LED

Tenzij ze uit zijn. Dat zie je zelfs mooie kleurpatronen in de reflectie op de led-chips, als er in de juiste hoek licht op valt.

macrofoto van 1 W RGB LED.

De rode chip is daadwerkelijk de rode led / rode leds zijn echt rood. De middelste chip is een groene LED en de overgebleven chip een blauwe.

Bij b.v. mijn jongleerkubbussen en andere RGB-led projecten merk ik dat het fotograferen van blauwe led’s lastig is: mijn camera maakt daar een soort paarsroze van, en zelfs met nabewerken krijg ik dat niet gecorrigeerd naar hetzelfde blauw als ik in het echt zie.

In “Show Your Projects” op CircuitsOnline.net heb ik dit project al eerder getoond, maar het is ook wel een blogpost waard denk ik. Al is een blog natuurlijk eigenlijk bedoeld om te mekkeren over dingen als een gebroken arm wegens een onoplettende automobilist*, maar ook dàt had ik al op CO geuit. Blijft dus over om hier het schema van de jongleerkubussen te posten, en wellicht te linken naar de software en de files die je nodig hebt om de behuizing te printen. Zodat alles mooi bij elkaar is.

En aangezien al die benodigde informatie al gelinkt is in bovenstaande, blijft de rest van deze blogpost over voor meer foto’s.

Want als u zo ver gelezen heeft als dit vraagt u zich allicht af hoe een “RGB jongleerkubus” er nu uit ziet, wat je er aan hebt, en/of hoe ik op het maffe idee ben gekomen ze te maken. Al weet u dus alvast waarom een verdere jongleerdemonstratie in foto of videovorm wat langer op zich zal laten wachten. [sensuurbliep] automobiprutser*! (bovenstaande jongleerfoto’s zijn uiteraard van eerder datum. Plan was eigenlijk voor m’n blog wat foto’s te maken met de MakerSpace als sfeervolle achtergrond, ipv mijn kast. Ja, die muur is geel, nee, dat ligt niet aan de foto. Ja ik kan met 1 hand tikken :). )

Om te beginnen met waarom: ik wilde een step-up led-driver maken, om iets te doen met RGB leds op een 3,7V lithiumcel waarbij ook blauw en groen fatsoenlijk stroombegrenst zijn. En daarmee gelijk de hardware van de stm32f030 beter leren kennen.

Een simpel serieweerstandje bij een blauwe led gaat het niet redden, als de stroom constant moet zijn: de accu kan variëren tussen de 4,2 V wanneer vol en de 3,0 V wanneer helemaal leeg. De spanningsval over de led is b.v. 3,2 V bij 20 mA. De weerstand zou dan 1 V / 20 mA moeten zijn als de accu vol is, oftewel 50 Ohm. De weerstand bij lege accu zou -0,2 V / 20 mA moeten zijn… Dus negatief 10 Ohm. En dan nog keurig mee variëren met de accuspanning ook… Da’s wel een heel bijzondere weerstand… vandaar de wens voor een step-up leddriver. Met enkele LED’s in serie blijven ze op 4,2V dan gewoon uit omdat de gezamenlijke drempelspanning hoger is, en kunnen ze mooi in stroom geregeld worden met een step-up met terugkoppeling over een serieweerstandje – zie schema.

En RGB leds zijn leuk, maar bewegende RGB leds zijn nog leuker. Verder kan ik een klein beetje jongleren. Dus, vandaar de jongleerbal. Of jongleerkubus. Want dat lijkt makkelijker stevig te printen te zijn, omdat er een boutje in alle 4 de hoeken kan. Een ronde doorzichtige bal uit 2 helften stevig dicht krijgen is een beetje een uitdaging. Die ik uit de weg ben gegaan.

Er zit verder een adxl345 accelerometer in, om het ding te kunnen laten verkleuren op moment dat ‘ie gevangen wordt. Gewoon constant verkleuren kan ook: de “tap” detectie van de adxl wordt gebruikt om van modus te wisselen. Zie software 🙂 En Schema :).

Wat je er aan hebt is dus dat je ermee kunt jongleren. Wat met een lange sluitertijd mooie foto’s oplevert. Al dan niet met 2e-gordijn flits.


Natuurlijk zijn er ook wat uitdagingen, b.v. m.b.t de valbestendigheid. Het blijkt echt nodig de behuizing stevig dicht te schroeven. Als de helften t.o.v. elkaar kunnen schuiven, b.v. omdat in de prototypefase de boel met een elastiekje dicht zit ipv 4 boutjes, schuiven zo de elco’s en spoeltjes van de print af:

Er zijn meer technische uitdagingen geweest in dit project, zoals zwevende ingangen die het stroomverbruik in sleep erg verhogen. Makkelijk te testen op breadboard met weerstandsarrays als externe pull-up:


En zoal wellicht een beetje terug te zien in mijn vorige post: “lol met wireless power transfer” heb ik overwogen de jongleerkubussen inductief te laden. Maar daar omwille van de eenvoud vanaf gezien. Laden via de schroefjes is betrouwbaarder stabiel te krijgen.

Wie geïnteresseerd is in technische details wil ik graag uitnodigen vragen te stellen als comment, dan kan ik daar wellicht weer wat leuks over schrijven. Dit was een meerjarenproject, met allerlei afleiding tussendoor, en om te voorkomen dat de blogpost over het project zelf ook erg lang wordt laat ik het er voor nu even bij.


voetnoot: (armnoot?)
*(die nog minstens zolang ik in het gips zit af en toe op dergelijk humoristische wijze genadeloos te pas en te onpas erbij gesleept zal worden als voorbeeld van hoe het níet moet… Vooral omdat ‘ie is doorgereden vind ik het een [censuurbliep]. Nou kan ík niet door met míjn rijlessen omdat die anonieme prutser er goed aan zou doen er een paar lessen bij te nemen…Ik kan/mag niet eens fietsen! Of jongleren! Neem dan je verantwoordelijkheid en stap uit/oepssorryhulpverleenverzekeringsgegevens… Nouja. dat dus. Kan ik toch nog mekkeren op mijn blog 😛 Ben ik stiekem best goed in.)

Het plannetje met de Sencys filament ledlamp die ik vorige blogpost uit elkaar heb gehaald, was om deze draadloos te laten oplichten. Er bestaan namelijk gadgets waarbij een zwevende ledlamp licht geeft. In theorie kan daar stiekem een batterijtje in verstopt zitten, maar dat is stukken minder leuk om na te maken. Een magneet laten zweven heb ik al eerder gedaan, dus deze blogpost richt zich op het draadloos voeden van de ledlamp.

Resultaat (klik voor groter, “hoover” voor bijschrift):

Daar is natuurlijk het een en ander aan vooraf gegaan, want niks werkt ooit in 1 keer. (En we staan allemaal op schouders van reuzen).

De simpele samenvatting  van het proces dat tot bovenstaande foto’s geleid heeft is:

  1. Zie “zwevende lamp gadget”.
  2. Bedenk dat dat wel eens met Highly Resonant Wireless Power Transfer kan werken, waar je eerder mee gespeeld hebt.
  3. Merk bij demontage van een goedkope ledlamp met seriecondensatorvoeding, dat zo’n seriecondensatorvoeding zich eigenlijk prima leent om een spoel aan te hangen om zo een resonantiekring te maken.
  4. Hang er een spoel aan, meet de resonantiefrequentie, maak nog een 2e kring die op dezelfde frequentie resoneert, voed die met een functiegenerator, en probeer de spanning aan de ledlampkant op te jakkeren tot het ding licht geeft.
  5. Kom er vervolgens achter dat het knap lastig is die spanning te halen. Bedenk: “Goh, wellicht werkt het beter met méér wikkelingen aan de ledlampkant, dan heb ik minder fluxverandering nodig voor dezelfde spanning aldaar, en wordt het dus aan de generatorkant makkelijker.” Pak er bovendien de labvoeding en een fet bij, om niet beperkt te worden door de uitgangsstroom van de functiegenerator.
  6. Herhaal stap 4 met de nieuwe spoel.
  7. Succes!

Hieronder een paar foto’s van stap 2, want “spelen met wireless power transfer” is best lollig. Zo kun je bijvoorbeeld een LED laten oplichten op je inductiefornuis. Ook als de resonantiefrequentie van wat je gemaakt hebt flink afwijkt van de frequentie waarop het fornuis werkt, de LED heeft immers maar een paar milliwatt nodig om licht te geven, terwijl koken kilowatts nodig heeft… Er is dus ruime marge voor slechte koppeling (Dan blijft de LED tenminste ook heel…)

Led op inductiefornuis 😉

Een rode LED heeft een drempelspanning van rond de 2V, maar de filamenten in zo’n ledlamp bestaan uit een heleboel Leds in serie, en hebben een drempelspanning van zo’n 60V. In de sencsys ledlamp staan er 2 in serie, dus ergens rond de 120V zal ik toch wel nodig hebben om die te laten oplichten. Dat is andere koek dan fietslampjes…

Gelukkig, omdat de kring resoneert, kan de spanning flink opslingeren. Ik heb dus geen 120V voeding nodig.

Eerst maar eens oefenen met een neonlampje:

wireless power transfer to a neon bulb
WPT naar een neonlampje

Dat werkt, al wordt de spoel erg warm. De efficiëntie zal dus vrij beroerd zijn. Maar, prima proof of concept. (Ik wist al dát het kon, maar het zelf voor elkaar krijgen is toch de eerstvolgende stap). (In het lasergesneden MDF kastje zit de andere spoel en een oscillator, ingesteld op ongeveer 68Khz – overeenkomstig met de resonantiefrequentie van de spoel bij het neonlampje met de gele 68 nF condensator – dat de getallen overeenkomen is puur toeval).

Daarna maar eens proberen met de ledlamp. Met 23 windingen werkt het niet, dan krijg ik de spanning (op het resonantiepunt) maar tot ongeveer 60V.

Dus dan maar “zo veel mogelijk, mik op minimaal 200” wikkelingen proberen, onder het mom van “met dezelfde fluxverandering, meer spanning”, en opnieuw bepaald wat daar de resonantiefrequentie van is.

Een printstift leek wel ongeveer een bruikbare diameter te hebben, een accuboor kan wel als aandrijving dienen van een geïmproviseerde wikkelaar (Omwentelingen tellen, maar er een beetje naast zitten is niet erg), en met plakband – of “een flexibele koppeling” volgens marketing –  zijn die 2 aan elkaar te zetten:

geïmproviseerde spoelenwikkelaar
Geïmproviseerde spoelenwikkelaar.

Zo’n 270 omwentelingen later… (Nuja, een deel van de foto’s is met de spoel van 23 wikkelingen. Daarbij zijn wel de aansluitingen duidelijker zichtbaar, omdat het dikker draad is).

Daarna opnieuw de resonantiefrequentie bepaald. Dat gaat als volgt: Sluit een functiegenerator aan over de LC (parallel)kring, stel ‘m in op een sinus, amplitude niet heel belangrijk maar ongeveer 1 Vpp oid. Meet met de oscilloscoop (of AC voltmeter), varieer de frequentie, en zoek naar de maximum uitgangsspanning (exacte waarde niet belangrijk). Noteer de frequentie waarbij de spanning maximaal is. (Bij serie-resonantie: waarbij de spanning minimaal is).

Dat is met déze spoel en déze ledlamp toevallig 29 kHz. (Er is een bandbreedte van enkele kHz, 29 kHz is een onthoudbaar getal wat daarbinnen valt, niet het exacte midden.) Mocht je het nabouwen zul je zelf moeten meten, ook als je dezelfde ledlamp zou hebben, want je spoel is gegarandeerd anders. Al zit het waarschijnlijk in de buurt als je dezelfde diameter prittstift gebruikt en exact even veel omwentelingen mist met tot 270 tellen. (Het exact aantal wikkelingen is niet belangrijk, omdat de resonantiefrequentie de stap erna gemeten wordt. Het moeten er alleen niet te weinig zijn. En het is fijn boven de 20 kHz uit te komen omdat het anders hoorbaar wordt voor de jongeren onder ons)

er valt natuurlijk aan te rekenen

Voor wie exacte getallen wil: Spoel 1 aan de generatorkant staat parallel met 520 nF foliecondensators, is ongeveer 48.6uH, binnendiameter 42 mm, weerstand 0.3 Ohm, Q van die kring is 29.5 Spoel 2 aan de ledlampkant staat in serie met ceramische condensators volgens het schema van de ledlamp, resulterend in 4.6nF omdat ze in serie staan. De spoel aan de ledlampkant heeft 270 wikkelingen (of iets meer dus), een binnendiameter van 26 mm, en een weerstand van 9.4 Ohm. Ondanks de hogere weerstand (langer en dunner draad dan de andere spoel) én de grotere verlieshoek van ceramische condensators, is de Q van deze kring beduidend hoger, namelijk 127. Dat is te danken aan de hogere inductiviteit van deze spoel: maar liefst 6.55 milliHenry. Zie ook bovenstaande foto.

Wie uit de Q de bandbreedte wil berekenen, moet er rekening mee houden dat de 29 kHz niet exact is, en bovendien niet in het midden ligt.

De voeding levert 12V, de Fet is een STP16NF06L (maar vooral omdat ik die had liggen, elke goede schakelfet zal voldoen), de opgenomen stroom is ongeveer 200mA als de ledlampspoel níet in de buurt is van de generatorspoel, en loopt op van 400mA tot  ongeveer 1A als de ledlampspoel wél in de buurt is. (beiden afgelezen metertje van de voeding, en het is geen nette DC stroom, zie scopebeeld, dus neem dat met een korreltje zout).

gemeten over de voedingsspanning. Dunne lange draden en pulsvormige belasting, zie foto van opstelling bovenaan.

Sfeerbeeld. Gebroken glazen staafje is hier ook goed zichtbaar. (Lamp per ongeluk laten vallen, buitenkant en filament gelukkig nog heel)

Ook valt te experimenteren met de koppelfactor door een ferrietstaaf in de buurt van de spoelen te houden, of door beide spoelen te steken voor een betere koppeling. Daar heb ik een filmpje van gemaakt: https://www.youtube.com/watch?v=YMGsd-n59TY

Ik heb gebruik gemaakt van de informatie uit dit whitepaper voor dit project. Of eigenlijk de versie uit 2013 (De link verwijst naar de versie uit 2017, die liet zich anno bijna 2019 makkelijker vinden).

Vragen, opmerkingen, aanvullingen, gedachten, spelfouten en dergelijke zijn welkom als reactie!