Techniek - Stroboscoop schakeling met microcontroller 16F84A of 16F628
Politie-flitslichten
Zolang ik mij kan herinneren hebben de stroboscoop lichtbakken van de politie mij gefascineerd. Nu hebben blauwe knipperende lampen natuurlijk toch al een grote aantrekkingskracht, maar de stroboscopen die op menig politiewagen zaten, vond ik interessanter. Twee óf drie flitsen van de linkerflitsbuis, dan twee of drie flitsen van de rechterflitsbuis, dit patroon enkele keren in herhaling en daarna snel links en rechts achter elkaar knipperend. Dan een korte pauze en het geheel begon weer van voor af aan.
Met conventionele elektronica is het een behoorlijke opgave dit effect na te maken: de stroboscopen zijn het probleem niet, maar de elektronica die het flitspatroon moet opwekken wordt zonder microcontroller behoorlijk complex.
Flitspatroon via microcontroller
Rond 2005 of iets dergelijks zette ik m'n eerste stappen in het programmeren van PIC-microcontrollers.
Na veel ploeteren had ik het patroon wat ik wou en een flinke berg blauwe LEDs deden aardig hun best de toeschouwer te verblinden (nee, het is nooit op of in een auto gebouwd).
Stroboscopen aansturen was echter nog een heel ander verhaal. Een beetje afgeschrikt door het feit dat het netspanningsgevoedde apparaten zijn en nog niet al teveel op de hoogte van de werking van diacs, triacs en thyristors, hadden enkele proeven tot dan toe weinig opgeleverd.
Dat veranderde toen ik beter begreep wat de diac doet in de simpele 20 Watt stroboscoopjes die je in menig elektronicazaak kan kopen.
Samen met een triac die ik via een optocoupler aanstuurde, kon ik de flitser nu ineens laten flitsen wanneer ik dat wou en verbonden met de microcontroller was dat een koud kunstje.
Opgelet!
Om de stroboscoop te verbouwen, moet deze geopend worden. Als deze net aangestaan heeft, kunnen daar nog dodelijke spanningen op de aanwezige condensators of elco's aanwezig zijn. Niet elke stroboscoop ontlaadt deze netjes is mijn ervaring, dus zelf ontladen en vooral meten of er nog gevaarlijke spanningen aanwezig zijn, is een must. Uiteraard werk je alleen met de stekker van de stroboscopen uit het stopcontact!
De standaard autonoom flitsende stroboscoop uitgelegd
De binnenkomende netspanning wordt gelijkgericht, waardoor er zo'n 300 tot 400 Volt gelijkspanning beschikbaar is (dit verschilt per apparaat). Met deze gelijkspanning wordt een condensator, of meerdere condensatoren parallel, opgeladen.
Zodra de condensator ver genoeg opgeladen is, zal een diac een puls op de triggertransformator veroorzaken, die op zijn beurt de buis ontsteekt.
De energie, opgeslagen in de condensators wordt vervolgens in de flitsbuis gedumpt en er wordt een heldere flits geproduceerd.
De diac
De diac in dit verhaal is misschien wel het belangrijkste onderdeel.
Een diac is een onderdeel dat van zichzelf niet zomaar geleidt. Pas als de spanning over zijn aansluitingen tot een bepaalde waarde is gestegen (meestal zo'n 30 Volt), zal de diac gaan geleiden: de ontsteekspanning is bereikt.
De geleidende toestand is trouwens in beide richtingen en de aansluitingen worden daarom A1 en A2 of Mt1 en Mt2 genoemd. Daarnaast geleidt de diac alleen zolang de stroom boven een bepaalde waarde blijft. Die waarde wordt de houdstroom genoemd.
De diac in de stroboscoop is zo verbonden met de condensator dat deze als het ware 'kijkt' hoe vol de condensator is. Samen met een potmeter is de schakeldrempel in te stellen. De condensator laadt op en bij een bepaalde spanning zal de diac gaan geleiden.
Ontstekingstransformator
De diac is weer verbonden met de ontstekingstransformator, vaak ook triggertransformator genoemd.
Primair heeft een dergelijke transformator weinig wikkelingen van relatief dik draad, terwijl de secundaire uit veel wikkelingen van dun draad bestaat. Daarnaast is 1 aansluiting van de primaire verbonden met die van de secundaire. De transformator lijkt daardoor sterk op de ontstekingsspoel zoals die in auto's gebruikt worden.
Zodra de diac geleidt, zal de puls naar de triggertransformator een hoogspanningspuls op de uitgang van de trafo veroorzaken. Deze puls kan enkele kiloVolts bedragen. De uitgang van de triggertrafo is verbonden met een metalen strip of draad die bij de flitsbuis aanwezig is en zal zo het gas ontsteken. Het gas in de buis begint te geleiden, de condensatoren dumpen de energie in de buis en de buis flitst.
Omdat de condensator hierna leeg is en de buis niet meer geleidt, loopt er te weinig stroom om de diac in geleiding te houden en alles begint van voor af aan.
Triac: op commando ontsteekbare diac
De diac is ook in dit artikel de belangrijkste component. Door dit onderdeel te vervangen door een triac, kunnen we de ontsteekpuls richting ontsteektrafo zelf bepalen.
De triac is eigenlijk een diac met een aansluiting om deze op commando te ontsteken. De aansluitingen heten M1, M2 en G (soms Gate). Vroeger werd A1, A2 en gate gehanteerd.
Verder gaat voor een triac hetzelfde op als voor de diac: hij geleidt in beide richtingen en de stroom moet boven een bepaalde waarde blijven om in geleidende toestand te blijven. Daarbij komt wel dat als de gate van stroom voorzien blijft worden, de triac ook zal blijven geleiden.
De stroboscopen aanpassen
Afhankelijk van het effect dat je wil realiseren heb je 1 (of meer) stroboscopen nodig.
Voordat je de diac op gaat zoeken om deze te vervangen door een triac, is het handig de stroboscopen even te testen. Anders weet je niet of een weigerende stroboscoop aan je knutselkunsten ligt, of de stroboscoop überhaupt nooit gewerkt heeft.
Als de stroboscopen werken, kun je de stekker uittrekken en de boel openschroeven, zoals genoemd is de binnenkant een linke boel vanwege de mogelijk nog geladen condensatoren. De lading hierin kan je een forse oplazer geven en ik spreek (helaas) uit ervaring!
Zoek de diac!
Zoek op de print de diac op. Bij niet elk model is dat even duidelijk, maar bij een van mijn onder handen genomen modellen was die niet te missen. Onder de diac stond duidelijk 'diac' op de print gedrukt.
De diac heeft vaak het uiterlijk van een diode, maar de streep die altijd op diodes staat wil nog wel eens ontbreken. Dat laatste is ook niet zo vreemd, daar een diac in beide richtingen kan geleiden.
Soldeer de diac uit de print en plaats op de plek van die aansluitingen de A1 en A2 aansluiting van de triac. De gate zul je waarschijnlijk om moeten buigen om contact met andere componenten te voorkomen.
De optische koppeling: een galvanische scheiding
De triacs doen wat ze moeten doen, maar bezitten 1 nadeel. Er is géén galvanische scheiding tussen de triac en de stuurelektronica mogelijk. Dat kan ook niet, daar de stuurstroom via de gate naar A2/MT2 vloeit. Omdat MT2 met de stroboscoop verbonden is, staat daar netspanning op. Dat betekent echter dat er zonder scheiding ook netspanning op de microcontroller komt te staan. Dat maakt de schakeling niet aanraakveilig meer maar zou ook best verkeerd af kunnen lopen voor het IC.
Daarom is er een galvanische scheiding in de vorm van een optische koppeling aanwezig, verkregen door een optocoupler type MOC3020. Dit type optocoupler heeft geen extra voeding nodig aan de hoogspanningskant om de overgedragen puls voldoende sterk te maken om een triac aan te sturen. Dit zorgt ervoor dat er minder onderdelen nodig zijn en minder verbindingen.
Schema voor in de stroboscoop
R1 = 150 Ohm T1 = TIC226D IC1 = MOC3020 (K3020 is een equivalente benaming) D1 = LED rood
Op de punten 'aansluiting diac in stroboscoop' wordt de triac aangesloten. De aansluiting van Mt2 dient met een goed geïsoleerd draadje naar de optokoppelaar teruggevoerd te worden.
De microcontroller-kant
Om de stroboscoop of stroboscopen in een complex patroon te laten knipperen, is er uiteraard ook een microcontroller en bijbehorende software nodig. Hoewel het gebruik van een PIC16F84A of PIC16F628 wat overdreven is voor het simpele gebruik in deze schakeling, zijn het wel gangbare, goed verkrijgbare controllers.
Daarnaast worden slechts 2 uitgangen echt gebruikt voor 2 stroboscopen, dus met de overige pinnen kunnen nog veel meer andere zaken aangestuurd worden.
Programma beknopt in woorden uitgelegd
De software zou ik helemaal uit kunnen leggen, maar veel overzichtelijker is het als ik de code in woorden uitleg.
De controller voert deze lus 4 keer uit:
Links flitst 3 keer
Rechts flitst 3 keer
Daarna volgt 3 keer:
Links
Rechts
De controller pauzeert kort en begint daarna overnieuw.
De schakeling met de 16F84A: oscillator extern
De 16F84A is voor de klokfrequentie afhankelijk van een kristal, een weerstand en een condensator of externe klokgenerator. Ik heb gekozen voor een kristal en 2 condensatoren, opgebouwd met X1, C1 en C2.
Omdat de microcontroller met slechts 136 regels programmacode behoorlijk leeg is en het programma constant herhaalt, valt er niets te resetten en wordt pin 4 (Reset) hooggehouden door R1. C1 zorgt voor de nodige ontkoppeling.
Tussen S1A en S1B (en indien gebruikt, S2A en S2B) sluit je het schema met de optokoppeling en triac aan. Het spreekt voor zich dat wanneer je meer dan 2 flits-apparaten hebt, je deze op dezelfde manier aansluit als S1 en S2, alleen dan op andere pinnen. Vergeet in dat geval niet om de programmatuur aan te passen.
De waardes voor C1 en C2 komen niet zo nauw: op 22 pF zal de controller het ook prima doen.
Schema en onderdelenlijst voor PIC16F84A
R1 = 10k C1 = 100 nF C2, C3 = 18 pF X1 = 4 MHz kristal IC1 = PIC16F84A
Code voor de 16F84A
De code voor de 16F84A controller kun je hier downloaden.
Als je de flitspatronen wilt wijzigen of beter wilt begrijpen wat er in de controller gebeurt, kun je het .asm bestand gebruiken, waarin de kale assembler code te vinden is.
Wil je de code niet veranderen maar direct via een daartoe geschikt programma via de programmer in een PIC laden, dan heb je aan het hex-bestand genoeg:
Schakeling met de PIC16F628
Als je dezelfde schakeling wil maken met de 16F628 controller, ziet de schakeling er met mijn programmatuur iets anders uit. Door gebruik van de interne oscillator vervallen de condensatoren en een kristal.
Daar pin 4 als I/O geprogrammeerd is en niet als RESET, hoeft er ook geen weerstand gebruikt te worden om deze pin hoog te houden. Alleen condensator C1 komt overeen en zorgt voor ontkoppeling. IC1 is uiteraard de PIC16F628.
Code voor de 16F628
De programmatuur voor de 16F628 is zodanig geschreven dat je voor elke stroboscoop een van 4 uitgangen kunt gebruiken: 6, 7, 8 en 9 nemen links voor hun rekening en 10, 11, 12 en 13, rechts.
De code voor de 16F628 controller kun je hier downloaden. Ook hier biedt ik zowel het .asm bestand als het .hex bestand, om zowel te kunnen wijzigen als direct laden in een PIC.
Enkele foto's
In het midden is het breadboard te zien met de microcontroller erop. Links en rechts ervan liggen de stroboscopen. Voor de veiligheid ligt daar een plastic doosje overheen.
Omdat ik op deze foto nog gebruik maakte van een ander type optokoppeling, moest er voor elke stroboscoop een losse voeding gebruikt worden. Daarvoor dienen de 2 lood-accu's op de foto.
Een stukje veilig- en handigheid: een 4 ampere automaat zorgt ervoor dat een kortsluiting in een van de stroboscoopen niet het halve huis platlegt.
Het resultaat op video
Ik heb het resultaat van deze schakeling destijds ook gefilmd. Helaas zijn flitsende dingen moeilijk te filmen: derhalve zul je merken dat er in het filmpje wat 'flitsen' lijken te ontbreken. Wanneer je naar het geluid luistert is echter duidelijk het ontsteken van de stroboscopen in het programmaritme te horen.