то увидим заставку U-Boot 2009.08 и кучу отладочной информации.
Рядом с процессорным модулем находится блок Wi-Fi с переключателем и жгутом.
RTL8189FTV, универсальный модуль 802.11b/g/n, подключаемый через шину SDIO. Размещение готовых модулей для такого типа функций, а не пайка их отдельно на плате, является одной из стандартных практик при разработке электроники.
На дальней стороне находится кодек — преобразователь звука из цифрового в текущий на наушниках.
ALC5640 все та же компания Realtek, он принимает звук по I2S и выдает 1,5 Вт стереозвука на динамик сопротивлением 8 Ом через усилитель класса D. Тоже типичная вещь.
Над звуком находится блок управления экраном.
TPS65185 – генератор напряжения для электронных чернильных экранов.
NN2003 или что-то подобное с цифрой 2 вверху маркировки опознать не удалось, но похоже это что-то связанное с питанием подсветки.
А zForce NN1001 — это что-то вроде ИК-контроллера с сенсорным экраном.
Наконец, основной источник питания.
В центре находится основная микросхема — RC5T619. Это многофункциональный контроллер питания со встроенными преобразователями, расчетом потребления, зарядкой аккумулятора, интерфейсами связи с процессором и т. д. Он также содержит часы реального времени, которые должны работать даже при выключенном всем остальном.
Столь высокоинтегрированный блок питания играет немалую роль в том, что одного заряда читалки хватает примерно на полтора месяца активного использования.
Подробнее эту микросхему мы рассмотрим позже, когда будем присоединять к считывателю солнечную панель.
Перевернув доску, мы обнаруживаем экран – самое интересное, что есть в этой книге.
Кран приклеивается к рамке, а батарея приклеивается к другой стороне рамы.
К нему прикручена плата, да и в некоторой степени весь корпус.
Чем этот 6-дюймовый экран E Ink Carta последнего поколения отличается от обычного экрана E Ink, который можно купить в магазине?
Для сравнения вот мой 7-ми дюймовый экран от китайской компании.
Если поместить на них обоих одну и ту же картинку, вы сразу заметите различия.
Мой экран хоть и больше, но имеет разрешение всего 480 х 800 и 120 DPI, тогда как у Pocket разрешение 1072 х 1448 и 300 DPI. Ну и качество самой матрицы выше — как крупный производитель первого эшелона, PocketBook использует дисплеи высшего уровня качества — Grade A («первого сорта», до браковки).
Для более мелких марок, а также для продажи в качестве запчастей применяется Grade B – сита с определенным (допустимым по стандартам) количеством дефектов.
Если присмотреться, то можно увидеть еще одну большую разницу — на экране Pocket «цвета» более плавные.
Что и неудивительно, ведь в отличие от черно-белого «китайца» экран у Покета монохромный и поддерживает 50-16 оттенков серого.
На самом деле это заслуга не столько экрана (хотя и это тоже, конечно), сколько более сложной схемы управления, чем у меня.
Принципиально эти два экрана мало чем отличаются друг от друга, а главное отличие – в привязке.
Рассмотрим подробнее саму технологию.
Кран электронных чернил представляет собой кусок стекла, на одной стороне которого находится матрица управляющих электродов, а на другой — массив пузырьков с жидкостью, в котором плавают микроскопические шарики, запечатанные в прозрачный пластик.
Белые заряжены положительно, черные – отрицательно.
Матрица управления электростатически вращает шарики, тем самым выводя изображение на экран.
С обратной стороны такой экран зеркальный, и видна вырезанная в стекле проводка управляющих сигналов.
Если посмотреть на экран против света, то за шумом неравномерно нанесенных капсул можно увидеть тонкую контрольную сетку.
Из-за этой неравномерности подсветка экрана с электронными чернилами представляет собой довольно нетривиальную задачу — если его просто подсветить, он будет выглядеть как стеклянная крошка.
Чем-то он даже напоминает обычную бумагу.
Краны кошелька плотно приклеены к рамке, и попытки их разъединить, скорее всего, закончатся печально.
Однако на краю есть место, где его тоже можно подсветить и увидеть похожее сооружение.
Видим, что сверху экрана есть черная рамка, а на плате под ней набор каких-то деталей.
Что это? 
Причем рамка не простая, а прозрачная в инфракрасном свете! А выступы на нем похожи на линзы.
Для чего все это?
Загадка решается очень просто.
Вспомним обычный домофон с металлической клавиатурой, который странным образом перестает работать, когда его края засыпаются снегом.
По краям этой клавиатуры расположен набор лампочек и фотодиодов, на которые они светятся.
Отслеживая затенение этого света, процессор может понять, над какой цифрой появляется палец.
Наша карманная читалка имеет похожую конструкцию, только более точную.
По краям расположены инфракрасные светодиоды, которые рамкой фокусируются на фотодиодах противоположной стороны, а процессор по затенению рассчитывает положение пальца.
К нижней части экрана приклеена полоска гибкой платы со светодиодами.
Это знаменитая подсветка с изменяемой температурой света.
Если пойти налево, свет станет холоднее, направо — теплее.
Идея такая: перед сном читать лучше при теплом освещении, благодаря этому зрительный аппарат быстрее расслабляется.
Существует две версии этой подсветки: одна разработана компанией E Ink, другая — ее китайская копия.
Копия хуже тем, что потребляет примерно на треть больше энергии.
У PocketBook 631 Plus правильная, Е Инковская.
Если пойти направо, свет станет теплее
Как и все гениальное, секрет прост – подсветка состоит из чередующихся светодиодов: теплый, холодный, теплый, холодный и т. д.
Яркость каждой половины регулируется независимо, что позволяет плавно переходить от холодного к теплому.
На этом можно закончить обзор внутренностей, собрать ридер обратно и перейти к зарядке.
В обычных условиях книга заряжается от стандартного USB током 0,9А.
Это мощность 4,5 Вт, и она должна полностью зарядить аккумулятор емкостью 1,5 Ач примерно за час.
По мере уменьшения доступного тока книга продолжает спокойно заряжаться практически до нуля.
Контроллер заряда, похоже, мало интересуется стандартом USB и может заряжаться от любого напряжения, вплоть до напряжения на самой батарее.
Что на самом деле происходит во время зарядки и разрядки? Вспомним RC5T619, управляющий подсистемой питания.
Это интегрированный контроллер мощности, заряда и потребления.
Он имеет два входных канала для зарядки и внешнего питания, встроенные преобразователи напряжения, выход аккумулятора и потребительские выходы, входы датчиков (например, температуры аккумулятора) и многое другое.
Все это настраивается как на уровне схемы, так и программно через шину I2C.
По этой же шине процессор получает от нее информацию об остатке заряда батареи, состоянии зарядки, текущем времени и т. д. 
В чем сложность определения уровня заряда литиевого аккумулятора? А нельзя ли просто померить напряжение на нем? Увы, напряжение на нем нелинейное, в основном постоянное и сильно зависит от нагрузки.
На практике для определения уровня заряда используется кулоновый счетчик.
Подобно электросчетчику в квартире, он считает, сколько заряда утекло от аккумулятора к нагрузке и от зарядки к аккумулятору.
Это единственный надежный способ достоверно показать уровень заряда аккумулятора.
И такой счетчик обычно встроен в контроллер питания.
Процесс зарядки литиевого аккумулятора также непрост, в отличие, например, от свинцовых аккумуляторов.
Процесс зарядки состоит из двух этапов – постоянного тока и постоянного напряжения.
На первом этапе подается ток, ограниченный максимально безопасным значением, обычно 1С (одна емкость аккумулятора в час).
Когда напряжение батареи достигает максимального значения (4,20В), начинается второй этап, когда это напряжение сохраняется на входе, при этом ток падает. В конце концов ток достигает нижнего порога, обычно 0,1С, и зарядка прекращается.
Всем этим опять же управляет встроенный контроллер питания.
Очевидно, что для подключения другого источника питания вам придется пройти через него.
В идеале можно было бы использовать второй вход заряда, VADP, но есть небольшая проблема - он не распаян на плате нашего ридера, а контроллер представляет собой BGA-микросхему, пластиковый прямоугольник с контактными шариками на нижней стороне и приблизиться к входам ВАДП принципиально невозможно.
Это означает, что вам придется подключиться к входу VUSB, то есть к штатному разъему питания ридера.
Поэтому хорошо, что он продолжает заряжаться даже при очень низком напряжении и токе.
При таком типе подключения следует учитывать несколько особенностей.
Во-первых, это не должно мешать нормальной зарядке.
То есть не допускается протекание тока от солнца в зарядное устройство или компьютер.
Во-вторых, он не должен поглощать ток при внешней зарядке.
Те.
Зарядный ток не должен попадать в цепь солнечной панели.
Первый довольно простой – мы будем подавать напряжение гораздо ниже, чем у зарядного устройства или компьютера.
Ридер может заряжаться от него, но внешний источник этого не заметит. Второе тоже не сложно – для солнечной панели понадобится контроллер точки максимальной мощности, у которого внутри или на выходе будет диод. Что это за контроллер и для чего он нужен? Давайте посмотрим на солнечные панели.
Существует много типов солнечных батарей.
Обычные, привычные нам кремниевые элементы с голубоватым оттенком и проводкой на поверхности (на фото слева) являются наиболее эффективными.
Их недостаток в том, что они со временем портятся от солнечного света и в течение десяти лет теряют большую часть своей силы.
В моей книге использован тонкослойный элемент на основе селенида меди-индия-галлия (справа), который в полтора раза менее эффективен, но более долговечен.
Обе панели состоят из 11 элементов, соединенных последовательно.
Возникает вопрос – какую панель нам установить на наш PocketBook? Обычно я за долговечность, но в данном случае чувство красоты, загнанное в дальний угол, потребовало быть услышанным, и я остановился на варианте слева — стандартная силиконовая панель слишком хорошо прилегает к корпусу книги.
Солнечная батарея является нелинейным источником энергии.
Простая батарея или блок питания обычно описывается законом Ома – по мере уменьшения приложенного к ней сопротивления ток увеличивается, а напряжение падает. Другими словами, они представляют собой источник напряжения с эквивалентным последовательным сопротивлением.
В солнечной батарее при уменьшении сопротивления ток остается примерно постоянным, но напряжение падает. Это ближе к источнику тока с ограниченным верхним напряжением.
Вот, например, график зависимости тока от напряжения для одной из моих больших солнечных панелей.
Если к такому источнику подключить обычный контроллер заряда аккумулятора, то зарядное устройство будет пытаться потреблять столько тока, сколько имеется (это будет небольшое сопротивление), напряжение на панели упадет, а вместе с ним и мощность упадет. - полная мощность доступна только вблизи рабочей точки, где произведение тока и напряжения максимально.
Чтобы решить эту проблему, солнечную панель обычно подключают через контроллер точки постоянной мощности.
Импульсный преобразователь, который предотвращает попытки нагрузки получить от панели больше мощности, чем она может выдать при оптимальном напряжении.
По сути, он преобразует нелинейную характеристику панели в омическую.
Простейшая реализация такого регулятора — понижающий преобразователь с обратной связью еще и по входному напряжению, а не только по выходному напряжению.
По мере уменьшения сопротивления на выходе такой преобразователь будет понижать напряжение (и увеличивать ток), чтобы на входе оставалось постоянное напряжение.
Давайте рассмотрим простую схему самодельного понижающего преобразователя на ШИМ-контроллере MC34063.
Этот чип имеет встроенный ключ, который открывается и закрывается с частотой в десятки килогерц.
Когда он открыт, через него и через индуктивность протекает ток, постепенно наращивая выходное напряжение.
Когда он закрыт, ток течет через диод и индуктивность (индуктор имеет тенденцию сопротивляться изменениям тока, протекающего через него), постепенно теряя напряжение.
Результирующее «треугольное» напряжение сглаживается выходным конденсатором, приближаясь к постоянному.
Чем дольше переключатель открыт (ширина импульса), тем выше выходное напряжение.
Т.
к.
обычно требуется постоянное напряжение; выход имеет делитель обратной связи, который подает сигнал на усилитель ошибки в контроллере.
Это позволяет уменьшить ширину импульса, если напряжение слишком высокое, и увеличить его, когда оно не является высоким.
Как из этой схемы сделать контроллер с максимальным сохранением мощности? Нам нужно добавить к нему небольшое вложение.
Транзистор открыт, когда входное напряжение выше заданного, напряжение на его диодной стороне равно нулю, и контроллер ограничивает выходное напряжение как обычно.
Если входное напряжение падает ниже заданного, транзистор начинает закрываться, и на линию обратной связи подается напряжение, пропорциональное входному.
И он блокирует сигнал с выхода.
Контроллер воспринимает это как увеличение выходного напряжения и уменьшает длину импульса, тем самым предотвращая поглощение слишком большой мощности нагрузкой и падение входного напряжения.
Если протестировать эту схему на макете, она будет более-менее рабочей, но с довольно ужасными характеристиками.
На практике изготовление импульсного преобразователя своими руками – дело неблагодарное и малоэффективное.
Особенно на винтажных деталях, таких как MC34063. Поэтому мы будем использовать стандартную практику, т. е.
готовые модули.
Основная часть нашей схемы представляет собой инвертирующий блок обратной связи по входному напряжению.
Его можно подключить к любой стандартной схеме понижающего преобразователя, которая имеет внешний делитель для обратной связи по выходному напряжению.
Соответственно берем стандартный понижающий модуль на несколько ватт и припаиваем к нему выход диода приставки.
Как и ожидалось, все работает практически без проблем.
Теперь можно удалить ненужные детали и протестировать схему в режиме постоянного тока-напряжения, имитируя солнечную панель.
Как видите, схема прекрасно поддерживает минимальное входное напряжение.
Переносим схему с удобной макетной платы на постоянную, в результате получается компактная и достаточно плоская конструкция.
Внутри ридера нет лишнего свободного места, а конструкция все равно недостаточно плоская, чтобы поместиться между задней крышкой и платой, так что в любом случае придется монтировать все снаружи и жертвовать конструкцией.
Если бы книга изначально делалась с расчетом на солнечную зарядку, то такой проблемы бы не возникло — как мы помним, на самой плате было много свободного места.
Единственное более-менее удобное место, где можно разместить контроллер – это задняя часть солнечной панели.
На это намекает даже пунктирная рамка.
Перед окончательной сборкой имеет смысл все протестировать, но хмурая московская весна в День Х упорно отказывалась сотрудничать.
Приходится вынимать свой «заменитель солнца» — блок светодиодов общей мощностью 1 кВт и цветовой температурой 4000К, предварительно откалиброванный по люксметру.
Обеспечивает солнечный свет летнего дня на расстоянии 29 см.
Примитивность системы охлаждения модели «большой кусок алюминия» приводит к тому, что агрегат может перегреться и сгореть за 6 минут, от участи которого его спасает несовершенство современных аккумуляторов, время работы которых составляет всего 5 минут. 
Трудно поверить, насколько интенсивен солнечный свет – киловатты света на квадратный метр.
Только если разместить такие лампы на расстоянии метра друг от друга на вершине половины планеты, можно получить что-то близкое по мощности к Солнцу.
Из-за свечения не видно, что показывает устройство — зарядка осуществляется мощностью около 0,7 Вт. Это близко к ожидаемому — панель мощностью 1 Вт и эффективность преобразователя 70%.
На такой скорости ридер зарядится с нуля примерно за 8 часов.
Реально в наших широтах и нестабильной погоде потребуется в два раза больше - номинал мощности панели в 1 Вт приведен для того же номинала солнечного света в 1000. Теги: #Гаджеты #солнечная батарея #электронные книги #pocketbook
-
Что Выбрать: Angularjs Или Reactjs?
19 Oct, 24
