Detector de tremulação de luz: 3 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Sempre fui fascinado pelo fato de a eletrônica nos acompanhar. Ele está em toda parte. Quando falamos de fontes de luz (não as naturais como estrelas), temos que levar em consideração vários parâmetros: Brilho, cor e, no caso do monitor do PC que estamos falando, qualidade de imagem.

A percepção visual da luz ou brilho da fonte de luz eletrônica pode ser controlada de várias maneiras, quando a mais popular é via Modulação por Largura de Pulso (PWM) - Basta ligar e desligar o dispositivo muito rápido para que os transientes pareçam "invisíveis" para o olho humano. Mas, ao que parece, não é muito bom para os olhos humanos para uso a longo prazo.

Quando pegamos, por exemplo, uma tela de laptop e reduzimos seu brilho - pode parecer mais escuro, mas há muitas mudanças acontecendo na tela - tremulação. (Mais exemplos sobre isso podem ser encontrados aqui)

Fiquei muito inspirado por uma ideia deste vídeo do YouTube, a explicação e a simplicidade dele são simplesmente fantásticas. Ao conectar dispositivos simples de prateleira, há um potencial para construir um dispositivo de detecção de cintilação totalmente portátil.

O dispositivo que estamos prestes a construir é um detector de cintilação de fonte de luz, que usa uma pequena bateria solar como fonte de luz e consiste nos seguintes blocos:

1. Pequeno painel solar
2. Amplificador de áudio integrado
3. Alto falante
4. Jack para conexão de fones de ouvido, se quisermos testar com maior sensibilidade
5. Bateria recarregável de íon de lítio como fonte de alimentação
6. Conector USB tipo C para conexão de carregamento
7. Indicador LED de energia

Suprimentos

Componentes eletrônicos

• Amplificador de potência de áudio integrado
• Alto-falante 8 Ohm
• Bateria de íon-lítio 3,7V 850mAh
• Entrada de áudio de 3,5 mm
• Bateria solar mini policlristalina
• TP4056 - Placa de carregamento de íons de lítio
• LED RGB (pacote TH)
• 2 x resistores de 330 Ohm (pacote TH)

Componentes Mecânicos

• Botão do potenciômetro
• Invólucro impresso em 3D (opcional, pode ser usada a caixa do projeto off-shelf)
• Parafusos de 4 x 5 mm de diâmetro

Instrumentos

• Ferro de solda
• Pistola de cola quente
• chave Phillips
• Fio de núcleo único
• Impressora 3D (opcional)
• Alicate
• Pinças
• Cortador

Etapa 1: Teoria de Operação

Como foi mencionado na introdução, a cintilação causada pelo PWM. De acordo com a Wikipedia, o olho humano pode capturar até 12 quadros por segundo. Se a taxa de quadros exceder esse número, é considerado um movimento para a visão humana. Portanto, se houver uma mudança rápida de objeto que é observada, vemos sua intensidade média em vez da sequência de quadros separados. Há um núcleo da ideia para PWM em circuitos de controle de brilho: Como podemos ver apenas a intensidade média de taxa de quadros superior a 12 fps (novamente, de acordo com a wikipedia), podemos facilmente ajustar o brilho (ciclo de trabalho) da fonte de luz através de períodos de mudança de tempo, quando a luz está ligada ou desligada (mais sobre PWM), onde a frequência de comutação é constante e é muito maior do que 12Hz.

Este projeto descreve um dispositivo, cujo volume e frequência de som são proporcionais ao ruído de oscilação causado por PWM.

Mini painel policristalino

O objetivo principal desses dispositivos é transformar a energia derivada da fonte de luz em energia elétrica, que pode ser facilmente colhida. Uma das principais propriedades desta bateria, que se a fonte de luz não está fornecendo intensidade constante estável e muda ao longo do tempo, as mesmas mudanças estarão presentes na tensão de saída deste painel. Então, é isso que vamos detectar - as mudanças de intensidade ao longo do tempo

Amplificador de áudio

A saída que é produzida a partir do painel solar é proporcional ao nível de intensidade média (DC) com mudanças adicionais na intensidade ao longo do tempo (AC). Estamos interessados em detectar apenas voltagem alternada e a maneira mais fácil de conseguir isso - conecte o sistema de áudio. O amplificador de áudio usado neste projeto é uma placa de circuito impresso de fonte única, com capacitores de bloqueio de CC em cada lado, tanto de entrada quanto de saída. Portanto, a saída do painel solar é conectada diretamente ao amplificador de áudio. O amplificador usado neste projeto já possui um potenciômetro com uma chave liga / desliga embutida, portanto, há controle completo sobre a potência do dispositivo e o volume do alto-falante.

Gerenciamento de bateria de íon-lítio

O circuito carregador de bateria de íon de lítio TP4056 foi adicionado a este projeto para tornar o dispositivo portátil e recarregável. O conector USB-C atua como entrada para o carregador, e a bateria que foi usada é 850mAh, 3,7V, que é suficiente para os fins que precisamos perseguir com este dispositivo. A tensão da bateria atua como uma fonte de alimentação principal para o amplificador de áudio, ou seja, para todo um dispositivo.

Alto-falante como saída do sistema

O alto-falante desempenha um papel principal no dispositivo. Eu escolhi um tamanho relativamente pequeno, com fixação firme ao gabinete, para que eu pudesse ouvir frequências mais baixas também. Como foi mencionado antes, a frequência e o volume do alto-falante podem ser definidos da seguinte forma:

f (alto-falante) = f (CA do painel solar) [Hz]

P (alto-falante) = K * I (Intensidade pico a pico do sinal AC do painel solar) [W]

K - é um coeficiente de volume

Jack de áudio

Jack de 3,5 mm é usado no caso em que queremos conectar fones de ouvido. Neste dispositivo, a tomada tem um pino de detecção de conexão, que é desconectado do pino de sinal, quando o plugue de áudio é conectado. Ele foi projetado dessa forma para fornecer saída para um único caminho no momento - alto-falante OU fones de ouvido.

LED RGB

Aqui, o LED tem dupla função - acende quando o dispositivo está sendo carregado ou ligado.

Etapa 2: Gabinete - Design e impressão

A impressora 3D é uma ótima ferramenta para caixas e gabinetes personalizados. O gabinete para este projeto tem uma estrutura muito básica com algumas características comuns. Vamos expandir isso passo a passo:

Preparação e FreeCAD

O gabinete foi projetado no FreeCAD (o arquivo do projeto está disponível para download na parte inferior desta etapa), onde o corpo do dispositivo foi construído primeiro e uma tampa sólida foi construída como uma parte separada em relação ao corpo. Depois que o dispositivo foi projetado, é necessário exportá-lo como corpo e capa separados.

O mini painel solar é montado na tampa com área de tamanho fixo, onde a região recortada é dedicada aos fios. Interface de usuário disponível em ambos os lados: recorte USB e LED | Jack | Orifícios do potenciômetro. O alto-falante tem sua própria área dedicada, composta de orifícios na parte inferior do corpo. A bateria fica ao lado do alto-falante, há um lugar para cada uma das partes, portanto não precisamos ficar frustrados durante a montagem do aparelho.

Fatiar e Ultimaker Cura

Como temos arquivos STL, podemos prosseguir com o processo de conversão do G-Code. Existem muitos métodos fazendo isso, vou apenas deixar aqui os principais parâmetros de impressão:

• Software: Ultimaker Cura 4.4
• Altura da camada: 0,18 mm
• Espessura da parede: 1,2 mm
• Nº de camadas superior / inferior: 3
• Infill: 20%
• Bocal: 0,4 mm, 215 * C
• Cama: Vidro, 60 * C
• Suporte: Sim, 15%

Etapa 3: soldagem e montagem

De solda

Enquanto a impressora 3D está ocupada imprimindo nosso gabinete, vamos cobrir o processo de soldagem. Como você pode ver nos esquemas, ele é simplificado ao mínimo - isso é porque todas as peças que vamos anexar estão disponíveis como blocos integrados independentes. Bem, a sequência é:

1. Soldando terminais de bateria de íon de lítio para pinos TP4056 BAT + e BAT-
2. Soldando VO + e VO- do TP4056 aos terminais VCC e GND do amplificador de áudio
3. Soldar o terminal "+" do pequeno painel solar ao VIN (L ou R) do amplificador de áudio e "-" ao aterramento do amplificador de áudio
4. Conectando LED bicolor ou RGB a dois resistores 220R com isolamento adequado
5. Soldar o primeiro ânodo do LED ao terminal da chave do amplificador de áudio (a conexão deve ser feita no terminal da chave). Verificar qual terminal do interruptor no lado inferior da placa de circuito impresso está conectado ao VCC é altamente recomendável - o que não estiver é nossa opção
6. O segundo ânodo do LED deve ser soldado ao ânodo de qualquer um dos dois LEDs SMD - eles têm conexão de ânodo comum
7. Soldando cátodos de LED para TERRA do amplificador de áudio
8. Solde os terminais de alto-falante para a saída do amplificador de áudio (certifique-se de ter escolhido o mesmo canal na entrada, ESQUERDA ou DIREITA)
9. Para forçar o alto-falante a desligar, solde os terminais de entrada estéreo de 3,5 mm que impedem o fluxo de corrente através do alto-falante.
10. Para fazer os fones de ouvido produzirem som em cada lado - L e R, coloque os terminais descritos na etapa anterior em curto.

conjunto

Depois que o invólucro é impresso, é recomendado montar peça por peça em relação à altura da peça:

1. Fazer uma moldura de cola quente de acordo com o perímetro interno da tampa e colocar o painel solar lá
2. Conectando o potenciômetro com uma porca e uma arruela no lado oposto
3. Colando alto-falante com cola quente
4. Colando bateria com cola quente
5. Colar jack de 3,5 mm com cola quente
6. Colando bateria com … cola quente
7. Colar TP4056 com USB apontando para fora de sua região de recorte dedicada com cola quente
8. Colocando um botão em um potenciômetro
9. Tampa de fixação e corpo com quatro parafusos

Testando

Nosso dispositivo está configurado e pronto para funcionar! Para verificar o dispositivo corretamente, é necessário encontrar uma fonte de luz que possa fornecer intensidade alternativa. Eu recomendo usar o controle remoto IR, pois ele fornece intensidade alternada cuja frequência fica na região da largura de banda da audição humana [20Hz: 20KHz].

Não se esqueça de testar todas as fontes de luz em casa.

Obrigado por ler!:)