RC LED verlichting

Discussie in 'Bouwverslagen - Auto's' gestart door FT Dude, 14 okt 2018.

  1. FT Dude

    FT Dude

    Lid geworden:
    21 sep 2011
    Berichten:
    80
    Locatie:
    Zuid holland en Utrecht
    Beste modelbouwers,

    Een lange tijd heb ik getwijfeld om een bouwverslag te maken, omdat ik hier niet genoeg tijd voor kon vrij maken. In de tussentijd heb ik wel genoten van de leuke en soms ook innoverende creaties van jullie.

    Een beetje voor geschiedenis:
    Ik heb lang geleden een niet rollende slash 4x4 HCG chassis van een modelbouwer gekocht. Met mijn scholieren inkomen en het inzicht dat ik had, was het na ander halfjaar gelukt.
    Helaas voldeden destijds twee belangrijke onderdelen niet aan mijn verwachtingen. De Sidewinder ECS en de SR300 ontvanger. De sidewinder heeft een schrale voeding, de behuizing is niet efficiënt ontwikkeld en de opzet van de bekabeling is ontworpen voor de comfortabele hobbyist. De SR300 is niet opgewassen tegen spanningsdips veroorzaakt door mijn servo. Dit mocht de pret niet drukken dus kocht ik een Castle BEC en twee 4,7mF elco’s. Het resultaat: een jungle van kabels.
    Tevens had ik moeite om op sommige tijden mijn weg te vinden met de auto, dus moest er verlichting komen. 2 RPM light holders en 8 koud witte LED’s (met voorschakel weerstanden) van elk 15cd 20mA 20 graden (candela) zorgde voor genoeg licht.


    Mijn Slash 4x4
    De jungle van kabels

    Nu wat jaren later wil ik mijn opzet verbeteren met de kennis die ik bezit: het moet overzichtelijker, efficiënter en uitdagend zijn.
    Het plan: bedrading verminderen, een constant current source voor de LED’s en bediend met mijn 3e kanaal (zonder microprocessor).

    Alle RC LED kits maken gebruik van voorschakelweerstanden en dat vind ik zonde van de energie.
    In eerste instantie wilde ik met transistoren eventueel in combinatie met (zener) diodes de constant current source maken. Maar na veel succesvolle berekeningen en advies heb ik hiervan af gezien.
    Constant current met transistoren.

    In plaats van transistoren ga ik een LED driver gebruiken.

    De afgelopen weken ben ik bezig geweest om componenten te selecteren. Het moeilijke was om LED’s te vinden die genoeg licht opbrengst hebben om de huidige 8 LED’s van totaal 120cd te evenaren, warm of neutraal wit zijn en een breed lichtbeeld hebben. Dit is uiteindelijk wel gelukt: 20x 12,1cd, 120mA, 120*, 2700K. Totaal 242cd. Hieronder is het elektrisch schema te zien van de stuur print.

    Hoe werkt het geheel:
    Het digitale signaal uit de ontvanger wordt gelezen door de microprocessor. Het signaal wordt met wat algoritmes gefilterd en gelimiteerd, waarna het PWM output signaal door een tweede orde RC filter gaat om een analoge spanning te verkrijgen. Deze spanning komt binnen bij de 4 inputs van de LED driver’s. De taak van de LED driver is zorgen voor een constante stroom door de LED’s. De grootte van de analoge spanning is een maat voor de grootte van de stroom door de LED.
    Omdat er een heleboel LED’s in serie staan, wordt de benodigde spanning groter (bijv. 35V). Ik heb maar 5V, dus is er ook een boost converter aanwezig die zorgt voor de hogere spanning. Het nadeel een grotere stroom uit de batterij (bijv. 1,2A). Nu heb ik 35V en 120mA door de LED’s.
    Tijdens gebruik verandert o.a. de doorlaatspanning van de LED, waardoor de stroom toeneemt. Om dit te voorkomen, gebruikt de LED driver een feedback weerstand, die meet hoeveel stroom door de LED string stroomt. Hierdoor is het systeem closed loop. De gewenste stroom waarde bepaal je door de grootte van deze weerstand te veranderen.
    Verder is het nog mogelijk om de frequentie van de LED aansturing te veranderen, hoe groter des te kleiner de spoelen kunnen zijn, maar de schakelverliezen nemen dan toe, dus het rendement wordt lager.

    De voorste printplaat heeft 2 strings van elk 10 witte en 2 oranje LED’s. De achterste printplaat heeft 9 rode en 2 oranje LED’s. Op beide printplaten worden de oranje aan de achterkant en haaks op de print gesoldeerd, zodat ze opzij schijnen.

    Het signaal van de ontvanger wilde ik met een RC filter omzetten naar een analoge spanning en versterken met een op-amp, zodat ik 0 t/m 1,8V had bij de control pinnen van de constant current driver (in het vervolg driver genoemd). Dit ging helaas niet omdat het signaal uit de ontvanger nooit 100% 0V wordt, wat betekent dat ik de LED’s nooit kon uitschakelen. De puls grootte is min. 6% en max. 12% ten opzichte van de periode.
    Signaal ontvanger

    Ik was toen niet op de hoogte dat ik een drempelwaarde kon ontwerpen bij op-amps, dus besloot ik om toch een microcontroller te gebruiken.

    Nadat ik alle relevante zaken had berekend voor het schema besloot ik om het PCB ontwerp te maken. Ik stelde als eis dat de print 25 bij 15mm moet zijn. Vanwege de kosten wilde ik het op een 2 layer board ontwerpen. Toen ik alleen nog de ground traces moest tekenen, had ik totaal geen ruimte meer en moest ik opnieuw beginnen op een 4 layer setup. Layer: 1 top=signaal, 2 intern=voeding (& signaal), 3 intern=ground en 4 bottom=signal.

    Bijna alle traces (koper sporen) zijn zo ontworpen dat de ze maar 1*C opwarmen wanneer de betreffende stroom er doorheen stroomt. Ook is er rekening gehouden met de ruimte tussen sporen, om vonkoverslag te voorkomen.

    Voorste print top layer met de witte LED’s

    Voorste print bottom layer met de componenten voor de aansturing en 2 oranje LED’s.

    Ik realiseerde me nu pas dat ik twee grote fouten had gemaakt, mijn witte LED’s zijn 120mA en ik had de betreffende driver berekend voor 20mA. Daarnaast kwam ik met mijn basale test opstelling erachter dat mijn RC filter condensatoren te klein waren en de RC weerstand te groot is indien de interne driver input impedantie 4x parallel staat. De condensatoren moeten aangepast worden omdat de PWM frequentie uit de microprocessor veel te laag is (30Hz) en om de kleiner geworden RC weerstand te compenseren.

    Terug naar de tekentafel…
     
    Laatst bewerkt: 31 okt 2018
  2. Ghossie

    Ghossie

    Lid geworden:
    28 dec 2008
    Berichten:
    1.786
    Locatie:
    Schoonebeek
    Leuk verhaal echter leds gebruiken amper stroom en de setjes die op de markt zijn van Traxxas bijvoorbeeld, verlichten bijna een voetbalveld als je die op je auto hebt.
    Gewoon plug en play zonder een groot verhaal van en theorieën.
     
  3. Roelof

    Roelof Moderator Moderator team Forum veteraan

    Lid geworden:
    20 aug 2003
    Berichten:
    26.737
    Locatie:
    Sassenheim
    En wat doet je denken dat een dergelijke stroomkring geen spanning verbrandt zoals een voorschakelweerstand dat doet? Met een lineaire schakeling - ook al is het met transistoren- zal de resterende spanning nog steeds verstookt worden.

    Kijk, dat je energiezuinig wilt zijn is best een nobel streven maar met LED's maak je (en met jou velen) nu eemaal denkfouten en onnodig ingewikkeld om 20mA aan te sturen. Vanaf een 6 tot 7.4v accu kan je 2 LED's in serie zetten met een minimale weerstand waar ook minimaal onnodig vermogen verstookt wordt. Stel 1.5v over de weerstand bij 2x 3v LED's geeft maar 30mW verlies bij een 120mW LED vermogen, dat is dus 80% rendemend!
    Een voltage boost LED driver zal misschien 90% rendemend geven. WOW, wat een verschil.... NOT!
    En laten we het niet over storingsgevoeligheid en het kosten aspect hebben van je ontwerp.
     
    Ghossie vindt dit leuk.
  4. Ernst Grundmann

    Ernst Grundmann Vriend van modelbouwforum.nl Forum veteraan

    Lid geworden:
    27 aug 2002
    Berichten:
    11.100
    Locatie:
    Woerden
    Roelof heeft het eigenlijk al uitgelegd. Toen ik het hele verhaal las dacht ik ook dat de oplossing voor het "probleem" wel erg complex is en helaas zeker niet zuiniger dan wel wordt gedacht. Een boost converter zal nooit een erg hoog rendement hebben. Roelof noemt een rendement van misschien 90%, dat is in de praktijk zo goed als onhaalbaar. Je mag echt heel blij zijn als je 80% haalt en ik ben bang dat je zelfs bij 75% zal blijven steken.
    Waar ik werk worden onder andere een soort van led panelen gemaakt. Er worden in die panelen 4 ledjes in serie gebruikt met een serie weerstand en een schakel transistor, dit is meestal een fet. Om de helderheid te regelen wordt die schakeltransistor met een pwm signaal aangestuurd. Dat pwm signaal is "0" voor uit, 0ngeveer 25% voor minimale helderheid en ongeveer 80% voor maximale helderheid. Dit is erg simpel en werkt heel erg goed daarbij heeft het een behoorlijk rendement. Naar schatting zal dat rond de 80% liggen en daar is het stroomgebruik van de stuurelektronica al bij geteld. Hee, waar zag ik dat getal eerder? ;)
     
  5. Tamaniac

    Tamaniac

    Lid geworden:
    2 aug 2008
    Berichten:
    1.265
    Locatie:
    West-Vlaanderen
    Ik snap er weinig van, en het lijkt wat over-engineered, maar als je er plezier aan beleeft, daar draait de hobby om, dus zeker verderdoen!
     
    Ghossie vindt dit leuk.
  6. FT Dude

    FT Dude

    Lid geworden:
    21 sep 2011
    Berichten:
    80
    Locatie:
    Zuid holland en Utrecht
    Beste heren,

    Met de transistoren was ik ook op ongeveer 80% uitgekomen. Mijn richtwaarde is om meer dan 70% rendement te behalen en een constante licht opbrengst ongeacht de batterijspanning.
    Het klopt wat je zegt meneer Grundmann, ik was al op de hoogte dat veel LED's in serie met een kleine weerstand al een vrij hoog rendement geeft en dat het met een boost niet veel groter kan worden.

    Als iedereen genoegen neemt met wat er nu is en niks anders probeert, dan zouden we nu nog met stenen wielen rond rijden. Ik probeer wat anders te ontwikkelen, omdat ik dat leuk vind (hobby) en om misschien meer voordeel eruit te halen (rendement, kennis, plezier)...

    Mijn oplossing is inderdaad over geëngineerd (LED driver) voor de RC toepassing.

    Op dit moment heb ik de berekening/simulatie van de RC filter afgerond en nog wat meer...
    Vanavond komen de foto's.
     
    Coyote vindt dit leuk.
  7. FT Dude

    FT Dude

    Lid geworden:
    21 sep 2011
    Berichten:
    80
    Locatie:
    Zuid holland en Utrecht
    Tijdens de basale testopstelling merkte ik op dat mijn filter nog niet stabiel genoeg is en in mijn PCB (printplaat) layout had ik spoelen gebruikt die de stroom van de boost converter niet aan kon (witte LED's).
    Gewijzigd:
    • Een extra RC filter toegevoegd
    • De componenten van de eerste RC filter zijn gewijzigd
    • Geschikte spoelen voor de witte LED's
    • Nieuwe spoelen voor de rode en oranje LED's waarbij de interne weerstand gehalveerd is.
    • Kleinere connector voor de rode en oranje LED's
    In de onderstaande afbeelding kan je de vier lagen tegelijk zien.

    De onderstaande afbeelding laat de nieuwe layout zien.
    Zoals je kan zien is er veel gewijzigd in vergelijking tot mijn eerste post.

    De microcontroller leest het signaal van de ontvanger en zet dit om in een PWM signaal. Dit signaal zet ik om in een analoge spanning om de helderheid van de LED's te bedienen.
    In de onderstaande Simulink grafiek zie je hoe het stuursignaal van uit 0% naar 100% helderheid gaat en vervolgens naar 50%. De gele lijn was hoe mijn filter was, maar deze was niet stabiel genoeg. De blauwe lijn laat het signaal zien met de extra RC filter.
    In de onderstaande afbeelding is er ingezoomd op het signaal. De rimpel van de gele lijn is ongeveer 120mV en blauwe 15mV.

    De componenten en de printplaten zijn besteld.
     
  8. FT Dude

    FT Dude

    Lid geworden:
    21 sep 2011
    Berichten:
    80
    Locatie:
    Zuid holland en Utrecht
    Tijdens het ontwikkelen van de printplaat in de vorige posts, heb ik ook een printplaat ontworpen voor de achterlichten en ontvanger.

    De printplaat voor de achterlichten is niet heel bijzonder deze heeft 9 rode en 2 oranje LED’s achter. De bedrading wordt op vier pad’s van de print gesoldeerd (zie afbeelding hieronder).

    Voor de ontvanger heb ik een extensie printplaat ontworpen.
    Op deze printplaat komen extra 5V en GND headers voor toekomstige verbruikers. Tevens zijn er drie condensatoren van elk 1,5mF. Deze zijn samen 4,5mF en gaan de enkele 4,7mF condensator vervangen. Dit scheelt één kabel en condensator in de auto. In de toekomst ga ik alle kabels inkorten,

    Elke printplaat heb ik 1:1 uitgeprint om fouten te verbeteren. Bij de printplaat van de ontvanger moest ik extra rekening houden met stekkers, indicatie LED en de antenne. Zo moet het ongeveer eruitzien:
     
  9. FT Dude

    FT Dude

    Lid geworden:
    21 sep 2011
    Berichten:
    80
    Locatie:
    Zuid holland en Utrecht
    Na lang wachten zijn de componenten en printplaten nu eindelijk binnen.

    Het eerste printje dat ik heb gesoldeerd is de extension PCB.
    Helaas heeft deze print links wat esthetische verontreiniging tussen de lagen.
    Zoals je jullie in mijn vorige post lazen, komen de posities en dimensies van de connector en gaten nauw. En wat blijkt:
    Het past nu prima en ik hoef mij geen zorgen te maken dat de mantel van de antenne slijt.

    Na het solderen van de condensatoren en connectoren zag de print er als volgt uit:
    De verbinding naar de onderste ontvanger maak ik met een 90* connector.

    De connector die nu te zien is, voedt de LED drivers en de condensatoren zijn er om spanning dips te voorkomen en de BEC iets te ontlasten met wisselende loads (ontstaan door mijn servo).
    Indien nodig plaats ik de overige drie voedingsconnectoren.
    Ik ben dik tevreden met het resultaat.
     
  10. Coyote

    Coyote

    Lid geworden:
    17 okt 2018
    Berichten:
    4
    Locatie:
    julianadorp
    Ik heb dit topic met veel interesse gelezen.
    Ik heb zelf voor mijn Absima AT2.4 (1:10) een behoorlijk aantal leds klaarliggen om in te bouwen en wil daar ook een secundaire voeding voor installeren.
    Dit voornamelijk om het evenwicht in de auto terug te brengen dan om andere redenen.
    Zicht door de led's is voor mij niet echt een punt.
    Mij gaat het meer om de looks.
    Ben wel heul schieuwnierig naar het uiteindelijke resultaat van je project en de lichtopbrengst FT Dude.
     
  11. FT Dude

    FT Dude

    Lid geworden:
    21 sep 2011
    Berichten:
    80
    Locatie:
    Zuid holland en Utrecht
    Leuk om te horen dat er meer positieve belangstelling voor het project is! Op dit moment heb ik het wat drukker, desalniettemin zal ik morgen wat proberen te posten.
    De voor en achter printplaat die ik nu heb ontworpen en ga tonen, zijn de prototypes.
    Eventuele ontwerp fouten en wensen voer ik bij de V1.0 door en ga ik ook posten.

    Ik zocht even snel naar jouw auto Abisma, maar het lijkt alsof het gewicht mooi in het midden zit of zie ik dit verkeerd?
     

Deel Deze Pagina