Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PLC Fatek
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna

ghost666 10 Gru 2015 13:29 7119 6
  • LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna
    LOLB (Lots Of LighBulbc - ang. dużo żarówek) to element oświetlenia wnętrza, który zainspirowany jest światłem, jakie daje np. kominek - ciepłym i drżącym. Przedstawiana poniżej konstrukcja to druga wersja tego urządzenia, składająca się z 16-kanałowego ściemniacza żarówek, kontrolowanego poprzez moduł Teensy 3.0. Zapewnia on kontrolę nad oświetleniem oraz reakcje na dźwięk. W układ wbudowano odtwarzacz MP3 i wzmacniacz, co w połączeniu z głośnikiem w obudowie sprawia, że LOLB nie tylko oświetla pomieszczenie, ale także odtwarza muzykę. Działanie żarówek dostosowywane jest do muzyki.



    Układa składa się z:
    -16 żarówek, o mocy 25 W każda;
    -obudowy wykonanej z szkła i drewna;
    -modułu kontrolującego żarówki z pomocą triaków.

    LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna


    Układ ściemniania żarówek

    Ściemnianie i załączanie żarówek realizowane może być z wykorzystaniem wielu różnych elementów elektronicznych - MOSFETów, triaków, przekaźników elektronicznych - wszystkie z nich realizują to zadanie w trochę różny sposób. Tranzystory MOSFET potrzebują napięcia stałego lub chociażby wyprostowanego półmostkiem napięcia sieciowego, ale można z łatwością sterować jasnością żarówki z wykorzystaniem sygnału PWM. Jeśli nie chcemy prostować napięcia, to musimy skorzystać z triaka, jednakże jego nie można kontrolować z pomocą sygnału PWM - konieczny jest układ detekcji przejścia przez zero oraz precyzyjna kontrola momentu załączania triaka. Jeżeli nie jest nam potrzebna kontrola jasności, to możemy wykorzystać przekaźniki - mechaniczne lub elektroniczne. Poprzednia wersja LOLB korzystała z przekaźników mechanicznych, co okazało się być najgorszą z przedstawionych opcji, ale jest też najprostsza do realizacji i najtańsza.

    Przed przystąpieniem do projektowania układu autor dokonał pewnych obliczeń, aby móc wybrać odpowiedni sposób sterowania żarówkami. Poniższy opis pokazuje, w jaki sposób, krok po kroku, przebiegało projektowanie części elektronicznej układu.

    Napięcie - niskie czy sieciowe?

    Niskie napięcie jest o wiele bezpieczniejsze, ale nadal pociąga za sobą zagrożenie np. pożarowe. Tranzystory MOSFET są tanie, jeśli napięcie zasilające jest niskie, dla napięcia sieciowego lepiej zastosować triaki. Dodatkowo, jeśli wykorzystamy do zasilania napięcie sieciowe, to każdy błąd spowoduje zadziałanie bezpiecznika - wyłączymy światło w całym domu, ale nie spowodujemy powstania pożaru.

    Jeśli chcemy korzystać z niskiego napięcia, musimy je obniżyć korzystając z transformatora lub przetwornicy, co zwiększa koszty projektu. Jeśli zamiast żarówek, korzystać będziemy z LEDów do oświetlenia, to niskie napięcie jest lepszym wyjściem.

    AC czy DC?

    Napięcie stałe (DC) pozwala na korzystanie z sygnałów PWM i MOSFETów do sterowaniajasnością oświetlenia, ale tranzystory te generują więcej ciepła, z uwagi na wyższą częstotliwość przełączania. Triaki sterujące napięciem zmiennym (AC) generują mniej strat i mniej ciepła, ale wymagają precyzyjnej elektroniki sterującej z detektorem przejścia przez zero.

    Triaki, MOSFETy czy przekaźniki elektroniczne?

    Triaki mogą sterować obciążeniem z wykorzystaniem układu kontroli fazowej. Przekaźniki elektroniczne mają często wbudowany układ detekcji przejścia przez zero, co uniemożliwia ich wykorzystanie jako ściemniaczy żarówek. Triaki dodatkowo są tańsze od przekaźników elektronicznych, jednakże wymagają zastosowania np. optotriaków do izolacji galwanicznej układów wykonawczych od elektroniki sterującej. Jeśli chcemy sterować z poziomu np. mikrokontrolera dużą ilością kanałów z optotriakami niezbędne będą dodatkowe elementy np. MOSFETy do ich sterowania. Przekaźników mechanicznych w ogóle nie bierzemy pod uwagę - są zbyt drogie, a ich krótka żywotność sprawi, że prezentowany układ będzie bardzo awaryjny.

    LEDy, halogeny na niskie napięcie czy żarówki na 230 V?

    Diody elektroluminescencyjne (LED) są bardzo wydajnymi źródłami światła, a ich sterowanie jest niezwykle proste. Zasadniczo, jeśli chcieć realizować taki projekt komercyjnie, LEDy są najlepszym rozwiązaniem, ale wymaga to odrobiny starania się, żeby uzyskać efekt wizualny, jaki założono w projekcie LOLB. Autor wyszedł z założenia, że estetyka gotowego urządzenia jest dla niego zasadnicza, a projekt hobbystyczny powinien być wyzwaniem.

    Przerabianie żarówek na diody poprzez mechaniczne usunięcie żarnika i zastąpienie go LEDem jest bardzo problematyczne. Żarówki można by zastąpić halogenami na 12 V, jednakże nie są one tak ładne jak klasyczne żarówki zasilane 230 V, które w dodatku są najtańsze spośród wszystkich wziętych pod uwagę źródeł światła. Jako że MOSFETy na 230 V są dosyć drogie, sterowanie żarówkami musi być zrealizowane na triakach z kontrolą fazową.

    Koszty układu

    16 żarówek w słoiku ma być, w założeniu, kontrolowanych niezależnie, więc potrzebne jest nam 16 kanałów niezależnej, analogowej kontroli. Jako że zależy nam na estetyce, wybrane zostały ładne żarówki na 230 V w stylu retro - przypominające oryginalną konstrukcję Edisona. Wykorzystanie półmostka prostowniczego i 16 MOSFETów na odpowiednio wysokie napięcie w celu kontrolowania żarówek poprzez PWM jest możliwe, ale drogie - 16 triaków jest o wiele prostszym rozwiązaniem, tym bardziej, że wszystkie 16 kanałów może korzystać z jednego układu detekcji przejścia napięcia sieciowego przez zero. Dodatkowe elementy do sterowania triakami (czy MOSFETami) byłyby i tak potrzebne, więc koszty układu zależą od wyboru pomiędzy PWM na MOSFETach a triakami z kontrolą fazową. Ten drugi wybór jest tańszy.

    Wybór - podsumowanie

    Autor wybrał żarówki na 230 V z gwintem E27 kontrolowane triakami. Jest to najkorzystniejsza finansowo opcja, nawet pomimo konieczności dodania optotriaków do izolacji części wykonawczej układu. Dodatkowo taki projekt pozwala wiele nauczyć się, jeśli chodzi o sterowanie fazowe.

    Korekcje gammy i kosinusa

    Sama zasada sterowania fazowego jest dosyć prosta, jeśli chcecie poczytać o nim więcej, można to zrobić np. http://playground.arduino.cc/Main/ACPhaseControl" target="_blank" rel="nofollow" class="postlink ">tutaj.

    Zasadniczo sterowanie tego rodzaju polega na odcinaniu kawałków z każdej połówki sinusoidy zasilania sieciowego. Wielkość tych kawałków jest parametrem, który pozwala na sterowanie jasnością żarówek. Do takiego sterowania wykorzystuje się triaki - działają one podobnie jak tranzystory, ale dla napięcia zmiennego - ich cechą charakterystyczną jest to, że pozostają włączone do momentu, gdy prąd przez nie płynący nie spadnie poniżej pewnej ustalonej wartości, co dla napięcia zmiennego oznacza, że będą włączone od ustalonego momentu do końca danej połówki sinusoidy.

    Aby zbudować w oparciu o triaki ściemniacz, nasz mikrokontroler musi wiedzieć, kiedy napięcie sieciowe przechodzi przez zero. Po ustalonym czasie od przejścia przez zero mikrokontroler załącza triaki, a prąd płynie przez nie do żarówek do końca danej sinusoidy, kiedy to triak się rozłącza. Czas pomiędzy przejściem przez zero a załączeniem triaka jest parametrem, który pozwala na sterowanie jasnością żarówki. Dla napięcia sieciowego o częstotliwości 50 Hz opóźnienie, jakim możemy sterować wynosi od 0 do 100000 µs. Dla zera prąd płynąć będzie przez cały czas, więc żarówka będzie świeciła z maksymalną jasnością, dla 50000 µs z 50% swojej jasności. Przełączanie takie odbywa się 100 razy na sekundę, dla każdej połówki sinusoidy napięcia sieciowego.

    Oprócz tego, że opóźnienie równe połowie maksymalnego daje połowę jasności, nie ma tutaj nic liniowego i zmiana opóźnienia nie przekłada się liniowo na zmianę intensywności świecenia żarówki - wynika to z faktu, że różne jest napięcie dla różnych fragmentów sinusoidy. Jak łatwo zrozumieć - 1 µs z napięciem 23 V daje 100 razy mniej mocy niż 1 µs przy napięciu 230 V. Podczas całego okresu (10 ms) napięcie przechodzi od zera do 230 V i z powrotem do zera - każda mikrosekunda daje inny wkład mocy, więc aby móc liniowo sterować jasnością żarówek, konieczne jest przeliczenie opóźnienia na moc.

    Po pierwsze - napięcie na żarówce, jak napisano powyżej, jest sinusem, a zatem moc dostarczana do żarówki w funkcji opóźnienia jest odwróconym kosinusem. To pierwszy element korekcji - kosinusowy.

    Po drugie - jasność, jaką odbierają nasze oczy, nie jest liniowa, a raczej logarytmiczna. Więc wykładnicze zwiększanie mocy - jasności żarówki - odbierane będzie jako zmiana liniowa. To drugi element korekcji - gamma.

    Po trzecie - żarówki same w sobie nie są liniowe i mają swoją ustaloną charakterystykę jasności w funkcji mocy. Dla uproszczenia zakładamy, że jest to prosta funkcja gamma. Jako że autor w programie implementuje krzywą gamma, która kompensuje logarytmiczną percepcją ludzkiego oka, to nieliniowość żarówki także będzie skompensowana.

    Zatem musimy zaimplementować odpowiednią funkcję, która zmienia jasność na opóźnienie. Kod funkcji wygląda następująco:

    Kod: c
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod


    Dalej - dodajemy krzywą gamma:

    Kod: c
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod


    Połączmy obie funkcje w jedną, aby uniknąć podwójnych błędów zaokrągleń przy obliczeniach:

    Kod: c
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod


    A jeśli chcemy oszczędzić czasu wykonywania funkcji na CPU, możemy całość umieścić w LUT (tablicy):

    Kod: c
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod


    Jeśli zajrzymy do tej tablicy, otrzymać możemy bardzo ładny wykres, pokazujący zależność:

    LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna


    Trzeba pamiętać, że wykres pokazany powyżej to odwrotność tego, co otrzymujemy z funkcji, jako że jesteśmy zainteresowani wyznaczeniem opóźnienia z znanej jasności żarówki.

    Elektronika

    Do synchronizacji układu z napięciem sieciowym autor wykorzystał prosty układ detekcji zera i kontroli triaków, oparty jest o ten projekt, zmodyfikowany poprzez dodanie MOSFETów sterowanych poziomami logicznymi, warystorów i bezpieczników. Elementy zostały dobrane tak, aby były niedrogie i łatwodostępne. Do sterowania żarówkami wykorzystano 16-amperowe triaki, aby nie trzeba było ich chłodzić przy żarówkach o mocy 25 W.

    UWAGA Jest to układ zasilany 230 V, należy zachować szczególną ostrożność przy jego uruchamianiu - to napięcie może zabić.

    Poniżej przedstawiono schemat układu detekcji przejścia przez zero. Wykorzystano transoptor na napięcie zmienne SFH620A, zamiast podobnego do niego H11A11 z przykładu powyżej.

    LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna


    Sterownik triaków oparty jest o triaki BT139, sterowane optotriakami MOC3052-M. Osiem kanałów sterowania i układ detekcji zera znajdują się na jednej płytce drukowanej o wymiarach 10 cm x 10 cm. Jako że mikrokontroler będzie sterował wieloma kanałami, optotriaki nie mogą być podłączone bezpośrednio do układu cyfrowego. Każdy element pobiera około 15..25 mA, więc sumaryczny prąd pobierany z mikrokontrolera, przy sterowaniu wszystkimi 16 kanałami przekroczyłby maksymalny prąd, jaki pobrać można z wyjść układu cyfrowego. Dlatego też dodano do układu N-MOSFETy 2N7002 przed każdym z optotriaków. Zamiast 2N7002 zastosować można w zasadzie dowolny inny MOSFET z kanałem N, który sterowany może być poziomem logicznym.

    LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna


    Wszystko zostało dokładnie przetestowane na płytce uniwersalnej. Układ pracuje bardzo stabilnie, ale okazało się konieczne dodanie między innymi pojemności do filtrowania zasilania i snubbera do układu. Płytki drukowane wykonane zostały najpierw na frezarce, a finalnie zamówione w firmie zewnętrznej. Projekt pierwszej wersji płytki drukowanej wyglądał następująco:

    LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna


    Plan autora zakłada wykorzystanie dwóch płytek do LOLB oraz ośmiu płytek do skonstruowania macierzy 8x8 żarówek. Zamówione zostało 10 sztuk PCB pokazanego powyżej. Płytki dotarły do autora po 7 dniach od zamówienia i prezentowały się następująco:

    LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna


    Płytka została następnie obsadzona elementami i polutowana. Na górnej stronie znajdują się najważniejsze elementy - triaki w obudowie TO-220, bezpieczniki, oporniki 1 W i warystory. Na dolnej stronie umieszczono elementy SMD, sterujące układem.

    LOLB - Lots of LightBulbs - designerska lampka nocna


    Sterowaniem układem zajmuje się moduł Teensyduino-Demo. W module zaimplementowano funkcję korekcji kosinusa i gamma, co sprawdziło się bardzo dobrze. Pokazany poniżej prototyp wykorzystuje jedynie 12 żarówek, bo tyle autor miał pod ręką w danym momencie, dlatego też widać pewną przerwę w prezentowanej animacji.



    Nic nie stanęło w płomieniach, jedynie oporniki 1 W w układzie detekcji zera sieci lekko się nagrzewały, można było przystąpić do finalnego kroku.

    Montaż układu

    Autor dodał do układu oprócz sterownika żarówek odtwarzacz MP3, wzmacniacz i głośnik. Na filmie widać możliwości odtwarzacza MP3 sterowanego zdalnie z pomocą pilota.



    Dodatek odtwarzacz MP3 był bardzo dobrym pomysłem. Sygnał z odtwarzacza podłączony jest także do modułu sterującego Teensy 3.0, do wejścia analogowego. Na Teensy realizowane jest FFT i detekcja beatu, co pozwala an sterowanie jasnością żarówek w rytm muzyki.

    Obudowa wykonana została ze szklanego cylindra i metalowego elementu, który oryginalnie były wazonem na kwiaty. Podstawa wyfrezowana została z drewna, umieszczono w niej głośnik i uchwyty do kabli. Na zewnątrz wyprowadzono złącze USB, przyciski i sterowanie różnymi trybami pracy LOLB.

    Gotowa konstrukcja niedługo zostanie przekazana nowemu właścicielowi jako prezent świąteczny, a autor planuje za jakiś czas wykonanie kolejnej lampy, jednak póki co zajęty jest przeprowadzką do USA, więc nie chce montować urządzenia zasilanego 230 V/50 Hz.

    Źródło: https://hackaday.io/project/7504-lolb
    Kod: c
    Zaloguj się, aby zobaczyć kod


    Fajne!
  • Semicon
  • #2 11 Gru 2015 12:18
    xamrex
    Poziom 28  

    ghost666 napisał:
    Jak łatwo zrozumieć 1 µs z napięciem 23 V daje 100 razy mniej mocy niż 1 µs przy napięciu 230 V.

    nie powinno tam zamiast 100 być 10 ?

  • Semicon
  • #3 11 Gru 2015 12:21
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    xamrex napisał:
    ghost666 napisał:
    Jak łatwo zrozumieć 1 µs z napięciem 23 V daje 100 razy mniej mocy niż 1 µs przy napięciu 230 V.

    nie powinno tam zamiast 100 być 10 ?


    Bardzo dobre pytanie! otóż nie, moc P, dla stałego oporu R zapisać możemy: $$P = \frac{U^2}{R}$$. Więc jeśli napięcie zwiększy się 10-krotnie, to moc wzrośnie 10²-krotnie czyli właśnie 100-krotnie.

  • #5 11 Gru 2015 19:42
    mkpl
    Poziom 37  

    Sterowanie triakiem nie opiera się na regulacji napięcia... a na ilości dostarczonej energii do żarówki lub innego odbiornika. Liczy się pole powierzchni pod sinusoidą którą obcinamy przez opóźnienie włączenia triaka. i tak przy kącie 90* będzie 1/2 mocy a dalej i wcześniej będzie nieliniowo ze względu na kształt sinusoidy ;)

    Sama lampka ciekawa ale taka ilość triaków musi ładnie syfić w sieci...

  • #6 11 Gru 2015 19:56
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    mkpl napisał:
    Sterowanie triakiem nie opiera się na regulacji napięcia... a na ilości dostarczonej energii do żarówki lub innego odbiornika. Liczy się pole powierzchni pod sinusoidą którą obcinamy przez opóźnienie włączenia triaka. i tak przy kącie 90* będzie 1/2 mocy a dalej i wcześniej będzie nieliniowo ze względu na kształt sinusoidy ;)

    Sama lampka ciekawa ale taka ilość triaków musi ładnie syfić w sieci...



    Właśnie to jest opisane w projekcie pod nazwą korekcji kosinusa ;)

  • #7 13 Gru 2015 23:23
    markovip
    Poziom 34  

    Mając na rynku lampki LED "żarnikowe" które można łatwo sterować niskim napięciem, nie rozumiem użycia zwykłych żarówek.

    Co nie zmienia faktu że projekt jest bardzo ciekawy i oryginalny.