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Xmas Star 2015

In questa pagina presento... una stella di Natale a led.
Una semplice e classica decorazione luminosa, alla quale ho cercato di dare un tocco in pìù.

L'idea

Cosa fareste con i led da 10mm di diametro ancora presenti nei cataloghi di diversi rivenditori di materiale elettronico?
Sempre più rari da vedere nei prodotti odierni, ritengo che questi componenti conservino un loro fascino.

Ma dove utilizzarli?
Grossi led per... qualche grosso effetto luminoso? Magari realizzando un enorme e costoso circuito stampato dove saldarli?

Mesi fa, spesi del tempo su Autocad alla ricerca di una possibile applicazione...

Realizzazione della struttura

Per realizzare una grossa decorazione luminosa, il primo scoglio è quello di trovare un sistema di montaggio dei led.
Oltre un certo numero di led, sorge la necessità di un sistema di montaggio relativamente semplice ed economico. Superate certe dimensioni, non è più possibile pensare di far stare tutto si un solo circuito stampato.

Per aggirare questi problemi, ho ritagliato una struttura in plastica (usando il router presentato in queste pagine) sulla quale ho fissato dei circuiti stampati ("barre led") sagomati appositamente.
Date le dimensioni della struttura, ho disegnato e realizzato due parti dotate di incastro a coda di rondine, che sono a loro volta unite ed irrigidite da una barra di alluminio.

Sulla struttura in plastica sono presenti i fori per il fissaggio di tutti i circuiti stampati e degli scassi che permettono il collegamento ai connettori presenti sulle barre led.
La struttura in plastica misura circa 700x310mm.

Per arricchire un po' il progetto, ho realizzato le barre led in modo da poter controllare ogni led singolarmente. La stella usa 19 barre led, di cui una modificata nella forma (la "V" della parte finale della coda).
I led utilizzati sono dei Kingbright L-813YD, a mio avviso dei prodotti di buona qualità.
Anche il distanziale plastico montato sotto i led è stato prodotto con il router CNC, partendo da una lastra di metacrilato da 3mm di spessore. E' una aggiunta che migliora notevolmente sia il montaggio dei led che la qualità dell'oggetto finito.

Il particolare profilo dei circuiti stampati delle barre led è pensato per dare la possibilità di realizzare la stella con le punte di 52°.
Un angolo minore comporta la revisione della completa disposizione dei led, mentre un angolo superiore può creare problemi estetici.

Multiplex? No, grazie

Per pilotare un elevato numero di led, la scelta più ricorrente è quella di creare una matrice.
Poche linee di I/O, qualche mosfet, le temporizzazioni per il refresh, ed il gioco è fatto. Un piccolo microcontroller ad 8 bit a contorno è poi sufficiente a gestire il tutto.

Questa volta, alla ricerca di qualche soluzione meno scontata, ho voluto fare diversamente.

Pimp my Led Controller Board

Al semplice scopo di pilotare 171 led, ho realizzato la scheda attorno ad un microcontroller a 32 bit e 66 Dhrystone MIPS, e ad una catena di 11 drivers PWM a 12bit e 16 uscite ciascuno.
Un robusto alimentatore switching da 5V 5A rende la tensione in ingresso (nominale 24Vdc) idonea al pilotaggio dei led, mentre un connettore mini-USB permette l'eventuale aggiornamento del firmware del microcontroller senza l'uso di programmatori specifici.
Sul circuito trovano posto anche dei connettori di espansione che lasciano spazio a future aggiunte.
Lo stadio di alimentazione fa uso di condensatori polimerici, tipicamente usati sulle schede video e sulle mainboard dei computer.

Questa scheda è in grado di pilotare fino a 176 led singolarmente, ciascuno con 4096 valori di luminosità, e con refresh anche superiore ai 200Hz (=<5ms).
Credo che le prestazioni siano sovrabbondanti per qualsiasi decorazione luminosa di questo calibro.
Ultimo tocco, il circuito stampato della scheda Controller ha solder mask nero per meglio adattarsi a colore della struttura, e doratura chimica (finitura ENIG) delle piazzole per migliorare saldabilità e non solo.

Ogni driver PWM utlizzato può pilotare fino a 16 strisce di led senza l'utilizzo del resistore di limitazione della corrente.
La corrente fornita da ciascuna uscita è limitata da un generatore di corrente presente all'interno del circuito integrato. Ciò permette di risparmiare resistori, ma comporta una dissipazione di calore da parte del circuito integrato.
Per ovviare a problemi di dissipazione e temperatura, ho deciso di limitare la corrente nei led mediante dei resistori, che ho montato sulle barre led. In questo modo, i drivers PWM possono stare vicini tra loro senza rischi di surriscaldamento.

Ciascun led è pilotato con una corrente di circa 20mA.
Sebbene sopportino una corrente massima molto superiore, ho deciso di alimentarli con "solo" 20mA per prolungarne la vita. Da precisare che, alimentati con questa corrente, i led sono ben visibili anche di giorno.
L'assorbimento con tutti i led accesi al 100% è di 171*0.020=3.42A a 5V (circa 17W).
L'assorbimento massimo totale si aggira intorno ai 22W, in quanto va incluso l'assorbimento della logica di controllo e va tenuto conto del rendimento (circa 85%) dello stadio di alimentazione.

Montaggio

L'assemblaggio della stella non è un lavoro breve. Il montaggio manuale dei circuiti stampati delle 19 barre led e della scheda controller ha richiesto diversi giorni di "ritagli di tempo".

Dopo il fissaggio di tutti i circuiti stampati sulla stuttura, ho eseguito il cablaggio usando del flat-cable che si è dimostrato davvero comodo. Per il cablaggio sono stati necessari circa 5m di flat-cable a 10 poli.

Download

Video - Un video, non professionale, del prototipo in funzione
Schemi elettrici dei circuiti, in formato pdf
Firmware da caricare nel PIC32MX250F128B

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