středoškolská odborná činnost 2007/2008 - trinom.org · středoškolská odborná činnost...
Post on 20-Oct-2020
10 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
Středoškolská odborná činnost 2007/2008
Obor 10 – elektrotechnika, elektronika a telekomunikace
LED DIY projektor
Autor:Tomáš TrýskaGymnázium J. Vrchlického, Nár. mučedníků 347339 01 Klatovy, 7. ročník
Konzultant práce:Ing. Jaroslav KadlecGymnázium J. Vrchlického, Nár. mučedníků 347339 01 Klatovy
Odborný posudek:RNDr. Miroslav Panoš, Ph.D.Gymnázium J. Vrchlického, Nár. mučedníků 347339 01 Klatovy
Klatovy, 2008Plzeňský kraj
1
-
Prohlašuji tímto, že jsem soutěžní práci vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jaroslava Kadlece a uvedl v seznamu literatury veškerou použitou literaturu a další informační zdroje včetně internetu.
V Klatovech dne 14. 3. 2008
_____________________Tomáš Trýska
2
-
Odborný posudek
Jak sám autor práce student oktávy Gymnázia J. Vrchlického v Klatovech Tomáš Trýska v úvodu píše, práce popisuje návrh a realizaci vylepšené verze jeho loňského DIY projektoru.
Písemnou část práce je možné rozdělit na dvě části. První se obecně zabývá principem konstrukce projekční techniky, konkrétně pak zaměřeným na návrh amatérské stavby datového projektoru. V druhé (obsáhlejší) části student popisuje postup a úskalí stavby nové verze datového projektoru. Zde odvedl spoustu práce, prokázal velkou míru samostatnosti a musel zvládnout problematikou, která mnohonásobně přesahuje rámec středoškolského učiva.
Doufám, že z výše uvedených řádků plyne, že student Tomáš Trýska v části praktické konstrukce se pokusilo cosi jedinečného a odvedl skutečně dobrou a nezpochybnitelnou práci.
Jako velmi pozitivní i letos hodnotím, že za touto odbornou středoškolskou činností je vidět nejen text výsledků rešeršní či badatelské činnosti, ale i fungující prototyp projekčního zařízení, ve kterém jsou zohledněny jak aspekty funkčnosti, tak i bezpečnosti provozu takového zařízení.
V Klatovech 14. března 2008
_______________________RNDr. Miroslav Panoš, Ph.D.
3
-
Poděkování
Během stavby tohoto projektoru se objevily různé potíže a problémy, se kterými mi pomáhali rodiče, lidé z gymnázia a kamarádi. Velké díky si zaslouží pánové z fóra DIY projektorů http://ritzy.cz/phpBB2/, kteří mi velmi ochotně radili s různými potížemi při stavbě, rodiče a kamarád Petr Janeček. Nebýt těchto lidí, pravděpodobně by mi dal projekt mnohem více práce a starostí.
4
http://ritzy.cz/phpBB2/http://ritzy.cz/phpBB2/http://ritzy.cz/phpBB2/
-
Obsah
1. Úvod 72. Teorie zobrazování, projekční techniky a princip DIY projektoru 8
2.1. Teorie zobrazování a projekční techniky 82.2. Princip DIY projektoru 8
3. Funkční části 93.1. LCD displej 103.2. LED pole a zdroj 103.3. Fresnelova čočka 113.4. Objektiv 123.5. Chlazení 133.6. Skříň projektoru 13
4. Stavba projektoru 144.1. LCD displej 144.2. LED pole a zdroj 154.3. Fresnelova čočka 174.4. Objektiv 184.5. Chlazení 194.6. Skříň projektoru 19
5. Zapojení projektoru 196. Popis ovládání projektoru 207. Technické parametry 208. Plány do budoucna 209. Závěr 2110. Informační zdroje 21
Seznam příloh:1. Fotodokumentace 222. Rozpočet a finance 243. Protokol o revizi elektrického spotřebiče 25
5
-
Seznam použitých zkratek
A/D analově – digitální převod signáluDIY Do It Yourself „Udělej to sám“ (angl. ozn. pro věci vyrobené doma)DPS deska plošných spojůDVD Digital Versatile DiscDVI Digital Video Interface – digitální rozhraní pro přenos video signáluFFC Flat Flex Cable – plochý ohebný kabelFOV Field of View – úhel pohleduLCD Liquid Crystal Display – displej z tekutých krystalůOverdrive technika, jak rychleji otočit krystal v LCD displejiVGA Video Graphics Array – standard pro počítačovou zobrazovací techniku
(data se přenášejí analogově přes konektory D SUB)
6
-
1. Úvod
Po loňské poměrně úspěšné verzi s výbojkou jsem si letos LED připravil verzi na mnohem vyšší úrovni. Jedná se o průkopnický čin v oblasti české DIY tvorby projektorů. Tento krok pochopitelně přináší nové výhody i problémy. Celý přístroj jsem kompletně přestavěl a nyní je schopen fungovat zcela nezávisle na cizím zdroji signálu, neboť ve svém těle obsahuje malý přenosný počítač.
Nová verze si z loňské vzala pouze dvě komponenty (LCD displej a fresnelovu čočku), zbytek je zcela nový.
7
-
2. Teorie zobrazování, projekční techniky a princip DIY projektoru
Projektory můžeme rozdělit například na diaprojektory, filmové projektory, zpětné projektory a dataprojektory.
2.1. Teorie zobrazování, projekční techniky
Diaprojektory pracují tak, že světlo z lampy prosvítí diapozitiv a přes soustavu čoček v objektivu vykreslí obraz na promítací plochu. Filmové pracují na shodném principu, jen promítají film políčko po políčku velmi rychle za sebou.
Zpětný projektor, protože zobrazuje větší plochu, musí používat o něco složitější techniku. Pod průsvitkou jsou umístěny fresnelovy čočky. První z nich rozloží obraz pod celou průsvitku a druhá soustředí přes průsvitku do objektivu, který paprsky světla zalomí a promítne na projekční plochu. Obě dvě fresnelovy čočky jsou obvykle slepené nebo svařené.
Dataprojektor je kombinací předcházejících dvou s tím rozdílem, že nepromítá statický obraz, ale to, co je do něj odesláno přes kabel z počítače, případně jiného zdroje signálu. Komerční dataprojektory jsou buď typu LCD nebo DLP. U LCD typu se obraz promítá přes 3 miniaturní LCD displeje, tzn. obdobně, jako u DIY projektoru (tam je jen jeden). DLP technologie používá soustavu mnoha miniaturních zrcátek, které kmitají a odrážejí paprsky na barevný filtr. Tato technologie lépe nakládá se světelnými paprsky, ale kvalita obrazu je na nižší úrovni, to znamená, že DLP projektor je nevhodný k promítání fotografií nebo videí, ale výborný na projekci textu v méně zatemněné místnosti.
2.2. Princip DIY projektoru
Tento dataprojektor pracuje na obdobném principu jako zpětný projektor, tzn. prosvětlování předlohy, LCD panelu, a jeho následném promítnutí na nějakou promítací plochu. I svojí konstrukcí se dosti podobá zpětnému projektoru Meotar či Epirex, ze kterých částečně vychází. Na rozdíl od nich ale zdrojem světla jsou malé polovodičové součástky, LED diody.
Dalším důležitým parametrem je orientace skříně a použití zrcadel. Tato verze je postavená naplocho, na rozdíl od předchozí, která byla na výšku. Momentálně využívám jedno zrcadlo, které láme paprsky do objektivu.
8
-
3. Funkční části
K výrobě LED DIY projektoru jsem použil tyto součásti:➢ LCD displej➢ LED pole a zdroj➢ fresnelova čočka➢ objektiv a zrcadlo➢ materiál na skříň
Výše uvedené součásti je nutné složit dle optických zákonů a zapojit dle předpisů a norem pro elektrická zařízení do vhodné skříně. Na obrázku níže je nakresleno schématické osazení horní vrstvy projektoru. Z názorných důvodů nejsou
zachovány optické zákony.
obr. 1 Schéma konstrukce1 LED pole2 transformátor3 DPS zdroje4 sklo5 fresnelova čočka6 LCD displej7 optické zrcadlo8 objektiv
9
4 1
2
3
5 6
7
8
-
3.1. LCD displej
LCD displej je jedna z nejdůležitějších součástí DIY projektoru. Vhodným výběrem jde docílit velmi kvalitního výstupního obrazu. V mém případě ale nebyla přílišná možnost vybírat.
Důležitými parametry při výběru LCD displeje jsou velikost obrazu (úhlopříčka), rozlišení, kontrast, rychlost odezvy a použití FFC propojek.
3.1.1. Velikost obrazu
Podle velikosti obrazu se odvozuje velikost skříně, v tomto případě je jen o několik málo centimetrů vyšší, než samotný displej.
3.1.2. Kontrast
Dalším poměrně důležitým parametrem je kontrast. Hodnota kontrastu zjednodušeně vypovídá o poměru mezi nejsvětlejším a nejtmavším bodem obrazu. Čím větší toto číslo je, tím je rozdíl větší. Při velmi vysokých hodnotách LCD nepropouští buď téměř žádné světlo nebo skoro vše. I přes vysoký kontrast se na LCD displeji ztrácí kolem 70% světla, v mém případě bohužel až 90%, protože už nemohu odstranit některé fólie z displeje z důvodu jeho stáří. Současné LCD panely dosahují hodnot od 250:1 po 1000:1, použitý má hodnotu kolem 200:1.
3.1.3. Odezva
Doba odezvy je hodnota, která přibližně udává, jak rychle se je schopen krystal v LCD displeji pootočit z jedné polohy do druhé, to znamená z tmy na plnou světelnost. Tato hodnota je ale často jen marketingový tah a monitory s 2 ms odezvou mohou mít klidně odezvu přes 20 ms. Pro běžné sledování je dostačující odezva kolem 30 ms, ale nižší skutečná není na škodu. Mnohé moderní LCD displeje s krátkou odezvou používají techniku Overdrive, čímž ale trpí barevnost a obraz tak může být viditelně horší, než u pomalejších panelů.
10
-
3.1.4. FFC propojky
FFC propojky se užívají pro spojení LCD displeje s řadičem. Mnohé monitory bohužel tyto FFC propojky obsahují na nevhodných místech a ztěžují, či dokonce znemožňují stavbu DIY projektoru. V zahraničí jsou k sehnání různé prodlužovací kabely, ale u nás se musíme zatím spoléhat na informace z různých fór nebo štěstí, že právě ten můj monitor ji nebude obsahovat, případně bude obsahovat, ale půjde snadno přemostit. V mém případě LCD panel propojku obsahuje, ale ta je duplicitní, protože displej správně zobrazuje i pokud tato propojka není zapojená. Této duplicity jsem využil a do obrazu tak nezasahuje žádný předmět.
3.2. LED pole a zdroj
LED diody jsou novou perspektivní technologií v oblasti osvětlení. Při stavbě se z LED diod vytvoří na DPS plástev, případně dvě čtvercové vrstvy nad sebou. Z principu diody je nutné vytvořit proudový zdroj, který způsobí, že všechny diody svítí stejnou intenzitou a přitom na každé může být různé napětí. Aby bylo možně proudový zdroj použít, je nutné určitý počet diod zapojit sériově.
O napájení všech komponent se stará transformátor typu toroid se dvěma sekundárními vinutími. Za transformátorem jsou zapojeny usměrňovací můstky a vyhlazovací kondenzátory. Z bezpečnostních důvodů je vhodné použít transily. Po tyto části jsou obě větve shodné. Větev, která má na starosti napájení diod je připojená k poli stabilizátorů, které fungují jako proudové zdroje. Dvanáctivoltová větev je přes stabilizátor připojená přímo k displeji.
3.3. Fresnelova čočka
Fresnelova čočka je tenká čočka, které může dosáhnout velké optické mohutnosti díky své zvláštní struktuře. Na obrázku 2 můžete porovnat rozdíl mezi běžnou a fresnelovou čočkou. Jelikož je ale vždy něco za něco, tak fresnelovy čočky mají jako daň za malou tloušťku nižší kvalitu obrazu. Je to způsobené množstvím soustředných kružnic, které se mohou objevit ve výsledném obraze, což je nežádoucí. Jelikož je zaostření velmi přesné a roli hraje každý milimetr, dává se LCD displej alespoň 10 mm od fresnelovy čočky, čímž se tyto rušivé kružnice eliminují. V projektoru se obvykle vyskytují dvě tyto čočky – jedna zrovnoběžní světlo z výbojky a druhá ho nasměruje do objektivu. Při použití LED diod ale první čočka
11
-
odpadá, neboť LED pole funguje jako plošný zdroj světla.
Obr. 2 – Rozdíl mezi běžnou a fresnelovou čočkou
3.4. Objektiv
Objektiv je poslední optický prvek v projektoru. Bez něj bychom nemohli zaostřit výsledný obraz. Objektivy rozlišujeme podle ohniskové vzdálenosti, množství a typů použitých čoček. Čím má objektiv více čoček, tím obvykle bývá výsledný obraz kvalitnější. V projektorech se obvykle používají dvou nebo tříčočkové objektivy. U méněčočkových objektivů můžeme pozorovat obrazové vady, například sférickou a chromatickou aberaci.
3.4.1. Sférická aberace
Sférická aberace je optická vada, kdy se paprsky na krajích čočky lámou pod jiným úhlem než v jiných částech čočky. Tato vada způsobuje, že paprsky z okrajových částí čočky se protnou ještě před ohniskem (Obr. 3).
Obr. 3 – Sférická aberace
12
-
3.4.2. Chromatická aberace
Další častou vadou je již zmíněná chromatická aberace. Ta se projevuje obdobně, jako v předchozím bodě zmíněná sférická aberace, jen s tím rozdílem, že se paprsky nelámou různě podle vzdálenosti od optické osy, ale podle vlnové délky daného paprsku. To znamená, že krátkovlnné paprsky se lámou více, než dlouhovlnné (Obr. 4). Na obrázku 5 je vidět náprava další čočkou.
Obr. 4 – Chromatická aberace Obr. 5 – Náprava chromatické aberace
3.4.3. Další parametry
Dále se u objektivů sleduje průměr objektivu a úhel pohledu (FOV), který určuje maximální velikost promítané předlohy, na kterou jde zaostřit. Tento úhel závisí na průměru objektivu.
3.5. Chlazení
Projektory je obvykle potřeba chladit. Intenzita chlazení se odvíjí od vyzářeného tepla. Výbojky je třeba vždy chladit aktivně, LED diody si obvykle vystačí s pasivním.
3.6. Skříň projektoru
Všechny uvedené součásti musí být osazeny do vhodné skříně, aby při provozu nedošlo k jejich poškození, ani poškození okolí projektoru například požárem. Ve skříni jsou využity kovové a dřevotřískové součásti, základny jsou z dřevotřísky s nalepeným ABS okrajem a obal je z nerezového plechu. Celá skříň je navržena modulárně, aby bylo možně v budoucnosti vyměnit jakoukoliv součást za vynaložení minimálního úsilí. Tento systém se již v praxi osvědčil.
13
-
4. Stavba projektoru
Jak již bylo v předchozím bodě uvedeno, všechny součásti jsou osazeny modulárně, to znamená, že každá součást má svou vlastní desku uchycenou po stranách k dřevěnému držáku.
4.1. LCD displej
Mnou použitý LCD displej je 14“ Keymat 711A. Displej má jediný vstup a to analogový DSUB.
Displej je uchycený v dřevotřískové desce se sololitovým držákem řadiče, A/D převodníku a ovládacího panelu displeje (Obr. 6). Tato fotka pochází z první verze, červené čáry naznačují, místa řezů částí, které jsem odstranil.
Obr. 6 – Modul LCD displeje
14
-
4.2. LED pole a zdroj
Na stavbu tohoto projektoru jsem použil 10 mm vysoce svítivé bílé LED diody. Diody jsou uspořádané do plástve v jedné vrstvě. Jak jsem již v úvodu psal, jde o první český LED projektor se všemi svými výhodami i nevýhodami. Jak je jistě známo, LED diody mají velmi vysokou účinnost, ale výbojka na tom není o moc hůř. Jelikož jsou u nás tyto součástky velmi drahé, musel jsem je zakoupit přes internet přímo z továrny v jihočínském Hong Kongu. Vybral jsem ty nejsvítivější, a to 140 cd, 12° vyzařovací úhel, 3,2 V, 20 mA (obr. 7). Protože jsou osazené plošně, bylo třeba objednat 800 ks. Vzhledem k použitému počtu a příkonu (60 W) je obraz pozorovatelný pouze při zatemnění, ve dne jen s obtížemi.
Diody napájí pole stabilizátorů LM317 zapojených jako proudový zdroj. Pro
výpočet proudu procházející stabilizátorem LM 317 se používá vzorec RS=1,25I L
,
kde IL je procházející (požadovaný) proud a RS je odpor, který musíme použít k dosažení tohoto proudu. Zapojení stabilizátoru LM317 ukazuje obrázek 8 a 9.
Obr. 7 – LED pole
15
-
Obr. 8 Zapojení stabilizátoru LM317 jako proudový zdroj
Obr. 9 – Zdroj a pole stabilizátorů
16
-
4.3. Fresnelova čočka
Použitá fresnelova čočka o rozměrech 310 x 310 mm byla původně určena pro nějaký větší zpětný projektor. A protože se v této velikosti prodává pouze set 220 – 330, musel jsem je rozdělit. Jejich ohniskové vzdálenosti jsou 220 a 330 mm. Byly k sobě svařené, pravděpodobně již od výroby. Vzhledem k plánované velikosti jsem musel tuto čočku (330 mm) zmenšit na rozměry 310 x 220 mm, aby se mi vešla do nového projektoru a mohl nad ní být řadič a A/D převodník pro displej. Fresnelova čočka je přišroubovaná z druhé strany modulu displeje.
Obr. 10 – Ještě nerozdělené fresnelovy čočky
17
-
Obr. 11 Zkušebně instalovaná fresnelova čočka
4.6. Objektiv
Objektiv (Obr. 12) je triplet z Izzoteku, který je určený pro DIY projektory. Jde však pouze o 300 mm verzi, která už má trochu problémy s ostrostí v rozích takto velkého displeje.
Obr. 12 Objektiv
18
-
4.5. Chlazení
Na chlazení projektoru není použit jediný ventilátor, protože projektor neobsahuje žádný výrazný zdroj tepla. Případné vyzářené teplo přijme obvodový hliníkový plech a rozptýlí je.
4.6. Skříň projektoru
V současné podobě nejde moc o skříni mluvit, spíš o obalu. Projektor má 3 kruhové základny, které fungují jako podstava, základna 2. patra a víko. Tyto kruhové desky jsou spojené přes závitové tyče a sešroubovány V dolním patře je notebook, adaptér a DVD mechanika, v horním vlastní projektor.
5. Zapojení projektoru
Zapojení tohoto projektoru je poměrně jednoduché. Na vstupu je pouze napájecí kabel. Vzhledem k bezdrátové klávesnici, myši a síti nejsou žádné další vstupy třeba. Vnitřní schématické je znázorněno na níže uvedeném diagramu (Obr. 13). Projektor je chlazen zcela pasivně a tak jediným možným zdrojem hluku je ventilátor chladící notebook. Ten však po úplném zavření projektoru není téměř slyšet.
Obr. 13 – Diagram zapojení projektoru
19
Notebook
LCD displej
LED pole
Napájení Tlačítko
Zdroj proLED a LCD
-
5.1. Ovládací panel
Ovládací panel, lze li to tak nazvat, je v dolním patře uprostřed (při pohledu zepředu). Na panelu se nachází napájecí konektor, mechanika a hlavní vypínač. Pojistka se z předního panelu přesunula za něj.
6. Popis ovládání projektoru
Projektor se uvede do provozu zmáčknutím tlačítka na předním panelu pod mechanikou. Tím se zapne notebook a začne startovat. Okamžitě po stisknutí tlačítka se ozve klapnutí. Relé sepnulo zdroj pro LED pole a to se rozsvítí. Na projekční ploše je vidět obraz ze startujícího notebooku. Po startu systému je možné s projektorem možné pracovat, jako s kterýmkoliv jiným počítačem připojený na projektor, jen odpadá problém s přepravou jednotlivých zařízení.
7. Technické parametry
➢ LED: 140 cd, 20mA, 12±5°, 750 ks➢ zdroj: toroid 70VA, sekundární vinutí: 48 a 12 V➢ notebook Brave➢ Fresnelova čočka 330➢ LCD displej Keymat 711A➢ Objektiv 300
➢ Spotřeba celého projektoru se pohybuje někde kolem 80 W.
8. Plány do budoucna
Pravděpodobně jediný plán do budoucna je upravit podsvětlení tak, aby bylo rovnoměrnější. Více světla z projektoru této koncepce asi nedostanu.
20
-
9. Závěr
Vzhledem k tomu, že jde o prvotinu a tak trochu pokus o něco nové, tak jsem s výsledkem poměrně spokojen. Zatím kvalitativně nedosahuje kvalit výbojkových verzí, ale při ani ne polovičním příkonu dosahuje jasu 150W keramických výbojek.
V průběhu stavby jsem si ověřil v praxi optické zákony a zapojení elektronického zařízení tohoto typu.
Výsledkem mé práce je funkční projektor o rozlišení 1024 x 768 px (tj. HD Ready).
10. Informační zdroje
Přímo k této tématice mi není známa žádná česky psaná kniha, a proto jsem použil internetové diskuze a servery zaobírající se DIY tématikou.
➢ České fórum o DIY projektorech http://ritzy.cz/phpBB2/➢ Anglické fórum o DIY projektorech http://lumenlab.com/forums/➢ Fórum PC Tunningu http://pctforum.tyden.cz➢ Wikipedia http://cs.wikipedia.org
21
http://cs.wikipedia.org/http://cs.wikipedia.org/http://cs.wikipedia.org/http://forum.pctuning.cz/http://forum.pctuning.cz/http://forum.pctuning.cz/http://lumenlab.com/forums/http://lumenlab.com/forums/http://lumenlab.com/forums/http://dvlachy.ic.cz/phpBB2/http://dvlachy.ic.cz/phpBB2/http://dvlachy.ic.cz/phpBB2/
-
1. Fotodokumentace
Obr. 14 – Projektor zepředu
Obr. 15 – Pohled do projektoru
22
-
Obr. 16 – Zkušební obrazec
Obr. 17 – Zkušební fotografie
23
-
2. Rozpočet a finance
➢ LED diody 5800 Kč➢ LCD displej 500 Kč➢ Součástky na zdroj 3000 Kč➢ Ovládací panel 700 Kč➢ Materiál 2000 Kč➢ Fresnelovy čočky a objektiv 1000 Kč
➢ Celkem cca 13000 Kč
24
-
25
top related