Lampda - Partie 2

Partie 2 - Choix techniques

En déroulant les spécifications de la Partie 1, on peut décider de solutions techniques réelles. Ce post déroule ces solutions et les justifications qui accompagnent leurs choix :

Châssis

Choix d’un tube en PVC de taille standard :

• standard facile à se procurer
• répartition des forces équilibrée
• pas d’angles aigus autour dequels les rubans risquerait de s’abimer

Les diamètres utilisés peuvent êtres de 20 mm à 80 mm, par incréments de 10 mm. Les diamètres les plus agréables sont le 40 mm, 50 mm et 6 0mm, avec une canette standard entre 55 mm et 60 mm.

Afin de garder un peu de marge pour l’épaisseur des LEDs et la protection autour, le choix sera un tube de diamètre 50 mm, avec une paroi de 2 mm d’épaisseur. L’épaisseur de 2 mm est un bon compromis entre la solidité et la place interne du tube.

Ce choix nous donne les possibilités suivantes en configuration de batteries :

• 18650 x 4 batteries Li-ion
• 21700 x 3 batteries Li-ion

Configurations possibles :

La hauteur du tube sera fixée a 125mm, qui est le meilleur compromis en terme de taille/sensation/visuel, et permet de contenir largement les batteries et le circuit.

Choix d’un tube PVC 125mm de haut, diamètre externe 50mm, diamètre interne 46mm

Ce tube posera des contraintes de conduction de chaleur, et limitera la capacité du système a être utilisé a forte puissance.

Pièces sur mesure

Les extrémitées du tube seront refermées par des pièces sur mesure. Ces pièces auront des formes complexes, et ne nécéssiteront pas de résistance particulière.

Ces pièces seront fabriquées en PDA par FDM (Dépôt de Matière Fondue, aka impression 3D) pour avoir une grande liberté de formes et un coût réduit. Leur utilisation ne sera pas affecté par les faiblesses de la FDM (fragilité le long des couches, faible résistance a la chaleur, …) et de la FDA (dégradation dans l’eau, au soleil, …).

Ressource sur la fabrication de pièce 3D (choix de matières etc)

Éclairage

Caractéristiques communes

Afin de minimiser le temps d’assemblage, on utilisera un ruban plutôt que des LED individuelles a souder. De plus la plupart des rubans LED sont équipés d’un dos autocollant, ce qui résoud le problème de “comment fixer les LEDs”. Ils sont également sectionnables tous les quelques centimètres, et visuellement jolis pour les versions COB.

Les rubans sont aussi majoritairement pilotables en CV (constant voltage) plutôt que CC (constant current), ce qui est plus facile a calibrer pour une alimentation électronique.

Afin de ne réduire la taille des composants, le courant utilisé devra resté faible (< 3 Ampères), ce qui implique une tension d’alimentation plus élevée. De plus, l’intensité lumineuse ne doit pas chuter sur la distance du ruban, ce qui tant a arriver avec des tensions plus basses sur de long rubans. Cela peut être résolu en soudant une alimentation des deux cotés, mais ça ajouterai des constraintes structurelles et d’assemblage en plus.

Mon choix se porte donc sur des rubans 12 V, plus faciles a gérer que du 24 V avec l’électronique que je prévois d’utiliser.

L’équation pour le maximum de la longueur d’un ruban enroulé autour d’un tube sera :

$$L \leq \frac{H}{p} \cdot \pi \cdot D$$

Avec $L$ la longueur du ruban pour couvrir le tube de haut en bas, $H$ = 125mm, $D$ = 50mm, et $p$ la largeur du ruban.

Donc la longueur du ruban sera $L ≤ 19634.375 / p$.

Lanterne jaune

Pour la lanterne jaune, la couleur doit se rapprocher d’un jaune bougie (1800 - 2000 Kelvin).

La densité de leds n’est pas trés importante dans ce cas, la différence est visuellement minime et la consommation similaire entre les hautes et basses densités.

La largeur du ruban peux aller de 5 mm à 10 mm, les rubans plus larges conduisants mieux la chaleur et l’électricité, mais étant visuellements moins beau. Utiliser un ruban plus fin reviendra aussi a utiliser plus de ruban en l’enroulant autour du tube.

Mes précédents prototypes utilisaient des rubans 480 L/M de 8 mm de large.

J’ai donc choisi 480 LEDs/mètres a 12 V, format COB, ruban de 8 mm de large, consommation annoncée de 1 A/m.

La longueur du ruban $L$ sera $L ≤ 19634.375 / 8$, c’est a dire $L ≤ 2454.3$ mm

La lampe jaune sera donc équipée d’un ruban de 2.45 mètres.

Sa consommation sera donc de $2.45 m * 1 A/m = 2.45 A$, c’est à dire en Watt $2.45 A * 12 V = 29.4 W$.

Mesures réelles

Mesures sur des échantillons réels sur banc d’éssai, longueur de 2.5M :

Lanterne colorée

Pour la lanterne colorée, je veux au moins 100 L/m pour avoir un résultat visuellement plaisant et facile a installer. je voudrais aussi pouvoir controller individuellement chaque pixel. Cela oriente le choix vers un ruban RGB indexable COB.

La largeur du ruban peux aller de 5 mm à 10 mm, les rubans plus larges conduisants mieux la chaleur et l’électricité, mais étant visuellements moins beau. Utiliser un ruban plus fin reviendra aussi a utiliser plus de ruban en l’enroulant autour du tube, mais plus de LEDs a contrôler.

J’ai donc choisi 160 LEDs/mètres a 12 V, format COB, ruban de 5 mm de large, consommation annoncée de 0.75 A/m, controlable avec le protocol WS2812B.

Le choix aurait également pu être un ruban identique de 240 L/m, mais son prix était prohibitif par rapport a la différence visuelle, et la documentation en plus peu fiable sur ses caractéristiques physiques, et la mémoire nécessaire augmente rapidement.

La longueur du ruban $L$ sera $L ≤ 19634.375 / 5$, c’est a dire $L ≤ 3926.875$ mm

La lampe jaune sera donc équipée d’un ruban de 4 mètres, ce qui donnera $4 m * 160 L/m$ = 640 LEDs individuellements controlables .

Sa consommation sera donc de $4 m * 0.75 A/m = 3 A$, c’est à dire en Watt $3 * 12 V = 36 W$.

Mesures réelles

Mesures sur des échantillons réels sur banc d’éssai, longueur de 4M :

La vraie densité de LEDs est plutôt de 162.6 L/m.

Protection des LEDs

Pour protèger les LEDs de l’environnement, elles doivent être recouvertes par une protection transparente.

Des rubans existent en IP67, mais pas ceux sélectionnés, qui sont IP20.

Possibilité d’un tube en plastique rigide transparent: difficile a intègrer, doit être épais pour être solide, retient la chaleur. Mais facile a integrer sans plus de travail : couper un cyclindre d’acrylique est aussi difficile que couper un cylindre PVC donc l’integration est facile. Étanche ! Mais a tendance a se rayer facilement.

Gaine thermorétractable transparente ! J’en ai testé plusieurs, et le meilleur compromis efficacité/ergonomie est une gaine trés épaisse, ce qui le rend solide, agréable en main, assez élastique pour absorber des chocs.

Quelques problèmes par contre :

• Retient la chaleur, par design. Ces gaines rétrécissent a la chaleur, donc elles ne sont pas trés conductrices, et surchauffent la lampe. Ca diminue beaucoup l’efficacité en éclairant fort.
• Complexité a l’installation : couper des bouts a la bonne taille c’est facile, mais apres il faut les enfiler par dessus les leds (en évitant la poussiere et autres trucs), chauffer le tout (ce qui peux déformer le tube PVC si on chauffe trop), et découper l’exces aprés rétrécissage (ce qui prend du temps)
• Vieilli mal: moins facile a rayer que de l’acrylique, mais terni et se détend un peu a long terme. Se répare facilement en la passant rapidement sous un flux d’air chaud, et en nettoyant la gaine a l’eau.
• Maintenance destructive: Impossible de réparer un problème avec les LEDs sans couper la gaine et en mettre une nouvelle. C’est un petit problème mais a garder en tête quand même.

Alimentation

Batteries

Pour une durée d’utilisation typique de 5H, la lampe consommera :

Pour supporter les deux types de lampe avec le même matériel, on aura besoin d’une batterie qui peux fournir 39WH minimum. En imaginant un rendement minimum de 90%, ça demande une batterie de 43WH minimum.

Possibilités de configuration selon le tube choisi :

• 4 x 18650 Li-ion, maximum a environ 3.5AH par cellule, c’est a dire 4 x 3.7V x 3.5AH = 51.8WH
• 3 x 21700 Li-ion, maximum a environ 5AH par cellule, c’est a dire 3 x 3.7V x 5AH = 55.5WH

Li-ion 3S ou 4S pour maximiser l’efficacité autour de 12V: la convertion sera plus efficace si il y a peu de différence de voltage.

La configuration 4S1P est théoriquent la meilleur d’un point de vue electronique ça elle a seulement besoin d’un buck converter. C’est théoriquement la configuration la plus efficace en composants électrique et en rendement. Elle a cependant besoin d’une batterie en plus a assembler, ce qui ajoute un fil et une plaquette de nickel a souder. Ca ajoute du temps de construction et un potentiel de casse plus élevé des fils entre batteries. De plus les 18650 ont un courant un peu faible pour tenir la charge du ruban de LEDs, ce qui ajoute au risque d’emballement thermique des batteries Li-ion.

La configuration 3S1P des 21700 est plus adapté dans ce cas, car avec une batterie en moins avec un gain de capacité, on gagne également en temps d’assemblage et fiabilité. Les 21700 peuvent également fournir plus d’Ampères que les 18650, ce qui permettra de maintenir une meilleure fiabilité a forte luminosité. Cette configuration nécéssite par contre un circuit buck/boost pour convertir une entrée de 9 V à 12.6 V en tension stable de 12 V, ce qui nécéssite un peu plus de composants électroniques et est un peu moins efficace.

Ajout d’un connecteur JST XH-2 pour brancher/débrancher la batterie. Évite de souder des « hot wires » de batteries, qui provoquent beaucoup de problèmes de cours-circuits quand on les soude. Le connecteur est également plus résiliant que des fils simplement soudés et facilite l’assemblage et l’entretient. Ce type de connecteur est prévu jusqu’à 3 A. Ajout d’un port femelle a souder sur le circuit (étape manuelle d’assemblage en plus).

Référence de batterie choisi : INR21700 M50LT : 4930mAh, 14.4A. Non protégés. Avec wrap.

Stocks issus d’un projet automobile annulé, donc moins chers mais avec des restes de soudure (pas important dans notre cas) prix de gros TTC : 1.85€ par accu (achat de 640 accus)

Le wrap est essentiel car les batteries sont physiquement trés proches et sans le wrap elles seraient en cours circuit entre elles.

Le poid d’une batterie est approximativement de 60 g à 80 g, donc de 180 g à 240 g pour la batterie totale.

Donc : pack de batterie pouvant donner jusqu’à 14.4 A pic, 54.7 W/H de capacité (4.93 A/H * 3.7 V * 3).

Durée de fonctionnement estimée :

Ce sont des estimations qui ignorent les pertes, mais sont indicatives du fait que les batteries choisies correspondent aux objectifs d’autonomie.

Dans la réalité, les batteries ne seront pas utilisées a 100% de leur capacité non plus pour optimiser leur durée de vie.

Port de charge

Je veux un port compact, solide, supportant charge et communication USB, et permettant la charge rapide. Ca implique des fils de donnée et des fils de négociation PD (PowerDelivery).

Possibilité d’utiliser un port USB soudé sur la carte et prévoir que les pièces platiques puissent laisser passer ce port, avec un joint pour l’étanchéité, comme sur certains téléphones.

Ou utiliser un port déporté, sur un autre circuit ou même un composant totalement a part.

Le port déporté est plus facile a gérer pour moi, plus facile à se procurer, a remplacer, plus facile a étanchéifier.

• Trouvé port USB-C étanche déporté avec 6 fils de contrôle (VBUS, GND, D+, D-, CC1, CC2). VBUS pour la puissance, D+ D- pour la communication, CC1 et CC2 pour la négociation de puissance. Puissance max par le fil de VBUS : 3 A.

Ce port ajoute un composant a visser sur un capuchon et 6 fils a souder sur le circuit.

Je veux protèger électriquement le port de l’environnement et des mauvais usages :

• cours circuit
• voltage trop haut (> 20 V)
• ESD (Décharge ElectroStatiques)
• Cours circuit vers VBUS

-> Trouvé le composant TPD8S300 de TexasInstruments, dédié a la protection des ports USB-C, sauf de la ligne VBUS. Pour la ligne VBUS, ajout d’une diode ESD de 22 V.

Négociation de puissance de charge

Pour négocier la puissance en entrée sur le port USB (utilisation du PowerDelivery), besoin d’un composant dédié. Je veux choisir un composant trés répandu, pour lequel des drivers ont déjà été faits, et avec un coût et taille faible.

• choix initial du RT1715, qui n’a jamais fonctionné avec mes circuits.
• changement pour le FUSB302 qui a la meme empreinte et pins.

Ce composant peux négocier en PD2.0 tout les PDO standard (jusqu’à 20V 3A) et des PDO spéciaux jusqu’à 100 W (20 V 5 A). Il est également capable de changer de rôle (source -> sink / sink -> source), ce qui permet d’implémenter le mode batterie externe.

Les PDO au dessus de 20 V 3 A sont disponibles pour les chargeurs standard que avec une circuiterie VCONN, que j’ai décidé de ne pas ajouter, mon port USB étant limité a 3 A, et les batteries ne pouvant pas fournir assez de courant.

Le système aura donc accés a de nombreuses configurations de voltages et ampères en entrée (PDO).

Chargeur et équilibrage

Composant de charge

Le système doit pouvoir charger une batterie 3S1P depuis une entrée port USB-C (5V-20V négociable via PD).

• choix initial de BQ25703A, qui prend en entrée de 3.5 V a 24 V, et une sortie de 4.48 V a 20.8 V. Support i2c, avec l’addresse 0xD6. Mode OTG qui permet d’envoyer une tension sur le port USB (mode batterie externe). Exellentes performances annoncées.
• changement pour le composant BQ25713 qui propose une meilleure résolution OTG, et est plus moderne (addresse 0x6B).

Ce composant est un chargeur de batteries Li-ion, associé a un ensemble de capteurs intégrés, un watchdog, un mode sommeil et un mode OTG qui permet de l’utiliser comme générateur de tension réglable, de 3 V à 22 V. Il peux également gèrer jusqu’à 6 A, ce qui est au dessus de ce que les batteries peuvent fournir, ce qui laisse une bonne marge de sécurité.

Équilibreur de batteries

Avec le chargeur, il faut prévoir un composant pour équilibrer les batteries entre elle, pour qu’elles soient toujours au même voltage.

Critères : support 3S, I2C, peu de composants, petit format.

• Oriente vers un équilibreur passif, qui nécéssite moins de composants mais qui est aussi moins efficace. Les batteries seront équilibrées uniquement lors de la charge pour compenser ce manque d’efficacité.
• choix du BQ76905 (addresse 0x08), équilibreur pour 2 a 5 cellules, multiples capteurs. Taille trés réduite !

Ce composant peux même servir de BMS, et propose de nombreuses sécurités, que je ne vais pas utiliser car elles sont redondantes avec celles du BQ25713 et je manque déjà de place sur le circuit.

Possibilité de l’utiliser comme watchdog hardware, mais j’ai loupé cette possibilité lors du design.

Alimentation des LEDs

J’avais prévu au départ d’ajouter un composant dédié, et la il y a eu une réalisation : le mode OTG du module de charge de batterie remplit déjà ce rôle ! Il peux produire une tension programmable entre 3 V et 20 V, avec un maximum de 6 A, parfait pour ce que je veux.

Puisque qu’on a une sortie OTG programmable et un microcontroleur pour gérer la logique, on peux utiliser une porte électronique entre l’USB et la sortie OTG, comme ça la lampe peux aussi faire batterie externe. Le mode battery externe est une fonctionnalité bonus a implémenter en software plus tard, qui ne coute pas plus cher a mettre sur le circuit.

Donc pour la suite j’ai décidé d’ajouter une porte USB-C, et une porte alimentation externe, qui me permettent de choisir ou envoyer la puissance générée par le chargeur.

Seul bémol de cette méthode : on ne peux plus charger et allumer la lampe en même temps, ce qui est un bon tradeoff selon moi. Il faudra également prévoir en soft que le contrôle de la luminosité des rubans ne sera pas linéaire, car ils seront contrôlés par CV plutôt que CC.

Portes de puissance

Afin de choisir si on veux envoyer de la puissance aux LEDs ou au port USB, il faut deux portes : l porte USB doit laisser passer de 3 V a 20 V, et supporter le fast role swap.

• choix du UCS3205T, compact et fait spécialement pour cette application

Pour la porte de puissance des LEDs, création d’une porte sur mesure a base de MOSFET P-channel, les memes que j’ai utilisés autour du chargeur de batteries.

Le premier prototype utilisait une low side gate, plus avantageuse niveau puissance et composants.

Cette low side gate à produit des cas ou j’ai vu des fuites de puissance par les fils de signal de mes LEDs. La high side gate est bien plus sure car elle isole completement le circuit aprés elle. Elle est cependant un peu moins efficace et produit une petite baisse de tension et un échauffement quand le courant est fort.

Choix du microcontroleur

Besoin d’un microcontroleur avec interface USB, assez de GPIO pour gérer les composants et capteurs. Doit avoir assez de puissance et mémoire pour être libre de dev dessus sans trop s’inquieter des limites (affichage des 580 pixels a plus de 60FPS), et surtout de consommer le minimum de batterie en mode sommeil. Nombre de GPIOs nécéssaires :

• 2 pour la communication avec les composants (i2c)
• 5 pour les portes de puissance (2 pour activation, 1 pour statut, 2 pour controle de OTG)
• 3 pour le chargeur BQ25713 (OTG_En, Charge_OK, Proc_Hot)
• 1 pour le statut du composant de protection TPD8S300
• 2 pour USB PD FUSB302 (statut + interrupt)
• 1 pour l’équilibreur BQ76905 (statut)
• 1 pour le bouton
• 1 pour le signal de contrôle du ruban LED (sur la version RGB)
• 3xPWM pour l’indicateur RGB

Au total, au minimum 19 GPIO !!!! Ca demande un gros microcontroleur.

• Nordik Semi produit les puces NRF, qui contiennent une interface USB intégrée, bluetooth, pleins de mémoire et ram, une consommation idéale en mode sommeil, beaucoup de GPIO.
• J’ai déjà travaillé avec, donc je connais l’environnement, et j’ai deja un proto de lampe qui fonctionne avec, moins de risques et de travail de recodage. Premier proto de lampe fait avec un Seeed Sense (basé sur le NRF52840), le code tourne tres bien, assez de GPIO pour tout faire, la conso est tres bonne en mode sommeil, programmable direct via USB, bluetooth, etc etc. Certains modeles ESP sont tres proches, mais la conso en mode sommeil n’est pas aussi bonne, donc j’ai décidé de partir sur le NRF52840, plus cher mais plus adapté.

Problème : pour avoir le bon nombre de GPIOs, obligé d’utiliser la version BGA (Ball Grid Array), qui coute plus cher a produire sur un circuit, parce que plus délicat a souder en usine. Ca augmente aussi le coût de la board. La version non BGA n’a également pas les lignes USB, donc non programmable via USB.

Une version sans capteurs et en optimisant les sorties (avec un driver pour l’indicateur led, qui fonctionnerait sur la ligne i2c par exemple, permettrait d’utiliser une version non BGA et réduire les coûts). Pareil, le Bluetooth n’est pas obligatoire, ce qui ferait tomber la conso et permettrait d’enlever l’antenne, qui coute relativement cher et prend de la place.

Signal USB

L’entrée USB du microcontroler ne supporte que de 4.2 V à 5.5 V, mais avec la négocation PD le rail VBUS peux monter jusqu’à 20 V. Il faut donc un convertisseur qui prend de 5V a 20V et sort un signal entre 4.2 V et 5.5 V. Cette piste est sensée n’être qu’un signal de branchement et donc ne transporte presque pas de courant donc le composant peux etre tout petit (50mA max est suffisant).

Alimentation

Le NRF52840 a deux modes d’alimentation : variable avec convertisseur interne (demande plus de composants, plus robuste) ou fixe 3.3 V avec alimentation externe (bien plus efficace, demande une alimentation stabilisée 3.3 V externe). Je choisi l’option 2, car de toutes facons j’ai besoin d’un alim externe 3.3 V. L’équilibreur fourni également une sortie 3.3 V stabilisée tres faible consommation, mais elle n’est pas exploitable avec le NRF52840, qui consomme trop au démarrage. Conso attendue : 3.3 V, pic de conso jusqu’ a 500 mA au démarrage et en cas d’utilisation du bluetooth.

• TPS629206 : Composant avec consommation extremement basse au repos, et capable de fournir des pics jusqu’à 500 mA a 3.3 V. Porte pour isoler les composants dormants du rail 3.3 V pour economiser encore plus de consommation au repo + permet des reset electroniques en cas de crash d’un composant.

Interface utilisateur

Utilisation d’un composant le plus solide et durable possible.

Potentiomètre pas adpaté, car l’axe a tendance a casser lors des chutes. L’usure des connecteurs nécésite un entretient a long terme.

Bouton tactile pas adapté, car conso élevée et tendance a detecter des appuis fantomes dans les sacs ou autre, pas utilisable avec des gants ou mains humides, bref testé et pas approuvé.

Bouton. étanche et tres résistant, petit point faible aux petites particules qui peuvent se mettre dedans.

• Ce composant a une led RGB intégrée, ce qui permet d’avoir un indicateur de statut et une entrée utilisateur dans le même composant.

Nécéssité de visser le bouton, et ajouter 5 fils a souder : 4 pour la led, 2 pour le bouton.

Pas d’interrupteur général, ce qui limite l’autonomie en mode sommeil mais permet d’utiliser moins de composants. De plus, le Bluetooth pourrait être utilisé pour du contrôle avancé.

Le debouncing et autres traitements seront réalisés en software, afin de garder une certaine généricité de la carte électronique.

Capteurs

Capteurs de gaz : tres cher et ne marcherait pas parce que dans un tube fermé hérmétiquement.

Pas besoin d’ajouter des capteurs de temperature, chaque composants en a déjà un.

Microphone

Permet de faire de l’analyse de fréquences et des animations qui réagissent au son. Choix d’un mems, compact et solide, mais relativement cher. Ajout de [1; 3]€. Son efficacité sera réduite car il sera dans un tube fermé hermétiquement. Il captera surtout des basses, et ça tombe bien c’est ce qu’on lui demande ! Ajout de 2 GPIO pour le controler.

Centrale inertielle.

Permet de faire des animations dépendantes de la gravité. Ca aurait été cool d’avoir un magnétomètre mais ça coute trop cher ! J’ai pris le même modèle que dans la board Seeed Sense, par simplicité (LSM6DS3). Ajout de [2; 4]€. Ajout de 2 GPIO pour le controler, et il doit être relié a la ligne i2c.

Résumé des choix techniques

Suggestions de lecture :