Project uitvoeringstechnieken 4 kanaals 0

4 kanaals 0-10V dimmer (1kW)
+
Geluid > licht omvormer
Geschreven en ontworpen door
Jaro Lefebvre
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 1
1. Inleiding
Het doel van dit project is een 0-10V gestuurde dimmer, waarbij bij 0V de lamp uit is , en bij 10V
de lamp aan is. Bedoeling is om zo een lineaire sturing te krijgen van het vermogen van de lamp.
Om dit te realiseren maak ik gebruik van een principe dat ook gebruikt wordt bij TCA-IC’s voor
thyristor-sturingen. Een netsynchroon ramp signaal wordt constant vergeleken met de
ingangsspanning v/d dimmer, en als deze gelijk is wordt de triac ontstoken.
Waarbij Ua van de zero-cross detector komt, Ub komt van de ramp generator, vervolgens wordt
dit via een comparator vergeleken met de input v/d dimmer, en komt de ramp hieronder, wordt
er V+ afgegeven, die vervolgens via een opto-coupler de triac zal sturen.
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 2
2. Schema netsynchrone ramp-generator & voeding
2.1 Werking
2.1.1
Voeding
De netspanning wordt via een transfo (uitwendig) omgevormd tot ±12VAC . Deze spanning komt
toe op de brugcel B2. Vervolgens wordt deze spanning afgevlakt met condensatoren C2 & C3,
waarover ongeveer een spanning staat van 𝑈𝑐2 = 𝑈𝑐3 = 12𝑉 𝑥 √2 = 17𝑉. Ik heb ervoor
gekozen om mijn opamps te voeden met ± 15VDC (zodat de voedingsspanning zeker groter is dan
het grootste signaal (10V ramp). 17 V is meer dan genoeg voor de 7x15.
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 3
2.1.2
Zero-cross detectie
De zero cross detector is opgebouwd rond een OPAMP, waarbij de ingangsspanning gelimiteerd is op
± 0,7V (daar het middelpunt van de 2 diode’s aan massa hangt).
Gaat de netspanning door 0, dan ligt de + & - klem van de opamp op diodespanning, de + klem dus
op +0,7V en de – klem op – 0,7V. De uitgang van de opamp gaat dus naar V+ spanning (+15V).
Is de netspanning positief, vb + 2V ; dan zal diode D2 geleiden, en D3 sperren, waardoor op de
+ klem +0,7V staat, en op de – klem de verdeling van de spanningsdeler R8/R1
𝑅1
𝑈− = 𝑈𝑏 − + (𝑈𝑖𝑛 − 𝑈𝑏 −). 𝑅1+𝑅8 >> U- = 1,8V . Dus de opamp gaat naar V- (-15V)
Is de netspanning negatief, vb – 2V; dan zal diode D2 sperren, en D3 geleiden, waardoor op de
– klem -0,7V komt te staan, en doordat D2 spert op de + klem nog een veel lagere spanning, zal de
opamp naar V- spanning gaan (-15V).
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 4
Simulatie:
Samenvatting:
Rond zero- cross heeft de opamp +15V op de uitgang
Bij positieve & negatieve alternantie geeft de opamp -15V op de uitgang (gelimiteerd door D4 op 0,7V; uitgang van OA wordt kortgesloten, dit mag volgens de datasheets).
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 5
2.1.3
Ramp generator
Als het zero cross signaal naar +15V gaat, zal T3 geleiden en in een mum van tijd C5 ontladen
hebben. Vervolgens gaat het ramp signaal naar 0V, en zal C5 via T1 opgeladen worden, aangezien T1
ingesteld is om als constante stroombron te functioneren. Nu om een gelijke vermogentoename te
krijgen bij de 0-10V regeling van de netspanning, moeten wij geen rechte ramp krijgen, maar een Scurve (trage daling in het begin, rond amplitude snelle daling, en vervolgens terug een trage daling).
In het kort komt het er op neer dat transistor T1 de stroombron is, die gestuurd wordt door
transistor T2. Deze stroombron kan bijgeregeld worden met een trimmer voor correcte rampsignalen. T2 staat met zijn basis-emitter overgang over de condensator geschakeld en het zal dus
logisch zijn dat deze halfgeleider meer gaan geleiden naarmate de condensator oplaadt. Door het in
geleiding komen van T2 wordt echter de basis van T1 negatiever. Het spanningsverschil tussen basis
en emitter van T1 wordt groter en dus gaat deze transistor steeds meer geleiden. De laadstroom
neemt toe. Beide effecten werken versterkend op elkaar en het gevolg is dat de stroom steeds
sneller en sneller gaat stijgen. Op een bepaald moment is echter de spanning over de condensator C5
zo groot geworden dat er nauwelijks spanning overblijft om transistor T1 te laten werken. Dit
onderdeel moet het immers stellen met het spanningsverschil tussen de +15 V voeding en de
spanning over de condensator.
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 6
2.1.4
Inverterende versterker met OFFSET
De laatste trap is een simpele ïnverterende versterker met OFFSET-correctie , die ervoor moet
zorgen dat de uitgangsramp ipv stijgend is, dalend is. Om de ramp ook mooi van +10V naar 0V te
laten dalen, is er een OFFSET-trimmer in opgenomen, die tijdens het calibreren goed afgeregeld
moet worden.
De offset wordt aangesloten op de + klem.
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 7
3. Schema dimmer-kaart
3.1 Trigger-circuit
Dit circuit bestaat uit een opamp ingesteld als comparator (met open loop versterking).
De werking is simpel, komt het ramp signaal onder de input-spanning v/d dimmer, dan zal de uitgang
v/d comparator +15V zijn, waardoor de LED in de opto-coupler zal branden. Hoe hoger de spanning
dus, hoe eerder de ramp eronder zal zitten, hoe sneller de triac zal getriggerd worden, hoe feller de
lamp zal branden. De opto-triac is een MOC3020, die geen zero-cross detectie circuit bevat, en dus
kan gebruikt worden als dimmer.
3.2 Triac sturing
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 8
Als het trigger circuit het LED’tje in de opto triac doet branden, zal de triac in de opto triac de
Gate en A1 klem kortsluiten. De ontsteekstroom komt dus rechtstreeks via het net. Weerstand
R5 dient als beperking van deze stroom, en eenmaal de triac ontstoken is, dan is de spanning
tussen A1 & A2 van deze triac quasi 0, en vloeit er geen stroom meer door de opto-triac.
Spoel L1 dient als beperking van di/dt, zonder deze spoel zou bij grote belastingen de triac naar
siliciumhemel gaan. Samen met snubbernetwerk C1/R6, die bij ontsteking een circulatiestroom
door de triac zal doen ontstaan, ook mede om de triac te schermen.
Printplaat
3.3 Bottem
3.4 Top
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 9
Componenten layout
4. Eigen inbreng: lichtsturing
Bedoeling van dit project is een filtering van het geluid naar 4 kanalen, en dan de intensiteit van
deze uitgangen omzetten naar 0 – 10V output. Voor de filters heb ik actieve filters gekozen, daar
moest er uiteindelijk blijken dat ik niet genoeg kan versterken/ afregelen via een simpele
aanpassing de uitgangsniveau’s kan bijregelen (versterken & verzwakken).
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 10
4.1 Schema’s
4.1.1
Voorversterking ingangssignaal
R1 = 270k
R2 = 22k
Max. Versterking =
𝑅1
𝐴𝑢 = 1 + 𝑅5 = 1 +
Project uitvoeringstechnieken
270𝑘
22𝑘
= 13x
Jaro Lefebvre Pagina 11
Werking:
Daar de ingang stereo is, moet dit omgezet worden naar mono, door beide kanalen te mengen.
Hiervoor maak ik gebruik van 2 weerstanden, die het signaal samenvoegen in 1 punt.
Na dit getest te hebben werkte dit perfect, maar daar ik dit aansluit aan de uitgang van mijn
versterker, bleek de opamp na een tijdje steeds kappot te gaan van te hoog ingangssignaal. Vandaar
2 dioden, die ervoor zorgen dat het ingangssignaal begrenst is tot +15 & -15V (erboven en de diode’s
beginnen te geleiden en het signaal kan niet meer stijgen zo). Hierna is een versterkertrapje geplaatst
op basis van een opamp in niet inverterende versterker-mode. Zoals berekend is de maximale
versterking 13x , en er kan geregeld worden van 0 – 13 x voor aansluiting op diverse apparaten.
De condensator naar de massa dient om eventueel DC-ingangssignalen weg te filteren.
4.1.2
Laagdoorlaat-filter
Als princiepe schema voor deze filter heb ik een 2e orde Butterworth filter (Sallen-Key) gekozen.
Het princiepe schema is het volgende:
De totale versterking is ingesteld op 1x aangezien de ingangsversterker al het werk levert.
De filterfrequentie die ik verkies is 80Hz. (dit is de snijfrequentie)
Transfert formule:
Berekening componenten:
1. Cutoff frequentie = 80Hz
2. C1 = C2 * 2 (C2 gekozen 12nF) = 24nF
=> 22nF dichtste waarde
3. R1 = R2 = 0.707 / (2 · π · fo · C2) = 0.707 / (2 · π · 80Hz · 12nF) = 117.210kΩ
=> 100kΩ dichtste waarde
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 12
Volledig filter circuit:



De filter op de uitgang dient om het AC-signaal om te zetten naar een DC-signaal.
Diode zorgt voor de gelijkrichting
Afvlakking : R8 = 4,7MΩ & C4 = 100nF
Bodeplot:
4.1.3
Hoogdoorlaat filter
Filterfrequentie die ik gekozen heb is > 8,5kHz
Formules:
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 13
Berekening componenten:
1. Cutoff frequentie = 8500Hz
2. R1 = R2 / 2 (R2 gekozen 12kΩ) = 6 kΩ
=> 5,6 kΩ dichtste waarde
3. C1 = C2 zodat
0.707
𝐶=
2𝜋 ∗ 𝐹𝑘 ∗ 𝑅1
𝐶=
0.707
= 22,06𝑛𝐹
2𝜋 ∗ 8,5𝑘𝐻𝑧 ∗ 6𝑘
Bodeplot:
Volledig filter circuit:
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 14
4.1.4 Bandfilters
1. Met Fk = 300Hz
Bodeplot:
Berekening:
 Te complex, via berekeningssite gebeurt
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 15
2. Met Fk = 2900Hz
Berekening:
 Te complex, via berekeningssite gebeurt
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 16
Printplaat:
Bottem:
Componenten Layout:
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 17
Foto’s:
Project uitvoeringstechnieken
Jaro Lefebvre Pagina 18