BG4440U1

BG4440U1 - Electronic controller of laser and led light effects

Info

Publication number: BG4440U1
Application number: BG5676U
Authority: BG
Inventors: Светозар Илчев; Валериев Илчев Светозар; Златолилия Илчева; Симанова Илчева Златолилия
Original assignee: Институт по информационни и комуникационни технологии при БАН /ИИКТ - БАН/
Priority date: 2023-02-22
Filing date: 2023-02-22
Publication date: 2023-05-31

Abstract

The electronic controller of laser and LED light effects according to the present utility model offers a compact and reliable solution for controlling in real time the intensity of one or more laser diodes and one or more light emitting diodes (LEDs) by means of a microprocessor, either in autonomous mode or on the basis of commands received from a remote monitoring, control and adjustment device. The electronic device is intended for integration in light effects systems and includes functional blocks for communication via a DMX512 interface and TCP/IP protocol stack as well as a functional block for interfacing with the end user via a display, buttons and other appropriate elements. The electronic controller of laser and LED light effects would be applied in the entertainment industry (e.g. discotheques, concert halls, theatres, etc.) as well as for advertising purposes and for attracting the attention of potential customers in large shopping malls or fairgrounds.

Description

Настоящият полезен модел се отнася най-общо до електронно устройство за създаване на светлинни ефекти, което управлява множество лазерни диоди и светодиоди посредством микропроцесор. По-специално, полезния модел се отнася до електронно устройство, което реализира управлението на интензитета на един или повече лазерни диоди и един или повече светодиоди в реално време самостоятелно или на базата на получени команди от отдалечено устройство за наблюдение, контрол и настройка.The present utility model generally relates to an electronic lighting effects device that controls a plurality of laser diodes and LEDs by means of a microprocessor. In particular, the utility model relates to an electronic device that realizes the control of the intensity of one or more laser diodes and one or more LEDs in real time independently or based on received commands from a remote monitoring, control and adjustment device.

Предшестващо състояние на техникатаPrior art

Използваните в развлекателната индустрия средства за осветление традиционно се базират на халогенни или сравними източници на светлина. Тези източници често се групират по няколко в един корпус и тяхната светлина се насочва чрез вградени в корпуса оптични елементи (лещи, филтри или огледала). Някои от тези средства за осветление разполагат с електронни устройства за управление, съдържащи микроконтролери и реализирани под формата на печатна платка. За контрол от разстояние традиционно се използва DMX512 интерфейс (стандартен интерфейс за цифрова комуникация, реализиран на базата на цифровия сериен интерфейс за комуникация RS-485), като в съвременните устройства, този интерфейс често бива заменян от управление, реализирано посредством технологии, използвани в Интернет, напр. базирани на TCP/IP (англ. Transmission Control Protocol/Internet Protocol - група от взаимосвързани и допълващи се комуникационни протоколи, на които се базира съвременната Интернет комуникация).Lighting fixtures used in the entertainment industry have traditionally been based on halogen or comparable light sources. These sources are often grouped several in one housing and their light is directed through optical elements (lenses, filters or mirrors) built into the housing. Some of these lighting devices have electronic control devices containing microcontrollers and implemented in the form of a printed circuit board. For remote control, a DMX512 interface (standard digital communication interface implemented on the basis of the RS-485 digital serial communication interface) is traditionally used, but in modern devices, this interface is often replaced by control implemented using technologies used on the Internet , e.g. based on TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - a group of interconnected and complementary communication protocols on which modern Internet communication is based).

Съвременните средства за осветление във все по-голяма степен разчитат на източници на светлина, съставени от светодиоди или лазерни диоди, като често се използват едновременно множество светодиоди и/или лазерни диоди, монтирани върху системи за завъртане по две или повече оси. Както светодиодите, така и лазерните диоди имат нужда от специализирано електронно управление и захранване, които се конструират в зависимост от вида и броя на използваните диоди. Комбинацията на диодите с механични и оптични компоненти (напр. галванометри, огледала, лещи, призми и др.) позволява създаването на светлинни ефекти, характеризиращи се с висока степен на яркост и контраст. Ефектите се контролират чрез специализирани аналогови или цифрови интерфейси за комуникация, като последните могат да включват интерфейса DMX512 или технологии, използвани в Интернет.Modern lighting devices increasingly rely on light sources composed of LEDs or laser diodes, often using multiple LEDs and/or laser diodes simultaneously mounted on two or more axis rotation systems. Both LEDs and laser diodes require specialized electronic control and power supply, which are designed depending on the type and number of diodes used. The combination of diodes with mechanical and optical components (eg galvanometers, mirrors, lenses, prisms, etc.) allows the creation of light effects characterized by a high degree of brightness and contrast. The effects are controlled through specialized analog or digital communication interfaces, the latter of which may include the DMX512 interface or technologies used on the Internet.

При известните решения, електронно устройство за управление на лазерни и светодиодни светлинни ефекти може да се състои от функционални блокове, като например един или повече захранващи блокове, междинен захранващ блок, блок за управление на лазерни диоди и светодиоди, блок за комуникация чрез DMX512 интерфейс, блок за комуникация чрез TCP/IP протоколен стек, блок за взаимодействие с крайния потребител и микропроцесорен блок, включващ микропроцесор.In the known solutions, an electronic device for controlling laser and LED light effects can consist of functional blocks, such as one or more power supply blocks, an intermediate power supply block, a block for controlling laser diodes and LEDs, a block for communication via a DMX512 interface, a block for communicating via a TCP/IP protocol stack, a block for interacting with the end user, and a microprocessor block including a microprocessor.

Техническа същност на полезния моделTechnical nature of the utility model

Настоящият полезен модел представлява електронно устройство за управление на лазерни и светодиодни светлинни ефекти. При едно изпълнение, устройството за електронно управление включва следните функционални блокове: един или повече захранващи блокове, междинен захранващ блок, блок за управление на лазерни диоди и светодиоди, блок за комуникация чрез DMX512 интерфейс, блок за комуникация чрез TCP/IP протоколен стек, блок за взаимодействие с крайния потребител и микропроцесорен блок, включващ микропроцесор.The present utility model is an electronic device for controlling laser and LED lighting effects. In one embodiment, the electronic control device includes the following functional blocks: one or more power supply blocks, an intermediate power supply block, a block for controlling laser diodes and LEDs, a block for communication via a DMX512 interface, a block for communication via a TCP/IP protocol stack, a block for interaction with the end user and a microprocessor unit including a microprocessor.

При едно изпълнение, устройството е реализирано, като печатна платка с два захранващи блока, които са директно свързани към захранващ мрежов адаптер чрез подходящ входен конектор, напр. клема за печатна платка с два терминала със стъпка 5 mm или 5.08 mm между терминалите. Всеки от тези захранващи блокове включва защитни елементи (напр. предпазител, бидирекционален трансил и електролитен кондензатор), импулсен регулатор на напрежение, поддържащи кондензатори, изходен индуктор, делител на напрежение и вход за контрол на изходното напрежение. Защитните елементи са свързани непосредствено след входния конектор, като предпазителят е свързан последователно към положителния терминал на конектора, а бидирекционалният трансил и електролитният кондензатор са свързани веднага след предпазителя, като всеки от тях е свързан паралелно на захранващото напрежение на печатната платка. Специализираната интегрална схема (импулсен регулатор) е свързана към захранващото напрежение, поддържащите кондензатори, индуктора и делителя на напрежение и осигурява изходно напрежение с големина, определена от делителя на напрежение. Използва се понижаващ импулсен регулатор - захранващото напрежение трябва да бъде повисоко от 5 V, като се поддържат стойности в интервала 7 V до 25 V. Работната честота на импулсния регулатор е над 550 kHz, което позволява използването на малък по размери индуктор. Използваните кондензатори са многослойни керамични кондензатори с размери от 0402 до 1206 (размер 0402 съответства на дължина 0.04 inch и ширина 0.02 inch). Входните кондензатори са с общ капацитет около 10 pF, а изходните кондензатори - около 100 pF. Размери 0402 до 1206 имат и използваните SMD съпротивления (SMD елементи - елементи за повърхностен монтаж върху печатна платка). Изходният индуктор е със стойност около 4.7 pH и осигурява изходен ток до 5А. За по-добро отвеждане на топлина, импулсният регулатор има пряк контакт с масата на печатната платка. Топлинните загуби в импулсния регулатор са около между 10% и 15%. Единият от захранващите блокове има изходно напрежение, приблизително равно на 5 V, а другият блок има изходно напрежение, приблизително равно на 3.3 V. Входът за контрол на изходното напрежение на захранващият блок с изходно напрежение 5 V е свързан към микропроцесора и също така включва съпротивление, което осигурява изключено състояние на импулсния регулатор при отсъствие на сигнал от микропроцесора. Входът за контрол на изходното напрежение на захранващия блок с изходно напрежение 3.3 V има константна стойност, активираща изходното напрежение.In one embodiment, the device is implemented as a printed circuit board with two power supply units which are directly connected to a power mains adapter via a suitable input connector, e.g. PCB terminal block with two terminals with 5 mm or 5.08 mm pitch between terminals. Each of these power supplies includes protection elements (eg fuse, bidirectional transil, and electrolytic capacitor), pulse voltage regulator, support capacitors, output inductor, voltage divider, and output voltage control input. The fuses are connected immediately after the input connector, with the fuse connected in series to the positive terminal of the connector, and the bidirectional transil and electrolytic capacitor are connected immediately after the fuse, each connected in parallel to the supply voltage of the printed circuit board. The dedicated integrated circuit (pulse regulator) is connected to the supply voltage, the support capacitors, the inductor and the voltage divider and provides an output voltage of the magnitude determined by the voltage divider. A step-down pulse regulator is used - the supply voltage must be higher than 5 V, maintaining values in the range 7 V to 25 V. The operating frequency of the pulse regulator is above 550 kHz, which allows the use of a small inductor. The capacitors used are multilayer ceramic capacitors with sizes from 0402 to 1206 (size 0402 corresponds to a length of 0.04 inch and a width of 0.02 inch). The input capacitors have a total capacity of about 10 pF, and the output capacitors - about 100 pF. Sizes 0402 to 1206 also have the used SMD resistors (SMD elements - elements for surface mounting on a printed circuit board). The output inductor has a value of about 4.7 pH and provides an output current of up to 5A. For better heat dissipation, the pulse regulator has direct contact with the PCB ground. Heat losses in the pulse controller are about between 10% and 15%. One of the power supply units has an output voltage approximately equal to 5 V and the other unit has an output voltage approximately equal to 3.3 V. The output voltage control input of the power supply unit with an output voltage of 5 V is connected to the microprocessor and also includes a resistor , which provides an off state of the pulse regulator in the absence of a signal from the microprocessor. The output voltage control input of the power supply unit with an output voltage of 3.3 V has a constant value that activates the output voltage.

Устройството има междинен захранващ блок, чийто вход е свързан към изходното напрежение на един от захранващите блокове - обикновено захранващия блок с изходно напрежение 5 V. Междинният захранващ блок включва галванично развързан импулсен регулатор на напрежение и поддържащите го кондензатори, които предоставят галванично развързано изходно напрежение със стойност 5 V на блока за комуникация чрез DMX512.The device has an intermediate power supply unit, the input of which is connected to the output voltage of one of the power supply units - usually the power supply unit with an output voltage of 5 V. The intermediate power supply unit includes a galvanically isolated pulse voltage regulator and its supporting capacitors, which provide a galvanically isolated output voltage with value 5 V on the block for communication via DMX512.

Блокът за управление на лазерни диоди и светодиоди включва елементи за промяна на напрежението, конектори за връзка с устройства за управление на лазерни диоди и конектор за връзка с поредица светодиоди. Елементите за промяна на напрежението включват една или повече специализирани схеми за промяна на нивото на напрежение на цифрови сигнали, идващи от микропроцесора, от 3.3 V на 5 V. Конекторите за връзка с устройства за управление на лазерни диоди са един или повече, като всеки лазерен диод се управлява от отделен цифров сигнал, идващ от микропроцесора и преминаващ през една от специализираните схеми за промяна на нивото на напрежение. Тези цифрови сигнали поддържат широчинно-импулсна модулация (ШИМ), чрез която се променя интензитетът на лазерните диоди. Конекторът за връзка с поредица светодиоди предава напрежение с големина 5 V, както и един управляващ цифров сигнал към поредица от един или повече цветни светодиоди. Всеки светодиод включва собствен вграден контролер, като контролерите на всички светодиоди се управляват посредством цифровия сигнал, идващ от микропроцесора и преминаващ през една от специализираните схеми за промяна на нивото на напрежение.The control unit for laser diodes and LEDs includes elements for changing the voltage, connectors for connection with devices for controlling laser diodes and a connector for connection with a series of LEDs. The voltage change elements include one or more specialized circuits for changing the voltage level of digital signals coming from the microprocessor from 3.3 V to 5 V. The connectors for connection to devices for controlling laser diodes are one or more, as each laser diode is controlled by a separate digital signal coming from the microprocessor and passing through one of the specialized circuits to change the voltage level. These digital signals support pulse-width modulation (PWM), which changes the intensity of the laser diodes. The LED string connector transmits a voltage of 5 V as well as a control digital signal to a string of one or more colored LEDs. Each LED includes its own built-in controller, and the controllers of all LEDs are controlled by the digital signal coming from the microprocessor and passing through one of the specialized circuits to change the voltage level.

Блокът за комуникация чрез DMX512 протокол включва елементи за галванично развързване и промяна на напрежението и терминиращи съпротивления и конектори. Елементите за галванично развързване и промяна на напрежението включват специализирана интегрална схема, свързана с микропроцесора. Тази интегрална схема е свързана още с галванично развързаното изходно напрежение на междинния захранващ блок и с изходното напрежение 5 V на единия от захранващите блокове 110. Терминиращите съпротивления образуват група, която е свързана паралелно на сигналните пинове на конекторите чрез превключвател. Конекторите са тип XLR или друг тип с поне три пина.The DMX512 protocol communication block includes elements for galvanic isolation and voltage change and terminating resistors and connectors. The galvanic isolation and voltage change elements include a specialized integrated circuit connected to the microprocessor. This integrated circuit is also connected to the galvanically isolated output voltage of the intermediate power supply unit and to the 5 V output voltage of one of the power supply units 110. The terminating resistors form a group which is connected in parallel to the signal pins of the connectors via a switch. Connectors are XLR type or other type with at least three pins.

Блокът за комуникация чрез TCP/IP протоколен стек включва специализирана интегрална схема, свързана към цифрови входо-изходи на микропроцесора, която обработва предварително данните, предавани от други устройства чрез TCP/IP протоколния стек. Специализираната интегрална схема е свързана и към импулсен трансформатор за галванично разделяне на сигналите, който е част от същия блок. Също така, блокът за комуникация чрез TCP/IP протоколен стек включва поддържащи елементи (съпротивления и кондензатори) и RJ-45 конектор за свързване на мрежов комуникационен кабел.The TCP/IP protocol stack communication block includes a specialized integrated circuit connected to the microprocessor's digital I/O that preprocesses data transmitted by other devices via the TCP/IP protocol stack. The specialized integrated circuit is also connected to a pulse transformer for galvanic separation of the signals, which is part of the same block. Also, the TCP/IP protocol stack communication block includes supporting elements (resistors and capacitors) and an RJ-45 connector for connecting a network communication cable.

Блокът за взаимодействие с крайния потребител включва графичен светодиоден дисплей (англ. OLED) или дисплей с течни кристали (англ. LCD), контролиран от микропроцесора посредством I2C комуникационен интерфейс (I2C - Inter-Integrated Circuit - е нискоскоростен комуникационен сериен интерфейс за връзка между интегрални схеми). Блокът включва още следните елементи, които са свързани с входо-изходи на микропроцесора: бутони (напр. тактилни такива, запоени на печатната платка), опционален микрофон (напр. електретен кондензаторен микрофон за монтаж върху печатна платка), зумер/сигнален звънец за известяване на потребителя и сигнални светодиоди. Зумерът/сигналният звънец, както и всеки сигнален светодиод се управляват от транзистор, напр. N-MOSFET транзистор 2N7002, и три съпротивления. Едното от съпротивленията е свързано между захранващото напрежение на микропроцесора и положителния пин на зумера или анода на светодиода. При захранване на зумер това съпротивление има стойност около 10 Ω, а при захранване на светодиод - около 200 Ω. Дрейнът на транзистора е свързан към отрицателния пин на зумера или катода на светодиода, а сорсът на транзистора е свързан към масата на печатната платка. Второто съпротивление е свързано между гейта на транзистора и съответния микропроцесорен изход, който управлява зумера/светодиода. Третото съпротивление е свързано между гейта на транзистора и масата на печатната платка и изключва зумера или светодиода при липса на сигнал от микропроцесора.The end-user interface unit includes a graphic LED display (English OLED) or liquid crystal display (English LCD), controlled by the microprocessor using an I2C communication interface (I2C - Inter-Integrated Circuit - is a low-speed serial communication interface for connection between integrated schemes). The block also includes the following items that are connected to the microprocessor's I/O: buttons (eg tactile ones soldered to the PCB), optional microphone (eg electret condenser microphone for PCB mounting), buzzer/bell for notification of the user and signal LEDs. The buzzer/signal bell as well as each signal LED is controlled by a transistor, e.g. N-MOSFET transistor 2N7002, and three resistors. One of the resistors is connected between the microprocessor supply voltage and the positive pin of the buzzer or the anode of the LED. When powering a buzzer, this resistance has a value of about 10 Ω, and when powering an LED - about 200 Ω. The drain of the transistor is connected to the negative pin of the buzzer or the cathode of the LED, and the source of the transistor is connected to the ground of the PCB. The second resistor is connected between the gate of the transistor and the corresponding microprocessor output that drives the buzzer/LED. The third resistor is connected between the gate of the transistor and the ground of the printed circuit board and turns off the buzzer or the LED in the absence of a signal from the microprocessor.

Микропроцесорният блок включва микропроцесор, който е свързан към елементи в останалите функционални блокове. За програмирането на микропроцесора с нов фърмуер е предвиден специален конектор с пет пина. Микропроцесорният блок включва и елементи за комуникация чрез USB интерфейс, част от които е специализирана интегрална схема, свързана с микропроцесора посредством сериен комуникационен интерфейс (англ. UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmiter е комуникационен интерфейс, поддържащ серийно приемане и предаване на данни с определена скорост, обозначавана най-често като baud rate). На физическо ниво, връзката се осъществява чрез USB конектор, тип „В“.The microprocessor block includes a microprocessor that is connected to elements in the other functional blocks. A special five-pin connector is provided for programming the microprocessor with new firmware. The microprocessor block also includes elements for communication via a USB interface, part of which is a specialized integrated circuit connected to the microprocessor via a serial communication interface (UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter is a communication interface supporting serial reception and transmission of data at a certain speed , most commonly referred to as baud rate). At the physical level, the connection is made through a USB connector, type "B".

Микропроцесорният блок включва и сензор за температура и влага (свързан към микропроцесора посредством I2C интерфейс), цифров изход за управление на моторизиран закрепващ механизъм, интегрална схема EEPROM (свързана към микропроцесора посредством I2C интерфейс) и елементи за управление на вентилатори и/или нагреватели, включващи MOSFET транзистори. Микропроцесорният блок се захранва от захранващия блок с изходно напрежение, приблизително равно на 3.3 V. Сензорът за температура и влага измерва температурата и влагата в околността на печатната платка на електронния контролер и предава измерените стойности към микропроцесора посредством специализиран комуникационен интерфейс, напр. I2C.The microprocessor unit also includes a temperature and humidity sensor (connected to the microprocessor via an I2C interface), a digital output for controlling a motorized fastening mechanism, an EEPROM integrated circuit (connected to the microprocessor via an I2C interface), and control elements for fans and/or heaters, including MOSFET transistors. The microprocessor unit is powered by the power supply unit with an output voltage approximately equal to 3.3 V. The temperature and humidity sensor measures the temperature and humidity in the vicinity of the printed circuit board of the electronic controller and transmits the measured values to the microprocessor via a specialized communication interface, e.g. I2C.

Изходът за управление на моторизиран закрепващ механизъм включва конектор с четири пина, два от които са свързани към цифрови изходи на микропроцесора. Интегралната схема EEPROM съхранява конфигурационни настройки и други данни, необходими за работата на микропроцесора (напр. информация за версията на устройството) и се свърза с микропроцесора чрез подходящ комуникационен интерфейс, напр. I2C. Елементите за управление на вентилатори и/или нагреватели са свързани с микропроцесорния блок и включват два управляващи канала, всеки от които управлява един вентилатор или един нагревател. Всеки управляващ канал включва две съпротивления, един транзистор от тип N-MOSFET, един Шотки-диод (напр. SS34A) и един конектор с два пина за свързване на вентилатор или нагревател. Гейтът на N-MOSFET транзистора е свързан през едно от съпротивленията (около 100 Ω) към изходен пин на микропроцесора, а другото съпротивление (около 10 Ω) свързва гейта с масата на печатната платка и изключва вентилатора/нагревателя при липса на изходен сигнал от микропроцесора. Шотки -диодът е свързан към двата пина на конектора (англ. „freewheeling/flyback diode“) и предотвратява появата на високо напрежение, причинено от индуктивността на вентилаторите. Микропроцесорните изходи, управляващи транзисторите, поддържат широчинно-импулсна модулация (ШИМ)The motorized fastener control output includes a four-pin connector, two of which are connected to the microprocessor's digital outputs. The EEPROM integrated circuit stores configuration settings and other data necessary for the operation of the microprocessor (e.g. device version information) and communicates with the microprocessor via a suitable communication interface, e.g. I2C. Fan and/or heater control elements are connected to the microprocessor unit and include two control channels, each controlling one fan or one heater. Each control channel includes two resistors, one N-MOSFET transistor, one Schottky diode (eg SS34A) and one two-pin connector for connecting a fan or heater. The gate of the N-MOSFET is connected through one of the resistors (about 100 Ω) to the output pin of the microprocessor, and the other resistance (about 10 Ω) connects the gate to the PCB ground and turns off the fan/heater in the absence of an output signal from the microprocessor . A Schottky diode is connected to the two pins of the connector ("freewheeling/flyback diode") and prevents the appearance of high voltage caused by the inductance of the fans. Microprocessor outputs driving transistors support pulse-width modulation (PWM)

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

Фигура 1 е блок схема на електронно устройство за управление на лазерни и светодиодни светлинни ефекти.Figure 1 is a block diagram of an electronic device for controlling laser and LED lighting effects.

Фигура 2 представя техническа реализация на система за създаване на светлинни ефекти, в която е интегрирано електронно устройство за управление на лазерни и светодиодни светлинни ефекти от фигура 1.Figure 2 presents a technical implementation of a system for creating light effects, in which an electronic device for controlling laser and LED light effects from figure 1 is integrated.

Примери за изпълнение на полезния моделExamples of implementation of the utility model

Полезният модел представлява електронно устройство за управление на лазерни и светодиодни светлинни ефекти. На фигура 1 е показана блок схема на едно изпълнение на това електронно устройство. Електронно устройство за управление на лазерни и светодиодни светлинни ефекти 100 се състои от следните функционални блокове: два броя захранващи блока 110, междинен захранващ блок 120, блок за управление на лазерни диоди и светодиоди 130, блок за комуникация чрез DMX512 интерфейс 140, блок за комуникация чрез TCP/IP протоколен стек 150, блок за взаимодействие с крайния потребител 160 и микропроцесорен блок 170, включващ микропроцесор 171. В този пример на реализация електронното устройство 100 е реализирано под формата на печатна платка.The utility model is an electronic device for controlling laser and LED lighting effects. Figure 1 shows a block diagram of one embodiment of this electronic device. An electronic device for controlling laser and LED lighting effects 100 consists of the following functional blocks: two power supply units 110, an intermediate power supply unit 120, a control unit for laser diodes and LEDs 130, a communication unit via a DMX512 interface 140, a communication unit through a TCP/IP protocol stack 150, an end-user interface unit 160, and a microprocessor unit 170 including a microprocessor 171. In this exemplary embodiment, the electronic device 100 is implemented in the form of a printed circuit board.

Всеки от двата захранващи блока 110 включва защитни елементи 111, специализирана интегрална схема (импулсен регулатор) на напрежение 112, поддържащи кондензатори 113, изходен индуктор 114, делител на напрежение 115 и вход за контрол на изходното напрежение 116. Защитните елементи 111 включват предпазител 0451010.MRL с максимален работен ток 10 А и бидирекционален трансил 3.0SMCJ24CA с работно напрежение 24 V, произведени от Littlefuse, както и електролитен кондензатор 35YXJ330M10X12 с капацитет 330 pF и максимално работно напрежение от 35 V, произведен от Rubicon. Специализираната интегрална схема (импулсен регулатор) 112 е SY8368QNC с производител Sylergy Согр. Поддържащите кондензатори 113 включват един или повече входни керамични кондензатори (свързани паралелно между входа на захранващия блок и масата на печатната платка) с общ капацитет около 10 pF и максимално работно напрежение от 50 V; един или повече изходни керамични кондензатори (свързани паралелно между изхода на захранващия блок и масата на печатната платка) с общ капацитет около 100 pF и максимално работно напрежение от 10 V; един стабилизиращ керамичен кондензатор с капацитет 2.2 pF и максимално работно напрежение от 10 V, както и един стартиращ кондензатор с капацитет 100 nF и максимално работно напрежение от 50 V, всички от които са с производител Samsung. Изходният индуктор 114 е ETQP5M4R7YFC (производител Panasonic) и има стойност 4.7 pH. Единият му край е свързан към импулсният регулатор 112, а другият край е свързан към изхода на напрежение на захранващия блок. Делителят на напрежение 115 е съставен от група от две последователно свързани съпротивления, като групата е свързана паралелно между изхода на захранващия блок и масата на печатната платка. Съпротивлението, единият край на което е свързан към масата на платката, има стойност 3.3 kΩ. Съпротивлението, единият край на което е свързан към свързан към изхода на напрежение на захранващия блок, има стойност, която се различава за всеки от двата блока: 24 kΩ, за захранващия блок с изходно напрежение 5 V и 15 kΩ за захранващия блок с изходно напрежение 3.3 V. Средната точка на делителя на напрежение 115 е свързана към импулсния регулатор 112. Входът за контрол на изходното напрежение 116 е свързан към цифров изход на микропроцесора 171 при захранващия блок с изходно напрежение 5 V. При захранващия блок с изходно напрежение 3.3 V, този вход за контрол 116 е свързан през съпротивление 3.3 kΩ към захранващото напрежение на блока.Each of the two power supply units 110 includes protective elements 111, a specialized integrated circuit (pulse regulator) of voltage 112, supporting capacitors 113, output inductor 114, voltage divider 115 and an input for controlling the output voltage 116. Protective elements 111 include fuse 0451010. MRL with a maximum operating current of 10 A and a bidirectional transil 3.0SMCJ24CA with an operating voltage of 24 V manufactured by Littlefuse, and an electrolytic capacitor 35YXJ330M10X12 with a capacity of 330 pF and a maximum operating voltage of 35 V manufactured by Rubicon. The specialized integrated circuit (pulse regulator) 112 is SY8368QNC with manufacturer Sylergy Sogr. Support capacitors 113 include one or more input ceramic capacitors (connected in parallel between the input of the power supply unit and the ground of the printed circuit board) with a total capacity of about 10 pF and a maximum operating voltage of 50 V; one or more output ceramic capacitors (connected in parallel between the output of the power supply unit and the ground of the printed circuit board) with a total capacity of about 100 pF and a maximum operating voltage of 10 V; one stabilizing ceramic capacitor with a capacity of 2.2 pF and a maximum operating voltage of 10 V, as well as a starting capacitor with a capacity of 100 nF and a maximum operating voltage of 50 V, all of which are manufactured by Samsung. The output inductor 114 is ETQP5M4R7YFC (manufactured by Panasonic) and has a pH value of 4.7. One end of it is connected to the pulse regulator 112, and the other end is connected to the voltage output of the power supply unit. The voltage divider 115 is composed of a group of two resistors connected in series, the group being connected in parallel between the output of the power supply unit and the ground of the printed circuit board. The resistance, one end of which is connected to the board ground, has a value of 3.3 kΩ. The resistance, one end of which is connected to connected to the voltage output of the power supply unit, has a value that differs for each of the two units: 24 kΩ for the 5 V output power supply unit and 15 kΩ for the voltage output power unit 3.3 V. The midpoint of the voltage divider 115 is connected to the pulse regulator 112. The output voltage control input 116 is connected to the digital output of the microprocessor 171 on the power supply unit with an output voltage of 5 V. On the power supply unit with an output voltage of 3.3 V, this control input 116 is connected through a resistance of 3.3 kΩ to the supply voltage of the block.

Междинният захранващ блок 120 има вход, свързан към изходното напрежение със стойност 5 V на единия от блоковете 110. Междинният захранващ блок 120 включва галванично развързан импулсен регулатор на напрежение 121, реализиран от специализиран модул F0505S-1WR3 с производител Mornsun. Поддържащите кондензатори 122 са един или повече входни кондензатори с общ капацитет 10 pF и един или повече изходни кондензатори с общ капацитет 10 pF, всички произведени от Samsung с максимално работно напрежение 10 V. Изходът на блока 120 захранва елементите за галванично развързване и промяна на напрежението 141 с галванично развързано напрежение от 5 V.The intermediate power supply unit 120 has an input connected to the output voltage with a value of 5 V of one of the units 110. The intermediate power supply unit 120 includes a galvanically isolated pulse voltage regulator 121 implemented by a specialized module F0505S-1WR3 with manufacturer Mornsun. The support capacitors 122 are one or more input capacitors with a total capacity of 10 pF and one or more output capacitors with a total capacity of 10 pF, all manufactured by Samsung with a maximum operating voltage of 10 V. The output of the unit 120 supplies the elements for galvanic isolation and voltage variation 141 with a galvanically isolated voltage of 5 V.

Блокът за управление на лазерни диоди и светодиоди 130 включва елементи за промяна на напрежението 131, конектори за връзка с устройства за управление на лазерни диоди 132 и конектор за връзка с поредица светодиоди 133. Елементите за промяна на напрежението 131 включват две специализирани интегрални схеми SN74HCT245PWR с производител Texas Instruments, захранвани от блока 110, който има изходно напрежение 5 V. Те са свързани с общо 11 цифрови изходни сигнала на микропроцесора 171. Конекторите за връзка с устройства за управление на лазерни диоди 132 са общо два броя, всеки от които има 7 пина. Пет от тези пинове са свързани към изходи на елементите за промяна на напрежението 131. Входовете на елементите за промяна на напрежението 131, които съответстват на тези пет изхода, са свързани към пет цифрови изхода на микропроцесора 171. Шестият пин на конекторите 132 е свързан към масата на печатната платка, а седмият пин е свързан към захранващото напрежение на електронното устройство 100. Конекторът за връзка с поредица светодиоди 133 има общо пет пина, два от които са свързани към масата на печатната платка. Други два пина са свързани към блока 110 с изходно напрежение 5 V, а последният пин е свързан към един от изходите на елементите за промяна на напрежението 131. Входът на елементите за промяна на напрежението 131, който съответства на този изход, е свързан към цифров изход на микропроцесора 171.The laser diode and LED control unit 130 includes voltage change elements 131, connectors for connection with laser diode control devices 132, and a connector for connection with a series of LEDs 133. The voltage change elements 131 include two specialized integrated circuits SN74HCT245PWR with manufacturer Texas Instruments, powered by the unit 110, which has an output voltage of 5 V. They are connected to a total of 11 digital output signals of the microprocessor 171. The connectors for connection to devices for controlling laser diodes 132 are two in total, each of which has 7 Pina. Five of these pins are connected to outputs of the voltage changing elements 131. The inputs of the voltage changing elements 131, which correspond to these five outputs, are connected to five digital outputs of the microprocessor 171. The sixth pin of the connectors 132 is connected to the PCB ground, and the seventh pin is connected to the supply voltage of the electronic device 100. The LED string connection connector 133 has a total of five pins, two of which are connected to the PCB ground. Another two pins are connected to the block 110 with an output voltage of 5 V, and the last pin is connected to one of the outputs of the voltage changing elements 131. The input of the voltage changing elements 131, which corresponds to this output, is connected to a digital microprocessor output 171.

Блокът за комуникация чрез DMX512 интерфейс 140 включва елементи за галванично развързване и промяна на напрежението 141 и терминиращи съпротивления и конектори 142. Елементите за галванично развързване и промяна на напрежението 141 включват специализирана интегрална схема ADM2483BRWZ, произведена от Analog Devices, и два керамични кондензатора със стойности 100 nF. Тази специализирана интегрална схема е свързана с изходното напрежение 3.3 V на единия от захранващите блокове 110, с изходното напрежение на междинния захранващ блок 120 и с микропроцесора 171. Терминиращите съпротивления и конектори 142 са свързани към изходите на интегралната схема. Има общо 4 броя терминиращи съпротивления, свързани в група с обща стойност на съпротивлението 120 Ω. Тази група е свързана паралелно на двата сигнални изхода на интегралната схема, обозначени от производителя на схемата като „А“ и „В“ (стандартни означения за двойката сигнали, предавани чрез интерфейс RS-485, който е в основата на интерфейса DMX512). Конекторите са два броя, тип XLR с общо три или пет пина, като един пин на всеки конектор е свързан към изход „А“ на интегралната схема ADM2483BRWZ, един пин е свързан към изход „В“ на интегралната схема ADM2483BRWZ и един пин е свързан към отрицателния изход на изходното напрежение на междинния захранващ блок 120.The DMX512 interface communication unit 140 includes galvanic isolation and voltage change elements 141 and terminating resistors and connectors 142. The galvanic isolation and voltage change elements 141 include a specialized integrated circuit ADM2483BRWZ manufactured by Analog Devices and two ceramic capacitors of values 100 nF. This specialized integrated circuit is connected to the output voltage 3.3 V of one of the power supply units 110, to the output voltage of the intermediate power supply unit 120 and to the microprocessor 171. The terminating resistors and connectors 142 are connected to the outputs of the integrated circuit. There are a total of 4 terminating resistors connected in a group with a total resistance value of 120 Ω. This group is connected in parallel to the two signal outputs of the integrated circuit, designated by the circuit manufacturer as "A" and "B" (standard designations for the pair of signals transmitted via the RS-485 interface, which is the basis of the DMX512 interface). The connectors are two in number, XLR type with a total of three or five pins, one pin of each connector is connected to output "A" of the ADM2483BRWZ integrated circuit, one pin is connected to output "B" of the ADM2483BRWZ integrated circuit, and one pin is connected to the negative output of the output voltage of the intermediate power supply unit 120.

Блокът за комуникация чрез TCP/IP протоколен стек 150 включва специализирана интегрална схема 151, импулсен трансформатор 152, поддържащи елементи 153 и RJ-45 конектор 154. Специализирана интегрална схема 151 е W5500 с производител WIZnet и реализира обработката на TCP/IP протоколния стек. Тя е свързана към цифрови входо-изходи на микропроцесора 171, които поддържат хардуерна реализация на SPI интерфейс (SPI - Serial Peripheral Interface - е сериен високоскоростен интерфейс за обмен на данни, който често се използва за комуникация между интегрални схеми). Специализираната интегрална схема 151 е свързана и към импулсния трансформатор 152. Импулсният трансформатор 152 реализира галваничното разделяне на сигналите, идващи от RJ-45 конектора 154 и сигналите, използвани от интегралната схема 151. Поддържащите елементи 153 са съпротивления и кондензатори за повърхностен монтаж, които осигуряват терминирането на сигналните линии и включват задължително поне две съпротивления със стойност 49.9 Ω и четири съпротивления със стойност 22 Ω, както и поне един кондензатор със стойност 1 nF и максимално работно напрежение от минимум 2 kV. RJ-45 конекторът 154 е екраниран конектор, напр. RJHSE-3385 с производител Amphenol.The block for communication through the TCP/IP protocol stack 150 includes a specialized integrated circuit 151, a pulse transformer 152, supporting elements 153 and an RJ-45 connector 154. The specialized integrated circuit 151 is a W5500 with manufacturer WIZnet and realizes the processing of the TCP/IP protocol stack. It is connected to digital inputs-outputs of the microprocessor 171, which support a hardware implementation of the SPI interface (SPI - Serial Peripheral Interface - is a serial high-speed interface for data exchange, which is often used for communication between integrated circuits). The dedicated integrated circuit 151 is also connected to the pulse transformer 152. The pulse transformer 152 realizes the galvanic separation of the signals coming from the RJ-45 connector 154 and the signals used by the integrated circuit 151. The support elements 153 are surface mount resistors and capacitors that provide the termination of the signal lines and necessarily include at least two resistances with a value of 49.9 Ω and four resistances with a value of 22 Ω, as well as at least one capacitor with a value of 1 nF and a maximum operating voltage of at least 2 kV. The RJ-45 connector 154 is a shielded connector, e.g. RJHSE-3385 with manufacturer Amphenol.

Блокът за взаимодействие с крайния потребител 160 включва дисплей 161, бутони 162, опционален микрофон 163, зумер/сигнален звънец 164 и сигнални светодиоди 165. Дисплеят 161, бутоните 162, сигналните светодиоди 165, както и RJ-45 конекторът 154 са запоени от една и съща страна на печатната платка на електронното устройство 100. Дисплеят 161 включва контролер SSD1306 с производител Solomon Systech, бутоните 162 са тактилни бутони с размери 6 x 6 x 17 mm. Опционалният микрофон 163 може да бъде напр. GMI9767P-30, производител Inghai. Зумерът/сигналният звънец 164 може да бъде електромагнитен или базиран на пиезоефект, напр. ТМВ12А03 с производител Jiangsu Huaneng. Сигналните светодиоди 165, напр. модел L-53ID или L-53GD с производител Kingbright, допълват дисплея и показват работното състояние на електронното устройство 100.The end user interface unit 160 includes a display 161, buttons 162, optional microphone 163, buzzer/signal bell 164, and signal LEDs 165. The display 161, buttons 162, signal LEDs 165, and RJ-45 connector 154 are soldered from one and the same side of the printed circuit board of the electronic device 100. The display 161 includes an SSD1306 controller manufactured by Solomon Systech, the buttons 162 are 6 x 6 x 17 mm tactile buttons. The optional microphone 163 can be e.g. GMI9767P-30, manufacturer Inghai. The buzzer/signal bell 164 may be electromagnetic or piezo-based, e.g. ТМВ12А03 with manufacturer Jiangsu Huaneng. The signal LEDs 165, e.g. model L-53ID or L-53GD manufactured by Kingbright, complete the display and indicate the operating status of the electronic device 100.

Микропроцесорният блок 170 включва микропроцесор 171, елементи за комуникация чрез USB интерфейс 172, сензор за температура и влага 173, изход за управление на моторизиран закрепващ механизъм 174, интегрална схема EEPROM 175 и елементи за управление на вентилатори и/или нагреватели 176.The microprocessor unit 170 includes a microprocessor 171, elements for communication via a USB interface 172, a temperature and humidity sensor 173, an output for controlling a motorized fastening mechanism 174, an integrated circuit EEPROM 175, and elements for controlling fans and/or heaters 176.

Микропроцесорът 171 е напр. STM32F446RET6, произведен от STMicroelectronics, с хардуерна реализация на използваните комуникационни интерфейси като I2C, SPI и UART и достатъчен брой входоизходни пинове. Микропроцесорът 171 координира дейностите на електронното устройство 100 чрез връзките на свои входо-изходи с функционалните блокове 130, 140, 150 и 160. Програмирането му се осъществява чрез специален конектор с 5 пина, запоен на печатната платка и даващ достъп до SWD (англ. Serial Wire Debug) интерфейса му.The microprocessor 171 is e.g. STM32F446RET6 manufactured by STMicroelectronics with hardware implementation of the used communication interfaces such as I2C, SPI and UART and a sufficient number of I/O pins. The microprocessor 171 coordinates the activities of the electronic device 100 through the connections of its input-outputs with the functional blocks 130, 140, 150 and 160. Its programming is carried out through a special 5-pin connector soldered to the printed circuit board and giving access to the SWD (English Serial Wire Debug) its interface.

Елементите за комуникация чрез USB интерфейс 172 включват специализирана интегрална схема FT232RL с производител FTDI, свързана към микропроцесора 171 чрез UART интерфейс и свързана към USB конектор тип “В”, който също е част от елементите 172. Елементите за комуникация чрез USB интерфейс 172 включват още елемент за защита от електростатични напрежения SRV05-4-P-T7, производител ProTek Devices, свързан между специализираната интегрална схема FT232RL и USB конектора, както и два светодиода за индикация на получаването и изпращането на данни чрез USB интерфейса.The USB interface communication elements 172 include a specialized integrated circuit FT232RL manufactured by FTDI, connected to the microprocessor 171 via a UART interface and connected to a USB type “B” connector, which is also part of the elements 172. The USB interface communication elements 172 also include an element of protection against electrostatic voltages SRV05-4-P-T7, manufacturer ProTek Devices, connected between the specialized integrated circuit FT232RL and the USB connector, as well as two LEDs for indicating the reception and sending of data through the USB interface.

Сензорът за температура и влага 173 е специализирана интегрална схема, напр. SHTC3 с производител Sensirion, която измерва и предава към микропроцесора 171 данни за температурата и влагата в близост до печатната платка на електронното устройство 100. Сензорът за температура и влага 173 има връзка с микропроцесора 171 чрез I2C комуникационен интерфейс.The temperature and humidity sensor 173 is a specialized integrated circuit, e.g. SHTC3 manufactured by Sensirion, which measures and transmits to the microprocessor 171 temperature and humidity data near the printed circuit board of the electronic device 100. The temperature and humidity sensor 173 communicates with the microprocessor 171 via an I2C communication interface.

Изходът за управление на моторизиран закрепващ механизъм 174 включва конектор с четири пина A2543WV-4P, производител CJT, като два от пиновете са свързани към цифрови изходи на микропроцесора 171. Интегралната схема EEPROM 175 е специализирана интегрална схема (напр. 24LC64, производител Microchip) за постоянно съхранение на ограничени количества данни (напр. конфигурационни настройки), която е свързана с микропроцесора 171 чрез I2C комуникационен интерфейс.The motorized fastener control output 174 includes a four-pin A2543WV-4P connector, manufactured by CJT, with two of the pins connected to digital outputs of the microprocessor 171. The EEPROM integrated circuit 175 is a specialized integrated circuit (eg, 24LC64, manufactured by Microchip) for permanent storage of limited amounts of data (eg configuration settings) which is connected to the microprocessor 171 via an I2C communication interface.

Елементите за управление на вентилатори и нагреватели 176 включват два управляващи канала, като всеки канал включва две съпротивления (едно със стойност 100 Ω и едно със стойност 10 kΩ), един транзистор от тип N-MOSFET (напр. IRLML0030TRPBF с производител Infineon), един Шотки-диод (напр. SS34A) и един конектор с два пина (напр. A2543WV-2P с производител CJT).The fan and heater control elements 176 include two control channels, each channel including two resistors (one with a value of 100 Ω and one with a value of 10 kΩ), one N-MOSFET type transistor (eg IRLML0030TRPBF manufactured by Infineon), one Schottky diode (e.g. SS34A) and one two-pin connector (e.g. A2543WV-2P with manufacturer CJT).

На фигура 2 е показана примерна техническа реализация на система за създаване на светлинни ефекти 200, включваща електронно устройство за управление на лазерни и светодиодни светлинни ефекти 100. Чрез проводниците 212 и превключвателя на захранването 211, захранващият мрежов адаптер 210 с изходно напрежение 7 V до 25 V и максимална изходна мощност между 200 W и 250 W е свързан към електронното устройство 100. Поредицата светодиоди 240, устройствата за управление на лазерни диоди 260, както и вентилаторите и нагревателите 250, са свързани с проводници към електронното устройство 100. Чрез проводниците 221 електронното устройство 100 управлява моторизиран закрепващ механизъм 220, който може да променя положението в пространството на системата 200. Устройството за наблюдение, контрол и настройка 230 може да бъде компютър или специализиран пулт, свързан към един от XLR конекторите на DMX512 интерфейса, USB конектора или RJ-45 конектора на електронното устройство 100.Figure 2 shows an exemplary technical implementation of a system for creating light effects 200, including an electronic device for controlling laser and LED light effects 100. Through the wires 212 and the power switch 211, the power supply network adapter 210 with an output voltage of 7 V to 25 V and a maximum output power of between 200 W and 250 W is connected to the electronic device 100. The series of LEDs 240, the laser diode control devices 260, and the fans and heaters 250 are connected by wires to the electronic device 100. Through the wires 221 the electronic device 100 controls a motorized attachment mechanism 220 that can change the position in space of the system 200. The monitoring, control and adjustment device 230 can be a computer or a dedicated console connected to one of the XLR connectors of the DMX512 interface, the USB connector or RJ- 45 connector of the electronic device 100.

Приложение на полезния моделApplication of the utility model

Предложеният полезен модел намира приложение в конструирането на системи за създаване на светлинни ефекти, използващи едновременно множество стандартни светодиоди с различни цветове и лазерни диоди с един или повече цветове. Тези системи за създаване на светлинни ефекти се използват в развлекателната индустрия (напр. дискотеки, концертни зали, театри и др.), както и за рекламни цели и привличане на вниманието на потенциални клиенти в рамките на големи търговски центрове или панаирни площи.The proposed utility model finds application in the construction of systems for creating lighting effects using simultaneously multiple standard LEDs of different colors and laser diodes of one or more colors. These lighting effects systems are used in the entertainment industry (eg discos, concert halls, theaters, etc.) as well as for advertising purposes and attracting the attention of potential customers within large shopping centers or fairgrounds.

Електронно устройство за управление на лазерни и светодиодни светлинни ефекти предлага компактно и надеждно техническо решение за управлението на поредица от светодиоди и един или повече лазерни диоди, включително поддържането на безопасна работна температура в корпуса на системата за създаване на светлинни ефекти.An electronic device for controlling laser and LED light effects offers a compact and reliable technical solution for the control of a series of LEDs and one or more laser diodes, including the maintenance of a safe operating temperature in the housing of the system for creating light effects.

Производството на електронното устройство се осъществява чрез обичайните за електронни изделия производствени стъпки и процеси.The production of the electronic device is carried out through the usual manufacturing steps and processes for electronic products.

Claims

An electronic device for controlling laser and LED lighting effects (100), including one or more power supply units (110), an intermediate power supply unit (120), a control unit for laser diodes and LEDs (130), a communication unit via a DMX512 interface ( 140), a TCP/IP protocol stack communication block (150), an end user interaction block (160) and a microprocessor block (170) including a microprocessor (171) characterized in that the TCP/IP communication block protocol stack (150) includes a specialized integrated circuit (151) connected to digital inputs-outputs of the microprocessor (171) and to a pulse transformer (152), the intermediate power supply unit (120) includes a galvanically isolated pulse voltage regulator (121), the unit for communication via a DMX512 interface (140) includes elements for galvanic isolation and voltage change (141), which include a specialized integrated circuit connected to the output voltage of the intermediate power supply unit (120) and to the microprocessor (171), and the microprocessor unit (170 ) includes an output for controlling a motorized fastening mechanism (174), which in turn includes a four-pin connector, two of which are connected to digital outputs of the microprocessor (171) and control elements for fans and/or heaters (176), which include two control channels, each channel including two resistors, one N-MOSFET, one Schottky diode, and one two-pin connector