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CUIの電源が給電するArduinoで構築されたLEDマトリックス

2020年9月8日、Ron Stull著 - 12分の閲読

CUIの電源が給電するArduinoで構築されたLEDマトリックス

背景

COVID-19により自宅で多くの時間を過ごすことになった私は、家でのあり余る時間を使って山積みとなっていた電源と電子コンポーネントを確認し、それを使って何ができるかを考えてみました。私の最初のプロジェクトは、休暇で使った古いプログラム可能なLEDストリップを活用することでした。その結果が、RGB LEDライトの24 x 18マトリックス(合計432個のRGB LED)でした。このマトリックスは、さまざまな選択可能なルーチンでプログラムされた、合計144の制御可能なセクション(24 x 6)を持っています。

LEDボード上のCUI
図1:LEDボード上の「CUI」

ボードの概要

このボードは、3 5m長のLEDストリップを持つベニヤ板一片から作られ、合計24個の小さめのストリップに切り出し、それぞれ18個のLEDを持っています。このLEDの色は、Arduino Unoによって、ポテンショメータと3つのボタンからのユーザー入力に基づいた3つのグループで(18個のLEDストリップあたり6グループ)制御されます。このボードはCUIのSDI65-12-U-P6、60W、12 V、5 AのAC-DC電源から電源供給を受け、2つの内部+/-5VレールはCUIのV7805~1000sによって電源供給を受けます。デマルチプレクサ回路は、データをLEDストリップにルーティングするために使用されます。ArduinoはLED電流を監視し、リレーを介してLEDへの電力供給を管理します。

LEDボードのブロック図
図2:LEDボードのブロック図
LEDボード前面の写真
図3:LEDボード前面
LEDボード背面の写真
図4:LEDボード背面
カテゴリー 説明 数量
コントローラー ARDUINO UNO ATMEGA328 EVAL BRD 1
LEDストリップ 5m、150個のLEDを持つWS2811 LEDストリップ、プログラム可能な理想のカラーライト、IP67チューブの防水対応白色PCB 3
電源 AC/DCデスクトップ・アダプター12V 60W 1
MUXボード デマルチプレクサおよび5Vレギュレータ 1
電流検知ボード 電流検知およびアンプ、-5Vレギュレータ付き、5V 1
リレーボード リレーボード、12V 1
ボタンボード ユーザーインターフェイスボード、ボタン3つ、ポテンショメータ1台、5V 1
図5:トップレベルのBOM

外部電源

SDI65-12-U-P6外部電源は、ボードへの主電源として使用します。連続した12V、最大5Aを供給します。5A~7.5Aの間付近では、本電源は過電流保護がかかり、負荷電流が下がるまで一時的に中断されます。これが発生すると、Arduinoは、障害が検知および修正されるのに十分な長さに母線が保持されるまで電源が落とされ、リセットされます。電流を検知し、またOCPがコントローラーをリセットするのを防ぐために、LEDストリップは電流検知回路とArduinoによって制御されるリレーを通じて12Vの電源に接続されています。

各LEDの最大電流は18.5mAです。最大で8Aの電流を消費する432個のLEDを携えていることから、特定の条件下ではOCPが発動する可能性があります。ただし、この条件は赤色、緑、青のLEDがすべて同時に点灯した場合のみに当てはまります。赤と緑が最高輝度で点灯するのに必要なのはわずか2.7Aに過ぎません。テストの結果、私が計画した全てのプランを実行するのに必要なのは4.5Aだとわかりました。Arduinoは検出されたLED電流を監視し、電流が~4.6Aを超えるとリレーがオフになります。このことにより、その他の回路に5Wを残します。

オシロスコープのスクリーングラブ
図6:OCPのテスト測定 - 電流(紫)が流れるとリレー(緑)がローになり、アンプが感知し(水色)、4.78Aを超過してLED電圧(紺)がオフになります。テスト中の最大出力は57.2Wでした

Arduino Uno

Atmel ATmega328をベースとしたArduino Unoボードは、システムの制御に使用されます。LEDストリップ(あるいは、それを内部制御するWS2811)は、単線パルス幅ベースの通信であり、Arduino IDEに含まれているAdafruit NeoPixelライブラリによって処理されます。コミュニケーション、ディスプレイルーチン、ユーザーインターフェイス、リレー制御のすべてが、Arduinoボードによってプログラムされ、制御されます。

ラベル付きArduino Unoボードの画像
図7:Arduino Unoボード
LED通信タイミングを示すチャート
図8:WS2811通信タイミング

MUXボード

各小型ストリップには、Arduino Unoが制御するMUXボードによって単一の通信回線にデマルチプレクサされた単一のワイヤー通信回線が備わっています。マルチプレクサボードは、中央給電ポイントとしても機能します。SDI65-12-Uからの外部電力をMUXボードに直接差し込みます。電源から出力された12Vは、MUXボードからリレーボードと、デマルチプレクサ用に5Vに変換するV7805-1000スイッチングレギュレータの入力に分配されます。5VレールもArduinoに出力され、そのボードを通じてボタンと現在の検知ボードへと出力されます。

MUXボードの写真
図9:MUXボード
MUXボード回路図
図10:MUXボード回路図
カテゴリー 説明 参照 数量
コネクター 2.0 x 6.5 mm、5.0 A、水平、サーフェイスマウント(SMT)、DC電源ジャックコネクター J8 1
コネクター CONN HEADER VERT 10POS 2.54MM J1, J2, J3 3
スライドスイッチ 5A/120V単極双投スライドスイッチ S1 1
電線 - ボード端子 TERM BLK 2P SIDE ENT 2.54MM PCB J4, J5, J6, J7, J9 5
電線 - ボード端子 TERM BLK 2P SIDE ENT 5.08MM PCB J10 1
スイッチング レギュレータ DC-DC NON-ISOLATED、2 A、8~36 VD DC1 1
セラミックコンデンサ CAP CER 0.1UF 50V X7R RADIAL C3, C4, C5 3
電解コンデンサ CAP ALUM 1UF 20% 50V RADIAL C2 1
Alポリマーコンデンサ CAP ALUM POLY 470UF 20% 16V T/H C1 1
LED LED GREEN DIFFUSED T-1 3/4 T/H D1 1
MUX IC 3-8 LINE DECODER/DEMUX 16-DIP MUX0, MUX1, MUX2 3
抵抗器 RES 1.2K OHM 1/8W 5% CF AXIAL R1 1
図11:MUXボードBOM

電流検知ボード

電流検出ボードは過電流保護(OCP)回路の一部です。LEDへの電流はこのボード上の電力抵抗を通って流れ、この抵抗の電圧(LED電流に比例する)は、オペアンプによって検出および増幅され、Arduinoに出力されます。このアンプのゲインは、最小ゲインが1、最大ゲインが11のポテンショメータによって制御されます。通常は5に設定します。それによって出力は入力信号の2.5A/Vになります(5Aで2V)。二次ポテンショメータによってしきい値が設定されるコンパレータが、OCPしきい値を超えたかどうかを検出します。これによりLEDインジケータを点灯させ、Arduinoにロジック信号を出力します。このボードは、MUXボードのV7805-1000 5Vレールによって電力供給されます。また、内部的にもオペアンプに対して、反転構成でV7805-1000を使用して-5Vのレールを作成します。

現在のボードの写真
図12:電流検知回路
現在のボードの回路図
図13:電流検知ボードの回路図
カテゴリー 説明 参照 数量
抵抗器 RES 5.1K OHM 1/8W 5% AXIAL R2, R8 2
OP-AMP IC OPAMP GP 1 CIRCUIT 8DIP U2, U3 2
抵抗器 RES 10K OHM 1/8W 5% AXIAL R5, R6, R10 3
LED LED GREEN DIFFUSED T-1 3/4 T/H D1 1
LED LED RED DIFFUSED T-1 3/4 T/H D2 1
トランジスタ MOSFET N-CH 60V 200MA TO-92 Q1, Q2 2
電線 - ボード端子 TERM BLK 2P SIDE ENT 2.54MM PCB J1, J2 2
セラミックコンデンサ CAP CER 0.1UF 50V X7R RADIAL C2, C3, C4 3
スイッチング レギュレータ DC-DC NON-ISOLATED、2 A、8~36 VD U1 1
抵抗器 RES 470 OHM 1/8W 5% AXIAL R1 1
コンデンサ CAP ALUM 47UF 20% 25V THRU HOLE C1 1
抵抗器 RES CHAS MNT 0.1 OHM 5% 16W R4 1
セラミックコンデンサ CAP CER 0.01UF 50V X7R RADIAL C5 1
トリムポット TRIMMER 10K OHM 0.2W PC PIN TOP R3 1
トリムポット TRIMMER 50K OHM 0.2W PC PIN TOP R7 1
図14:電流検知ボードBOM

リレーボード

このリレーボードはシンプルなリレーとドライバーです。制御入力がハイになったら、リレーはLEDの電源を入れ、ローになるとLEDへの電力供給が停止されます。このボードは、MUXボードを介してSDI65-12-U-P6からの12Vで駆動します。

リレーボードの写真
図12:リレーボード
リレーボード回路図
図13:リレーボード回路図
カテゴリー 説明 参照 数量
電線 - ボード端子 TERM BLK 2P SIDE ENT 2.54MM PCB J1, J2, J3 3
トランジスタ Bipolar (BJT) Transistor PNP 40V 200MHz 600mW Through Hole TO-92 Q1 1
トランジスタ N-Channel 60V 200mA (Ta) 400mW (Ta) Through Hole TO-92-3 Q2 1
抵抗器 RES 2.2K OHM 1/8W 5% AXIAL R1 1
抵抗器 RES 110K OHM 1/8W 5% CF AXIAL R3 1
抵抗器 RES 1.2K OHM 1/8W 5% CF AXIAL R2 1
リレー RELAY GEN PURPOSE DPDT 5A 24V K1 1
図14:リレーボードBOM

ボタンボード

ユーザは、電位差計を介してLEDの輝度を制御できます。ユーザーは3つのボタンを使って、さまざまなディスプレイルーチンとカラー設定を繰り返すことができます。このボードは、MUXボード上のV7805-1000から来る5Vによって電力供給されます。

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図14:ボタンボード
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図15:ボタンボードの概略図
カテゴリー 説明 参照 数量
ボタン SWITCH PUSHBUTTON SPST 1A 30V S1, S2, S3 3
電線 - ボード端子 TERM BLK 2P SIDE ENT 2.54MM PCB J1, J2, J3 3
セラミックコンデンサ CAP CER 0.1UF 50V X7R RADIAL C2 1
LED LED GREEN DIFFUSED T-1 3/4 T/H D1 1
抵抗器 RES 4.7K OHM 1/8W 5% AXIAL R1 1
電解コンデンサ CAP ALUM 10UF 20% 16V RADIAL C1 1
抵抗器 RES 110K OHM 1/8W 5% CF AXIAL R2, R3, R4 3
ポテンショメータ POT 10K OHM 1/5W PLASTIC LINEAR R5 1
図16:ボタンボードBOM

結果

ボードをはんだ付けして組み立てたら、いくつかのディスプレイルーチンをプログラムする番です。このボタンを使用することで、ユーザーはさまざまなルーチンを繰り返したり、すべてのLEDのオンとオフを切り替えたり、単色を循環させたりすることができます。またポテンショメータによってLEDの輝度を調節することもできます。ただし、メモリーは限られていますので、このルーチンの数や複雑性には限界があります。

最初のルーチン(私がすべてのLEDストリップを追加し終える前)では、ポテンショメータを外部アナログ入力に置き換えました。マイクロフォンとレベル検出回路をこの入力に使い、マイクの音量によってLEDが制御されます。

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もうひとつのルーチンは、エッジに当たると色が変わる、バウンシングスクエアーでした。

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最後に、OCPの機能をテストするために、オールホワイト設定を追加しました。輝度が上がるとOCP回路が起動します。次のクリップでは、プログラムされたディスプレイルーチンを切り替えるボタンボードについても示します。

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その他のリソース


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Ron Stull

Ron Stull

電力システムエンジニア

Ron Stullは2009年にCUIに参入して以来、アナログおよびデジタル電源、そしてAC-DCおよびDC-DC電力変換の分野で知識と経験を積み重ねてきました。彼はこれまで、アプリケーションサポート、テスト、検証、設計などの責任者としてCUIのエンジニアリングチームで重要な役割を担ってきました。Ronは、電力エンジニアリング以外では、ギターを弾いたり、ランニングをしたり、アメリカの国立公園をすべて訪れることを目標に妻とアウトドアを楽しんでいます。

 
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