Automaattinen valomerkin sammutin

Tämän rakentelun idea tuli kollegaltani, joka pähkäili kuinka saisi tehtyä sellaisen laitteen, joka "sytyttää ja jättää lampun palamaan, mutta sammuttaa sen, kun toisaalla flash-valo välähtää". Keskustellessa laitteen toiminnasta, hahmottelin alla olevan kuvan (ohjaussignaalin toiminta):

Lisäspekseinä oli, että laite ei saisi kustantaa kovin älyttömiä (tämä nyt on aina kaikilla mielessä...) ja että käyttöjännite olisi 24 volttia. Valonkatkaisin ei saisi olla myöskään hirmu herkkä, eli että normaali valaistusympäristö ei häiritsisi toimintaa.

Ahaa, elämys syntyikin lähes välittömästi ja paperille ohjaussignaalin hahmottelun jälkeen näin mielessäni jo kytkennän, joka tähän sopii vallan mainiosti. "D-kiikku ja fotodiodi", ajattelin ja siitä se suunnitelma sitten eteni. Aluksi suunnittelin koekytkennän, minkä jälkeen tein demoversion nauhakuparilevylle. Lopuksi suunnittelin ja 3D-tulostin kotelot sekä anturille että elektroniikalle ja kytkimen kotelolle käytin netin verkkokaupoistakin löytyvää Fiboxin koteloa.

Niin vielä että, kyseinen laite menee ilmeisesti Kajaanin Uimaseuralle helpottamaan kisajärjestäjien toimintaa. Alla hieman kuvausta laitteen rakentamisesta ja kuinka tämä "projekti" eteni. Aikaa tähän meni pari iltaa ja mikäli näitä joutuisin tekemään useamman kappaleen, tekisin tästä piirilevyn. Mutta näin yksittäiskappaleena tämä välttänee.

Valomerkin kytkentä ja rakennus

Rakentelin siis iltapuhteina demopiirin koekytkentäalustalle ja testasin toimintaa pöytävalaisimella sekä kameran salamalla kuvia ottamalla. Aluksi oli pieniä ongelmia fotodiodin kanssa, kun en heti muistanut että se tulee kytkeä ns. "estosuuntaan" eikä kytkentä näin ollen toiminut täysin.

Lamppu napin painalluksesta kyllä syttyi, muttei sammunut. Aloin jo rakentelemaan komparaattorikytkentää LM358 operaatiovahvistimen ympärille, mutta jossain vaiheessa iltaa hoksasin myös tarkastaa fotodiodin kytkennän. Kun kytkentä alkoi toimimaan odotulla tavalla, saattoi komparaattorikytkennän unohtaa.

Jäljensin toimivan kytkennän "näkkärille" eli verolevylle tai reikänauhalevylle (rakkaalla lapsella monta nimeä) ja lisäsin myös lopullisesta versiosta puuttuvat osat kuten riviliittimet ja ferriitti sekä ohjaus-FET.

Onnistuin rakennusprosessin jälkeen käräyttämään yhden ferriitin ja yhden FET-transistorin, kun testasin kytkennän toimintaa näkkärillä. Ferriitti räpsähti palasiksi ja FET paloi naulaksi, koska olin unohtanut katkaista nauhalevyltä yhden kuparinauhan, joka maadoitti FETin väärästä paikasta. Tekevälle sattuu sanotaan ja korjasin tilanteen vaihtamalla rikki menneet osat sekä katkaisemalla kuparinauhan oikeasta paikasta.

Lopullinen testaus osoitti kytkennän toimivaksi. Lisäsin vielä varmuuden vuoksi FETtiä suojaamaan shcottcky-diodin, mikäli tämä laite joskus kytketään ohjaamaan esimerkiksi relettä tms. induktiivista kuormaa.

Kytkentä toimii siten, että D-kiikku (74HC74N-piiri) asettaa ei-invertoivan lähtönsä "1"-tilaan, kun kytkintä painetaan. Jos kytkintä painetaan useamman kerran, niin "1"-tila säilyy, ellei RESET-pulssi ole tullut sitä ennen. Kytkin on siten kytketty suoraan D-kiikun kellopulssituloon.

RESET-pulssi tulee fotodiodilta kun siihen kohdistetaan riittävästi valoa. Fotodiodin siirtyessä johtavaan tilaan, se maadoittaa RESET-tulon. Tämä puolestaan aiheuttaa 74HC74N-piirin ei-invertoivan lähdön asettumisen "0"-tilaan. Invertoitu lähtö on puolestaan kytketty punaiselle ledille, mikä kertoo käyttäjälle ettei FET-ohjaus ole aktiivisena. Kytkentäkaavion löydät tämän sivun lopusta.

Laitteen kotelointi 3D-tulostamalla

Piirilevy tarvitsi suojakseen myös kotelon ja helpoitenhan kotelon tekeminen onnistui tietenkin 3D-tulostamalla. Suunnittelin kotelon työntömitan avulla ja jätin liikkuvien osien välille 0,15 - 0,2 mm tyhjää tilaa. Tämä osoittautui jälkikäteen hieman liian pieneksi välykseksi, joten parempi arvo olisi ollut 0,25 - 0,3. Viilailemalla osat sai kuitenkin sopimaan keskenään yhteen.

Alla olevassa kuvassa nähdään koko suunnittelupaletti. Kappaleiden nurkissa olevat pyöreät pallukat auttavat kappaleen reunoja pysymään alustassa kiinni, mikä vähentää ns. "warping" ilmiötä. Warping, eli kappaleen reunojen vääristyminen johtuu muovin kutistumisesta sen jäähtyessä. Pallukoiden tai "tassujen" lisäämisellä olen huomannut, että warpingia ei tapahdu ollenkaan tai jos tapahtuu niin paljon vähemmässä määrin kuin ilman "tassuja".

Kuvasta nähdään keltaisella väritetyt kappaleet, jotka tulostettiin samalla kertaa ja niin, että laatikkomallinen pitkula osa sisälsi tukimateriaalin. Tulostusorientaatio on siis yllä olevan kuvan mukainen.

Valkoisella olevat osat on tulostettu toisella kertaa, eli yhteensä tulostuskertoja tuli kaksi. Kokonaisuudessaan tulostus vei aikaa noin 5 tuntia ja tulostusnauhaa meni noin 15 metriä. Kaikki osat onnistuivat kerralla, eikä uusintatulostuksia tarvinnut.

Tulostuskerroksen paksuus oli 0,2mm ja nopeus kohtalaisen nopea (pienin tulostusnopeus 30mm/s ja suurin 60 mm/s). Lämpötila alustalla 60 ja tulostuspäässä 200 celsius-astetta.

Laitteen kasaus

Kun kaikki osat oli tulostettu ja piirilevy valmis ja testattu, pystyin aloittamaan laitteen kokoamisen. Seuraavassa siis siitä.

Kokoaminen alkoi ensiksi siistimällä tulostettujen kappaleiden tukimateriaali sekä "tassut" pois. Tämän lisäksi raaputtelin ja leikkelin kappaleita sieltä täältä missä näytti hieman ylimääräistä olevan. Tyypillisesti tulostettujen kappaleiden ensimmäiset kerrokset ovat hieman paksumpia kuin ylemmät, mutta tätäkin voi kompensoida erilaisin keinoin. Paksuuntunutta kohtaa kutsutaan termillä "elephant foot".

Kappaleiden siistimisen jälkeen asensin tehdyn piirilevyn koteloon ja juotin läpivietävät valodiodin johtimet sekä kytkimen johtimet piirilevyyn kiinni. Vedonpoiston kaapeleihin tein nippusiteellä sekä kuumaliimalla.

Kytkimen, joka aktivoi FET-lähdön asensin valkoiseen Fibox-koteloon. Lisäsin myös näin pääsiäisen merkeissä pienen "easter-egg" yllätyksen kotelon sisälle; kirjoitin kotisivun osoitteen sekä kokoonpanopäivämäärän ja nimikirjaimet.

Seuraavaksi oli vuorossa valodiodin sijoittaminen sen koteloon ja takaluukun kiinnitys. Valodiodin asennuskoteloa kutsutaan nimellä valodetektori ja sen sisällä on paikka valodiodille sisällä sijaitsevassa väliseinässä.

Valodiodi asemoidaan keskellä väliseinässä sijaitsevaan reikään (kuva yllä) ja kuumaliimalla varmistetaan kiinnitys. Kuumaliiman ollessa vielä lämmin, asetetaan takaluukku kiinni. Lopputulos alla olevassa kuvassa.

Valodetektori voidaan nyt asentaa sen jalustaan 30 mm pitkällä M3-pultilla ja mutterilla sekä parilla aluslevyllä:

Lopuksi elektroniikkakotelon kansi voidaan sulkea ja tarkastella lopputulosta:

Kotelon seinässä olevat kohokirjaimet onnistuivat hyvin ilman tukimateriaaliakin. 3D-mallissa ne tulivat noin 0,8mm kotelon pinnasta ulospäin ja tämä näytti olevan tarpeeksi riittävä siihen, että teksti erottuu eikä sotkua syntynyt tulostuksen aikana.

Lopullisen kotelon mitat ovat leveys: 43,5 mm ja korkeus 28,1 mm. Kotelon syvyys 54,5 mm. Kotelon sivussa on 4 mm halkaisijaltaan olevat kiinnitysreiät ns. kauluksissa kiinni. Näiden avulla kotelo voidaan asentaa esim. ruuvien avulla johonkin paikkaan kiinteästi.

Lopullinen paketti laitteelle nähdään alla. Oranssi kiepillä olevan kytkimen johtimen pituus on n. 10 metriä.

BOM - Bill of Materials

Olen laittanut alle materiaalilistan, mistä löytyy tässä pikku projektissa käytetyt osat. Hinta-arvio perustuu siihen, jos komponentit ostetaan yksittäiskappaleina jostakin verkkokaupasta, kuten esim. Partcolta.

Komponentti Kpl Hinta-arvio €
IRFZ34N 1 1
74HC74 1 0,2
7805-regulaattori 1 0,5
Fotodiodi 1 0,8
Vastukset, kondensaattorit yms: 8 1
Piirilevy (verolevy) 1 1
Kytkin 1 0,6
Ruuviliitin 2 1,4
Johtimet --- 0,5
Kaikki yhteensä 7,00

Laitteen toiminta ja käyttöohje

Alla on laitteen tekstimuotoinen käyttöohje. Kuvallinen ohje löytyy sivun lopusta ladattavista materiaaleista.

Kylki missä lukee PWR ja missä on punainen LED, sijaitsee jännitteensyötön liitin. Liittimen vasen puoli on positiivinen käyttöjännite ja oikea puoli maa. Maksimi tulojännite on 24 volttia, mutta tulo kestää jopa 35 voltin jännitteen rikkoutumatta. HUOM! Jos polariteetti on väärin, saattaa kytkentä rikkoutua! Kun laite on valmiina ohjaukseen, punainen LED loistaa virtaliittimen vieressä.

FET-lähtö ja kuorman kytkentä

FET-lähtö (N-tyyppinen) ohjautuu päälle, kun nappia (valkoisessa laatikossa) painetaan. FET-lähtöön voidaan kytkeä induktiivisia sekä resistiivisiä kuormia, mutta suuria kapasitiivisia (superkondensaattori) kuormia ei suositella kytkettäväksi. Liian suuri virtapiikki saattaa rikkoa FETin. Kuorma kytketään siten, että kuorman käyttöjännite kytketään L+ ja kuorman GND L- -ruuviliittimen reikiin. FET-kytkee syötetyn käyttöjännitteen suoraan kuormaan nappia painettaessa.

Lähtö ohjautuu pois päältä, kun valodiodi havaitsee tarpeeksi valoa, tai se on asetettuna välähtävän lähteen eteen (esim. kamera). Mikäli lähtö ei ohjaudu ollenkaan päälle, tarkista valodiodin suuntaus.

Kotelon avaaminen ja johtimien kiinnitys riviliittimeen

Kotelo aukeaa, kun kansi nostetaan tasaisesti kohtisuoraan ylöspäin (kitkalukitus). Älä väännä tai taita kantta sitä irrottaessa, koska kiinnitystapit saattavat murtua. Kun kansi on nostettu pois, riviliittimiin päästään käsiksi ja johtimet voidaan kiinnittää.

Ladattavat tiedostot

Alta löytyy tämän projektin tiimoilta tuotetut ladattavat materiaalit. Kotelon 3D-mallia en ole lisännyt alle, mutta jos joku sitä haluaa niin ota yhteyttä sivun avulla mallia voi kysellä.

Automaattinen valonkatkaisin.pdf - Katkaisimen käyttöohjeet ja manuaali. Sisältää myös käsin piirretyn kytkentäkuvan, jonka voi ladata alta olevasta linkistä myös erikseen.

Automaattinen valonkatkaisin - kytkentäkaavio.pdf