Varoitus! Tämä artikkeli on pitkä! Kannattaa hakea kahvia tms.
Tämä projekti on ollut pöydällä jo pitemmän aikaa, mutta sain sen viimein valmiiksi. Heti alkuun kiitokset alkuperäisestä ideasta Niksulle. Ideana siis oli että kolmijohtimisen PC-tuulettimen takosignaalilla ohjataan lediä päälle ja pois, jolloin saadaan tuuletin näyttämään pysähtyneeltä ihmissilmässä. Kuulostaa helpolta mutta muutamia pikkuseikkoja on otettava huomioon.
Aivan ensimmäisenä tutkitaan PC-tuulettimen rakennetta. Tuulettimethan ovat nykyään harjattomia, varsinaisessa tuuletinosassa on magneetti ja rungossa parillinen määrä keloja. Keloja ohjataan vuoron perään päälle ja pois Hall-anturilta tulevan tiedon mukaan. Kolmijohtimisessa tuulettimessa käyntinopeustieto saadaan samalta Hall-anturilta ikäänkuin sivutuotteena. Tässä täytyy huomata heti kaksi seikkaa:
1) Hall-anturin takosignaali on itseasiassa avokollektorilähtö. Tarvitsemme ylösvetovastuksen ja meillä on siisti suorakaideaaltosignaali, jota voimme hyödyntää.
2) Tuuletinta pyörittäviä keloja vaihdetaan kaksi kertaa yhden kierroksen aikana. Hall-anturi antaa siis kaksi sykäystä yhden kierroksen aikana. Signaalin taajuus täytyy jakaa siis kahdella, tähän sopii yksinkertainen D-kiikku, jonku invertoitu Q-lähtö on takaisinkytketty D-tuloon. Lähdöstä Q saamme signaalin, jonka taajuus fQ on puolet takosignaalin taajuudesta fTACH.
Tässä vaiheessa projekti meinasi jumittua, sillä jostain syystä tuulettimelta tuleva takosignaali vääristyi, mikäli tuulettimen jännitettä laskettiin alle kymmenen voltin. Takosignaaliin ilmestyi ylimääräinen piikki, joka liipaisi kiikun uudelleen, tällöin lähdön signaali oli identtinen takosignaalin kanssa. Etsin vikaa pitkään, kunnes paikallistin sen tuulettimeen, sen takolähtöä on ilmeisesti tullut kuormitettua liikaa tai sitten kyseessä oli maanantaikappale. Joka tapauksessa toisella tuulettimella homma alkoi toimimaan ja signaali pysyi puhtaana aina neljään volttiin asti.
Seuraavaksi suunnittelin varsinaisen strobon, joka toimii vanhalla tutulla NE555-ajastinpiirillä. Toimintana on monostabiili toiminta hyvin pienellä lähtöpulssilla (luokkaa mikrosekunteja) jota triggeröidään D-kiikun lähdöllä. Näin ledi välkähtää joka kerta kun D-kiikun Q-lähtö nousee ylös. Tässä tulee seuraava pulma: NE555:tä ei liipaista nousevalla reunalla vaan se on tasoaktiivinen. Niin kauan kuin D-kiikun lähtö on ylätilassa, ajastimen lähtökin on ylätilassa. Liipaisupulssi ei siis voi olla pidempi kuin haluttu lähtöpulssi. Koska haluamamme lähtöpulssin kesto tLED on hyvin pieni verrattuna D-kiikun lähtösignaalin pulsseihin (tQ), tämä ongelma vaatii hieman miettimistä. Helppo ratkaisu on käyttää NE558:aa, joka on nousevalla reunalla liipaistava ajastin. Halusin kuitenkin pitäytyä helposti saatavissa komponenteissa joten liipaisupulssia on siis lyhennettävä.
Ratkaisuksi muodostui ns. Trigger Network (Lähde: https://homepages.westminster.org.uk/electronics/555.htm#triggering), jonka toiminta on hyvin yksinkertainen. Parilla vastuksella ja kondensaattorilla saadaan piiri, joka havaitsee nousevan ja laskevan reunan sisääntulevasta pulssista. Piirin lähtö on koko ajan ylätilassa, paitsi sisääntulon laskevalla reunalla, jolloin lähtö käy nopeasti alatilassa. Diodilla vaimennetaan sisääntulon nousevan reunan aiheuttama piikki. Kytkentä on tosin invertoiva, kun liitämme sen ajastimeen, NE555 liipaistuu D-kiikun laskevalla reunalla. Tämä ei tosin meitä haittaa sillä lopputuloksen kannalta on merkityksetöntä, missä kohtaa tuulettimen kierrosta ledi välähtää.
Seuraavaksi tutkitaan hieman viiveitä. Ihmissilmä on hidas ja tätä faktaa hyödynnetään vaikkapa TV:ssä, jossa virkistystaajuus on 50Hz. Tällöin yksi kuva on näkyvissä 20 millisekuntia. Hyvin pieni prosessorituuletin saattaa pyöriä jopa 8000rpm, jolloin yksi kierros kestää noin 750 mikrosekuntia. Ledin päälläoloajan eli ulostulopulssin pituuden tOUT on siis oltava lyhyempi kuin tuo 750us, tai silmä ei erota yksittäisiä lapoja. Pulssin pituus ei voi kuitenkaan olla hirveän pieni, sillä tällöin ledi on niin vähän aikaa päällä, että sen kirkkaus kärsii ja efekti jää vaisuksi. Testailin erilaisia viiveitä ja esimerkiksi 200us on sopiva aika normaaleille tuulettimille, jotka pyörivät 3-4000rpm. Pulssin pituutta säädetään ajastinpiirin C4 ja R4 avulla, pulssin pituus tLED = 1.1*R4*C4 (Likiarvo). Kondensaattori kannattaa mitoittaa pieneksi, 10-100nF, jolloin vastusarvo on suuri ja ajastinpiirille ei vuoda ylimääräistä virtaa.
Nyt kun tLED on mitoitettu, voidaan mitoittaa Trigger Networkin luoman piikin kestoaika tTRIG. R2 ja R3 ovat samansuuruiset ja piikin ajan voi laskea kaavalla tTRIG = R3 * C3. 4k7 vastuksilla ja 10nF kondensaattorilla saadaan ajaksi 47 us, joka on reilusti alle 200us.
Erilaisten kokeilujen jälkeen sain toimivan prototyypin valmiiksi. Koska koko kytkennän nimellisjännite on 12V, käytin CMOS-sarjan 4013 Tupla-D-Kiikkua. Ylösvetovastuksen kooksi laitoin 10k. Ledin ohjauspulssin pituutta voi säätää trimmerillä R5. C1 ja C4 ovat häiriöiden suotoa varten, joten niiden kokoja voi muuttaa, itse laitoin mitä sattui löytymään. Valmis kytkentäkaavio:
Ulostulon suhteen voidaan olla montaa mieltä. NE555:sta voi kuormittaa 200mA:n maksimivirralla. Piikkinä se kestää huomattavasti enemmän. Yhdelle ledille ei tarvitse eikä kannatakkaan laittaa vastusta sarjaan, sillä ledi on niin lyhyen ajan päällä, että a) se ei ehdi rikkoutua ja b) ajastin ei ehdi juuri kuormittumaan. Kaksikin lediä toimii varmasti suoraan ulostulosta, mutta jos kuitenkin halutaan ajaa useita ledejä, tarvitsee lähtöön kytkeä nopea transistori ohjaamaan ledejä. Transistori mitoitetaan käyttökohteensa mukaisesti.
Toinen huomioon otettava seikka on kytkennän toimivuus emolevyn takosisääntulon kanssa. En ole tutkinut, aiheutuuko kytkiksestä haittaa emolevylle, 10k ylösvetovastus on kuitenkin hyvin suuri, enkä usko että 12v linjasta pääsee vuotamaan emolevyyn päin. Kuitenkin emolevyllä ilmeisesti takosignaali vedetään ylös 5v linjaan, joten jotain häiriöitä saattaa aiheutua.
Kokonaisuudessaan tämä projekti oli hyvin mielenkiintoinen koska näinkin hieno efekti saadaan aikaan peruskomponenteilla sekoittamalla sopivast analogista ja digitaalista elektroniikkaa. Erikoista on myös se, että vaikka kytkis ja idea ovat hyvin yksinkertaisia, en löytänyt mitään viittauksia että kukaan olisi tätä aiemmin tehnyt? Luulis näin hienolla efektillä jo tekevän rahaa vaikkapa modausmarkkinoilla. Lopputuloksesta vielä kuva, tosin kamera ei pysty ikuistamaan efektiä täysin, se on nähtävä itse:
Vielä muistutuksena että kaikki teoriat ja kytkikset on esitetty “as-is”-periaatteella, enkä ole vastuussa mistään mitä lukija näillä tiedoilla tekee.
Lähteitä:
https://homepages.westminster.org.uk/electronics/555.htm#triggering
http://prodmod.wordpress.com/2007/02/12/take-apart-that-pc-fan-see-whats-inside-brushless-dc-motor/
Leave a Reply