Controller per led RGB 230V

giugno 20th, 2017 | Posted by Marco Plessi in Elettronica | Informatica | Visite: 1.136

Controller RGB programmabile per strisce led funzionanti a 230V (adattabile anche ad altre tensioni). Dotato di display, tastierino e ingressi ausiliari, permette varie configurazioni.

INTRODUZIONE

Il progetto nasce da una richiesta di un amico, che ha acquistato una bobina da 100 m di striscia a led a 230V, con relativo controller cinese. Il suddetto controller però aveva funzioni molto limitate, ovvero un tasto per cambiare la sequenza di luci, che però oltre a non essere proprio preciso, all’accensione il programma attivo era sempre lo stesso, non quello precedentemente impostato. Dico “aveva” perché oltre ad essere limitato, ha cessato il suo funzionamento dopo poche ore di prova, per via della distruzione di due SCR per causa ignota.

Perciò è stato realizzato un controller con possibilità di configurazione via interfaccia utente, basato sul microcontrollore Atmega328, programmato stand-alone con l’ide di Arduino.

Subito ho pensato di dimmerare la linea a 230V alternata, con il classico circuito con SCR e optoisolatori per rilevare il passaggio per lo zero. Ma in realtà la striscia a led non ha bisogno di corrente alternata, quindi si possono semplificare le cose raddrizzando la 230V, e modulando con un semplice PWM e un mosfet (ovviamente quest’ultimo con una Vds adeguata).

Requisiti del sistema:
-Alimentazione a 230V~;
-Uscita RGB (3 ch pwm) per led 230V;
-Uscita RGB a tensione generica;
-Uscita ausiliaria ON/OFF;
-5 ingressi ausiliari (optoisolati);
-Display alfanumerico per visualizzazione;
-Tastierino per programmazione (16 tasti);
-Possibilità di espansione.

 

SCHEMA ELETTRICO

Ho deciso di realizzare il tutto su millefori, e data la complessità del circuito, ho realizzato una scheda su cui è presente tutta la parte di potenza, e un’altra su cui è presente la parte di comando. Le due schede verranno poi montate una sull’altra e collegate insieme mediante un cavo flat. Gli schemi sono quindi due:


controller_rgb_230v_S01_Scheda_potenza
controller_rgb_230v_S02_Scheda_comando

Nella pagina 1, è rappresentata la parte di potenza, e nella pagina 2 quella di controllo.

Il sistema viene alimentato dal connettore P1, a cui deve essere collegata la tensione di rete.

U1 e U2 hanno il compito di generare la bassa tensione necessaria ai circuiti di controllo. Gli switching sono due, perché uno serve come alimentazione ausiliaria per la parte di potenza (resistenze di pullup ecc.) e l’altro alimenta la logica. Questo permette di ottenere una separazione galvanica tra potenza e controllo, in modo da rendere più affidabile e sicuro l’intero sistema.

Con il ponte D1, la 230Vac viene raddrizzata per ottenere 310Vdc e alimentare i led in uscita. P4 è l’uscita per i led HV (ovvero funzionanti ad alta tensione). I led sono ad anodo comune, e in questo caso verrà collegata una striscia led impermeabile.

Per modulare la 230Vac raddrizzata, vengono utilizzati dei mosfet da 500V, gli STP9NK50 (Q19, Q20 e Q21), pilotati da uno stadio push-pull composto da transistor collegati a emettitore comune, pilotati da un opto-isolatore (per la separazione galvanica). Questo permette un pilotaggio del mosfet ON-OFF, mantenendo sempre la tensione di Gate nella zona di saturazione. I diodi D6, D7 e D8, sono diodi per alta tensione ultrafast che hanno il compito di smorzare eventuali spike generati dal carico tra le commutazioni del mosfet.

Il connettore P3 è l’uscita per i led a tensione generica (ovvero i led verrano pilotati tenendo come riferimento la tensione applicata tra il pin 1 e 6 di P3).
Il pin 5 è l’uscita ausiliaria (open-collector).

Il sistema di pilotaggio delle uscite sul connettore P3 è sempre lo stesso utilizzato per i led HV.

Il connettore P2 è per il collegamento, tramite flat-cable, alla scheda di controllo.

Nella pagina 2, è rappresentata la scheda di controllo, in cui ci sono due microcontrollori Atemga328 per la gestione delle funzioni.

Attraverso il flat-cable, passano i controlli dei mosfet e le due tensioni in uscita dagli switching.

La 12V per i comandi (identificata a schema come +12V_cmd), viene abbassata e stabilizzata a 5V tramite un regolatore con 7805 e condensatori di filtro. In uscita da quest’ultimo è presente un led per identificare la presenza della tensione. Quindi la 5V viene utilizzata per alimentare tutta la parte di controllo, i due micro e il display.

La 12V della potenza (identificata come +12V_pwr) viene utilizzata esclusivamente per gli optoisolatori degli ingressi. Il positivo va diretto in uscita, che verrà utilizzato come comune per gli ingressi, il negativo invece è collegato agli emettitori degli optoisolatori. Nessuna massa, positivo o comando collega elettricamente la potenza con i controlli.

I micro hanno il clock a 16MHz, tramite quarzo esterno, e hanno i pin necessari alla programmazione (tramite Arduino, quindi con bootloader) collegati ai connettori P7 e P8.
Sono collegati tra loro con il bus di comunicazione I2C, per lo scambio veloce dei dati.

Il connettore P10 è stato inserito per una eventuale espansione futura.

Il connettore P9 è per il collegamento di una tastiera a matrice 4×4, per i comandi e la programmazione del dispositivo.

Il display DS1 è un normale display basato su controller HD44780 da 2 righe e 16 colonne, su cui vengono visualizzati tutti i parametri e i menu.
Tramite il transistor Q22, il micro controlla la retroilluminazione.
Con RV1 è possibile tarare il contrasto.

Il micro IC1 ha il compito di controllare tutti gli I/O digitali, ovvero i 5 ingressi, le uscite PWM per i led e l’uscita ausiliaria.
IC2 invece gestisce il terminale (tastiera+display) e la logica di funzionamento.

 

SOFTWARE

Ci sono ovviamente due software diversi per questo progetto, dato che i micro sono 2.

Il software è ampiamente commentato al suo interno, perciò inserisco solo i link per i download, senza dilungarmi troppo sul funzionamento:

 

FUNZIONAMENTO

Per spiegare il funzionamento e le varie procedure di programmazione, ho scritto un apposito manuale:

 

FOTO

“Sandwich” delle due schede, montato all’interno della scatola, il flat cable serve per lo scambio dei segnali e dell’alimentazione tra le due schede:

 

Lato piste della scheda di controllo (le piste sono state realizzate con filo di rame stagnato, opportunamente saldato sulle piazzole):

 

Particolare dei mosfet con dissipatore, i due blocchi neri dietro ai mosfet, parzialmente nascosti dal dissipatore, sono gli alimentatori switching:

 

Parte frontale, con display e tastiera per la configurazione (qui non erano ancora stati fissati i pressacavi):

 

Retro del coperchio, con il display e il cavo della tastiera a matrice:

 

Applicazione finita, con un metro di strisca collegata per effettuare le prove:

 

 

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