Personal tools

Analog Moodlight

From Frack - Hackerspace Friesland

Jump to: navigation, search
Project: Analog Moodlight
Analog Moodlight.jpg
Status voltooid
Betrokkenen
Kennisgebied(en) Elektronica
ProjectoverzichtProject toevoegen

Een analoog regelbaar moodlight op basis van een overgebleven 3 Watt led en een drietal potentiometers. Het gestelde designdoel is om een analoog regelbare constant-current led-driver te maken. Dat wil zeggen, ledaansturing zonder gebruik te maken van een Arduino of andere microcontrollers.

Schakeling

Elke kleur is apart instelbaar en kent een eigen klein regelcircuit. Deze circuits sturen hierbij de stroom die door de kathode-kant van de led stroomt. De anoden van de drie emitters zijn gedeeld en hebben een aansluiting op de led-ster.

De schakeling is online te vinden bij Circuitlab.

Elk regelcircuit bestaat uit de volgende onderdelen:

Spanningsdeler ingang

Aan de positieve kant van de opamp is een spanningsdeler aangesloten. Deze bestaat uit een vaste weerstand aan een kant en een potentiometer aan de andere kant. Over dit geheel wordt de voedingsspanning (5V) gezet. Door de weerstand van de potentiometer te regelen is de spanning recht evenredig met de weerstand in de stellen van 0 tot ongeveer 300 millivolt.

Meetweerstand

In de stroomkring van de led is aan het einde, vlak voor de nul (Ground) een meetweerstand opgenomen. Over deze 1 Ohm weerstand staat een spanning in Volt die gelijk is aan de stroom door deze weerstand in ampère (immers: U=I*R). De positieve zijde van deze weerstand is bovendien verbonden met de negatieve ingang van de opamp. Op deze manier ontstaat een negatief teruggekoppeld systeem (zie: werking).

Hoewel de volledige stroom van de led door de meetweerstand zal stromen blijft het opgenomen vermogen erg beperkt. Het opgenomen vermogen (P) van een weerstand is I2R. Met een absolute maximale stroom door de led van 350mA levert dat het volgende op:

0.35 * 0.35 * 1 = 0.12 Watt

Operationele versterker

De opamp versterkt het spanningsverschil tussen de ingang en uitgang in zeer kleine tijd met een zeer grote waarde. In deze schakeling betekent dat dat wanneer de spanning aan de positieve ingangskant boven die van de negatieve ingangskant ligt, de uitgangsspanning van de opamp zal stijgen naar 5V (de voedingsspanning v/d opamp). In het andere geval zal de uitgangsspanning zakken naar 0V. Aan de uitgang van deze versterker is de base van een transistor gekoppeld.

Transistor

De maximale stroom van de collector (positieve- / bovenkant) naar de emitter (negatieve- / onderkant) in een transistor wordt bepaald door de stroom door de basis. De stuurstroom van de basis naar de emitter (IB) maakt een stroom van de collector naar emitter (IC) mogelijk, met een versterkingsfactor van doorgaans 200-300. De stroom in het tweede circuit wordt hierin nog wel beperkt door de weerstand die hier bestaat. In het geval van deze schakeling is deze plafondstroom enkele ampère, dus geen praktische beperking.

Werking op basis van negatieve terugkoppeling

Zoals genoemd zal de opamp het spanningsverschil tussen + en - versterken tot deze gelijk worden aan elkaar. De positieve kant wordt vast ingesteld en de negatieve kant wordt bepaald door de spanning over de meetweerstand. Deze is op zijn beurt afhankelijk van de stroom door de transistor die gelijk is aan de stroom door de led.

Wanneer de schakeling van spanning wordt voorzien en de spanningsdeler op 300mV is ingesteld zal de volgende negatief teruggekoppelde situatie ontstaan:

  1. De opamp meet een spanningsverschil tussen de ingangen; de uitgangsspanning zal omhoog gaan naar 5V.
  2. De base->emitterstroom van de transistor stijgt
  3. De stroomversterking van de transistor zorgt ervoor dat de stroom door de led sterk stijgt
  4. Wanneer de stroom door de kring (led, transistor, meetweerstand) 300mA groot is, is de spanning over de meetweerstand 300mV.
  5. Er is geen spanningsverschil tussen de ingangen van de opamp, de uitgangsspanning zal zakken naar 0V
  6. De base->emitterstroom van de transistor daalt
  7. De stroom door de kring (led, transistor, meetweerstand) neemt af, spanning aan de negatieve ingang van de opamp zakt
  8. Herhaal vanaf stap 1

Fysieke constructie

Vermogenssectie: elk van de transistoren gemonteerd op een heatsink

Het doel is geweest om de schakeling op een zo zichtbaar mogelijke manier te realiseren. In veel gevallen is het wenselijk om elektronica te realiseren op een printplaat, maar hierbij zijn alle sporen alleen op de onderzijde zichtbaar. Gezien de hoeveelheid aansluitingen buiten het bord (zes aansluitingen voor de potentiometers en twee voor vermogen) en de beperkte hoeveelheid componenten is ervoor gekozen om de print op een plaatje hout te realiseren. De verschillende onderdelen zijn met elkaar verbonden door dunne koperdraden, met kleurgebruik en liggen zo gekozen voor maximale herkenbaar- en onderscheidbaarheid.

In het midden het bord is de led geplaatst op een koelplaat. De ribben hiervan zijn naar beneden gelegd om (ondanks de verminderde koelwerking) de verbindingen tussen de transistors en opamps te realiseren. Dit scheidt het geheel in een instelsectie en een vermogenssectie.

Vermogenssectie

De vermogenssectie bevat de transistors, elk geplaatst op een koellichaam, gezien deze bij maximale helderheid van de led elk ruim 1W te verwerken krijgen. De emitter en basis van de transistors zitten aan de onderkant van de print; de aansluiting naar de led zit onder de schroef waarmee de transistor is vastgezet. Deze zit op ongeveer de juiste hoogte en houdt het geheel op de bodem overzichtelijk.

De vermogenssectie grenst aan de achterwand van het kistje, waar ook de stroomtoevoer binnenkomt. Deze sluiten via verwijderbare draden aan op een set printpennen welke de verdere distributie verzorgen.

Instelsectie

Instelsectie: twee LM358 opamps en de vaste weerstanden

De instelsectie bestaat uit een tweetal dubbel uitgevoerde (LM358) opamps, waarvan een van de versterkers ongebruikt gelaten is. De verbindingen voor stuurstroom zijn uitgevoerd met volledig gekleurde draden, de terugkoppeling van de meetweerstandspanning geschiedt met behulp van wit/kleur gestreepte draden.

De vaste weerstanden voor de spanningsdelers zijn aan de 6V verbonden door middel van een dik stuk koper, dit vooral om praktische overwegingen want de stroom door deze spanningsdeler is zeer beperkt (enkele microampère). Deze weerstanden zijn elk aan een printpen en daarna de positieve ingang van de bijbehorende opamp verbonden. De potentiometers worden aangesloten op zowel deze printpen als een printpen in de zwarte nuldraad.

N.B.: Wanneer in dit ontwerp de draden van een potentiometer niet goed op de printpennen klemmen, komt er een 6V spanning te staan op de positieve ingang van een opamp. Dit stuurt een stroom tot 6 ampère door de stroomkring van de led. Dit zal leiden tot het destructief falen van een of meer componenten in die kring. Een eenvoudige verbetering aan dit design kan behaald worden door het plaatsen van vaste weerstand naar nul in de spanningsdeler. Dit verzorgt een vooringestelde maximale spanning, welke door de potentiometer verder naar de nul bewogen kan worden.

Afbeeldingen