Sterownik taśm RGB - 12V/150W

Witam. Chciałbym przedstawić projekt sterownika taśm RGB.

Urządzenie pracuje pomyślnie w pokoju jako ambientowe oświetlenie sufitu.

Sterownik pozwala na sterowanie zarówno pojedynczymi składowymi koloru (R-G-B), jak i jasnością całości.

Urządzenie wyposażone jest w 9 przycisków RESET, R: + i -, G: + i -, B: + i - oraz Jasność: + i -. W momencie, gdy użytkownik zmieni kolor świecenia diod, układ wykrywa tę zmianę, następnie odczekuje kilkanaście sekund i zapisuje nowe wartości do pamięci EEPROM. Po restarcie sterownika układ przywraca zapisana wartość z pamięci.

Całość oparta na uP ATmega8 z zegarem 12MHz. Układ przycisków to matryca 4x2. Samo sterowanie odbywa się poprzez 3-kanałowy PWM. Wszystkie kanały są ustawione tak samo - Fast-PWM, 8-bit, Clear OCxx on Compare Match, bez prescalera. Im większa częstotliwość, tym lepiej.

Podczas normalnej pracy zielona dioda miga raz na sekundę. Gdy wykryta zostanie zmiana koloru, dioda sygnalizuje odliczanie czasu do zapisu poprzez szybkie miganie. Gdy miganie diody powraca do normalnej pracy, oznacza to, że odbył się zapis.

Stopień mocy wykonany został na 3 tranzystorach polowych IRFR4105 oraz 6 tranzystorach bipolarnych. Dzięki zastosowaniu tranzystorów o niskim RDS(on) = 0.045Ω, mamy bardzo niskie straty, a co za tym idzie, tranzystory się nie grzeją. Łatwo obliczyć, że jeśli nawet obciążymy pojedynczy tranzystor prądem 4A, straty wyniosą tylko 0,72W na elemencie sterującym - taka moc bez problemu rozproszy się w laminacie. W tym momencie podpięte jest około 7 metrów taśmy,a nie powoduje to grzania drivera. Tranzystory bipolarne (BC817) zapewniają szybsze przełączanie tranzystora polowego.

Układ ma także możliwość sterowania bezpośrednio z włącznika poprzez izolowane galwanicznie wejście. Nie jest ono jednak wykorzystywane, ponieważ lepiej jest załączyć włącznikiem cały zasilacz - większa oszczędność energii.

Mamy do dyspozycji wyjście na RS232 z kontrolą przepływu, ale ono także nie jest wykorzystywane, ponieważ na razie nie było potrzebne. Nie jest ono nawet zaimplementowane w kodzie programu. Będzie służyło w przyszłości do podłączenia do magistrali 485.

Rozumiem, że Chińczyk robi to taniej, bo 5m taśmy razem ze sterownikiem i to na pilota da się kupić za 120zł, ale jak wiadomo, to nie o koszta tu chodzi, tylko o satysfakcję z projektu.

Na szczęście w życiu nie tylko o pieniądze chodzi
Sterownik fajny, bo działa. Warto jednak pomyśleć nad dodaniem obsługi IR - sterowanie z pilota byłoby wygodniejsze niż z przycisków. Poza tym, gdybyś wybrał MOSFETa z kanałem logicznym i napięciem progrowym bramki 1-2V, zamiast 2-4V, to mógłbyś się pozbyć tych bipolarnych tranzystorów sterujących. No i te 12 MHz jak sądzę z kwarca - pytanie po co, skoro PWM masz robiony sprzętowo i procesor w tym czasie może spać? Prościej i taniej byłoby wykorzystać wewnętrzny RC.

Witam, projekt oczywiście fajny, mam pytanie o pcb, jest trawiona, czy może frezowana, pytam, ponieważ zaczynam frezować płytki ale dwustronnych jeszcze nie próbowałem ?

Z tego co widać płytka trawiona. Pozdrawiam

Obudowa kwarcu nie zwiera ścieżek pod nim?

tmf: przy RS-ie lepiej zostawić kwarc.

darres1: Projekcik wykonany jest raczej na jednostronnej płytce.

Staranne wykonanie w jedynej słusznej technologii (SMD). Warto zabezpieczyć czymś miedź.

Wrzuć na elektrodę pliki ze schematem, płytką i kodem.

Edit: Nie zauważyłem na zdjęciach. Płytka jest dwustronna.

Płytka dwustronna jak widać na załączonych zdjęciach. Ścieżki min. 0,55mm, Termotransfer + trawienie w B327. Spokojnie da się zejść ze ścieżkami do 0,2mm - niżej już może być kłopot

tmf - Możesz podać przykład takiego tranzystora?

Kwarc ma pod sobą ścieżki, dlatego jest nieco uniesiony - także dzięki temu dało się go przylutować bez robienia przelotek.

Czy mógł byś powiedzieć coś więcej o produkcji płytki? Jaka rozdzielczość wydruku, papier itp. Gdy chciałem zrobić płytkę na atmega8 w smd odniosłem wrażenie że obraz padów pod nóżki jest na tyle niewyraźnie wydrukowany że na pewno nie uda się tego dobrze wytrawić, mimo tego że zadbałem o wysoką rozdzielczość zapisu obrazu płytki-sprawdzałem 300,600,1200 dpi.

narasta napisał:

tmf - Możesz podać przykład takiego tranzystora?

Zobacz serię np. IRLML - ja użyłem IRLML9301, co prawda max 3-4A, ale za to w SOT23 i do moich zastosowań wystarczył. Ale z pewnością dobierzesz coś innego. Na większe prądy (nawet 14A) IRL530N. Jest też mnóstwo nowszych tranzystorów o niższym RDSon, warto też rozważyć wyluty z płyty głównej - tam są naprawdę dobre tranzystory i za free.

Drukuję w 1200DPI na drukarce hp LJ1018 (600DPI) - wystarczająca do zrobienia ścieżek 0,2mm. Pytanie tylko jak przenosisz toner na płytkę, bo to moim zdaniem jest kwestia najważniejsza.

Z płytą główną to rzeczywiście dobry pomysł, ale jeśli przyjdzie zrobić więcej takich urządzeń zrobi się problem. IRL530N daje 1,6W strat przy 4A więc zbyt dużo.

Wykonanie staranne, bardzo lubię oglądać takie płytki, które poza elektryczną poprawnością jeszcze cieszą oko

Ale:

narasta napisał:

Samo sterowanie odbywa się poprzez 3-kanałowy PWM. Wszytkie kanały są ustawione tak samo - Fast-PWM, 8-bit, Clear OCxx on Compare Match, bez prescalera. Im większa częstotliwość tym lepiej.

Myślałem że im większa częstotliwość sygnału PWM tym większa moc strat na elementach wykonawczych... Sam ostatnio wykonywałem regulator żarówki H4 (55/60W 12V) na IRFZ84N i driverze TC426, i obserwowałem że przy częstotliwości PWM'a na poziomie 1MHz tranzystor wymagał porządnego chłodzenia, zaś przy kilkuset Hz radził sobie nawet bez radiatora... Czy u Ciebie elementy wykonawcze nie grzeją się nadmiernie?

narasta napisał:

Drukuję w 1200DPI na drukarce hp LJ1018 (600DPI) - wystarczająca do zrobienia ścieżek 0,2mm. Pytanie tylko jak przenosisz toner na płytkę, bo to moim zdaniem jest kwestia najważniejsza.

Z płytą główną to rzeczywiście dobry pomysł, ale jeśli przyjdzie zrobić więcej takich urządzeń zrobi się problem. IRL530N daje 1,6W strat przy 4A więc zbyt dużo.

IRL530 to tylko przykład, są nowe logic level, które maja RDSOn<20momów.
Co do sterowania - jak kolega powyżej zauważył, to nie do końca tak, że im wyższa częstotliwość tym lepiej. MOSFET oprócz strat statycznych ma też straty dynamiczne - np. przeładowywanie pojemności bramki i wewnętrzny opór bramki powodują spore straty. Policz jakie są straty na bramce optymistycznie zakładając, że ma opór tylko 10 omów, a jest kondensatorem 1 nF. Częstotliwości powyżej 100-200 Hz są wystarczające. Jak ktoś chce to 1 kHz, ale po co wyżej?

Wewnętrzny opór bramki to jedno... Na straty przełączania MOSFETa składa się głównie pojemność dren-źródło. Przy wyłączaniu tranzystora energia zgromadzona w tym pasożytniczym kondensatorze po prostu wytraca się w strukturze tranzystora.

Częstotliwości 100-200Hz to trochę mało; jednak da się zauważyć mryganie LEDów jesli wykonamy chociażby szybki ruch ręką przy takim oświetleniu. Dodatkowo, taka częstotliwość jest nieco męcząca dla oczu jeśli spędzamy przy tym swietle kilkanaście godzin.
1kHz jest graniczną częstotliwością - od niej w zwyż mryganie już zupełnie nie męczy, a efekt stroboskopowy jest praktycznie niezauważalny.

OK zostawmy migające diody, bo nic takiego nie występuje. Pomijam już fakt, że Fpwm to F_CPU / 256... więc skromne kilkadziesiąt kHz.

Nic się także nie grzeje więc tranzystory także są ok. Tranzystory bipolarne nie są po to, żeby podnieść napięcie na bramce, ale po to, żeby szybko przełączać Mosfety.

narasta napisał:

po to, żeby szybko przełączać Mosfety.

Masz na myśli zapewnić odpowiednie sterowanie prądowe? Prosty drajwer na elementach dyskretnych?
Wiem, że to czepianie się, ale nie stosuje się bipolarnych do szybkiego przełączania

arcu napisał:

Nie, ze sie wytraca energia z pojemnosci, tylko poprzez przeładowywanie pojemnosci tranzystor dłużej jest w stanie nieustalonym w danym okresie czasu, przez to powstają straty mocy.

To co piszesz to również jeden z czynników strat w tranzystorze, ale wytracanie energii z pojemności dren-źródło również występuje i generuje wbrew pozorom spore straty. Sprawdź sam - zbuduj sobie dwie proste przetwornice w topologii buck o identycznych parametrach mocowych, częstotliwości (dobierz w okolicach 300kHz) i zbliżonych czasach przełączania klucza, przy czym jedna ZCS a druga ZVS. Przetestuj straty mocy na kluczu dla następujących kombinacji:
1) ZCS z MOSFETem jako klucz
2) ZVS z MOSFETem
3) ZCS z IGBT
4) ZVS z IGBT
i zaobserwuj temperatury klucza...
Robiłem takie eksperymenty kluczując tranzystor z generatora funkcji a napięcie/prąd klucza badając oscyloskopem (zeby dobrać f i d tak, by klucz przełączał w zerze dla danego Vin/Vout/Rout)...

arcu napisał:

Poza tym, przy 200Hz nie ma efektu stroboskopowego, 100Hz jest nieco widoczne, fakt.

To chyba kwestia subiektywna. Ja obserwuję efekt stroboskopowy przy 200Hz patrząc na źródło światła przez palce i szybko poruszając dłonią....

Mariojas napisał:

Wiem, że to czepianie się, ale nie stosuje się bipolarnych do szybkiego przełączania

Stosuje się. Do pewnych częstotliwości... Kiedyś jak zaczynałem przygodę z przetwornicami, budowałem "przetwornice" do car audio z 12V na 2x[ileś] V. Bipolarne drivery na BD13x (nie pamietam dokladnie oznaczenia, ale 3A) sterowane z TL494 (+wtórnik) wyrabiały z popędzaniem trzech IRFZ44 równolegle; przy 50kHz. I czasy przełączania były rzędu 300-400ns...

Obecnie używam tanich i dobrych scalonych driverów low-side produkcji Microchip - TC442x i MCP140x... Pod praktycznie każdym względem są lepsze od bipolarnej pary komplementarnej...

Dręczy mnie pytanie: w jaki spoób sterujesz jasnością całości?
Poszczególne kolory to PWM ale całość?

Odejmujesz lub dodajesz tyle samo od każdej wartości koloru jednocześnie. Pilnujesz tylko, żeby wartość nie wyszła poza zakres 0-255. Dzięki temu zachowujesz zawsze tą samą barwę a zmienia się tylko jasność.

narasta napisał:

Odejmujesz lub dodajesz tyle samo od każdej wartości koloru jednocześnie. Pilnujesz tylko, żeby wartość nie wyszła poza zakres 0-255. Dzięki temu zachowujesz zawsze tą samą barwę a zmienia się tylko jasność.

Chyba raczej mnożysz/dzielisz składowe przez stałą? IMHO ważny jest stosunek składowych, a nie ich bezwzględna różnica.

Przecież napisałem, że to dodawanie lub odejmowanie. Kolor zawsze pozostaje taki sam.

Chcąc jeszcze uwzględnić nieliniową charakterystykę strumienia światła LED i czułości ludzkiego oka - nie będzie lekko

Nie budowałem pikseli telewizora tylko oświetlenie głupiego sufitu. Czy liniowość ma aż takie znaczenie?

Działa? Działa.
Zejdźmy na ziemię proszę.

Drukuje na jednej kartce obie mozaiki tak aby składając kartkę obie strony się pokryły.

Następnie sklejam krawędzie taśmą (nie topiącą się w wysokich temperaturach). Potem wkładam do środka PCB trochę większą niż potrzebuję i ostatnią krawędź także zaklejam.

i to już jest gotowe do grzania w laminatorze.

Jak żelazko to wystarczy że skleisz dwie kartki ze soba - pod światłem ustawiasz i dwa boki zaklejasz. Wkładasz miedzy kartki płytkę. Z dwoch stron żelazkujesz i tyle.