Как сделать RGB контроллер для ленты своими руками

Автономную работу всевозможных устройств,отмобильных гаджетов до персонального электротранспорта, обеспечивают аккумуляторы. С учетом необходимых значений емкости и напряжения, они объединяются в аккумуляторные батареи. Ключевые характеристики АКБ – емкость, напряжение, масса, время восполнения заряда, допустимый температурный режим – зависят от типа используемой химии.

Для автономного питания современной техники успешно используются литий-ионные аккумуляторы. Они имеют большой циклический ресурс, малый саморазряд, широкий температурный диапазон и солидную удельную емкость. Катод у таких элементов выполнен из производных лития, а заряд переносят ионы Li. Далее мы подробнее рассмотрим устройство Li-ion аккумуляторов и принцип их работы.

Что такое ШИМ?

ШИМ (широтно-импульсная модуляция, англ. pulse—width modulation (PWM)) — это способ управления мощностью путём импульсной подачи питания. Мощность меняется в зависимости от длительности подаваемых импульсов.

ШИМ в современной электронике применяется повсеместно, для регулировки яркости подсветки вашего смартфона, скорости вращения кулера в компьютере, для управления моторами квадрокоптера или гироскутера. Cписок можно продолжать бесконечно.

В любительской электронике ШИМ контроллеры часто используются для управления яркостью светодиодных лент и для управления мощными двигателями постоянного тока.

Используем Turbo CNC – программу для управления

ПО Turbo CNC точно будет работать с микроконтроллером, который использует микросхему ULN2003.

• Используем специализированный сайт, откуда можно скачать программное оборудование.
• Любой пользователь разберется в том, как провести установку.
• Именно данная программа лучше всего работает под MS-DOS. В режиме совместимости на Windows могут появляться некоторые ошибки.
• Но, с другой стороны, это позволит собрать компьютер с определенными характеристиками, совместимыми именно с данным программным обеспечением.

Принцип работы ШИМ

В отличии от линейных систем, где мощность регулируется путём снижения электрических параметров (тока или напряжения), при использовании ШИМ мощность, передаваемая потребителю, регулируется временем импульсов, что существенно повышает эффективность работы контроллера. В аналоговых системах остаточная мощность рассеивалась в виде тепла, здесь же при снижении потребления остаточная мощность просто не используется.

Основная характеристика ШИМ – СКВАЖНОСТЬ (процент заполнения) – процентное соотношение длительности импульсов к периоду. На рисунке ниже изображено 5 степеней скважности прямоугольного ШИМ сигнала:

ПЕРИОД — это время за которое происходит полный цикл колебания сигнала. Измеряется в секундах. Он линейно зависит от частоты сигнала и рассчитывается по формуле:

T(перод) = 1/f(частота)

f(частота) = 1/ T(перод)

Частота ШИМ – это количество периодов (или если хотите, циклов колебаний) в единицу времени. Частота измеряется в Герцах (Гц), 1 Гц это одно колебание в 1 секунду.

Если сигнал делает 100 колебаний в секунду, значит частота равняется 100 Гц. Чем выше частота тем меньше период.

Изготовление самого простого варианта сканера

Одно из самых простых решений для самодельного создания ЧПУ станка – использование деталей от другого оборудования, снабженного шаровыми двигателями. Функцию отлично выполняют старые принтеры.

Берем следующие детали, извлеченные из прежних приборов:

1. Сама микросхема.
2. Шаговый двигатель.
3. Пара стальных прутков.

При создании корпуса контроллера надо взять и старую картонную коробку. Допустимо использовать коробки из фанеры или текстолита, исходный материал не имеет значения. Но картон проще всего обработать, используя обычные ножницы.

Как подключить к нагрузке

Напрямую генератор ШИМ сигнала к нагрузке подключать не следует, потому как он слаботочный и скорее все сразу же сгорит. Для того, чтобы управлять нагрузкой необходим ключ на мосфет-транзисторе. Берём N-канальный мосфет-транзистор IRF3205 и собираем всё по схеме:

Резистор R1 нужен для защиты пина ардуинки от выгорания, а резистор R2 для того, чтобы транзистор полностью закрывался, когда ардуина не даёт выходного сигнала.

Как видно ничего сложного. Четыре элемента и ШИМ-контроллер готов. Он уже может управлять одноцветной светодиодной лентой или каким-нибудь моторчиком.

Если нужна трехцветная лента или больше лент (делаем многоканальный ШИМ), просто добавляем ключи на пины D3, D5, D6, D9, D10, D11 (только на них работает ШИМ). Итого, Ардуина способна управлять мощностью 6-ти устройств одновременно.

IRF3205 способен выдерживать токи до 70 Ампер при напряжении до 55 Вольт, таких характеристик вполне достаточно для решения большинства бытовых задач.

Управление

Контроллером легко управлять, используя специализированное программное оборудование, установленное на ПК. Главное, чтобы у самого компьютера память была минимум 1 ГБ, а процессор – не менее 1 GHz.

Можно использовать ноутбуки, но стационарные компьютеры в этом плане дают лучшие результаты. И обходятся гораздо дешевле. Компьютер можно использовать для решения других задач, когда станки не требуют управления. Хорошо, если есть возможность оптимизировать систему перед началом работы.

Параллельный порт LPT – вот какая деталь помогает организовать подключение. Если контроллер имеет порт USB, то используется разъем соответствующей формы. При этом выпускается все больше и больше компьютеров, у которых параллельный порт отсутствует.

Если нужно управлять плюсовым контактом

В таком случае нам понадобится другой мосфет- транзистор — P-канальный. Схема аналогична, только подтягивающий резистор подключен к плюсу.

Также нужно будет инвертировать сигнал на выходе ардуино, ведь при подаче 5 вольт транзистор будет закрываться, а при 0 — открываться, значит шим скважностью в 30% выдаст 70% мощность на выходе схемы.

Стоит оговориться такая схема будет работать только при питании не выше 5 вольт, так как для полного закрытия P-канального транзистора необходимо подтянуть его затвор к плюсу питания, а ардуина способна выдавать на цифровой пин только 5 вольт. Значит, при питании хотя бы чуть-чуть выше напряжения выдаваемого на цифровой пин транзистор будет не полностью закрываться при верхней части импульса ШИМ и БУДЕТ СИЛЬНО ГРЕТЬСЯ. Полностью отключить нагрузку он тоже не сможет.

Если нужно управлять, к примеру,12 -ти вольтовым устройством, то схема немного усложнится. Добавится так называемое «плечо раскачки» или драйвер полевого транзистора. По классике он собирается на двух, а иногда и на трёх транзисторах, но мы есть вариант немного проще, который работает при невысоких частотах:

Светодиодный контроллер своими руками

Захотелось мне сделать RGB свет для видео из китайских компонентов. RGB – значит нужен ШИМ контроллер, значит нужно его сделать! Вот и сделал: GyverRGB – контроллер для RGB светодиодных лент со множеством режимов и настроек, модульной структурой и различными способами управления.

Железо

Используется обыкновенная RGB светодиодная лента с общим анодом (контакты 12V G R B). Я использовал два ряда ленты с плотностью 120 диодов на метр, чтобы иметь хороший запас по яркости даже на одном цвете.

В проекте используется Arduino NANO (микроконтроллер ATmega328p). В качестве 100% совместимого аналога можно использовать Arduino UNO/Pro Mini.

Я рассматривал два варианта драйвера для светодиодной ленты: китайский RGB LED amplifier и самодельный драйвер из трёх МОСФЕТ (полевых) транзисторов. LED amplifier очень удобен в подключении, но имеет жуткий недостаток: на высоких частотах у него поднимается нижний порог яркости, что приводит к трате оттенков и вообще некорректной работе режимов.

Вывод: если контроллер не планируется использовать для видео света, то можно поставить LED amplifier и в настройках контроллера поставить низкую частоту (490 Гц), глаз такую частоту не заметит, но снятое на камеру видео будет «стробить». Если планируется использовать контроллер для создания видео света, то в обязательном порядке нужно делать свой драйвер. Также свой драйвер позволит работать с большими отрезками ленты, т.к. транзисторы можно поставить очень мощные.

Полевой транзистор подойдёт практически любой (99%), наковырять можно из материнской платы. Список популярных МОСФЕТов в корпусе to-220: IRF3205, IRF3704ZPBF, IRLB8743PBF, IRL2203NPBF, IRLB8748PBF, IRL8113PBF, IRL3803PBF, IRLB3813PBF (в порядке роста стоимости). Список популярных МОСФЕТов в корпусе D-pak: STD17NF03LT4, IRLR024NPBF, IRLR024NPBF, IRLR8726PBF, IRFR1205PBF, IRFR4105PBF, IRLR7807ZPBF, IRFR024NPBF, IRLR7821TRPBF, STD60N3LH5, IRLR3103TRPBF, IRLR8113TRPBF, IRLR8256PBF, IRLR2905ZPBF, IRLR2905PBF (в порядке роста стоимости).

Управление контроллером предусмотрено тремя способами:

• Энкодер – китайский модуль в двух вариантах
• ИК пульт – продаётся вместе с приёмником-модулем, но удобнее монтировать отдельный приёмник
• Кнопка – обычная нормально-разомкнутая тактовая кнопка
• Bluetooth – управление с приложения GyverRGB для Android

Питается система от 12V, от блока питания или батареи из трёх литиевых аккумуляторов. При питании от аккумуляторов предусмотрен «вольтметр» – делитель напряжения на резисторах, позволяющий измерить напряжение на батарее для вывода его на дисплей.

Софтовые фишки

• Автоматическое отключение дисплея по таймауту неактивности
• Несколько вариантов частоты ШИМ для драйвера: 490 Гц – для дешёвых LED усилителей
• 8 кГц – слышно, как пищит
• 4 кГц – работает только на самодельном драйвере
• Настраиваемая до герца

Настраиваемое направление работы ШИМ (для готовых и самодельных усилителей)

Автоматическое ограничение тока потребления на основе количества светодиодов и яркости каналов цвета

Вывод напряжения питания на дисплей в вольтах или процентах

Режим поддержания яркости при разрядке аккумулятора (при полном заряде чуть занижает яркость)

Коррекция яркости по CRT гамме

Матрица коррекции LUT

10 настраиваемых профилей

11 настраиваемых режимов работы для каждого профиля, из них 5 статических и 6 динамических

Настройки хранятся в EEPROM и не сбрасываются при перезагрузке

Рекомендации по настройкам

1. После первого запуска программы появится специальный экран.
2. Надо нажать пробел. Так пользователь оказывается в главном меню.
3. Нажимаем F1, а потом выбираем пункт Configure.
4. Далее надо нажать пункт «number of Axis». Используем клавишу Enter.
5. Остается только ввести количество соей, которые планируется использовать. В данном случае у нас один мотор, потому и нажимаем на цифру 1.
6. Для продолжения используем Enter. Нам снова понадобится клавиша F1, после ее применения в меню Configure выбираем Configure Axis. Затем – два раза нажимаем пробел.

Drive Type – вот какая вкладка нам нужна, до нее доходим многочисленными нажиманиями Tab. Стрелка вниз помогает дойти до пункта Type. Нам нужна ячейка, которая носит название Scale. Далее определяем, сколько шагов двигатель совершает только за время одного оборота. Для этого достаточно знать номер детали. Тогда легко будет понять, на сколько градусов он поворачивается всего за один шаг. Далее число градусов делится на один шаг. Так мы вычисляем количество шагов.

Остальные настройки можно оставить в первоначальном виде. Число, получившееся в ячейке Scale, просто копируется в такую же ячейку, но на другом компьютере. Значение 20 должно быть присвоено ячейке Acceleration. По умолчанию в этой области стоит значение 2000, но оно слишком большое для собираемой системы. Начальный уровень – 20, а максимальный – 175. Далее остается нажимать TAB, пока пользователь не доходит до пункта Last Phase. Здесь нужно поставить цифру 4. Далее жмем Tab, пока не дойдем до ряда из иксов, первого в списке. Первые четыре строчки должны содержать следующие позиции:

1000XXXXXXXX 0100XXXXXXXX 0010XXXXXXXX 0001XXXXXXXX

В остальных ячейках не нужно проводить никаких изменений. Просто выбираем ОК. Все, программа настроена для работы с компьютером, самими исполнительными устройствами.

Устройство двигателя

Для разработки контроллера необходимо разобраться с принципом работы самого электродвигателя.

Электродвигатель состоит из фазных обмоток, магнитов и датчиков Холла, отслеживающих положение вала двигателя.

Конструктивно электродвигатели делятся на два типа: инраннеры и аутраннеры.

У инраннеров магнитные пластины крепятся на вал, а обмотки располагаются на барабане (статоре), в этом случае в движение приводится вал. В случае аутраннера всё наоборот: на валу — фазные обмотки, а в барабане — магнитные пластины. Это приводит в движение барабан.

Так как у велосипеда колесо крепится валом на раму, то здесь применителен тип аутраннера.

На этой картинке условно представлены три фазы с обмотками, соединёнными между собой. В реальности обмоток намного больше, они располагаются равномерно с чередованием по фазам по окружности двигателя. Чем больше обмоток — тем плавнее, чётче, эластичнее работает двигатель.

В двигатель устанавливаются три датчика Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, тем самым определяя положение ротора относительно статора двигателя. Устанавливаются с интервалами в 60 или 120 электрических градусов. Эти градусы относятся к электрическому фазному обороту двигателя. Необходимо учитывать, что чем больше в двигателе обмоток на каждую фазу, тем больше происходит электрических оборотов за один физический оборот мотор-колеса.

Обмотки трёх фаз в большинстве случаев соединяются между собой по двум схемам: звезда и треугольник. В первом случае ток проходит от одной из фаз к другой, во втором — по всем трём фазам в разной степени. Иногда эти две схемы подключения комбинируют в одном двигателе, например в электромобилях. При старте и наборе скорости идёт соединение фаз по звезде: она даёт больший момент при относительно низких оборотах; далее, после набора скорости, происходит переключение на треугольник, в результате количество оборотов увеличивается, когда уже не нужен большой крутящий момент. По сути, получается условно автоматическая коробка передач электродвигателя.

Виды литий ионных аккумуляторов

Литий ионные аккумуляторы стали востребованы во многих сферах. Помимо использования в гаджетах, бытовых устройствах и автомобилях, выпускают и АКБ для промышленного использования, который имеют высокое напряжение и емкость. Самыми востребованными считаются АКБ, представленные в таблице.

Две цифры первые в ряду указывают на размер диаметра батареи, вторые две на длину. Нуль ставится в случае цилиндрической формы. Также выпускаются АКБ подтипа «Крона» с напряжением в 9 Вольт.

Обозначения батареи указывают на содержание элементов, например, как:

• ICR – кобальта;
• IMR – марганца;
• INR – никеля и марганца;
• NCR –кобальта и никеля.

Виды li ion аккумуляторов в основном отличаются размерами, химическим составом, а также по емкости и напряжению.

Химические процессы на положительном и отрицательном электроде

Современные модели литий ионных АКБ содержат электрод из материала, в состав которого входит углерод. Природа этого материала и компоненты электролита влияют на процессы интеркаляции ионов лития в углерод. Матрица анода является слоистой. Она может быть, как частично, так и полностью упорядоченной

Во время протекания интеркаляции ионы от лития как бы раздвигают пласты углерода и встраиваются между ними. При внедрении и изъятии ионов объем матрицы не меняется. Положительный электрод выполняется из оксида никеля или кобальта. Также используются шпинели из лития и марганца.

Во время заряда происходят реакции, которые описываются следующими уравнениями:

• на положительном электроде;

• на отрицательном электроде.

Принцип действия разряда описывается обратными уравнениями.