ITL – IskariTesterin Liikennevalot -rakentelu

Alunperin julkaistu: 4.12.2021

Viimeksi muokattu: lauantai 4.12.2021

Lyhyestä virsi kaunis. Sain tehtäväksi (tilaustyönä) tehdä paremmat valot Katsastuskontti Oy:n iskunvaimentimen testereihin talvella 2020. Kuopiossa paikalliseen katsastuskonttiin oli jo aiemmin yhdenlaiset valot pienillä ledeillä tehty, mutta ne eivät aivan olleet tarpeeksi valovoimaisia varsinkaan kirkkaalla auringonpaisteella. Kuuleman mukaan, katsastusmies joutui joskus pitkäänkin "vekslaamaan" autoa oikeaan kohtaan testerissä - asiakkaan ihmetellessä vieressä.

Ongelmaan täytyi siis saada ratkaisu ja ongelmakohtia lähdettiin ratkomaan ensiksi sähköpostittelulla ja puhelinsoitoilla. Aluksi minun täytyi saada ongelmasta perusteellinen käsitys. Sen jälkeen alkuperäisen lisälaitteen toiminta piti selvittää ja kun hommaan oli saatu jonkinlainen järki, niin pystyin aloittamaan elektroniikan suunnittelun.

Kytkennästä tuli lopulta hyvin yksinkertainen, mutta aluksi suunnittelu meinasi ns. karata käsistä. Suurimpana ongelmana oli aluksi se, kun ei osattu sanoa mikä määrä valoa lampussa on tarpeeksi. Montako lumenia tai luxia? Entä minkä kokoinen lamppu tai laite ylipäänsä saisi olla. Sain sähköpostilla alkuun kuvia yhdestä tehdystä lisävalosta, mistä on kuvat alla, ja tästä sain myös käsitystä siitä minkälainen laitteen kokoluokka voisi olla.

Lisälaite oli toteutettu yksinkertaisesti 3 mm:n kirkkailla ledeillä jotka loistivat värjättyjen linssien läpi. Tätä samaa periaatetta halusin toistaa myös omassa versiossani.

Kotelon suunnittelu

Aloitin työn etsimällä sopivia lamppuja (eli ledejä) ja näille soveltuvia linssejä Mouserin verkkokaupasta. Varsin nopeasti tarkoitukseen soveltuvia linssejä löytyi ja ostoskoriin päätyi vihreitä ja punaisia linssejä, VCClite-nimiseltä valmistajalta.

LED-linssejä Mouserin verkkokaupasta

Kun linssit ja niiden koko oli tiedossa, pystyin hahmottelemaan kotelon kokoa. Koteloksi tuli lopulta valittua Bud Industriesin valmistama CU-387-MB -mallinen musta ABS-muovikotelo:

Musta kotelo Mouserin verkkokaupasta

Kotelosta ei valitettavasti ollut saatavilla 3D-mallia (ehkä sen olisi saanut valmistajalta kysymällä, mutta oli viikonloppu), joten mallinsin kotelon datalehden perusteella Fusion 360 ohjelmalla. Samalla tavalla mallinsin myös ledien linssit ja 3D-tulostettavat linssien lipat. Kun mallinnukset olivat valmiina, pystyin näyttämään asiakkaalle renderöidyllä "valokuvalla" miltä kotelo tulisi näyttämään valmiina.

Fusion 360:lla renderöity mallikuva kotelosta ja valoista

Kuvalle ja ulkonäölle saatiin Kuopiosta sähköpostilla hyväksyntä, joten etenin seuraavaksi kytkennän suunnitteluun. Tein suunnitelmat niin, että pääkomponentit olisivat tiedossa ja että saisin ne mahdollisimman nopeasti tilaukseen Mouserilta. Tarkempia komponenttiarvoja pystyisi prototyypin kanssa vielä hiomaan.

Prototyypin rakennus ja siihen liittyvät työt

Prototyypin teon aikana ei ollut tiedossa, tulisiko tästä jatkotilauksia myös muille katsastusasemille, mutta päätin toteuttaa prototyypin kuitenkin niin, että sitä pystyisi mahdollisesti piensarjassa myös tekemään.

Aluksi oli kuitenkin selvitettävä minkälainen valoteho lamppuihin riittää. Olin komponenteiksi ledeille valinnut Cree -nimisen valmistajan ledit, jotka toimivat 6 voltin kynnysjännitteellä ja antavat 0,4A virralla 350 lumenia valotehoa (valmistajan tarkka tyyppi: JR5050AWT-P-H30EB0000-N0000001). Arvelin, että 3 tällaista sarjassa antaisi reilut 1000 lm valoa ja tämä arvo olisi melkein sama kuin 75 Watin hehkulamppu. Järki tietenkin sanoi, että tällaiseen pieneen koteloon ei tuollaista valotehoa (ja lämpöä) kuitenkaan hyvä olisi laittaa, niin pienempikin virta todennäköisesti riittäisi. Tämä jäisi siis testailun varaan, mutta piirilevylle otin tämän ledin jo kuirenkin mukaan.

Tässä muuten hyvä taulukko, joka kertoo mitä määrää lumeneita vastaa hehkulamppu. Tämä löytyi lampputiedon sivuilta ja sitä tässä vapaasti lainaan:

HehkulamppuLedi- ja energiansäästölamppu
 Teho, wattValovirta, lumen (lm)
15 140
 25250
 40470
 60 800
 75 1050
 1001520
Valon määrä lumeneina (lähde: lampputieto.fi)

Ja tässä sama taulukko vielä graafina:

Creen 6V led

"Aurinkotesti"

Minulta itseltäni löytyi ylimääräisenä hieman pienemmässä koossa olevia Creen XP-G3 ledejä, joilla aloitin ns. "aurinkotestiä" tekemään.

Linssin sisälle näkkärin päälle mahtui 2 kappaletta näitä XP-G3 ledejä ja sähköä otin etuvastuksen kautta 9 voltin paristosta. Laitoin lamput loistamaan noin 60 lumenin voimakkuudella, mikä vastaisi noin 8 Watin hehkulamppua.

Sivuhuomautus: hehkulamppuja ja ledejä ei kannata vertailla Wattien perusteella, sillä se ei kerro valovirrasta mitään. Siksi vertailuissa kannattaa käyttää vain ja ainoastaan lumeneita.

Laskurin osoite: https://www.sust-it.net/incandescent-bulbs-lumens-to-watts-conversion-led.php.

Fyysisen koon puolesta kaksi Creen XP-G3 lediä vastaa melkein valittua lediä, kuten kuvassa alla esitetään.

Ledien vertailu

Eräänä 2020-talven viikonloppuna sattuikin sitten oikein kirkas ja aurinkoinen lauantai-aamu, jolloin pystyin aurinkotestiä alkaa suorittamaan. Tein paperista pienen linssinsuojuksen linssin päälle ja vein hökötyksen ulos sähkökaapin päälle auringonpaisteeseen. Kuvasin testistä erilaisia videoita, mutta en niitä nyt ajanpuutteen vuoksi alkanut editoimaan, koska menee aikaa näihin kirjoituksiinkin ihan tarpeeksi... Joka tapauksessa, alla olevassa kuvassa nähdään, että 60 lumenia vihreässä linssissä näkyy ihan hyvin aurinkoisellakin säällä, kunhan linssissä on lippa päällä. Punainen taas näkyy paljon heikommin, mutta senkin loistamisen paljaalla silmällä näki. Kännykän kamera ei näitä havaintoja niin hyvin tallentanut, mutta edes jotenkin...

Kuvakaappaus videosta...

Ja samanlainen kuva, mutta eri kulmassa suhteessa aurinkoon ja hieman varjoisampi paikka:

Näiden testien perusteella olin aika luottavainen siihen, että valotehoa saadaan valituilla ledeillä varsin riittävästi niin, ettei laitteen sisusta lämpene liikaa. Tein aika paljon erilaisia laskentoja ja muita vertailuita, mutta niistä ei ole enää muistiinpanoja tallella. Lopun kytkennän suunnittelin niin, että ohjaussähkö valoille otetaan optoerottimen kautta MOSFET-transistorille - hyvin yksinkertaista siis.

Tein piirilevysuunnitelmat loppuun ja laitoin tilauksen PCBWaylta tulemaan. Piirilevyn tilauksen jälkeen minulla oli aikaa (vapaa-aikanani, muiden kiireiden jäljiltä) alkaa tekemään muita mekaanisia suunnitelmia.

Sisäisen mekaniikan suunnittelu

Elektroniikkapuoli oli nyt kunnossa ainakin alustavasti, joten piirilevyä odotellessa oli hyvää aikaa mallinnella 3D-tulostettavia osia, joita olivat siis linssin aurinkolippa ja sisäosiksi piirilevylle tuleva kehysholkki ledeille. Ehkäpä kuvat kertonevat enemmän kuin sanat:

Piirilevylle olin tehnyt tuollaisia ympyrän kaarelle tulevia avauksia piirilevyyn, mihin asennettaisiin ns. valo-ohjuri. Valo-ohjurin tehtävänä on estää valon säteileminen ("kajastaminen") väärästä linssistä.

Valo-ohjuri tulisi linssin kehykseen kiinni kitkalla. Tästä rakenteesta on alla leikkauskuva.

Valo-ohjuri tulisi piirilevyn läpi juurikin noista avauksista ja olisi ns. "kynsikiinnitys":

Linssin osat näkyvät alla olevassa kuvassa. Vasemmalla on 3D-tulostettu linssin suojus ja muut osat ovat linssin mukana tulevia kiinnitystarvikkeita:

Protopiirilevyn teko kotikonstein

Olin tilannut piirilevyn kotijuottoa varten myös metallisen stensiilin, minkä avulla juotospasta levitetään piirilevyn "pädeille" - eli komponentin kiinnityskohtiin. Ensiksi täytyikin askarrella toisten piirilevyjen avulla "jigi", minkä avulla piirilevy ja stensiili saadaan asemoitua. Kiinnitin levyt pöytään ja toisiinsa yksinkertaisesti kirkkaan teipin avulla.

Piirilevyjigi

Seuraavaksi stensiili asemoidaan teipin avulla piirilevyn päälle, levitetään tarvittava määrä juotospastaa ja esimerkiksi vanhentuneen pankkikortin avulla "sliipataan" juotospasta stensiilin aukkoihin:

Tekniikasta riippuen, juotospasta levittyy enemmän tai vähemmän tasaisesti pädeille:

Seuraavaksi komponentit voidaan käsin ja pinsettien avulla asettaa piirilevylle pastan päälle:

Komponentteja kannattaa pikkaisen painasta, jotta komponentin jalka/kiinnityskohta osuu juotospastaan ja juotos varmemmin onnistuu.

Juottaminen onnistuu esimerkiksi "pattihellalla", kunhan sen vuoraa foliolla a) lämmön tasaisemman levityksen kannalta ja b) suojaamaan keittolevyä juotosroiskeilta:

Loppu on kiinni sitten tarkkaavaisuudesta ja ajoituksesta. Tässäkin hommassa harjoitus auttaa, eikä välttämättä kannata kovin monimutkaisia piirilevyjä näin tehdä.

Läpiladottavat komponentit ja liittimet juotettiin paikoilleen käsin ja valo-ohjurit asennettiin paikoilleen. Laite oli nyt valmis testausta ja kotelointia varten.

Prototyypin testaus ja kotelointi

Kotelon kanteen porattiin lehtiporanterällä n. 14mm avaus ja "lamput" asennettiin paikoilleen. Etulevy näytti pakettina sivustakatsottuna nyt tältä:

Paketti voitiin nyt testata ja katsoa, että valo tulee linsseistä oikealla tavalla, yhdessä ja erikseen:

Laitteen virtajohto työnnettiin PG-holkin läpi kotelon sisälle ja yhdistettiin virtaliittimeen. Ohjauskaapelin yhdistäminen jää asiakkaan tehtäväksi, sillä käytettävää kaapelia ei mielestäni ollut järkevää lähteä tämän toimituksen mukaan lisäämään. Syynä tähän on se, että lopullinen asennus on asiakkaan käsissä ja kaapelin pituus määrittyy vasta sitten. Ei myöskään ollut tietoa, miten paksua tai ohutta kaapelia voi itse pääohjauslaitteen sisällä käyttää, joten tämä on ainoa asia joka on asentajalla ratkaistava.

Lopullinen prototyyppi näyttää nyt sitten tältä (kuvassa puuttuu kylläkin ruuvit kulmista, mutta mitäs pienistä)

Laitteen mukaan toimitettiin Mean Well -merkin virtalähde, joka oli mallia XLG-75-24-A. Prototyyppiin hieman jytky poweri, mutta tämä taisi olla vain nopeasti valittu ja hankittu sen hetken saatavuuden mukainen poweri.

Prototyypistä annettu palaute

Laite postitettiin (Helmikuu/2021) Kuopioon asiakkaalle ja jonkun ajan päästä laitteesta tuli palautetta ja muutama asennuskuva:

"Työskentely uusien valojen ansiosta on paljon helpompaa ei niin aurinkoisenakin päivänä. Auton asettaminen oikealle kohdalle on vaan niin helppoa, kun ei tarvitse tarkasti tiirailla pienien lamppujen syttymistä. 

Eilen päästiin kokeilemaan toimintaa oikeasti auringon paistaessa - ja kyllä homma toimii silloinkin! Olen erittäin tyytyväinen kehittämääsi laitteeseen, KIITOS !"

Asiakas

Sarjatuotanto 6 kpl

Muutama kuukausi kului aikaa eteenpäin ja sain laitteesta pienen sarjatilauksen. Valitettavasti komponenttitilanne maailmalla oli (ja on tätä kirjoittaessa edelleen) haastava, joka vaikutti tämänkin pienen vekottimen tekemiseen.

Tein muutamia muutoksia "sarjakamppeeseen", kuten sen että virtalähteenä käytetään tarkemmin mitoitettua 24 voltin tasajännitemuuntajaa DC-liittimellä. Mean Well merkkinen tämäkin ja mallina GS06E-6P1J.

Piirilevyjä piti myös tilata lisää ja yhden satsin tilasinkin valkoisia piirilevyjä:

Yhdellä piirilevyllä on noin 100 osaa, jotka on kaikki käsin laitettava paikoilleen. Yhden levyn pastoituksessa, komponenttien ladonnassa, juottamisessa, puhdistamisessa ja testaamisessa meni aikaa noin 2-3h, riippuen oliko epäonnistuneita juotoksia. Kuudesta kappaleesta oikeastaan vain kahdessa oli ongelmia piirilevyllä/juotoksissa.

Uuden asuinpaikan hella oli hieman erilainen ja piirilevyn juotosta varten piti rakennella "juotoskuppi", joka levittää lämmön tasaisesti koko piirilevyn alueelle. Yksi piirilevy tuli tehtyä ilman tätä kuppia ja sen vuoksi piirilevyn pinta hieman tummui.

Kotelon porauksien tekoon piti 3D-mallintaa, 3D-tulostaa ja rakentaa jigi, minkä avulla reiät saatiin joka koteloon samaan kohtaan etulevyssä:

Aikaa näiden tekemiseen kului useita kuukausia, koska komponentteja jouduin odottelemaan melkoisen pitkään. Myös itselläni oli muuton takia pitkä aika, ennen kuin pääsin näitä tekemään ja kasailemaan. Nyt ne ovat kuitenkin tehty ja postitettu eteenpäin ja toivottavasti nämä kestävät käytössä pitkään ja ovat hyödyksi myös muillakin kuin Kuopion asemalla.

Kiitos tilaajalle ja kiitos lukijalle, mikäli kahlasit tekstin tänne asti läpi. Jos näistä on kysyttävää, tai haluat tällaisen itse tehdä, niin ota yhteyttä info sivun palautelomakkeen avulla.