Optimalisatie van het vermogenverbruik van flexibele LED-circuits in textiel

Optimalisatie van het vermogenverbruik van flexibele LED-circuits in textiel Jeroen Vankelecom

Promotoren: prof. dr. ir. Jan Vanfleteren, prof. dr. ir. Herbert De Smet Begeleiders: Michal Jablonski, dr. ir. Frederick Bossuyt, ir. Thomas Vervust Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2012-2013

Optimalisatie van het vermogenverbruik van flexibele LED-circuits in textiel Jeroen Vankelecom

Promotoren: prof. dr. ir. Jan Vanfleteren, prof. dr. ir. Herbert De Smet Begeleiders: Michal Jablonski, dr. ir. Frederick Bossuyt, ir. Thomas Vervust Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2012-2013

Voorwoord Een mens moet een groot aantal keuzes maken doorheen het leven. En zoals altijd, is het maken van keuzes niet altijd eenvoudig of voor de hand liggend. Dit was ook mijn ervaring bij het kiezen van mijn thesisonderwerp. Enerzijds had ik de keuze voor onderwerpen die meer aansloten bij mijn keuzerichting (elektrotechniek, optie Informatie en Communicatietechnologie), anderzijds wou ik toch eenmaal in mijn opleiding tot Elektrotechnisch Ingenieur in aanraking komen met het ontwerpen van hardware en het programmeren van een microcontroller. Het was dan ook deze nieuwe ervaring, samen met de moderne technologie die gebruikt wordt in de vakgroep CMST, die me deden kiezen voor dit onderwerp. Graag wil ik in dit voorwoord mijn promotoren prof. dr. ir. Jan Vanfleteren en prof. dr. ir. Herbert De Smet oprecht bedanken. Zij gaven mij de kans en het vertrouwen om mijn thesis bij de vakgroep CMST te realiseren. Ook wil ik mijn thesisbegeleider Michal Jablonski bedanken. Hij stond steeds enthousiast klaar om me te helpen bij problemen en vragen. Tot slot wil ik ook de volgende mensen bedanken voor de hulp bij de productie van de demonstrator: Sheila Dunphy, Steven Van Put, Bj¨ orn Vandecasteele en Michal Jablonski. Een speciale dank gaat uit naar mijn ouders, broer, zus en vriendin. Zij steunden me steeds voor de volle 100% tijdens mijn opleiding, stonden klaar als er een probleem was of boden een zeer welkom luisterend oor als er iets niet helemaal naar wens verliep. De logistieke steun die ze boden heeft zeker bijgedragen in het succesvol afronden van mijn opleiding. Bovendien wil ik hen bedanken voor de hulp bij de zoektocht naar spelen grammaticale fouten in deze scriptie.

Jeroen Vankelecom, juni 2013

i

Toelating tot bruikleen

“De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.”

Jeroen Vankelecom, juni 2013

ii

Optimalisatie van het vermogenverbruik van flexibele LED-circuits in textiel door Jeroen Vankelecom Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek Academiejaar 2012-2013 Promotoren: prof. dr. ir. Jan Vanfleteren, prof. dr. ir. Herbert De Smet Scriptiebegeleiders: Michal Jablonski MSc., dr. ir. Frederick Bossuyt, dr. ir. Thomas Vervust Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Samenvatting Slechte weersomstandigheden en duisternis vormen een gevaar voor elke weggebruiker. Een goede verlichting is dus noodzakelijk om de eigen veiligheid en die van anderen te garanderen. De ideale verlichting moet conform de wetgeving zijn, is duidelijk zichtbaar bij dageraad, schemering, nacht en slechte weersomstandigheden, verbruikt zo weinig mogelijk energie en hindert de gebruiker niet. In deze masterproef wordt onderzocht welke mogelijkheden er zijn om een energiezuinig en handig achterlicht voor fietsers te ontwikkelen. Een grondige studie van de wetgeving, standaarden rond verlichting en bestaande fotometrische grootheden is nodig vóór een ontwerpkeuze gemaakt wordt. Het systeem bestaat uiteindelijk uit efficiënte LEDs, aangestuurd door een driver met twee boost-converters. Door gebruik te maken van een microcontroller, kunnen de LEDs oplichten volgens een aantal weloverwogen patronen. Hierbij wordt een afweging gemaakt tussen het vermogenverbruik en de zichtbaarheid. Vervolgens worden de verschillende stappen beschreven die nodig zijn om van een ontwerp op papier, via een voorlopig PCB-ontwerp, naar een flexibel en rekbaar circuit te gaan. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de kennis en expertise die de vakgroep CMST de afgelopen jaren heeft opgebouwd omtrent flexibele elektronica. Een rekbaar circuit bestaat uit compacte eilandjes die de elektronica bevatten en onderling verbonden zijn via rekbare, kronkelende connecties. Om het circuit te beschermen en waterdicht te maken, wordt het geheel geëncapsuleerd in een elastomeer. Het systeem zal dus flexibel en rekbaar blijven, waardoor het de gebruiker niet zal hinderen. Het resultaat van de masterproef is een flexibel en rekbaar LED-circuit, dat ge¨ıntegreerd is in een T-shirt. Trefwoorden LED-circuits, flexibele en rekbare elektronica, laag vermogenverbruik, rekbare technologie

Power Consumption Optimisation for Wearable LED Circuits Jeroen Vankelecom Supervisor(s): Jan Vanfleteren, Herbert De Smet, Michal Jablonski, Frederick Bossuyt, Thomas Vervust Abstract—This study presents the design and realization of a flexible and stretchable LED-circuit, meant to be integrated in textile. The circuit can be used as a rear light for a cyclist. The main goal is to design a low power consuming LED-circuit without reducing the perceptibility of the user and complying to the Belgian Highway Code and existing standards. A working demonstrator is produced, using the available knowledge and technology at CMST (Center for Microsystems Technology). Finally, the stretchable LED-circuit is integrated in a T-shirt. Keywords— LED-circuit, flexible and stretchable electronics, low power consumption, stretchable technology

I. I NTRODUCTION In 2010, traffic claimed the lives of 70 cyclists in Belgium. More than 700 cyclists were seriously injured after they were involved in an accident. A study has shown that between 1998 and 2007 19% of all deadly incidents with cyclists occured during night, dusk or dawn [1], [2]. Integrating highly visible lights in textile can improve the perceptibility of cyclists on the road during night or in bad weather conditions. In the past years, the research group CMST [3] of the University of Ghent has developped different technologies to make flexible and stretchable circuits and to integrate them in textile. These technologies can be used to create a rear light for a cyclist, integrated in a T-shirt. This article starts with the conceptual design of the light. Next, the needed steps to create and produce a stretchable circuit are briefly discussed. A final demonstator is presented, together with some results on power consumption and light emission. II. S YSTEM D ESIGN AND L AYOUT The system design starts with a study of the Belgian Highway Code and existing standards on lighting equipment for cyclists. Keeping a low power consumption and a high visibility in mind, different components were considered and selected. The amount of components and the size of the package should be kept as small as possible, in order to ensure the flexibility and stretchability of the system. A. Belgian Highway Code and standards According to the Belgian Law, the rear light should be red and can be used in a continuous or a flashing mode. Moreover, the device may be mounted on the bicycle or can be worn on the body of the user. ISO-standard 6742 ‘Cycles - Lighting and retro-reflective devices’ [4] requires that the device emits light with a wavelength larger than 610 nm and restricts the flashing frequency from 1 Hz to 4 Hz. The standard also enumerates the photometric requirements of the device from different viewing angles. B. Components The LED-circuit is a battery powered device with following building blocks: two LED-strings, a driver, a microcontroller and an external battery. The driver sets a suitable current through the LEDs. The microcontroller is used to switch the

driver on and off according some well-chosen patterns. A low profile button makes it possible to cycle through these different light modes. The lighting part of the device constists of eight LEDs in an outer circle and three LEDs in the center. The used OSRAM LEDs [5] emit light with a wavelength of 625 nm and have a high optical efficiency. Furthermore, they have a broad viewing angle of 120◦ . Whilst keeping the requirement of low power consumption in mind, a driver with two boost converters (LT3497 [6]) was chosen in stead of a linear driver. The driver consists of a power stage and a control circuit. The power stage is a step-up DC/DC converter, capable of boosting the low input voltage from the battery to the required higher output voltage with a high efficiency. The control circuit measures the output voltage and regulates the current through the LEDs. Both boost converters can be independently turned on and off by a PWM signal, so the two LED-strings can be operated in different modes. The control of the driver is done by a 16-bit ultra-low power microcontroller of Texas Instruments [7]. By making use of the available timers and service interrupt routines, the microcontroller generates PWM signals in a low-power mode to create different lighting patterns. A low profile button is used to switch between the light modes or to turn the microcontroller in a sleeping mode. An external battery with a capacity of 1600 mAh can be connected through a long, stretchable connection to the device. C. Layout To obtain a stretchable circuit, some measures should be taken in the layout of the design. First of all, the electronic components should be gathered together on compact, functional islands. These function islands are created on a flexible substrate, but will themselves remain non-stretchable. Secondly, meander-shaped interconnections are foreseen between the functional islands. They provide the stretchability of the device. The stretchability of these connections depends strongly on the dimensions of the meanders: the radius R of a meander, the width W of the track and the angle a at which a meander stops. Thirdly, a one-layer design is preferred over a two-layer design. The production of a two-layer design will take longer and costs will be higher. Intersecting connections in a one-layer design can be made by using 0 Ω resistors or the space underneath some components. III. P RODUCTION After defining a proper flexible and stretchable layout, the production of a final demonstrator can start. The substrate consists of a 50 µm flexible layer (polyimide) and a 18 µm Culayer. A rigid carrier will protect the substrate during the processing. The copper tracks and paths are defined using pho-

tolithography. Afterwards, the circuit is assembled and put in the reflow oven. Because the final circuit has to be stretchable, redundant parts of the polyimide are removed by using a Nd:YAG laser. Only the functional islands with electronic components and stretchable interconnections will remain on polyimide. After laser ablation, the circuit is embedded in silicone using blading. This will protect the circuitry electronically (against moisture) as well as mechanically (against large strain). Finally, the flexible and stretchable circuit is glued to the back of a Tshirt (figure 1).

Light Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 Mode 5 Mode 6 Mode 7

P (mW ) 217.9 90.5 24.1 109.7 111.6 111.7 236.7

η (%) 73.7 67.3 55.2 65.0 74.9 75.0 72.8

Lif etime (h) 23.1 55.7 209.4 46.0 45.2 45.1 21.3

TABLE I P OWER CONSUMPTION OF THE DEVICE IN DIFFERENT LIGHTING MODES .

device will be twice as bright as the presented device. The designed system is less directive, but has a broader viewing angle. 1800 Commercieel Stationair Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4

2

Gemeten luminantie (cd/m )

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 −80

−60

−40

−20

0

20

40

60

80

Kijkhoek (°)

Fig. 2. Light profile of the device in different modes, compared to a commercial lighting device. Fig. 1. Final demonstrator integrated in a T-shirt.

IV. R ESULTS The final demonstrator has seven different lighting modes, each with a different light profile and accordingly another power consumption. A. Lighting modes In the first three modes, only the outer eight LEDs are used in continuous mode (100Hz). By lowering the dutycycle of the controlling PWM signal (50%, 20% and 5% respectively), the device produces less light and consumes less power. Mode 4 makes use of a dimmed outer circle and bright LEDs in the center. Mode 5 and 6 implement two flashing modes of 2 Hz and 4 Hz. The continuous and flashing modes are combined in mode 7: a 4 Hz flashing outer circle and steady shining LEDs in the center. B. Power consumption Table I contains the power consumption, the efficiency of the driver and the lifetime of the battery in the different lighting modes. Obviously, modes with a lower dutycycle consume less power. Unforunately, the efficiency of the driver drops in these modes. C. Light profile Figure 2 shows some comparative luminance measurements on the PCB-prototype of the device. In the center, a commercial

V. D ISCUSSION AND CONCLUSION In this study, a demonstartor of a flexible and stretchable LED-circuit was integrated in a T-shirt. Due to well chosen components, the system has a low power consumption. Compared to a commercial device, the presented design is less directive, but has a broader light profile. To reduce the power consumption even more, switches can be used to completely turn off the LED-strings and prevent leakage. Also, some alternatives for the microcontroller and the voltage regulator can be found. During the processing, some incoming techniques to define special lens structures in the silicone can be used to improve the light profile and the light extraction of the system. Finally, intelligence can be incorporated in the device by the use of a light sensor. By doing this, the lighting device can adapt to different conditions. R EFERENCES [1] N. Nuyttens, N. Focant, and Y. Casteels, Statistische analyse van verkeersongevallen 2010., Belgisch Instituut voor de Verkeersveiligheid - Kenniscentrum voor de Verkeersveiligheid, Brussel, Belgie, 2012. [2] H. Martensen and N. Nuyttens, Verkeersongevallen met fietsers (20002007), Belgisch Instituut voor de Verkeersveiligheid - Kenniscentrum voor de Verkeersveiligheid, Brussel, Belgie, 2009. [3] ,” . [4] ISO, “Cycles - lighting and retro-reflective devices - part 1: Lighting and signaling devices,” 2011. [5] OSRAM, “Topled enhanced thinfilm led,” Product Datasheet, Februari 2010, http://www.farnell.com/datasheets/1605247.pdf. [6] Linear Technologies, “Dual full function white led driver with integrated schottky diodes,” Product Datasheet, 2006, http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3497f.pdf. [7] Texas Instruments, “Mixed signal datacontroller,” Product Datasheet, November 2007, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f2132.pdf.

Inhoudsopgave Voorwoord

i

Toelating tot bruikleen

ii

Overzicht

iii

Extended abstract

iv

Lijst van afkortingen en symbolen

viii

1 Situering van de masterproef 1.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . 1.2 Doelstelling . . . . . . . . . . 1.3 Uitdagingen . . . . . . . . . . 1.4 Structuur van de masterproef

. . . .

1 1 2 4 5

. . . . . . . . . . . .

7 7 7 11 13 17 17 23 24 24 25 26 26

. . . . .

28 28 28 29 32 33

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

2 Systeemontwerp en componentenkeuze 2.1 Verlichting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Grootheden en eenheden van licht . . . . . . 2.1.2 Wetgeving en standaarden . . . . . . . . . . . 2.1.3 OSRAM TOPLED . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Aansturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Microcontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Batterij en optioneel laadcircuit . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Problematiek rond integratie van de batterij . 2.3.2 Opladen van een ge¨ıntegreerde batterij . . . . 2.3.3 Oplossing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Elektrisch schema van het systeem . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

3 Ontwerp van het PCB en het flexibel en rekbaar circuit 3.1 Ontwerp van het PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Componenten en hun footprints . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Routering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Realisatie en correcties . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Translatie naar een flexibel en rekbaar circuit . . . . . . . . vi

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . .

Inhoudsopgave 3.2.1 3.2.2

Meanders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druktoets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35 38

4 Firmware 4.1 Werking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Timers en ISR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Toestandsdiagram en functie van de verschillende modes . . . . . . . . . .

40 40 40 43

5 Karakterisatie 5.1 Vermogenmetingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Vermogenverbruik, efficiëntie en levensduur 5.1.2 Mogelijke oorzaken van verliezen . . . . . . 5.2 Fotometrische metingen . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Spectrale analyse . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Luminantie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Bepaling van de beste verlichtingsmode . . . . . .

. . . . . . .

47 47 47 50 51 51 53 55

. . . . . . . .

56 57 58 60 62 62 64 65 67

. . . .

68 68 69 69 70

6 Realisatie van het flexibel en rekbaar circuit 6.1 Preparatie van het substraat . . . . . . . . . 6.2 Lithografie, ontwikkelen en etsen . . . . . . . 6.3 Lasersnijden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Assemblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Encapsulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Integratie in textiel . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Knelpunten en mogelijke oplossingen . . . . . 6.8 Finale demonstrator . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

7 Mogelijkheden tot het verbeteren van de lichtextractie 7.1 Verloren lichtenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Mogelijke oplossingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Concave microstructuren in PDMS . . . . . . . . . 7.2.2 Reflecterend materiaal . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

8 Conclusie en mogelijke verbeteringen

71

A C-programma voor de MSP430f2132

73

Bibliografie

78

Lijst van figuren

81

Lijst van tabellen

84

vii

Lijst van afkortingen en symbolen BIVV CIE CMST CPU EMI FR-4 IDE InGaN ISO ISR LED MOSFET PDMS PWM RISC ROM SMCLK SMD SMT

Belgisch Instituut voor de Verkeersveiligheid Commission Internationale de l’Eclairage Centre for Microsystems Technology Central Processing Unit Elektromagnetische interferentie Flame Retardant 4 Integrated Development Environment Indium gallium nitride Internationale Organisatie voor Standaardisatie Interrupt Service Routine Light-emitting diode Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor Polydimethylsiloxane Pulse-width modulation Reduced instruction set computer Read-only memory Sub-Main Master Clock Surface Mounted Device Surface-mount Technology

viii

Hoofdstuk 1

Situering van de masterproef 1.1

Inleiding

Het Belgisch Instituut voor de Verkeersveiligheid (BIVV) verzamelt en analyseert jaarlijks alle ongevalgegevens ter verbetering van de verkeersveiligheid. In 2012 stelden zij een uitgebreid rapport op over de verkeersongevallen in België in het jaar 2010 [1].

Doden 30 dagen

Zwaargewonden

Lichtgewonden

Totaal

Totaal

840

5 984

54 396

61 220

Fietsers

70

751

5 916

6 737

Tabel 1.1: Ongevallenstatistieken van het jaar 2010 (gegevens uit [1]).

In 2010 vielen er 61 220 slachtoffers (lichtgewonden, zwaargewonden en doden binnen de 30 dagen na het ongeval). Maar liefst 11% van de slachtoffers reed met de fiets. 70 fietsers overleefden de klap niet en meer dan 700 fietsers raakten zwaargewond. Figuur 1.1 toont de spreiding van fietsongevallen over de verschillende maanden van het jaar en tijdstippen van de dag. Een zwarte inkleuring staat voor een hoge concentratie aan fietsongevallen op een specifiek tijdstip binnen een bepaalde periode. De twee zwarte lijnen tonen het uur van zonsopkomst en zonsondergang. De meeste ongevallen doen zich voornamelijk van april tot eind oktober voor, wat strookt met de temporele kenmerken van fietsverplaatsingen. Opmerkelijk is dat de rode en zwarte inkleuring de demarcatielijnen voor zonsopkomst en -ondergang niet overschrijden. In tegenstelling tot voetgangers, bereiden fietsers zich volgens deze gegevens beter voor op de potentiële gevaren bij schemering en nacht (bijvoorbeeld door het gebruik van een fluohesje).

1

Hoofdstuk 1. Situering van de masterproef

Figuur 1.1: Spreiding van ernstige fietsongevallen over de maanden van een jaar en over de uren van een dag - 2010 (afbeelding uit [1]).

Het aantal doden bij schemering en nacht valt echter niet te minimaliseren: tussen 1998 en 2007 kwamen 1 061 fietser om het leven op Belgische wegen, waarvan 19% bij dageraad, schemering of nacht [2]. Bovendien stelde men vast dat de verwondingen bij aanrijdingen in het donker vaak ernstiger zijn dan overdag. Fietsers worden niet alleen geadviseerd om zich ’s nachts zichtbaar te maken (met bijvoorbeeld een fluohesje), ze zijn ook wettelijk verplicht om zich duidelijk herkenbaar te maken: Tussen valavond en zonsopgang of in alle omstandigheden wanneer het onmogelijk is om duidelijk te zien tot op een afstand van ongeveer 200 m, moet vooraan en achteraan een vast licht of knipperlicht gebruikt worden. Vooraan een wit of geel en achteraan een rood licht. De lichten mogen zowel op de fiets als op de fietser bevestigd worden. Het achterlicht moet ’s nachts, bij helder weer, zichtbaar zijn van op een afstand van minimum 100 m [3, 4]. Tijdens controles van de politie van Gent in november 2007 bleken 1 214 van de 5 362 gecontroleerde fietsen niet in orde. Maar liefst 22, 7% van de fietsers reed dus rond zonder of met een slecht werkende verlichting [5]. Bij een recentere controle in november 2012 was maar 80% in orde met het voor- en achterlicht [6].

1.2

Doelstelling

Het doel van deze masterproef is het ontwikkelen en produceren van een flexibel en rekbaar, rood achterlicht voor fietsers. Hierbij zal gebruik gemaakt worden van de SMI technologie (Stretchable Molded Interconnect), ontwikkeld door de UGent in samenwerking met IMEC. Figuur 1.2 illustreert dit principe. Het circuit wordt opgedeeld in een aantal niet-rekbare eilandjes die de verschillende elektronische componenten bevatten. Deze functionele eilandjes worden vervolgens met elkaar verbonden met kronkelende, rekbare interconnecties, wat zorgt voor de flexibiliteit en rekbaarheid van het circuit. In een laatste stap wordt het geheel ingebed in een elastomeer, zoals bijvoorbeeld PDMS (polydimethylsiloxane). 2


Functioneel “niet-rekbaar” eiland

Rekbare interconnecties

Rekbare matrix

Uitgerokken matrix

Figuur 1.2: Principe van de SMI technologie: functionele eilandjes verbonden via rekbare interconnecties (afbeelding uit [7]).

Het flexibel LED-circuit kan vervolgens in textiel ge¨ıntegreerd worden: een t-shirt, een jas, een fluobag, een wielertruitje, . . . Hiervoor zal een dunne lijmlaag geprint worden op het textiel, waarop het rekbare circuit aangebracht wordt. De focus zal vooral liggen op de afweging tussen zichtbaarheid en vermogenverbruik: door een optimale aansturing kan het batterij-gestuurd circuit langer meegaan, zonder de zichtbaarheid van de drager te verminderen. Bovendien moeten de elektronische componenten zo dun mogelijk zijn, om de rekbaarheid en flexibiliteit van het circuit te verbeteren. Deze flexibele lichtjes moeten leiden tot een betere zichtbaarheid van fietsers in het verkeer. LED-verlichting ge¨ıntegreerd in kledij zal zorgen voor een verhoogd gebruik van fietsverlichting in het verkeer. De toepassing kan verder uitgebreid worden naar voetgangers of wegenwerkers. Figuur 1.3 toont een schets van de beoogde demonstrator. De verlichting zal uiteindelijk bestaan uit drie LEDs in het centrum en acht LEDs langs de buitenkant. De groene vakken stellen de niet-rekbare, functionele eilanden voor. De zwarte interconnecties zullen wel rekbaar zijn. Het systeem wordt gevoed door een batterij, die weggestopt is in een zakje onderaan de T-shirt.

3


Figuur 1.3: Prototype van het flexibel LED-circuit.

1.3

Uitdagingen

Om tot een flexibel, gebruiksvriendelijk en energiezuinig systeem te komen, moesten volgende uitdagingen steeds in het achterhoofd blijven: vermogenverbruik, flexibiliteit en zichtbaarheid. Vermogenverbruik Aangezien het volledige systeem draagbaar moet zijn, zal de duurzaamheid van de batterij voldoende lang moeten zijn, zodat het circuit zo lang mogelijk autonoom kan werken. Het vermogenverbruik moet dus zo laag mogelijk liggen. Niet alleen de componentenkeuze speelt hierin een belangrijke rol, ook de manier waarop de LEDs gestuurd worden is bepalend. Verschillende aansturingsmodes (van flitsend tot continu) zullen bestudeerd worden. Flexibiliteit Het circuit zal uiteindelijk ge¨ıntegreerd worden in kledij. Om de bewegingen van de gebruiker niet te hinderen, is het gewenst dat het circuit flexibel en rekbaar is. Hiervoor moeten volgende zaken in acht genomen worden: • het aantal componenten moet beperkt blijven, om zo een compact circuit te bekomen, • de afmetingen van de componenten zijn liefst zo klein mogelijk,

4

Hoofdstuk 1. Situering van de masterproef • het ontwerp zal bestaan uit één laag, aangezien meerdere lagen in de flexibele technologie economisch minder interessant zijn, • oog voor symmetrie, zodat het circuit in alle richtingen even goed rekt. Zichtbaarheid De zichtbaarheid van het achterlicht mag niet lijden onder het beperken van het vermogenverbruik. Het verlichtingssysteem moet voldoen aan de wettelijke normen. Ook moet onderzocht worden welke invloed de elastomeer en het integreren van het systeem in kledij heeft op de extractie van licht. Niet alleen een efficiënte omzetting van elektrische energie naar lichtenergie is belangrijk, er mag ook zo weinig mogelijk lichtenergie verloren gaan. Twee methodes voor een betere extractie van licht uit de silicone worden in theorie kort besproken.

1.4

Structuur van de masterproef

Figuur 1.4 illustreert de verschillende deelopdrachten van de masterproef. De hierop volgende hoofdstukken volgen in grote mate de structuur van deze planning.

Studie van regelgeving

Systeemontwerp Componentenkeuze

Ontwerp en realisatie PCB

Firmware

Evaluatie PCB-ontwerp

Flexibel ontwerp en productie

Figuur 1.4: Planning van de masterproef.

In een eerste fase wordt er voldoende aandacht besteed aan de regelgeving omtrent verlichting en zichtbaarheid van fietsers. Ook de werking van het menselijk oog en verschillende manieren om licht te karakteriseren worden bestudeeerd (hoofdstuk 2). In hoofdstuk 2 wordt tevens het

5

Hoofdstuk 1. Situering van de masterproef systeemontwerp beschreven. Hierbij spelen vermogenverbruik en de afmetingen van de verpakking van componenten een belangrijke rol in de keuze van de onderdelen. Eenmaal het systeemontwerp en de componentenkeuze vastliggen, wordt een eerste PCB-ontwerp gemaakt (hoofdstuk 3). Vervolgens wordt omschreven hoe een PCB-ontwerp kan omgezet worden in een flexibel en rekbaar design. Parallel met de PCB-ontwerpfase wordt ook de firmware geschreven, deze wordt uitvoerig besproken in hoofdstuk 4. De firmware wordt voortdurend aangepast tijdens de evaluatie van het PCB-ontwerp, om zo tot een optimale microcode te komen. In deze fase wordt tevens het vermogenverbruik gemeten en het uitgestraalde licht gekarakteriseerd (hoofdstuk 5). Hoofdstuk 6 behandelt de verschillende stappen van de productie van het flexibel en rekbaar systeem. Aanvullend worden een aantal methoden voorgesteld die tijdens de productie kunnen toegepast worden om het licht vanuit de elastomeer beter te extraheren (hoofdstuk 7). In hoofdstuk 8 komen tot slot enkele conclusies aan bod. Hierin worden ook een aantal optimalisaties en mogelijke verbeteringen besproken.

6

Hoofdstuk 2

Systeemontwerp en componentenkeuze In dit hoofdstuk volgt een beschrijving van het systeemontwerp van het LED-circuit. Verschillende overwegingen (vermogenverbruik, zichtbaarheid, compactheid, functionaliteit) worden in acht genomen om tot het definitief ontwerp te komen. Uiteindelijk zullen twee LED-strings (in serie geschakelde LEDs) aangestuurd worden door een driver, die op zijn beurt gecontroleerd wordt door een microcontroller. Een externe batterij zal het volledige systeem voeden. De systeemvereisten en wettelijke normen leiden ten slotte tot de specifieke componentenkeuze.

2.1

Verlichting

Het verlichtingsgedeelte is het belangrijkste deel van het systeem. De werking van het menselijk oog en een grondige studie van bestaande standaarden voor fietsverlichting zijn een goed uitgangspunt voor het ontwerp van dit deel.

2.1.1

Grootheden en eenheden van licht

Licht is elektromagnetische straling en kan gezien worden als een sinuso¨ıdale golf die zich propageert doorheen de ruimte. De meest gebruikte grootheid voor licht is de golflengte λ: de afstand die het licht overbrugt tijdens één periode van het sinuso¨ıdaal signaal. λ=

c nf

(2.1)

De lichtsnelheid c bedraagt 299 792 458 m/s in vacu¨ um. In een ander medium zal licht trager propageren, aangezien de brekingsindex n groter zal zijn dan één. De golflengte van licht is dus afhankelijk van het materiaal waarin het propageert, terwijl de frequentie f onafhankelijk is van het propagatiemedium. Licht is het deel van het elektromagnetisch spectrum dat zichtbaar is voor het menselijk oog (zie figuur 2.1) en strekt zich uit over een golflengte van ongeveer 380 nm (violet) tot 780 nm (rood).

7

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze

Figuur 2.1: Situering van zichtbaar licht in het elektromagnetisch spectrum [8].

Werking van het menselijk oog Het menselijk oog bestaat uit de oogbol en enkele omliggende structuren (oogspieren, oogleden, traanklieren, traanbuisjes). Figuur 2.2 toont een dwarsdoorsnede van de oogbol, waarop de belangrijkste delen zijn aangeduid. De iris treedt op als diafragma: door het op- of ontspannen van de rondom gelegen spier regelt de iris de grootte van de pupil (opening in het oog) en dus ook de hoeveelheid licht die binnenvalt in het oog. Het netvlies of retina ligt aan de achterkant van de oogbol en staat in voor de omzetting van licht naar zenuwprikkels. De oogzenuw vervoert deze zenuwprikkels naar de hersenen, waar het beeld gevormd wordt.

Figuur 2.2: Dwarsdoorsnede van het menselijk oog (afbeelding uit [9]).

De retina bestaat uit twee soorten lichtgevoelige zenuwcellen: staafjes (90 miljoen) en kegeltjes (4,5 miljoen). Bij hoge lichtintensiteit (een luminantie hoger dan 3 cd/m2 ) zijn de kegeltjes verantwoordelijk voor het zicht. Dit noemt men fotopisch zicht. Er bestaan drie soorten kegel8

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze tjes, die elk reageren op licht met een golflengte rond een bepaalde centrale golflengte (440 nm, 540 nm en 580 nm - figuur 2.3). Hierdoor hebben mensen een trichromatisch zicht: we kunnen drie verschillende golflengtes onderscheiden (violet, groen en dieprood) en aan de hand van het verschil tussen deze golflengtes kunnen we ook andere kleuren onderscheiden. Staafjes daarentegen zijn zeer gevoelig aan licht en zijn in staat om lichtintensiteit te detecteren. Ze kunnen echter geen kleuren onderscheiden. Bij een luminantie lager dan 0, 03 cd/m2 spreken we van scotopisch zicht en treden de staafjes in werking. Mesopisch zicht vormt het overgangsgebied tussen fotopisch en scotopisch zicht. In dit gebied werken zowel de staafjes als de kegeltjes.

Figuur 2.3: De drie soorten kegeltjes reageren elk op verschillende golflengtes en hebben elk hun optimale golflengte waarbij ze het meest gevoelig zijn (440 nm, 540 nm en 580 nm) (afbeelding uit [9]).

Fotometrie Zoals blijkt uit figuur 2.3, is het oog tussen 380 nm en 780 nm niet overal even gevoelig. De gangbare radiometrische grootheden (zoals hoeveelheid straling, stralingsstroom, stralingssterkte) kunnen niet gebruikt worden om het zichtbare deel uit het elektromagnetisch spectrum te karakteriseren. De CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) onderwierp verschillende proefpersonen aan testen om de sensitiviteit van het oog in kaart te brengen. Hieruit bleek dat het menselijk oog veel gevoeliger is voor groen licht dan voor andere kleuren. Figuur 2.4 toont de gevoeligheid van het oog, zowel bij fotopisch als bij scotopisch zicht. De grootheid luminous efficacy duidt aan hoe efficiënt een lichtbron elektrische energie kan omzetten in zichtbaar licht. Deze bedraagt maximaal 683 lm/W bij fotopisch zicht en 1699 lm/W bij scotopisch zicht. Het verschil in sensitiviteit kan men eenvoudig inzien als volgt: bij fotopisch zicht zal een lichtbron van 1 W die een golflengte van 555 nm uitstraalt even helder lijken als een lichtbron van 2 W die 610 nm uitstraalt.

9


Figuur 2.4: De luminous efficacy K bij fotopisch en scotopisch zicht. K is maximaal 683 lm/W bij fotopisch zicht en 1699 lm/W bij scotopisch zicht (afbeelding van [10]).

Door de radiometrische grootheden te wegen met de spectrale sensitiviteitscurves, bekomt men een aantal nieuwe grootheden waarbij de eigenschappen van het oog in rekening gebracht zijn: de fotometrische grootheden. De lichtstroom (luminous flux ) F [lumen] is een maat voor het waargenomen vermogen. Formule 2.2 zet de spectrale stralingsstroom (radiant flux ) Fse (λ) om naar lichtstroom door Fse (λ) te wegen met de genormaliseerde sensitiviteitscurve V (λ) en te vermenigvuldigen met de maximale luminous efficacy K [lumen/W att]. Z F =K

Fse (λ)V (λ), dλ

(2.2)

De lichtsterkte I [candela] van een puntbron is de lichtstroom in een gegeven richting per eenheid ruimtehoek. I=

dF dΩ

(2.3)

De luminantie L [candela/m2 ] van een stralend oppervlak is de lichtsterkte in een bepaalde richting per eenheid van effectieve oppervlakte die straalt in de gegeven richting. In de cursus Fotonica [9] toont men aan dat het oog een meetinstrument is voor luminantie. De helderheid van een object is een synoniem voor de luminantie van dit object. L=

dI dSef f

10

(2.4)


2.1.2

Wetgeving en standaarden

Om tot een commercieel product te komen, is het aangewezen om de wetgeving en standaarden omtrent verlichting van fietsers van nabij te bekijken. Belgische wegcode Artikel 82 van de Belgische Wegcode vertelt het volgende over de verlichting van een fietser: Tussen valavond en zonsopgang of in alle omstandigheden wanneer het onmogelijk is om duidelijk te zien tot op een afstand van ongeveer 200 m, moet vooraan en achteraan een vast licht of knipperlicht gebruikt worden. Vooraan een wit of geel en achteraan een rood licht. De lichten mogen zowel op de fiets als op de fietser bevestigd worden. Het achterlicht moet ’s nachts, bij helder weer, zichtbaar zijn van op een afstand van minimum 100 m [3, 4]. Volgens de wet is het dus toegelaten om het rode achterlicht te integreren in kledij, een rugzak of een veiligheidsjas. De wet blijft echter vaag over de karakteristieken van het achterlicht. Hoe groot moet het licht zijn, wat is de vereiste lichtsterkte, welke kleuren zijn toegestaan (de kleur rood is zeer breed te interpreteren in het spectrum)? ISO-standaard De Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO) is een samenwerkingsverband tussen verschillende nationale standaardisatieorganen. Zij stellen normen vast voor bepaalde diensten of producten. ISO-standaard 6742 ‘Cycles - Lighting and retro-reflective devices’ [11] gaat over de normen die opgelegd worden voor reflectoren en verlichting van fietsen. De fotometrische vereisten voor de verlichting achteraan zijn visueel weergegeven in figuur 2.5. In het centrum (snijpunt van het horizontale en vertikale vlak) is er een lichtintensiteit van minstens 2, 5 cd vereist. Het gebied rondom dit centrum (gebied A) moet minstens 1 cd uitstralen. Verder worden er nog vereisten opgelegd aan de lichtintensiteit voor verschillende kijkhoeken (tot 110◦ naar links of naar rechts en 10◦ naar boven of naar onder). De standaard laat zowel een vast als een knipperend licht toe. De frequentie van het knipperend licht moet tussen 1 Hz en 4 Hz liggen.

11


110° > 0,033 cd

45° > 0,1 cd

10°

10°

V

> 0,33 cd

> 0,33 cd

45° > 0,1 cd

110° 10° > 0,033 cd

5°x5° > 1 cd H

H

A > 2,5 cd > 0,033 cd

> 0,1 cd

> 0,33 cd

> 0,33 cd

> 0,1 cd

> 0,033 cd 10°

V Figuur 2.5: Fotometrische vereisten voor het achterlicht (gebaseerd op afbeelding uit [11]).

Zoals eerder vermeld in paragraaf 2.1.1, beschikt het oog over drie soorten fotoreceptoren die werken bij voldoende belichting en gevoelig zijn voor korte, middelmatige of lange golflengtes van zichtbaar licht. De stimulatie van de drie soorten kegeltjes kan omgezet worden naar een kleurenruimte, die alle kleuren die een gemiddeld persoon kan zien omvat: de CIE XYZ kleurenruimte. De Y-co¨ ordinaat stelt de luminantie of helderheid van de bron voor, de X- en Z-co¨ ordinaat alle mogelijke chromaticiteiten of kleuren bij een bepaalde luminantie Y. Figuur 2.6 stelt het CIE xyY chromaticiteitsdiagram voor, dat wordt bekomen na het transformeren en normaliseren van de XYZ-parameters. Nu stellen de xy-waarden een bepaalde chromaticiteit voor, bij een gegeven luminantie Y. De ISO-standaard legt volgende restricties op aan de xyz-co¨ ordinaten: y < 0, 335

(2.5)

z < 0, 008

(2.6)

De restrictie op de y-co¨ ordinaat legt een limiet richting geel op, de restrictie op z is een limiet richting paars. Aangezien de som van x, y en z steeds 1 moet zijn (door de normalisatie), geldt voor de x-co¨ ordinaat: x ≥ 0, 657

12

(2.7)


Figuur 2.6: Het CIE xyY chromaticiteitsdiagram, met aanduiding van de restricties op de x- en yparameter (afbeelding van [12]).

De bron moet volgens de ISO-standaard licht uitstralen met een minimale golflengte van 610 nm. De gevoeligheid van het menselijk oog rond groen licht kan dus niet uitgebuit worden, aangezien de kleur van het achterlicht vastligt door de standaard.

2.1.3

OSRAM TOPLED

In paragraaf 2.1.2 kwamen een aantal voorwaarden voor het verlichtingsgedeelte aan bod. Kort samengevat moet de lichtbron voldoen aan volgende voorwaarden: • licht met een golflengte groter dan 610 nm uitstralen, • centraal een lichtintensiteit van 2, 5 cd produceren, • een horizontale kijkhoek van 110◦ naar links en rechts bekomen. De TOPLED-serie van de Duitse lampenproducent OSRAM [13] komt het dichtst in de buurt bij deze voorwaarden. Light-emitting diode Een LED is een speciaal type diode waarbij fotonen (licht in de vorm van energiepakketjes) uitgezonden worden indien er stroom doorloopt. De LED bestaat uit twee types halfgeleiders: een p- en een n-type (zie figuur 2.7). Bij een n-type halfgeleider wordt het kristallijne basismateriaal (bijvoorbeeld GaN) gedopeerd met atomen die een elektron meer bevatten in de buitenste schil 13

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze (een donor). Wanneer de donoren een plaats innemen in het kristal, ontstaan er vrije elektronen in het kristal. Het omgekeerde proces treedt op bij het doperen met atomen die een elektron minder bevatten in de buitenste schil (een acceptor). Na het toevoegen van een acceptor aan het rooster, zal er een elektron te kort zijn. De lege plaats (een positief geladen gat) kan zich net als een vrij elektron doorheen het kristalrooster bewegen. Bij contact tussen een p- en een n-type halfgeleider, zullen de elektronen van het n-type naar het p-type bewegen onder invloed van diffusie (het verhuizen naar een plaats waar de concentratie lager is). De gaten volgen de omgekeerde richting. Hierdoor ontstaat er een elektrisch veld dat op een bepaald ogenblik de diffusie van elektronen en gaten zal tegenwerken. De positieve aansluiting van de LED noemt men anode, de negatieve de kathode. Bij het aanleggen van een positieve spanning over de LED die voldoende hoog is, loopt er een stroom doorheen de pn-junctie. Hierbij zullen gaten en elektronen recombineren, waardoor er energie in de vorm van een foton vrijkomt. De frequentie van het uitgestraalde licht is afhankelijk van de energie die vrijkomt bij de recombinatie: E = hf

(2.8)

De energie E van een foton is evenredig met de frequentie f van het foton, met een evenredigheidsfactor h, de constante van Planck (h = 6, 626 · 10−34 J s).

Figuur 2.7: Algemene opbouw van een LED (afbeelding uit [14]).

14

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze Het gebruik van LEDs als lichtbron heeft een aantal voordelen: • efficiëntie LEDs hebben in vergelijking met standaard gloei- en halogeenlampen een goede opbrengst (lumen/W att) en duurzaamheid. Optische effici¨ entie [lm/W ]

Levensduur [kh]

Gloeilamp

15

1

Halogeenlamp

19

2

OSRAM LED

68

40

90-100

10

Type

Fluorescentielamp

Tabel 2.1: Vergelijking van de optische efficiëntie en de levensduur van verschillende soorten lichtbronnen.

• licht dimmen en pulsbreedtemodulatie Het licht van een LED kan op twee eenvoudige manieren gedimd worden: stroomverlaging en pulsbreedtemodulatie. Door de voorwaartse stroom te verlagen, wordt het licht rechtstreeks gedimd. De tweede manier, door middel van pulsbreedtemodulatie, maakt gebruik van de eigenschap dat LEDs zeer snel kunnen oplichten. Figuur 2.8 illustreert het principe van pulsbreedtemodulatie (Engels: pulse-width modulation (PWM)). Door de pulsbreedte van de voorwaartse stroom te variëren, verandert de gemiddelde voorwaartse stroom doorheen de LED, waardoor ook de gemiddelde lichtintensiteit wijzigt.

If If,gemiddeld t If

t If

t Pulsbreedte Periode Figuur 2.8: Principe van pulsbreedtemodulatie.

15

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze • klein en compact LEDs zijn beschikbaar in verschillende groottes en geometrieën. Vooral LEDs met een cilindrische behuizing zijn courant in gebruik. Er bestaan echter ook LEDs met SMTbehuizing (Surface-mount Technology). Deze behuizing zal handig blijken in kleine, compacte systemen zoals verlichting in kledij. Karakteristieken van de LED De TOPLED van OSRAM (type LR T68F) straalt licht uit met een golflengte van 625 nm. De spectrale sensitiviteitscurve Vλ op figuur 2.9a (stippellijn) toont duidelijk dat het oog niet zo gevoelig is in de omgeving van deze golflengte, in vergelijking met de gevoeligheid van het oog in het groene deel van het spectrum. Desondanks wordt er voor deze LED en corresponderende golflengte gekozen om te voldoen aan de ISO-standaard. Figuur 2.9b toont de stralingskarakteristiek van de LED. Bij een hoek θ = 60◦ , bedraagt de lichtsterkte nog de helft van de maximale lichtsterkte, wat resulteert in een kijkhoek van 120◦ . De optische efficiëntie van de LED bedraagt 68 lm/W, wat merkelijk hoger ligt dan de optische efficiëntie van gelijkaardige LEDs van andere fabrikanten. De optische efficiëntie, samen met de brede kijkhoek van 120◦ , waren de doorslaggevende factoren voor de keuze voor deze LED.

(a) Stralingsspectrum

(b) Stralingskarakteristiek

Figuur 2.9: Stralingseigenschappen van de OSRAM LED (afbeeldingen uit [13]).

Figuur 2.10a toont de If Vf -karakteristiek van de LED. Bij een doorslagstroom van 20 mA bedraagt de voorwaartse spanning over de LED typisch 2, 05 V en bereikt de LED een lichtsterkte van 1, 4 cd (figuur 2.10b). Dit zal het beoogde werkpunt worden voor de diodes.

16


(a) Doorslagstroom

(b) Lichtsterkte

Figuur 2.10: If Vf -karakteristiek en relatieve lichtsterkte van de LED (IV (20 mA) = 1, 4 cd) (afbeeldingen uit [13]).

De LED wordt gemaakt in een P-LCC-2 verpakking met een afmeting van 2, 6 mm op 3, 0 mm. Met een hoogte van 2, 1 mm zullen de LEDs de hoogste componenten in het design zijn.

2.2

Aansturing

De aansturing van de LEDs zal een belangrijke rol spelen in het vermogenverbruik en de prestatie van het systeem. Een driver is een elektrische component die zorgt voor de aansturing van andere componenten, in dit geval LEDs. De driver zal op zijn beurt gestuurd worden door een microcontroller, een kleine processor. In het vervolg van deze paragraaf wordt dieper ingegaan op de keuze van driver en microcontroller.

2.2.1

Driver

Een driver kan gezien worden als een component die een laag-vermogen signaal als input heeft en deze omzet naar een output die de toestand van de LED bepaalt: aan of uit, gedimd, continu of flitsend.

17

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze Een LED aansturen Het verband tussen de stroom I doorheen de LED en de spanning V over de LED lijkt sterk op de If Vf -karakteristiek van een diode (zie figuur 2.11): de stroom doorheen de LED stijgt exponentieel met de spanning over de LED.

If

Vf Figuur 2.11: Typische If Vf -karakteristiek van een diode.

De eenvoudigste manier om een LED aan te sturen, is door het aanleggen van een DC spanning aan een LED, in serie met een weerstand (zie figuur 2.12). Deze weerstand dient om de stroom doorheen de LED te limiteren (en wordt daarom ook ballastweerstand genoemd). Indien deze weerstand niet aanwezig zou zijn, kan een kleine variatie in de aangelegde DC spanning leiden tot een enorme stroomtoename doorheen de LED (door het exponentiële verloop van de If Vf karakteristiek). Hierdoor kan de LED stuk gaan. Deze manier van aansturen is een eenvoudige en betrouwbare manier, maar niet de meest efficiënte. Het is duidelijk dat een deel van het vermogen verloren gaat in de weerstand. Pverlies =

(Vin − VLED )2 R

(2.9)

Figuur 2.12: Twee manieren om een LED aan te sturen.

Door de LED aan te sluiten aan een constante stroombron, die de gewenste stroom levert, kan het gebruik van een serieweerstand omzeild worden. 18

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze Linaire versus geschakelde convertoren In de vorige paragraaf werd aangehaald dat het belangrijk is om een constante stroom doorheen een LED te sturen. Er is dus nood aan enige vorm van regulatie. Een lineaire regulator is een component die ervoor zorgt dat de uitgangsspanning constant blijft. Het systeem treedt hierbij op als een variabele weerstand, die steeds het verschil tussen ingangsspanning en geregelde uitgangsspanning dissipeert in warmte. Het is dan ook duidelijk dat de ingangsspanning steeds hoger moet zijn, en dat het bewust dissiperen van warmte niet zal bijdragen tot een vermogenefficiënt systeem. Geschakelde regulatoren worden gebruikt indien een hogere efficiëntie gewenst is. Deze bestaan doorgaans uit een vermogenstrap en een controlecircuit. De vermogenstrap bestaat uit een schakelaar, aangestuurd door een kloksignaal met periode Tper = Taan + Tuit , en een component voor opslag van energie (zoals een spoel of een condensator) en realiseert de omzetting van de ingangsspanning naar de gewenste uitgangsspanning. Een boost-converter is een geschakelde regulator die een uitgangsspanning kan leveren die hoger ligt dan de ingangsspanning. Dit soort regulator wordt vaak gebruikt bij applicaties die werken met een batterij. Aan de hand van figuur 2.13 kan de werking van de boost-converter eenvoudig uitgelegd worden [15].

VLD

Vuit

Extern

Vin Extern Kloksignaal

Figuur 2.13: Algemene topologie van de vermogenstrap van een boost-converter.

Indien de converter in continue mode werkt (er gaat steeds een stroom doorheen de inductor tijdens de volledige cyclus van de klok), zijn er tijdens één klokperiode twee toestanden waarin de vermogenstrap zich kan bevinden: een aan- en een uit-toestand. In aan-toestand vormt de schakelaar een kortsluiting, waardoor VLD = 0 V. De spanning vL over de spoel is dan gelijk aan de ingangsspanning Vin . De diode staat gesperd, in de veronderstelling dat de uitgangscapaciteit reeds opgeladen is tot Vuit (> Vin ). Het verband tussen de spanning over een spoel en de stroom doorheen een spoel is als volgt: vL = L

19

diL dt

(2.10)

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze Aangezien de spanning over de spoel constant is, neemt de stroom doorheen de spoel lineair toe. Vin Taan (2.11) L Tijdens dit gedeelte van de klokcyclus wordt er energie opgeslagen in de inductor en levert de uitgangscapaciteit de nodige stroom aan de last. ∆iL (+) =

Bij een lage klok is de schakelaar uit en bevindt de converter zich in de uit-toestand. De diode komt in geleiding te staan, waardoor VLD ongeveer gelijk is aan Vuit . De spanning over de spoel is nu negatief en gelijk aan Vin − Vuit , waardoor de stroom doorheen de spoel lineair zal afnemen. Vin − Vuit Tuit (2.12) L In steady-state regime moet de toename van de stroom doorheen de spoel in de aan-toestand gelijk zijn aan de afname van de stroom in de uit-toestand. Dit leidt tot een uitdrukking voor de verhouding tussen de in- en uitgangsspanning, in functie van de dutycycle D (waarbij D = Taan /Tper ). ∆iL (−) =

Vin (2.13) 1−D Intu¨ıtief bepaalt de verhouding tussen de aan- en uittijd van de klok de hoeveelheid lading die er steeds van de spoel naar de last gaat. Een grotere dutycycle zorgt voor meer energieopslag in de spoel, waardoor er meer energie overgedragen wordt naar de last en de uitgangscapaciteit tijdens de uit-toestand. Vuit =

Via een feedbackmechanisme in het controlecircuit kan de uitgangsspanning vervolgens geregeld worden. Een afwijking van de werkelijke uitgangsspanning ten opzichte van de gewenste uitgangsspanning wordt bijgeregeld door de dutycycle van het kloksignaal licht aan te passen. In de veronderstelling dat de schakelaar ideaal is (een open keten in uittoestand en een kortsluiting in aantoestand), de diode een kortsluiting is als ze geleidt en er geen parasitaire weerstanden zijn bij de andere componenten, dissipeert deze regelaar geen energie. De extra componenten (een inductor en een capaciteit) en de generatie van hoogfrequente ruis door het snel schakelen zijn enkele nadelen van geschakelde regulatoren. Deze nadelen wegen echter niet op tegen de voordelen: een hoge efficiëntie, de mogelijkheid om de uitgangsspanning te verhogen (boost). LT3497 De LT3497 van Linear Technology [16] is een boost-converter, speciaal ontworpen om twee strings (een seriële connectie) van witte LEDs te sturen vanuit een Li-Ion batterij. Door LEDs in serie te schakelen (een string), stroomt er een identieke stroom door de LEDs en stralen ze evenveel licht uit. De component bevat twee onafhankelijke boost-converters, waardoor het mogelijk is om twee verschillende strings onafhankelijk van elkaar aan te sturen.

20


(a) schema

(b) layout

Figuur 2.14: Schema en aanbevolen layout van een voorbeeldapplicatie met twee asymmetrische LEDstrings (afbeelding uit [16]).

Figuur 2.14a toont een voorbeeldapplicatie met twee asymmetrische LED-strings. De weerstanden RSEN SEi dienen om de stroom doorheen de LEDs in te stellen. Deze stroom kan ingesteld worden als: ILEDi =

200 mV RSEN SEi

(2.14)

In het finale systeemontwerp zal de ene string bestaan uit twee LEDs en de andere uit acht LEDs (telkens in serie). Zoals besproken in 2.1.3, zal er een stroom van 20 mA doorheen de LEDs gaan. De weerstanden RSEN SEi bedragen dus beide 10 Ω, met een nauwkeurigheid van 1%. De inductors moeten geconnecteerd worden aan de switch-pinnen (SWi ). De hoge schakelfrequentie (2, 3 MHz) zorgt ervoor dat er spoelen met een lage inductantie kunnen gebruikt worden. De keuze hiervoor ging uit naar twee spoelen van 10 µH (van de fabrikant Murata [17]). De spoelen hebben een oppervlak van 2, 0 mm op 1, 6 mm en een hoogte van 0, 9 mm. Dit draagt bij tot een compact design. Zoals bij alle geschakelde regulatoren moet er de nodige aandacht geschonken worden aan de layout en plaatsing van de componenten. Om elektromagnetische interferentie (EMI) te vermijden, is het aangeraden om de lengte van de koperbaantjes aan de schakelende pinnen (SW1 en SW2) zo kort mogelijk te houden. De ontkoppelcapaciteit CIN wordt best zo dicht mogelijk bij deze schakelende pinnen geplaatst, om EMI ruis te filteren. Figuur 2.14b toont een mogelijke layout, gegeven door de fabrikant. De uiteindelijke layout van het PCB zal hierop gebaseerd zijn.

21

Figuur 2.15: Blokschema van de LT3497 (afbeelding uit [16]).


22

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze De werking van de driver is eenvoudig uit te leggen aan de hand van het blokschema (figuur 2.15). De basistopologie van een boost-converter is duidelijk herkenbaar: een spoel, een schakelaar, een diode en een uitgangscapaciteit. Bij het opstarten worden de pinnen CAP1 en CAP2 opgeladen tot de ingangsspanning Vin . Indien de spanning aan controlepin CTRLi groter wordt dan 100 mV, treedt de respectievelijke boost-converter in werking: de bandgap referentie, start-up bias en oscillator worden aangezet. Het controlecircuit bestaat uit een aantal comparatoren en PWM logica. De spanning over de weerstand RSEN SEi wordt steeds gemeten en vergeleken met de gewenste waarde van 200 mV. Dit errorsignaal wordt versterkt teruggekoppeld naar comparator A2, die het vergelijkt met een signaal dat evenredig is met de geschakelde stroom (de spanning over R). De PWM logica stelt op basis van de uitgang van comparator A1 het juiste stroomniveau in doorheen Li . De spanning aan CAPi zal dus zo geregeld worden totdat de gewenste stroom doorheen de LED-string loopt. Indien de controlepin CTRLi laag gehouden wordt, bedraagt de spanning aan de uitgang Vin .

2.2.2

Microcontroller

De microcontroller vormt de kern van het circuit en is via software (ook wel firmware genoemd) te programmeren. Dit maakt dat een microcontroller een eenvoudige component is met enorm veel mogelijkheden. De rekeneenheid (CPU), het ROM- en RAM-geheugen en invoer- en uitvoerpoorten zijn allemaal ge¨ıntegreerd in één verpakking, wat leidt tot een sterke reductie aan componenten. De MSP430-serie van Texas Instruments zijn 16-bit RISC-gebaseerde microcontrollers (Reduced Instruction Set Computers). Zoals de afkorting al laat uitschijnen, beschikken deze microcontrollers slechts over een beperkte set van eenvoudige basisinstructies. Hierdoor zijn er minder schakelingen aanwezig in de processor dan bij processoren met een uitgebreide instructieset. Dit leidt tot een kleinere chip. Het uitvoeren van een opdracht zal meer instructies vereisen bij een RISC-gebaseerde controller, maar de kloksnelheid kan hoger liggen. Het grootste verschil tussen een microcontroller met een gereduceerde of een complexe instructieset is echter het vermogenverbruik: RISC-processoren verbruiken minder energie. Texas Instruments heeft deze serie specifiek ontworpen voor toepassingen die weinig stroom mogen verbruiken. De MSP430 werkt bij een lage voedingsspanning (1, 8 V − 3, 6 V) en verbruikt in slaapstand minder dan 1 µA. De controller kan ook in zes verschillende modes werken, waarbij het vermogenverbruik gereduceerd wordt door de rekeneenheid en sommige klokken die niet nodig zijn op dat moment uit te schakelen. Een wake-up vanuit slaapstand gebeurt zeer snel en kan uitgelokt worden door een externe interrupt (bijvoorbeeld het indrukken van een toets). Zoals vermeld in paragraaf 2.2.1, kunnen de LEDs eenvoudig aan- en uitgezet worden via de controlepinnen van de driver. De LEDs kunnen ook gedimd worden met behulp van pulsbreedtemodulatie via deze pinnen. De microcontroller MSP430f2132 [18, 19] beschikt over twee ingebouwde timers, die hiervoor gebruikt kunnen worden.

23

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze De timers kunnen zowel gestuurd worden door een interne klok (16 MHz), een extern kristal of een interne laag-vermogen laag-frequente oscillator (4 MHz − 20 kHz). Uit deze analyse blijkt dat de MSP430f2132 van Texas Instruments geschikt is voor het controleren van de driver en het instellen van bepaalde verlichtingspatronen. In de vakgroep CMST is er tevens een ontwikkelingsbord beschikbaar waarop deze microcontroller centraal staat. Hierdoor was het mogelijk om reeds eenvoudige code te testen zonder PCB-prototype. Hoofdstuk 4 behandelt uitgebreid de mogelijkheden en de werking van de microcontroller.

Figuur 2.16: MSP430f2132 ontwikkelingsbord van de vakgroep CMST, waarbij alle pinnen van de microcontroller bereikbaar zijn.

2.3

Batterij en optioneel laadcircuit

Voor de plaatsing van de batterij zijn er twee keuzemogelijkheden. Bij een eerste mogelijkheid kan de batterij mee ge¨ıntegreerd worden in het systeem. Hierbij zullen afmeting en flexibiliteit een belangrijke rol spelen bij de keuze van de batterij. Een andere mogelijkheid bestaat uit een flexibele en rekbare interconnectie tussen het verlichtingssysteem en een externe batterij. De batterij wordt dan weggestopt in een daartoe voorziene plaats in de kledij. Zoals zal blijken, hebben beide mogelijkheden hun voor- en nadelen. De nadelen van een ge¨ıntegreerde batterij zijn echter talrijker en groter, zodat er gekozen werd voor een externe batterij.

2.3.1

Problematiek rond integratie van de batterij

De afmetingen van de batterij spelen een grote rol bij de integratie ervan. Een grote batterij is namelijk zeer onhandig, neemt veel plaats in en hindert de flexibiliteit en rekbaarheid van het systeem. Sommige fabrikanten ontwikkelen wel dunne, zelfs flexibele lithiumbatterijen, maar de prijs hiervan loopt gauw op tot enkele honderden euro’s. De beperkte opslagcapaciteit en maximaal leverbare stroom zijn bovendien minpunten van deze batterijen. 24


Ook de weersomstandigheden hebben vat op de batterij. Het opereren in extreme omstandigheden kan ervoor zorgen dat de batterij sneller dan verwacht onherroepelijk stukgaat. Indien de batterij ingebed is, wil dit zeggen dat het volledige systeem verloren gaat bij falen van de batterij.

2.3.2

Opladen van een ge¨ıntegreerde batterij

Op het eerste zicht lijkt het opladen van een ge¨ıntegreerde batterij problematisch. Er bestaan echter oplossingen om batterijen draadloos op te laden. Qi (uitgesproken als ‘Tsjie’) is een standaard voor het draadloos opladen van elektronische toestellen, ontwikkeld door het Wireless Power Consortium. De standaard maakt het mogelijk om op inductieve wijze vermogen over te brengen tot een afstand van 4 cm.

LiPo Charger IC Qi Transmitter

Qi Receiver

Figuur 2.17: Blokschema voor het draadloos herladen van een LiPo batterij.

Figuur 2.17 illustreert het blokschema voor het draadloos opladen van een lithium batterij. Het systeem bestaat uit een transmitter die vermogen verstuurt naar een compatibele ontvanger. Door de secundaire spoel van de ontvanger-kant op de primaire spoel van de transmitter te plaatsen, ontstaat er magnetische koppeling. Via deze gekoppelde spoelen kan er dan vermogen verzonden worden. De ontvanger kan via een feedbackmechanisme het uitgezonden vermogen van de verzender verhogen of verlagen. Deze communicatie is digitaal (in de vorm van pakketten), met een bitrate van 2 kbps. Een transmitter staat het grootste deel van de tijd in stand-by modus en zal op geregelde tijdstippen controleren of er een ontvanger aanwezig is. Indien er een ontvanger aanwezig is, heeft deze volledige controle over de vermogentransfer. Voor de zendkant bestaat een eenvoudige oplossing: batterijfabrikanten, zoals Energizer, bieden reeds universele Qi transmitters aan [20]. De ontvangerkant bestaat uit twee blokken: de Qiontvanger en een lithium-ion-polymeer lader.

25

Hoofdstuk 2. Systeemontwerp en componentenkeuze De bq51013A Qi-ontvanger van Texas Instruments [21] voorziet de nodige blokken voor het ontvangen van vermogen en het communiceren via het Qi protocol met de transmitter. De uitgangsspanning bedraagt 5 V en het uitgangsvermogen bedraagt maximaal 5 W. Ten slotte moet er ook een LiPo charger IC aanwezig zijn. Deze chip zorgt ervoor dat de LiPo batterij op een correcte manier wordt opgeladen, wat in verschillende fases gebeurt. Het foutief herladen van een lithium-batterij kan de levensduur sterk verkorten en zelfs leiden tot een explosie. Hiervoor komen een aantal IC’s in aanmerking (zoals de MAX1551 van Maxim [22], de bq24080 van Texas Instruments [23], . . . ). Het ontwerp van de secundaire spoel (de spoel aan de ontvanger) ligt minder voor de hand. De koppeling tussen de primaire en secundaire spoel bepaalt hoeveel uitgezonden vermogen opgevangen wordt door de secundaire spoel. Dit wordt weergegeven door de koppelingscoëfficiënt k, die tussen 0 en 1 kan liggen. De koppelingscoëfficiënt hangt sterk af van de inductantie van de spoelen, de alignatie ten opzichte van elkaar, afscherming, kernmateriaal, . . . . Bij Qi-systemen ligt de koppelingscoëfficiënt k hierdoor eerder tussen 0,2 en 0,7. Aangezien de secundaire spoel ook ge¨ıntegreerd moet worden in PDMS, zal deze een planaire vorm moeten hebben. In de literatuur [24] werden reeds spoelen omschreven met dimensies van ongeveer 4 cm op 4 cm. Een bijkomend probleem is echter dat deze spoelen gebruik maken van shielding. Hierdoor blijft de magnetische flux tussen de twee gekoppelde spoelen, zodat er minder energie verloren gaat in ongewenste richtingen. Het afschermen van een spoel met een metalen plaat is niet mogelijk in PDMS, aangezien het systeem hierdoor niet meer flexibel zal zijn.

2.3.3

Oplossing

Er werd gekozen voor de oplossing met een externe batterij. Dit vooral om budgettaire redenen: de gekozen dunne batterij was veel te duur en kon bovendien niet opgeladen worden. De LiPo (lithium polymeer) batterij levert een spanning van 3, 7 V en heeft een opslagcapaciteit van 1600 mAh. Dit volstaat om het volledige systeem werkende te houden. Met een grootte van 88 mm x 55 mm x 4 mm en een gewicht van 30 g is deze batterij uiteraard te groot om te integreren in het systeem. Het is echter wel aanvaardbaar om ze weg te steken in een klein zakje, voorzien in de kledij. De batterij is herlaadbaar via een externe lader en eventueel vervangbaar.

2.4

Elektrisch schema van het systeem

Het totale systeem wordt ontworpen in EAGLE. Dit programma laat back- and forward annotating toe tussen het elektrisch schema en de layout. Figuur 2.18 toont het elektrisch schema van het systeem, met de hierboven besproken componenten.

26

Figuur 2.18: Elektrisch schema voor het PCB-prototype.


27

Hoofdstuk 3

Ontwerp van het PCB en het flexibel en rekbaar circuit Dit hoofdstuk behandelt het ontwerp van het PCB en het flexibel circuit in EAGLE. Paragraaf 3.1 bespreekt de aandachtspunten bij het ontwerp van het rigide circuit. Vervolgens wordt de translatie van een stijf naar een flexibel en rekbaar circuit beschreven in paragraaf 3.2. Om dubbel werk te vermijden, werden van bij het begin volgende regels in acht genomen: • een enkelzijdig ontwerp (één laag) • een compacte plaatsing van de componenten • oog voor symmetrie om de rekbaarheid te verbeteren

3.1

Ontwerp van het PCB

In hoofstuk 2 werden de verschillende elektrische componenten besproken. Het ontwerp van een PCB in EAGLE bestaat uit twee grote stappen: het plaatsen van de benodigde componenten en het verbinden van de juiste pinnen.

3.1.1

Componenten en hun footprints

Componenten in EAGLE bestaan enerzijds uit een symbool voor het elektrisch schema en anderzijds uit een behuizing (verpakking en footprint) voor de PCB-layout (zie figuur 3.1). Een footprint (of voetafdruk) toont de pads (of soldeereilandjes) die nodig zijn op het PCB om de component op te plaatsen. Het EAGLE pakket bevat standaard een groot aantal componenten, inclusief symbolen en behuizingen. De layout van deze componenten bevat soms echter fouten. Het zoeken van een nieuwe component op internet is tijdrovend en ook niet zonder risico op fouten. Het is daarom aangewezen om de symbolen en footprints van de componenten zelf te tekenen. De namen van de componenten kunnen ook opgenomen worden in de layout, waardoor ze ook geprint worden op het PCB (door middel van zeefdrukken). Dit zal de assemblage later sterk vereenvoudigen.

28

Hoofdstuk 3. Ontwerp van het PCB en het flexibel en rekbaar circuit

(a) footprint [25]

(b) symbool

(c) layout

Figuur 3.1: Voorbeeld van een zelfgemaakt symbool en layout van een component op basis van de door de fabrikant gespecificeerde footprint.

3.1.2

Routering

Het routeren van het bord houdt het tekenen van de koperbanen in, die de elektrische componenten met elkaar verbinden in overeenstemming met het elektrisch schema. In het geval van een enkelzijdig design liggen deze koperbanen aan de bovenkant van de printplaat. EAGLE beschikt over een automatische routeringsfunctie, maar deze is niet in staat om een enkelzijdige routering als resultaat op te leveren. De breedte van de koperbanen en de afstand tussen naburige koperbanen zijn de belangrijkste eigenschappen bij het routeren. De geleidbaarheid van de koperbanen wordt bepaald door de breedte en de dikte van de banen. Koperbanen van 100 µm breed en 18 µm dik volstaan om een stroom van 140 mA te voeren. Dit is tevens de kleinst mogelijke dimensie voor de fabrikant om aan normale prijzen te produceren. De symmetrie van het design en de compacte plaatsing van de componenten indachtig, werd er gekozen voor een cirkel van acht LEDs aan de buitenkant en twee centrale LEDs. Een enkelzijdig design tekenen is niet eenvoudig en vergt enige tijd. Het loont echter de moeite om hier de nodige aandacht aan te besteden. Het is niet altijd mogelijk om alle interconnecties te tekenen zonder kruisende banen. Er bestaan echter een aantal technieken die kunnen gebruikt worden om toch te kruisen. Figuur 3.2a toont het gebruik van een SMD 0 Ω-weerstand. Deze weerstand vormt een brug, waardoor een ander baantje er onderdoor kan. Het is wel nodig om deze weerstand ook toe te voegen in het elektrisch schema, anders klopt de back- and forward annotatie niet meer. Aangezien de compactheid van de layout een belangrijke rol speelt, moet het aantal brugweerstanden beperkt blijven. Ook zorgen de extra contacten tussen de voet van de weerstand en het bord voor een niet te verwaarlozen weerstand en dus extra energieverbruik. Een tweede manier om te kruisen is door handig gebruik te maken van de ruimte onder de reeds aanwezige componenten (zie figuur 3.2b). Dit is echter niet mogelijk indien de component een grondvlak heeft (zoals de driver en de microcontroller). Dit zou immers leiden tot ongewenste kortsluitingen.

29


(a) Brugweerstand

(b) Ruimte onder LED

Figuur 3.2: Kruisingen worden mogelijk gemaakt door een 0 Ω-weerstand of de ruimte onder de reeds aanwezige componenten te gebruiken.

Figuur 3.3 toont het finaal PCB-ontwerp. Het eiland in het centrum bestaat uit de driver en de nodige componenten ervan (zoals spoelen, capaciteiten, weerstanden). De twee LED-strings bestaan respectievelijk uit acht LEDs in een cirkel en twee LEDs in het centrum. Het hart van het circuit (de microcontroller) bevindt zich buiten de LED-cirkel. Ook werden een aantal controlepinnen en testpaden toegevoegd om vermogenmetingen uit te voeren en om, indien nodig, de controle van de microcontroller over te nemen. De connecties tussen de buitenste LEDs onderling, tussen de driver en de buitenste LEDs en tussen de driver en de microcontroller zijn reeds meanderende connecties (zie paragraaf 3.2.1). Dit om nu al waarheidsgetrouwe vermogenmetingen uit te voeren. De meanderende connecties zijn immers aanzienlijk langer dan rechte lijnen. Dit leidt tot meer dissipatie.

30


Figuur 3.3: Layout van PCB.

31


3.1.3

Realisatie en correcties

De verschillende componenten werden allemaal gesoldeerd in de cleanroom, met behulp van soldeerpasta. Figuur 3.4 toont een foto van het prototype.

Figuur 3.4: Realisatie van het PCB-ontwerp

Het ontwerpen van een PCB vereist enige ervaring en verloopt niet altijd zoals verwacht. Bij de eerste testen van het PCB-prototype kwamen reeds een aantal fouten aan het licht. • Het elektrisch schema van de batterijconnector was niet correct, waardoor kathode en anode van de batterij omgedraaid waren. Dit kon eenvoudig opgelost worden door de connector onderaan het bord te monteren (aangezien deze component through-hole is). • Bij het updaten van de firmware werd er besloten om twee andere pinnen te gebruiken om de driver aan te sturen. Ook werd duidelijk dat poort 3 van de microcontroller geen interrupts van buitenaf kan afhandelen. Hierdoor kan de microcontroller van het prototype enkel voor zeer eenvoudige testen gebruikt worden. Bij het testen van de uiteindelijke firmware werd een externe microcontroller gebruikt, die het systeem kon controleren via de controlepinnen aanwezig op het prototype. • Tijdens het testen van de firmware bleek dat de centrale LEDs zwak oplichtten, ook al was de desbetreffende controlepin laag. De datasheet vertelt dat, indien de controlepin laag is, de uitgang gelijk zal zijn aan de ingangsspanning. Deze bedraagt 3, 2 V, wat uiteindelijk aanleiding gaf tot een spanningsval van 1, 5 V over beide centrale LEDs. Hierdoor kwamen beide LEDs toch in geleiding. Dit probleem kan op twee manieren opgelost worden in het volgende design: door het toevoegen van een gewone diode of door het toevoegen van een derde LED. Beide voorstellen zullen ervoor zorgen dat de spanning van 3, 2 V niet meer voldoende zal zijn om de LEDs te laten geleiden. Aangezien het omzetten van energie naar licht meer gewenst is dan het omzetten van energie naar warmte, wordt er gekozen voor een extra LED in het centrum.

32


3.2

Translatie naar een flexibel en rekbaar circuit

Om rekbaarheid en flexibiliteit te bekomen, worden de componenten op flexibele, compacte eilandjes geplaatst. De interconnecties tussen deze eilandjes worden verwezenlijkt door kronkelende koperbanen op een flexibel substraat. Hierdoor zal het circuit enige vorm van rekbaarheid vertonen. Het flexontwerp wordt eveneens gerealiseerd in EAGLE. Voor het berekenen en tekenen van de meanders bestaat er een EAGLE meander-programma, ontwikkeld door dr. ir. T. Vervust. Nadat de gewenste parameters zijn ingegeven (zie paragraaf 3.2.1), voert dit programma de nodige berekeningen uit en tekent het de meanders. Op figuur 3.5 zijn er twee eilandjes zichtbaar. Het eerste eiland, met afmetingen 16, 5 mm op 16, 5 mm, bestaat uit de driver, zijn externe componenten en de drie centrale LEDs. De microcontroller en de drukknop liggen op een eiland met afmetingen 20, 3 mm op 14 mm, buiten de LED-cirkel. De rechthoekige connector wordt gebruikt om de microcontroller te programmeren. Na de definitieve programmatie kan deze connector samen met de rechte koperbanen die naar de microcontroller lopen weggesneden worden.

33


Figuur 3.5: Layout van flexibel circuit.

34


3.2.1

Meanders

De vakgroep CMST doet al een aantal jaar onderzoek naar flexibele en rekbare elektronica. In deze paragraaf wordt een overzicht gegeven van de kennis die aanwezig is in de vakgroep omtrent het ontwerpen van rekbare connecties. Een rekbare interconnectie is opgebouwd uit meanders of ‘hoefijzers’ die aan elkaar geschakeld worden. Figuur 3.6 toont de belangrijkste parameters van een meander. De breedte W is afhankelijk van de stroom die doorheen de connectie moet kunnen lopen. De straal van elk hoefijzer wordt bepaald door parameter R. Tot slot bepaalt de hoek a waar een hoefijzer stopt. W

R

a

Figuur 3.6: Belangrijkste parameters van een meander: de straal R , de hoek a en de breedte W (gebaseerd op figuur uit [7]).

De doorsnede van de koperbanen moet voldoende groot zijn om grote temperatuurstijgingen, veroorzaakt door stroom, te vermijden. Standaard zullen deze koperbanen 18 µm dik zijn. De breedte W van de interconnecties kan vervolgens bepaald worden aan de hand van een online calculator [26]. Deze tool berekent de nodige breedte van zowel interne als externe banen voor IPC-2221 PCB’s. Het verschil hiertussen is dat de externe of buitenste koperbanen op een conventionele printplaat afgekoeld worden door convectie, terwijl bij interne banen de gecreëerde warmte minder snel zal ontsnappen. Voor deze toepassing worden de dimensies voor interne banen gebruikt. Het hele circuit is immers ingebed in PDMS, waardoor er geen afkoeling door convectie zal zijn. Voor het maken van interconnecties met een lage densiteit wordt aangeraden om een hoek a van 30◦ te kiezen. Figuur 3.7 verduidelijkt de invloed van de hoek a bij connecties met een hoge densiteit. Zoals te merken op figuur 3.7a, is een hoek van 30◦ te groot. Indien het circuit samengedrukt wordt, zal de kans groot zijn dat er kortsluitingen ontstaan tussen naburige baantjes. Indien hoge densiteit vereist is, kan de hoek verlaagd worden naar 0◦ (zie figuur 3.7b). Een andere manier om kortsluitingen te vermijden, is het schranken van naburige connecties, zoals getoond in figuur 3.7c. De connecties zullen dan wel verder uit elkaar moeten liggen.

35


(a) a = 30◦

(b) a = 0◦

(c) a = 30◦ , flip

Figuur 3.7: Invloed van de hoek a bij het tekenen van connecties met een hoge densiteit.

De optimale straal van de meanders is afhankelijk van de dikte van de koperbanen. Uit ervaringen van de vakgroep blijkt dat de ideale verhouding van de straal van de meanders en de breedte van de koperbanen voldoet aan: 7<

R < 10 W

(3.1)

R In extreme gevallen is een verhouding W > 5 nog aanvaardbaar. Figuur 3.8 toont de invloed van de keuze voor R en W op een meanderende connectie. Het is duidelijk dat de connectie in figuur 3.8a minder rekbaar zal zijn.

(a) R = 0,2 mm

(b) R = 1,0 mm

Figuur 3.8: Invloed van de verhouding

R W

(c) R = 1,8 mm

op de interconnetie (W = 200 µm, a = 30◦ ).

De meanders beginnen en eindigen met een rechte hoek aan een pad. De EAGLE meandertool is in staat om het begin en het einde van de interconnecties zelf te berekenen, inclusief een geleidelijke overgang van een baantje naar een pad. Tot slot kan er gebruik gemaakt worden van hoeken om een meanderende connectie recht naar een pad te leiden en van splitsingen om connecties op te splitsen. Figuur 3.9 toont een manier om een connectie met een hoek van 90◦ te maken door twee hoeken te gebruiken van 45◦ . De figuur illustreert ook een geleidelijke overgang naar een pad. Deze techniek wordt meermaals gebruikt in de finale layout van het flexibele circuit.

36


Figuur 3.9: Een interconnectie met een hoek van 90◦ door gebruik te maken van twee hoeken van 45◦ .

Connecties in het verlichtingssysteem De verschillende dimensies van de rekbare connecties in het verlichtingssysteem zijn weergegeven in tabel 3.1. De connecties van de driver naar de LEDs en tussen de LEDs zelf voeren een stroom van 20 mA. Een baanbreedte van 100 µm volstaat hiervoor. Er is genoeg plaats in het systeem om de afmetingen van de meanders optimaal te kiezen. De stroom doorheen de connecties tussen de driver en de microcontroller, die dienen voor het aan- en uitschakelen van de driver, is verwaarloosbaar klein. Een baanbreedte van 100 µm zal hier ook volstaan. Omdat de ruimte voor connecties van het centrale eiland naar buiten (van driver naar µC) beperkt is, is de straal kleiner gekozen (R = 0, 7 mm). De voedingsbanen naar de driver zijn 240 µm breed. Dit omdat de stroom doorheen deze banen kan oplopen tot 260 mA. Door de breedte van deze koperbanen en de beperkte ruimte, is de R net groter dan 5 gekozen. verhouding W W (µm)

a (◦ )

R (µm)

R/W

LEDs

100

30

0,9

9

µC naar driver

100

30

0,7

7

Voeding

240

30

1,2

5,2

Connectie

Tabel 3.1: Dimensionering van de rekbare connecties in het verlichtingssysteem.

Connectie tussen het verlichtingssysteem en de externe batterij Aangezien het verlichtingssysteem en de batterij twee aparte eenheden zijn, dient er nog een connectiestrip gemaakt te worden om beide delen te verbinden. De light-versie van EAGLE staat echter niet toe om structuren groter dan 80 mm op 100 mm te maken. De meanderende connecties kunnen echter ook getekend worden in AutoCAD.

37


(a) Gewenste vorm [7]

(b) AutoCAD

Figuur 3.10: Ontwerp van een meander in AutoCAD.

Figuur 3.10a toont de gewenste vorm van de meander, met begin- en eindpad, zoals ge¨ımplementeerd in de meandertool. Voor AutoCAD is er echter geen meanderprogramma beschikbaar. Er bestaat wel reeds een bouwblok van één meander, waarvan de straal, de breedte en de hoeken aangepast kunnen worden. Het begin en einde van de meander moet echter nog handmatig berekend en getekend worden. De uiteindelijke connectie bestaat uit twee meanders (Vcc en GND) van ongeveer 25 cm lang en terminatiepaden van 2 mm op 2 mm (zie figuur 3.10b). De koperbanen zijn 240 µm breed, de straal is 2 mm en de hoek a bedraagt 30◦ .

3.2.2

Druktoets

Om te wisselen tussen de verschillende verlichtingsmodes wordt een knop gebruikt die een interrupt kan genereren aan een poort van de microcontroller. De drukknop gebruikt op het PCB-prototype voldoet echter niet: de component is veel te hoog (6, 6 mm) en werkt stroef. Ook vormen de pinnen, die gebruikt worden om deze SMD component te solderen, een probleem: ze zijn zeer scherp, waardoor het risico bestaat dat er scheuren ontstaan in de polyimide of in de PDMS. Een toets die werkt volgens het domekey principe lijkt een betere keuze. Dit principe wordt ge¨ıllustreerd in figuur 3.11a. Een domekey bestaat uit een geleidende koepel die ingedrukt kan worden. Door de koepel in te drukken, ontstaat er een elektrisch contact tussen een binnenste en een buitenste cirkel. Een gangbaar probleem hierbij is dat stofpartikels zich kunnen verzamelen in het midden van de toets, waardoor slechts een zwak contact zal optreden bij het indrukken van de toest. De B3D domekey van fabrikant Omron hanteert een licht gewijzigd principe om dit te vermijden (zie figuur 3.11b): de koepel bevat in het centrum een cilindrische uitstulping, waardoor het contact met de binnenste cirkel niet in het centrum optreedt, maar langs de hele omtrek van de cirkel.

38


Bovenaanzicht

Bovenaanzicht

Uitstulping Doorsnede

Doorsnede

Centraal contact bij indrukken

Circulair contact bij indrukken

(a) Centraal contact

(b) Circulair contact

Figuur 3.11: Normaal en verbeterd werkingsprincipe van een domekey (afbeeldingen uit [27]).

De knop bestaat enkel uit een elektrisch geleidende koepel en afdichting. Er moet dus volgens de specificaties van de fabrikant een footprint van de binnenste en buitenste cirkel voorzien worden in het design. De footprint is duidelijk zichtbaar op figuur 3.5, boven de microcontroller. De knop wordt daarna als een sticker aangebracht op het substraat. Om te voorkomen dat de binnenste en buitenste cirkel voortdurend kortgesloten zijn, moet er een deel isolatie aangebracht worden op de plaats waar de koperbaan vanuit de binnenste cirkel de buitenste verlaat.

39

Hoofdstuk 4

Firmware Zoals eerder vermeld, worden de functionaliteiten van de microcontroller geprogrammeerd met behulp van software. De IAR Embedded Workbench Kickstart omgeving [28] is een handige IDE (ge¨ıntegreerde ontwikkelomgeving) voor het schrijven van de C-code. Deze omgeving zorgt voor het builden van de applicatie, maar is ook in staat om de applicatie te debuggen. Een JTAG-programmer/debugger wordt gebruikt om de code over te zetten naar de microcontroller. De JTAG-groep (Joint Test Action Group) definieerde een standaard (de Boundary Scan standaard) die toestaat om meerdere chips of subsystemen samen te testen. Later werd het ook mogelijk om de elektronica te inspecteren of te debuggen terwijl het systeem in werking was. In het vervolg van dit hoofdstuk wordt de firmware voor de microcontroller kort besproken. De globale werking wordt beschreven aan de hand van een toestandsdiagram. De uiteindelijke C-code is opgenomen in bijlage A.

4.1

Werking

Het gedrag van het systeem wordt gemodelleerd aan de hand van een eindigetoestandsautomaat: het systeem bevindt zich steeds in één van een eindig aantal toestanden en overgangen tussen toestanden treden op wanneer een bepaalde gebeurtenis plaatsvindt. In elke toestand zal het LED-circuit op een andere manier aangestuurd worden. Zo kan er een vergelijking gemaakt worden tussen het vermogenverbruik en de zichtbaarheid bij elke toestand. De ingebouwde timers van de microcontroller worden gebruikt om de signalen te genereren die de driver op een correcte manier aansturen. Ook wordt er gebruik gemaakt van interrupt service routines (ISR), om de CPU van de microcontroller zo weinig mogelijk te belasten.

4.1.1

Timers en ISR

Om de driver aan te sturen zijn er geen ingewikkelde protocollen nodig, zoals bijvoorbeeld I 2 C en SPI. Een spanning hoger dan 1, 5 V aan een controlepin zal ervoor zorgen dat de driver de gewenste stroom doorheen de LED-string stuurt. Een spanning lager dan 50 mV schakelt de driver uit. Het genereren van twee eenvoudige blokgolven met de gewenste frequentie zal dus volstaan om de driver (met twee controlepinnen) aan te sturen vanuit de microcontroller.

40

Hoofdstuk 4. Firmware De MSP430f2132 beschikt over twee Timer A modules, die gebruikt kunnen worden voor het genereren van een PWM signaal met de gewenste frequentie en dutycycle. Een Timer A module is een 16-bit timer/teller, die beschikt over een aantal capture/compare registers (CC-registers). De bronklok van de timer (die zowel intern als extern kan zijn) wordt via software geselecteerd. De keuze gaat uit naar SMCLK (Sub-Main Master Clock), die afgeleid is van de masterclock en een frequentie heeft van 1, 2 MHz. De frequentie van deze klok wordt vervolgens nog gedeeld door 8, wat resulteert in een klok van 150 kHz. De frequentie van de bronklok moet zo laag mogelijk zijn, aangezien de maximale waarde van de teller slechts 216 = 65 535 bedraagt. Bij elke stijgende flank van de klok, neemt de waarde in het 16-bit timer/counter register met 1 toe. De CC-registers kunnen nu gebruikt worden om de 16-bit teller te vergelijken met een vooraf ingestelde waarde in deze registers. Indien de teller gelijk is aan één van deze waarden, wordt er een bepaalde actie ondernomen. Om tot een PWM signaal te komen, moeten twee CC-registers gebruikt worden: CCR0 en CCR1. CCR0 zal de periode of frequentie van het signaal bepalen, CCR1 stelt de dutycycle in. Dit wordt ge¨ıllustreerd aan de hand van figuur 4.1.

CCR0 CCR1

0h

Output

Figuur 4.1: Uitgang van de timer in Output Mode 7 (Reset/Set).

De uitgang van de timer wordt ingesteld op Output Mode 7. In deze mode wordt de uitgang laag gebracht wanneer de waarde van de teller gelijk is aan CCR1 en hoog gebracht wanneer de teller CCR0 bereikt. Het correct instellen van de CC-registers leidt tot een blokgolf met de gewenste frequentie en dutycycle. Tabel 4.1 geeft een aantal voorbeeldwaarden voor de CC-registers.

41

Hoofdstuk 4. Firmware Frequentie (Hz)

Dutycycle (%)

CCR0

CCR1

4

20

37 500

7 500

4

50

37 500

18 750

100

5

1 500

75

100

20

1 500

300

Tabel 4.1: Voorbeeldwaarden voor de CC-registers, uitgaande van een klok van 150 kHz.

Een interrupt service routine (ISR) is een stuk code dat uitgevoerd wordt indien de processor een speciaal verzoek krijgt. Na het uitvoeren van deze routine keert de processor terug naar het uitvoeren van het hoofdprogramma (hier betekent dit: terug naar slaapstand). De ISR van poort 2 wordt weergegeven in figuur 4.2.

Poort 2 ISR

Stop timers

Initialiseer timers voor mode X

Debounce

Return

Figuur 4.2: Stroomdiagram van poort 2 ISR.

Bij het indrukken van een knop wordt pin 2.2 hoog gebracht, wat een interrupt zal genereren. Tijdens deze ISR worden alle timers gestopt en worden alle uitgangen laag gebracht. Het systeem gaat over naar een volgende toestand (zie paragraaf 4.1.2) en de timers worden ingesteld met de registerwaarden die horen bij de nieuwe toestand. Voor het verlaten van de routine volgt er nog een debounce. Deze stap voorkomt dat de ISR meerdere malen wordt uitgevoerd, tengevolge van een meervoudig contact (ook wel dendering genoemd).

42

Hoofdstuk 4. Firmware

4.1.2

Toestandsdiagram en functie van de verschillende modes

Figuur 4.3 illustreert het toestandsdiagram van het systeem. Het systeem kan zich in acht verschillende toestanden bevinden: OFF, mode 1, mode 2, . . . , mode 7. De variabele uc mode houdt de huidige toestand bij. Een interrupt aan poort 2.2 van de microcontroller (door het indrukken van een druktoest) veroorzaakt een overgang naar een volgende toestand.

OFF

MODE 7

MODE 1

Push/mode++

Push/mode++

MODE 6

MODE 2

Push/mode++

Push/mode++

MODE 5

MODE 3

MODE 4

Figuur 4.3: Toestandsdiagram van het systeem.

OFF mode In deze toestand staat het systeem uit. Beide controlepinnen van de microcontroller zijn laag, waardoor beide boost-converters van de driver uit staan. De MSP430f2132 bevindt zich in een slaaptoestand: Low-Power Mode 4 (LPM4). In LPM4 zijn de CPU en alle klokken van de microcontroller uitgeschakeld. Hierdoor zal het vermogenverbruik minimaal zijn. Telkens de druktoets wordt gebruikt, zal de toestand veranderen. In alle andere toestanden bevindt de microcontroller zich in Low-Power Mode 0 (LPM0). In deze mode zijn ACLK en SMCLK actief, maar blijft de CPU uitgeschakeld. Tabel 4.2 toont het verbruik in de verschillende modes.

43

Hoofdstuk 4. Firmware Mode

Actief

Inactief

Stroomverbruik (µA)

Actieve mode

Alle klokken, CPU

-

350

LPM0

ACLK, SMCLK

CPU, MCLK

70

LPM4

-

Alle klokken, CPU

0,1

Tabel 4.2: Verbruik van de microcontroller in de verschillende Low-Power modes.

Mode 1, mode 2 en mode 3

V

P3.7

(V)

In mode 1, mode 2 en mode 3 licht enkel de buitenste cirkel van acht LEDs op. De microcontroller genereert een PWM-signaal aan pin 3.7, met een frequentie van 100 Hz. De dutycycle van het PWM-cycle voor de drie modes bedraagt respectievelijk 50%, 20% en 5% (zie figuur 4.4). In hoofdstuk 5 zal blijken dat een kleinere dutycycle leidt tot een lager vermogenverbruik. De waargenomen lichtintensiteit zal uiteraard ook lager liggen.

3 2 1 0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

V

P3.7

(V)

t (s) 3 2 1 0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

V

P3.7

(V)

t (s) 3 2 1 0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

t (s)

Figuur 4.4: Gemeten uitgangssignaal aan pin 3.7 met frequentie 98.8 Hz en een dutycycle van respectievelijk 50%, 20% en 5%.

Mode 4 Zowel de binnenste als de buitenste LEDs worden gebruikt in mode 4. De buitenste LEDs worden gecontroleerd door een 100 Hz-signaal (D = 10%) aan pin 3.7, de binnenste LEDs door een 100 Hz-signaal (D = 50%) aan pin 2.3 (zie figuur 4.5). Hierdoor zullen de centrale LEDs helderder zijn dan de omliggende LEDs in de buitencirkel.

44

Hoofdstuk 4. Firmware

VP3.7 (V)

3 2 1 0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

t (s)

VP2.3 (V)

3 2 1 0 0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

t (s)

Figuur 4.5: Gemeten uitgangssignalen aan pin 3.7 en pin 2.3 met frequentie 98.8 Hz en een dutycycle van respectievelijk 10% en 50%.

Mode 5 en mode 6 Zoals aangehaald in paragraaf 2.1.2 mag het achterlicht ook knipperen met een frequentie tussen 1 Hz en 4 Hz. In mode 5 en mode 6 lichten enkel de buitenste acht LEDs op, met een frequentie van respectievelijk 2 Hz en 4 Hz (D = 50%). Om energie te sparen, wordt er opnieuw pulsbreedtemodulatie toegepast op het signaal wanneer het hoog is. Dit gebeurt met een frequentie van 100 Hz en een dutycycle van (D = 50%). Figuur 4.6 verduidelijkt dit principe.

3.5

3

Vsim (V)

2.5

2

1.5

1

0.5

0 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

t (s)

Figuur 4.6: Een 100 Hz PWM-signaal, gesuperponeerd op een signaal van 2 Hz (gesimuleerd uitgangssignaal van pin 3.7).

45

Hoofdstuk 4. Firmware Mode 7 Mode 7 combineert een stationair en knipperend licht: een stationair licht om altijd zichtbaar te zijn en een knipperend licht om de aandacht te trekken. De buitenste LED-cirkel wordt gepulst met een frequentie van 4 Hz, de centrale LEDs lichten continu op. Om energie te sparen, worden de centrale LEDs opnieuw gedimd door ze aan te sturen met een PWM-signaal van 100 Hz en een dutycycle van 10%.

46

Hoofdstuk 5

Karakterisatie In dit hoofdstuk worden de twee belangrijkste karakteristieken van het finale PCB-ontwerp geanalyseerd: het vermogenverbruik en de fotometrische eigenschappen. Eerst komt het vermogenverbuik in de verschillende verlichtingsmodes aan bod. Daarna volgt een fotometrische analyse van het ontwerp: luminantiemetingen, spectrale metingen. Deze metingen werden uitgevoerd op het PCB-prototype. Tot slot wordt een afweging gemaakt tussen het vermogenverbruik van een bepaalde verlichtingsmode en de zichtbaarheid van deze mode.

5.1

Vermogenmetingen

Aangezien het systeem batterij-gestuurd is, is het vermogenverbruik een kritiek punt. De gebruikte microcontroller is speciaal ontworpen voor laag-vermogen toepassingen. Zoals besproken in hoofdstuk 4, zal de microcontroller zich vooral in LPM0 bevinden. Het stroomverbruik in deze toestand bedraagt slechts 70 µA, wat zeker niet zal opwegen tegen het stroomverbruik van de driver en de LEDs. De driver is een boost-converter die de gewenste stroom van 20 mA instelt doorheen de LEDstrings. De lage ingangsspanning van de LiPo batterij zal hierbij verhoogt worden naar de nodige uitgangsspanning. Het is duidelijk dat de efficiëntie van deze omzetting de grootste rol zal spelen in het vermogenverbruik van het verlichtingssysteem.

5.1.1

Vermogenverbruik, effici¨ entie en levensduur

Het vermogenverbruik van het verlichtingssysteem wordt gemeten door de ingangsspanning en -stroom te meten, na het aanleggen van een stabiele voedingsspanning van 3, 2 V. Tabel 5.1 bevat de gemiddelde ingangsspanning en -stroom voor de verschillende modes. Daarnaast werd het ingangsvermogen en het uitgangsvermogen berekend. Bovendien wordt in deze tabel de geschatte levensduur van het systeem weergegeven, uitgaande van een batterij met een opslagcapaciteit van 1600 mAh. Deze waarden zijn echter een lichte overschatting, aangezien de geleverde spanning van de batterij zal dalen naarmate ze leeg raakt. Het systeem werkt perfect tot een spanning van 3, 0 V. De LiPo batterij mag niet ontladen worden tot onder 3, 0 V, anders zal ze onherroepelijk stuk zijn.

47

Hoofdstuk 5. Karakterisatie Vin (V )

Iin (mA)

Pin (mW )

Puit (mW )

η (%)

Levensduur (u)

Mode 1

3,15

69,17

217,9

160,7

73,7

23,1

Mode 2

3,16

28,73

90,5

60,9

67,3

55,7

Mode 3

3,16

7,64

24,1

13,3

55,2

209,4

Mode 4

3,16

34,79

109,7

71,3

65,0

46,0

Mode 5

3,16

35,41

111,6

83,6

74,9

45,2

Mode 6

3,16

35,48

111,7

83,8

75,0

45,1

Mode 7

3,15

75,16

236,7

172,3

72,8

21,3

Licht

Tabel 5.1: Resultaten van de spannings- en stroommetingen op het PCB-prototype.

Er is een duidelijk verband tussen het verschil in gemiddeld stroomverbruik tussen de verschillende modes en de werking van de modes. Aangezien de dutycycle in mode 1 tien keer groter is dan de dutycycle in mode 3, is het gemiddeld stroomverbruik in deze mode bijna tien keer zo hoog dan het gemiddeld stroomverbruik in mode 3. Mode 5 en mode 6 maken dan weer gebruik van een hoogfrequent PWM-signaal met een dutycycle van 50%, gesuperponeerd op een laagfrequent signaal van 2 Hz of 4 Hz. Het systeem staat twee keer zo lang uitgeschakeld dan in mode 1, waardoor het stroomverbruik in deze modes slechts de helft bedraagt van dit in mode 1. Tabel 5.1 bevat ook de efficiëntie van het systeem in de verschillende modes. De behaalde efficiëntie in mode 1, mode 5, mode 6 en mode 7 leunt nauw aan bij de opgegeven efficiëntie van de boost-converter in de datasheet [16] (afhankelijk van de applicatie schommelt deze tussen 70% en 78%). De efficiëntie in mode 2 en mode 3 is echter veel lager. Figuur 5.1 toont de spanning en stroom aan de in- en uitgang in mode 1. Wanneer de boostconverter aangeschakeld wordt, treedt er eerst een stroompiek op (zie figuur 5.1a). Bij het aanschakelen moet de uitgangscapaciteit eerst opgeladen worden totdat de spanning aan de uitgang de gewenste waarde bereikt heeft, zodat de LED-string in geleiding komt. Eens deze gewenste uitgangsspanning bereikt is, raakt de boost-converter in regime en wordt de uitgangsstroom afgeregeld op 20 mA. Na het uitschakelen lekt er een deel lading van de uitgangscapaciteit weg via de LED-string, wat duidelijk zichtbaar is in het spanningsverloop van figuur 5.1b. Hierdoor zal de uitgangscapaciteit telkens deels opgeladen moeten worden bij het aanschakelen van de converter. Deze stroompieken zijn zeer kort, maar wegen wel door in het vermogenverbruik indien de dutycycle laag is. Dit verklaart de lagere efficiënties in mode 2 en mode 3.

48

Hoofdstuk 5. Karakterisatie

4

500

Iin V

3.5

in

400 3

300

Iin (mA)

Vin (V)

2.5

2 200

1.5

1 100 0.5

0 0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0

t (s)

(a) Ingang

20

30

Iuit V

uit

25 15

15

Iuit (mA)

10

V

uit

(V)

20

10 5 5

0 0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0

t (s)

(b) Uitgang buitenste LED-string

Figuur 5.1: Stroom- en spanningsverloop aan de ingang van het systeem en aan de buitenste LED-string in mode 1.

De gemeten efficiënties in mode 5, mode 6 en mode 7 zullen een overschatting zijn van de werkelijke efficiëntie, omdat het zeer moeilijk is om een mix van laag- en hoogfrequente signalen te meten met een oscilloscoop. Niet alle stroompieken, die optreden bij het aanschakelen van de converter, werden opgevangen.

49


5.1.2

Mogelijke oorzaken van verliezen

In de literatuur [29] wordt de efficiëntie van een boost converter geschreven als: η=

Pin − (Pswitch + Pspoel + Pdiode ) Pin

(5.1)

Hierbij is Pswitch het vermogenverlies in het schakelend element (doorgaans een NMOS), Pspoel het vermogenverlies in de serieweerstand RL = 1, 2 Ω van de spoel en Pdiode het vermogenverlies in de diode. Deze verliezen zijn eigen aan de boost-converter en de keuze van de bijhorende componenten. In de PCB-realisatie komt hier nog een extra verlieslatende factor bij: als de controlepin van de centrale LEDs laag was, verkleurde het binnenste van de LED zeer licht. Deze lekstroom bedraagt ongeveer 70 µA. Dit probleem werd opgelost door een extra LED toe te voegen aan de LED-string in het centrum. Om de stroompieken bij het aanschakelen van de boost-converter te vermijden, kan er gebruik gemaakt worden van een MOSFET tussen het einde van iedere LED-string en GND. Deze twee MOSFETs kunnen eveneens aangestuurd worden door de PWM-signalen die gebruikt worden aan de controlepinnen van de driver. Het sluiten van deze switch zal ervoor zorgen dat er veel minder lading zal weglekken van de uitgangscapaciteit, waardoor er ook minder stroom nodig is aan het begin van een cyclus om hem terug op te laden. Bovendien is deze manier van werken ook een oplossing voor het probleem van de zwak oplichtende LEDs in het centrum. Deze oplossing moet zeker onderzocht worden in een volgende realisatie van een demonstrator. De meanderende interconnecties zijn langer dan een gewone rechte connectie. De weerstand van deze connecties zal dus groter zijn, waardoor er hier ook verliezen optreden. In het verlichtingssysteem zullen de verliezen verwaarloosbaar klein zijn. Het verlies in de lange interconnectie tussen het verlichtingssysteem en de externe batterij is echter niet te verwaarlozen. De connectie bestaat uit 70 hoefijzers die een straal R = 2 mm hebben en een hoek a van 30◦ . De lengte van de connectie bedraagt dus ongeveer: 240◦ = 586, 4 mm (5.2) 360◦ De breedte van de koperbaan bedraagt 240 µm. Dit resulteert in een weerstandswaarde van 2, 48 Ω. De verliezen in deze interconnecties zijn echter onvermijdelijk. L = 70 · 2πR ·

Een laatste component die de efficiëntie van het systeem naar beneden zal halen is de spanningsregelaar [25] die de voedingsspanning van 3, 7 V van de batterij omzet naar een stabiele spanning van 3, 3 V. Deze regulator is een lineaire regulator, wat met het oog op het verlagen van het vermogenverbruik een minder goede keuze is. De vermogendissipatie Pd in deze regulator kan geschreven worden als: Pd = (Vin − Vuit )Iuit + Vin IGN D

50

(5.3)

Hoofdstuk 5. Karakterisatie Volgens de datasheet van deze regelaar [25] zal de stroom naar grond IGN D bij de geleverde stromen (zie Iin in tabel 5.1) steeds kleiner zijn dan 0, 5 mA. Voor mode 1 wordt de dissipatie in de regelaar geschat op ongeveer 29, 5 mW. In een nieuwe demonstrator moet deze component zeker vervangen worden door een efficiëntere regelaar.

5.2

Fotometrische metingen

De fotometrische metingen worden uitgevoerd met de PR-670 SpectraScan [30]. Dit draagbaar toestel is eenvoudig te gebruiken, beschikt over een aantal verschillende openingshoeken (1◦ , 1/2◦ , 1/4◦ en 1/8◦ ) en behaalt een spectrale resolutie van 1, 56 nm per pixel. Doorheen het Pritchard optisch systeem (het oculair) ziet de gebruiker een vergroot beeld met in het centrum een zwarte cirkel (de apertuur). Enkel het licht dat doorheen de apertuur gaat wordt gemeten, waardoor het zeer eenvoudig is om het toestel te aligneren met de lichtbron. Met de aanwezige basisuitrusting zijn enkel een spectrale analyse en luminantiemetingen mogelijk. Het SpectraWin 2 softwarepakket wordt gebruikt om de data te verwerken.

5.2.1

Spectrale analyse

De gemeten dominante golflengte λd (de golflengte van de kleur die wordt waargenomen) bedraagt 624 nm, de golflengte bij piekemissie λe is 634 nm. Dit strookt met de waarden die gegeven worden in de datasheet met de specificaties van de OSRAM LED [13]: λd schommelt tussen 620 nm en 630 nm en λe is exact gelijk aan 634 nm (bij een voorwaartse stroom van 20 mA). De spectrale verdeling in figuur 5.2 toont het volledige spectrum van het uitgestraalde licht, gemeten met behulp van de SpectraScan. Deze metingen kunnen bovendien weergegeven worden op het CIE xyY chromaticiteitsdiagram (zie figuur 5.3). Het is duidelijk dat de kleur van het uitgestraalde licht voldoet aan de restricties opgelegd door de ISO-standaard (zie paragraaf 2.1.2). De golflengte van de waargenomen kleur bedraagt 624 nm.

51

Genormaliseerde respons


Golflengte λ (nm)

y

Figuur 5.2: Spectrale analyse van de LED-verlichting.

x Figuur 5.3: CIE xyY chromaticiteitsdiagram met aanduiding van de gemeten kleur.

52


5.2.2

Luminantie

In ISO-standaard 6742 worden richtlijnen gegeven voor de lichtintensiteit van het achterlicht in verschillende richtingen (zie figuur 2.5 in paragraaf 2.1.2). Het is echter niet mogelijk om met de beschikbare accessoires van de SpectraScan een intensiteitsmeting uit te voeren. Daarom is er overgeschakeld op luminantiemetingen, die dan vervolgens met elkaar vergeleken kunnen worden. Deze metingen werden uitgevoerd op de eerste PCB-realisatie. De afstand tot de lichtbron werd voldoende groot gekozen, zodat het uitgestraalde licht volledig werd opgevangen door de apertuur. Mode 1, mode 2, mode 3 en mode 4 werden onderworpen aan een luminantietest, waarbij dertien verschillende kijkhoeken werden gebruikt (van 0◦ tot 80◦ naar links en naar rechts, zie figuur 5.4a). De eerste drie modes sturen de buitenste acht LEDs aan met eenzelfde PWM signaal van 100[Hz], maar een verschillende dutycycle (respectievelijk 50%, 20% en 5%). Mode 4 gebruikt zowel de buitenste als de binnenste LEDs, aangestuurd door een PWM signaal van 100 Hz en een dutycycle van respectievelijk 10% en 50%). Ook wordt een commercieel te verkrijgen achterlicht getest en vergeleken met het eigen ontworpen systeem in continue mode (zie figuur 5.4b). Het is duidelijk dat mode 1 helderder overkomt dan alle andere modes, wat eenvoudig te verklaren is door de hogere dutycycle. De verhouding tussen de verschillende luminantiewaarden bij een gegeven kijkhoek geven daarbij goed het verschil weer tussen de dutycycle van de verschillende modes. Het luminantieprofiel van mode 4 wijkt licht af van de werking van de andere drie verlichtingsmodes. Aangezien deze mode gebruik maakt van zowel de buitenste als centrale LEDs, is de luminantie voor een kleine kijkhoek (tussen −30◦ en 30◦ ) hoger dan de luminantie van mode 2, die enkel gebruik maakt van de buitenste LEDs met een hogere dutycycle. Bij een kijkhoek groter dan 45◦ zal mode 4 echter minder helder lijken dan mode 2: de centrale LEDs worden steeds meer weggedraaid uit het zicht. Algemeen geldt dat het ontworpen verlichtingssysteem een brede kijkhoek heeft: de luminantie bij een kijkhoek van 55◦ bedraagt steeds meer dan de helft van de luminantie bij een kijkhoek van 0◦ . Opvallend is dat de luminantiemeting in elke mode steeds een fractie hoger is voor een kijkhoek naar links dan voor de tegengestelde kijkhoek. Een onnauwkeurigheid in de alignatie ten opzichte van het centrum kan hiervan de oorzaak zijn. Aangezien het niet mogelijk is om het verlichtingssysteem te toetsen aan de intensiteitswaarden die opgelegd worden door de ISO-standaard, wordt een vergelijkende studie gehouden tussen het ontworpen LED-circuit en een commercieel te verkrijgen achterlicht. Het commercieel achterlicht gebruikt continue aansturing. Hierdoor is het beter om het te vergelijken met het eigen LEDcircuit dat ook continu wordt aangestuurd. Opvallend is dat het commerciële licht dubbel zo helder lijkt in het centrum in vergelijking met het eigen ontworpen systeem in stationaire

53

Hoofdstuk 5. Karakterisatie werking. De luminantie naar de zijkanten toe neemt echter zeer sterk en snel af. Een verklaring hiervoor is dat het commercieel achterlicht gebruik maakt van een lenssysteem dat directief is in het centrum en diffuus aan de zijkanten. Het ontworpen verlichtingssysteem heeft een bredere kijkhoek en de luminantieafname verloopt gelijkmatiger.

900

Stationair Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4

Gemeten luminantie (cd/m2)

800 700 600 500 400 300 200 100 0 −80

−60

−40

−20

0

20

40

60

80

Kijkhoek (°)

(a) Vergelijking tussen modes

1800

Eigen ontwerp Commercieel

1400

2

Gemeten luminantie (cd/m )

1600

1200 1000 800 600 400 200 0 −80

−60

−40

−20

0

20

40

60

80

Kijkhoek (°)

(b) Vergelijking met commercieel achterlicht

Figuur 5.4: Resultaten van de luminantiemetingen op het ontworpen LED-systeem en een commercieel achterlicht.

54

Hoofdstuk 5. Karakterisatie Vervolgens wordt gekeken welke invloed een T-shirt heeft op de prestaties van het achterlicht, indien het licht langs de binnenkant van het T-shirt wordt geplaatst (zie tabel 5.2). De invloed hiervan wordt geschat op een verlies van 55%. De afwijking in mode 4 is te verklaren door het feit dat de T-shirt nauwer aansloot bij de LEDs in het centrum dan bij een aantal LEDs op de zijkant. Luminantie (cd/m2 ) zonder T-shirt

Luminantie (cd/m2 ) met T-shirt

Verlies

Mode 1

453,8

205,9

-54,6%

Mode 2

183,3

83,0

-54,7%

Mode 3

45,9

20,9

-54,4%

Mode 4

236,3

128,3

-45,7%

Licht

Tabel 5.2: Verliezen door het aanbrengen van de verlichting aan de binnenkant van een T-shirt.

5.3

Bepaling van de beste verlichtingsmode

Uit paragraaf 5.1 blijkt dat vooral mode 1, mode 5, mode 6 en mode 7 een hoge efficiëntie behalen. De lage dutycycle in mode 2 en mode 3 zorgt er wel voor dat het ingangsvermogen veel lager ligt, maar de energie wordt niet efficiënt omgezet naar lichtenergie. Mode 5 en mode 6 hebben de voorkeur om gebruikt te worden indien de fietser voor lange tijd goed zichtbaar wil zijn. Het vermogenverbruik is gemiddeld, maar de luminantie komt overeen met mode 1. Een extra voordeel is dat het pulserende licht meer aandacht zal trekken van andere weggebruikers. Mode 7 kan gebruikt worden in zeer slechte weersomstandigheden, omdat de centrale LEDs in deze verlichtingsmode constant branden. De omliggende LEDs dienen opnieuw om aandacht te trekken. Het verbruik in deze mode ligt echter wel hoger, waardoor het circuit minder lang autonoom kan werken.

55

Hoofdstuk 6

Realisatie van het flexibel en rekbaar circuit Na het ontwerp van het flexibel en rekbaar circuit, het schrijven van de firmware en de karakterisatie van het prototype, kan er overgegaan worden naar de uiteindelijke realisatie van een finale demonstrator. In dit hoofstuk worden de verschillende stappen in dit proces uitvoerig besproken. Alle stappen werden uitgevoerd in de cleanroom op het Technologiepark Zwijnaarde.

Tijdelijke ondersteuning

Vaste drager

Flexibel circuit (flex)

Waxlaag Tijdelijke lijm voor tijdens het proces. Smelt bij opwarmen.

Laminatie Lasersnijden

Verwijderen residu

Componenten solderen

Figuur 6.1: Procesflow voor het fabriceren van een flexibel en rekbaar circuit (afbeelding uit [7]).

Figuur 6.1 toont de procesflow die gevolgd wordt voor het fabriceren van een flexibel circuit. De productie start met het vervaardigen van de nodige koperbanen en soldeerpaden op een flexibel substraat. Hierbij zal de flex reeds op een vaste drager rusten. Een aantal processtappen zijn 56

Hoofdstuk 6. Realisatie van het flexibel en rekbaar circuit gelijkaardig aan de stappen die gebruikt worden bij de productie van een klassiek, enkelzijdig PCB. In een volgende stap worden overbodige delen van het substraat weggesneden met behulp van een Nd:Yag laser. Hierna volgt de assemblagestap, waarbij de componenten geplaatst en gesoldeerd worden. Tot slot wordt het geheel ter bescherming van de elektronica geëncapsuleerd in PDMS en later ge¨ıntegreerd in textiel.

6.1

Preparatie van het substraat

De productie van het flexibel circuit start bij de preparatie van het substraat (ter grootte van een A4-pagina). FR-4 (Flame Retardant 4), het basismateriaal voor printplaten, wordt gebruikt als vaste drager tijdens het proces. Dit ter bescherming van de fragiele flex (stap a in figuur 6.1). Een 50 µm dikke polimydefolie wordt met behulp van een waxlaag aangebracht op de vaste drager. Polyimide is een sterk en flexibel polymeer en zal later voor de ondersteuning en versteviging van de functionele eilandjes en meanders zorgen. De laatste laag is een 18 µm dikke Cu-laag. Om het substraat voor te bereiden voor de volgende stap (de lithografiestap), wordt het substraat eerst gereinigd en behandeld met een micro-ets (zie figuur 6.2).

Figuur 6.2: De opeenvolgende stappen bij de micro-ets: ontvetten, spoelen, micro-ets, spoelen, drogen.

In de eerste twee baden wordt het substraat ontvet en gespoeld met di-water (gede¨ıoniseerd water). Het volgende bad bevat de micro-ets. Dit bad vreet het koperoppervlak aan, om zo een betere aanhechting te verkrijgen tussen het koper en de fotoresist (zie paragraaf 6.2). Tot slot wordt het substraat opnieuw gespoeld en gedroogd. Iedere stap duurt ongeveer één minuut. Figuur 6.3 toont het substraat voor en na de micro-ets.

57

Hoofdstuk 6. Realisatie van het flexibel en rekbaar circuit

(a) voor

(b) na

Figuur 6.3: Het substraat voor en na de micro-ets.

6.2

Lithografie, ontwikkelen en etsen

De volgende stap in het proces is het overbrengen van het gewenste patroon in de koperlaag (de interconnecties en soldeerpaden). Aangezien de volgende stappen UV-gevoelig zijn, vinden ze plaats in een UV-vrije ‘gele’ kamer. Lithografie is een techniek die gebruik maakt van UV-licht om een gewenst patroon over te brengen. In een eerste fase wordt het substraat bedekt met een fotoresist. Dit is een fotogevoelige laag die de gewenste koperpatronen zal beschermen tegen het etsen. De fotoresist wordt aangebracht door een lamineermachine (zie figuur 6.4) in de vorm van een blauwachtige folie. Om de hechting van de folie met het substraat te verbeteren wordt de folie tegen het substraat geperst bij een temperatuur van 120◦ .

Figuur 6.4: De lamineermachine brengt de fotoresistfolie aan door de druk en de temperatuur te verhogen.

58

Hoofdstuk 6. Realisatie van het flexibel en rekbaar circuit De tweede fase van de lithografie is het overbrengen van het gewenste patroon in de fotoresist. Dit wordt verwezenlijkt door het belichten van de fotoresist doorheen een belichtingsmasker (zie figuur 6.5a), wat slechts enkele seconden duurt. De gebruikte fotoresist is een negatieve resist. Dit wil zeggen dat de belichte delen uitharden (door het polymeriseren van de aanwezige monomeren) en de onbelichte delen oplosbaar blijven in een ontwikkelvloeistof. In figuur 6.5b is duidelijk zichtbaar dat na het ontwikkelen een deel koper beschermd blijft door de fotoresist. Dit koper zal later de gewenste interconnecties en soldeerpaden vormen. Het onbeschermde koper zal in een volgende stap verdwijnen.

(a) masker

(b) na ontwikkeling

Figuur 6.5: Het masker gebruikt voor lithografie (a) en het substraat na het ontwikkelen van de fotoresist (b).

Tijdens het ontwikkelen van de fotoresist wordt het substraat opnieuw door een aantal fases geleid: het ontwikkelbad, een spoelbad en een droger (zie figuur 6.6). In het ontwikkelbad worden de niet-belichte delen van de fotoresist opgelost. Dit gebeurt bij een temperatuur van om en bij de 30◦ C en duurt ongeveer één minuut.

59


Figuur 6.6: De ontwikkelingsmachine die instaat voor het ontwikkelen van de resist en het spoelen en drogen van het substraat.

Het substraat is nu klaar om geëtst te worden. Het etsproces bestaat uit drie baden die een aantal keer na elkaar herhaald worden: een etsbad en twee spoelbaden. Het etsbad bevat de etsvloeistof, die koper zal omzetten in koperoxide. Vervolgens wordt het substraat grondig gespoeld met di-water, om restanten van de etsvloeistof te verwijderen. Elke iteratie van deze drie baden etst een laag van 1, 5 µm weg. Er zijn dus in totaal twaalf iteraties nodig om de 18 µm dikke koperlaag weg te etsen. Na het etsproces worden de substraten drooggeblazen met stikstofgas en ge¨ınspecteerd onder een microscoop om te controleren of al het koper weggeëtst is. Tot slot dient de fotoresist, die het gewenste koper beschermde tijdens het etsen, verwijderd te worden via een chemisch proces met enkele spoelbaden.

6.3

Lasersnijden

De overbodige delen van het flexibel substraat moeten nu weggehaald worden om het circuit rekbaar te maken (stap e en f in figuur 6.1). Een Nd:YAG-laser, met een golflengte van 355 nm, wordt gebruikt voor het uitsnijden van deze delen. De laser wordt ingesteld op een gepulst vermogen van 800 mW en werkt met een snelheid van 10 mm/s. De input van deze laser bestaat uit een AutoCAD-bestand dat een contour bevat van de uit te snijden delen. Om een rekbaar circuit te bekomen wordt de flex ter hoogte van de rekbare connecties zo uitgesneden dat het de meanderende koperbanen volgt. Hierdoor kan de volledige connectie uitrekken en rust het koper nog steeds op de flex. De elektrische componenten zelf (zoals de driver, de microcontroller, de LEDs) zullen rusten op een flex-eiland. Het vermijden van rechte hoeken in de flex zal scheuren voorkomen. Figuur 6.7a toont het resultaat na het lasersnijden. De zwarte lijnen zijn delen polyimide die weggenomen zijn door de laser. Vervolgens worden de 60

Hoofdstuk 6. Realisatie van het flexibel en rekbaar circuit overbodige delen polyimide manueel weggehaald, waardoor enkel de functionele eilandjes en de rekbare interconnecties rusten op polyimide (figuur 6.7b).

(a) Na het lasersnijden

(b) Na het verwijderen van polyimide

Figuur 6.7: Het circuit na het lasersnijden en na het verwijderen van de overbodige delen polyimide.

61


6.4

Assemblage

Tijdens de assemblage worden de elektronische componenten definitief geplaatst (stap g in figuur 6.1). Eerst wordt er soldeerpasta aangebracht op de contacten, daarna worden de componenten geplaatst. De soldeerpasta bestaat doorgaans uit soldeersel (een metaallegering) en flux. De flux dient als tijdelijke ‘lijm’ tussen de soldeerpaden en de componenten. In de reflow oven smelt de soldeerpasta, waardoor een elektrisch contact tussen de paden en de componenten tot stand komt.

Figuur 6.8: Het circuit na het plaatsen van de componenten.

6.5

Encapsulatie

Om de flex en de componenten te beschermen, wordt het systeem vervolgens ingebed in PDMS (Sylgard 186). Dit polymeer is een mengsel van siliconen en een curing agent, die instaat voor het cross-linken van polymeerketens. Het voordeel van PDMS is dat het bijna waterdicht is. Er kan nog vocht binnenraken, maar dit kan ook opnieuw verdwijnen. De rekbare eigenschappen van PDMS zullen ook bijdragen tot de flexibiliteit en rekbaarheid van het systeem. PDMS is eveneens biocompatibel, waardoor het in aanraking met de huid geen allergische reacties zal veroorzaken. Er zijn meerdere manieren om deze encapsulatie te verwezenlijken. Een eerste methode maakt gebruik van een mal. De encapsulatie gebeurt hierbij in twee stappen: eerst wordt de bovenkant van het circuit ingebed, daarna de onderkant. Het circuit lamineren is een tweede manier om het te encapsuleren. Deze techniek is eenvoudiger 62

Hoofdstuk 6. Realisatie van het flexibel en rekbaar circuit en sneller dan de voorgaande. In een eerste stap wordt thermoplastisch materiaal opgewarmd en over de bovenkant van het circuit getrokken. Daarna wordt dit materiaal stevig aangedrukt met behulp van een 3D profiel van de rekbare module. Vervolgens wordt ook de onderkant van het circuit ingebed op dezelfde manier. Beide methoden maken gebruik van een voorgefabriceerde vorm. Om de productietijd van het systeem te verkorten, werd er gekozen om de encapsulatie op een andere manier te doen. In de eerste stap wordt de flux die achterbleef op de polyimide na de reflow-stap verwijderd. Om adhesie tussen PDMS en polyimide te verbeteren, worden de delen polyimide eerst behandeld met een primer. Figuur 6.9 toont hoe de bovenkant van het circuit geëncapsuleerd wordt door middel van casting en blading: een laag PDMS wordt uitgegoten over de bovenkant van het circuit en vervolgens opengespreid. De onderkant van het circuit zal later beschermd worden door de lijm die gebruikt wordt om het systeem te integreren in textiel. Blading zorgt voor een uniforme PDMS-laag. De componenten mogen niet hoger zijn dan 4 mm, want een PDMS-laag dikker dan 4 mm zou de rekbaarheid sterk verminderen. Aangezien de hoogste componenten van het systeem (de LEDs) 2, 1 mm hoog zijn, wordt de dikte van de PDMS-laag ingesteld op 2, 2 mm. In een laatste stap wordt de PDMS voor een aantal uren gehard in een oven.

(a) Blading-machine

(b) Blading van PDMS

Figuur 6.9: Encapsulatie van het circuit in PDMS door blading.

Nadat de PDMS gehard is, kan het systeem losgemaakt worden van de tijdelijke FR-4 drager (zie figuur 6.10). De verschillende delen van het systeem worden uitgesneden en de soldeercontacten worden vrijgemaakt. Hierna kan het verlichtinssysteem via de lange rekbare connectie verbonden worden met de batterij.

63


(a) Verlichtingssysteem

(b) Externe interconnectie

Figuur 6.10: Het verlichtingssysteem en de externe connectie na de release van de drager.

6.6

Integratie in textiel

In een laatste stap wordt het circuit ge¨ıntegreerd in een T-shirt. Een eenvoudige techniek bestaat uit het aanbrengen van een lijmlaag tussen het rekbare systeem en het textiel. De lijm bestaat opnieuw uit een mengsel van siliconen en een curing agent. Vóór de lijmlaag wordt aangebracht, wordt de niet-geëncapsuleerde onderkant van het systeem behandeld met een chemische stof die de adhesie tussen de lijm en het systeem verbetert. Na het aanbrengen van de lijmlaag kan het systeem op de T-shirt aangebracht worden. Aangezien de randen het gevoeligst zijn om los te komen, worden deze voorzien van wat extra lijm. Bij kamertemperatuur zal deze lijmlaag na een paar dagen uitharden. Figuur 6.11 toont het eindproduct, na integratie in een T-shirt.

64


Figuur 6.11: Het integreren van een flexibel circuit in textiel.

6.7

Knelpunten en mogelijke oplossingen

Tijdens het produceren van het flexibel circuit kwamen een aantal knelpunten aan het licht die de productie ervan niet eenvoudig maakten. Een aantal van deze punten kunnen echter voorkomen worden door aanpassingen in het EAGLE-design, andere liggen aan de productiemethode zelf. In de finale flex-layout waren een aantal punten aanwezig waar er een vergroot risico was op kortsluitingen. Zo waren een aantal koperbanen zeer dicht langsheen de pinnen van de microcontroller getekend en waren de footprints van de kleinste weerstanden (verpakkingstype 0402, 1, 0 mm op 0, 5 mm) iets te groot. Bovendien is het niet zonder risico om deze kleine weerstanden te gebruiken als bruggen om kruisende koperbanen te creëren. Om een vorm van veiligheid in te bouwen, is een groter formaat van verpakking voor de weerstanden aangeraden. Het weghalen van de overbodige delen polyimide was een knelpunt bij de productie. Twee factoren lagen aan de basis van dit probleem: de wax en de laserablatie. De waxlaag bleek niet uniform over het oppervlak verdeeld te zijn. Hierdoor was er op sommige plaatsen meer kracht nodig om delen polyimide te verwijderen, wat niet gewenst is tijdens dit fragiele proces. Een onnauwkeurige laserablatie zorgde eveneens voor problemen bij het verwijderen van de overbodige delen. Dit lag niet alleen aan onnauwkeurigheden van de laser zelf, maar ook aan de AutoCAD-file die de contouren definiëerde. De meanders in EAGLE zijn getekend met een hoge nauwkeurigheid en sluiten perfect aan. De contouren in de AutoCAD zijn hiervan afgeleid, maar de nauwkeurigheid ligt lager. Hierdoor kwam de alignatie van de opeenvolgende meanders in AutoCAD niet meer overeen met de perfecte alignatie uit EAGLE. De polyimide was hierdoor niet overal volledig doorgesneden. 65

Hoofdstuk 6. Realisatie van het flexibel en rekbaar circuit De contouren waren getekend op 100 µm afstand van de koperbanen en de eilanden. Door het hoge pulsvermogen van de laser was er echter meer thermische beschadiging aan de randen van de snijlijnen in de polyimide. Een iets grotere offset is dus gewenst. Een laatste probleem situeerde zich tijdens de reflow-stap. Na een eerste passage doorheen de reflow oven bleek de soldeerpasta niet gesmolten te zijn. De reflow oven was niet voldoende opgewarmd, waardoor de aanwezige flux in de soldeerpasta reeds verdampte voor een elektrisch contact werd gevormd. Het opnieuw aanbrengen van flux op de soldeerpasta en een nieuwe passage doorheen de reflow oven loste dit probleem op. Het voorverwarmen van de oven is cruciaal.

66


6.8

Finale demonstrator

Figuur 6.12a toont een foto van een werkende demonstrator. Zoals zichtbaar in foto 6.12b is het systeem voldoende flexibel en rekbaar.

(a)

(b)

Figuur 6.12: Foto’s van de finale demonstrator.

67

Hoofdstuk 7

Mogelijkheden tot het verbeteren van de lichtextractie De efficiëntie van de finale demonstrator zal in grote mate afhangen van hoe efficiënt elektrische energie wordt omgezet in lichtenergie. De encapsulatie van het geheel in PDMS en de integratie in een T-shirt zullen echter ook een rol spelen in de efficiëntie. Het geproduceerde licht moet namelijk op optimale wijze verzameld en uitgezonden worden. Dit hoofdstuk behandelt de problematiek hieromtrent en stelt enkele mogelijke oplossingen voor, die enkel theoretisch worden behandeld. Voor een praktische oplossing is er meer onderzoek nodig naar het gedrag van licht in PDMS.

7.1

Verloren lichtenergie

De lichtextractie efficiëntie ηextractie wordt gedefinieerd als de fractie fotonen die gegenereerd worden in het systeem en verzonden worden in de gewenste richting ten opzichte van het totaal aantal gegenereerde fotonen. Alle fotonen die in het systeem blijven of het systeem in een ongewenste richting verlaten worden dus beschouwd als verlies. Aangezien PDMS een polymeer is, zal licht zich hierin anders gedragen dan in de vrije ruimte. De brekingsindex van PDMS bedraagt ongeveer 1, 465 (Sylgard 186 [31]). Het verschil in brekingsindex tussen lucht (n = 1) en PDMS zal aanleiding geven tot interne reflectie, waardoor een deel van het optisch vermogen in het systeem zal blijven. Dit wordt ge¨ıllustreerd in figuur 7.1.

θ2

lucht PDMS

θ1 θ1

θ2

θc

Figuur 7.1: Refractie van licht bij de overgang van PDMS naar lucht (van links naar rechts: normale breking, kritische hoek en totale interne reflectie).

68

Hoofdstuk 7. Mogelijkheden tot het verbeteren van de lichtextractie Formule 7.1, afgeleid van de Wet van Snellius, geeft een uitdrukking voor de kritische hoek voor een PDMS-lucht interface. Enkel de lichtstralen die invallen op de PDMS-lucht interface met een hoek kleiner dan de kritische hoek θc = 43, 0◦ zullen uitgezonden worden. Licht dat invalt met een hoek groter dan θc zal reflecteren op de interface en uiteindelijk het systeem na een aantal reflecties langs de zijkant verlaten. Bij eerste testen met het flexibel en rekbaar systeem was dit duidelijk zichtbaar. θc = arcsin

nlucht = 43, 0◦ nP DM S

(7.1)

Door het effect van interne reflectie kan het licht ook het systeem verlaten langs de achterzijde (aangezien de interface niet overal dezelfde structuur heeft). Dit is eveneens een ongewenste richting.

7.2

Mogelijke oplossingen

In paragraaf 7.1 werd besproken dat het fenomeen van interne reflectie aanleiding kan geven tot optisch vermogenverlies, zowel langs de zijkant als langs de onderkant van het systeem. Hiervoor worden twee mogelijke oplossingen voorgesteld. De oplossingen zijn gebaseerd op het ontwerp van bestaande fietslichten. Deze bestaan doorgaans uit volgende delen: de verlichting, een reflecterende spiegel en een afdekkap met een ruwe structuur langs de binnenzijde.

7.2.1

Concave microstructuren in PDMS

Het effect van interne reflectie zal sterk afhangen van de ruwheid van de PDMS-lucht interface op een bepaalde plaats en de glooiing van het systeem in dat bepaald punt. In de literatuur werden reeds succesvolle pogingen ondernomen om de lichtextractie efficiëntie van InGaN LEDs te verbeteren door gebruik te maken van concave microstructuren in PDMS [32]. Hierbij wordt een glasplaat gebruikt die bestaat uit een matrix van microsferen met een diameter van ongeveer 1, 0 µm. Na het bedekken van de LED-structuur met een dunne laag PDMS van 2, 0 µm wordt de glasplaat tegen de PDMS-laag gedrukt. Hierdoor ontstaan er concave microstructuren in de aangebrachte PDMS-laag. Zowel simulaties aan de hand van raytracing als experimentele resultaten tonen aan dat de lichtextractie efficiëntie van de LEDs met een factor 1, 7 stijgt door een microstructuur aan te brengen met de hiervoor genoemde dimensies. Hoewel dit onderzoek rechtstreeks gedaan werd op een naakte LED-structuur, is het ook mogelijk om dit principe over te nemen naar de ontwikkeling van een flexibel en rekbaar achterlicht. Figuur 7.2 toont de verschillende processtappen die gevolgd kunnen worden om een dergelijke structuur aan te brengen. In een eerste stap wordt een glasplaat voorzien van de sferische microstructuren met de correcte dimensies (hiervoor kan ook een mal gebruikt worden). Tijdens het encapsulatieproces wordt het patroon van de glasplaat overgebracht in de PDMS-laag (stap 2 en 3). Na lift-off bevat de bovenste PDMS-laag de gewenste concave microstructuren. 69

Hoofdstuk 7. Mogelijkheden tot het verbeteren van de lichtextractie

Stap 1:

definieer microstructuren in glasplaat of mal

Stap 3:

breng de microstructuur over in PDMS-laag

Stap 2:

breng bovenste PDMS-laag aan

Stap 4:

lift-off

PDMS

Wax Drager LED

Centraal eiland

Meanders

Figuur 7.2: Processtappen voor het aanbrengen van concave microstructuren.

Vooraleer het mogelijk is deze techniek toe te passen, zal er eerst nog de nodige aandacht moeten besteed worden aan het bepalen van de optimale dimensies voor de microstructuur met behulp van raytracing simulaties. Een lichtkarakterisatie van PDMS en de raytracing files van de gebruikte lichtbron zijn hiervoor nodig. Ook de manier waarop de glasplaat of mal met microstructuren moet geproduceerd worden is nog niet duidelijk. Een extra voordeel van deze techniek is dat hij gebruikt kan worden om uiteenlopende lensstructuren te creëren in de bovenste PDMS-laag. Een welgekozen lensvorm kan ervoor zorgen dat het uitgestraalde licht in het centrum meer directief is en langs de zijkanten diffuus, net zoals in commerciële verlichtingssystemen.

7.2.2

Reflecterend materiaal

Door interne reflectie zal er ook optisch vermogen het systeem verlaten langs de achterkant, wat ook aanzien kan worden als vermogenverlies. Een reflecterend vlak aan de onderkant van de verlichting kan dit vermijden. Het aanbrengen van dit reflecterend materiaal kan zowel gebeuren tijdens de encapsulatie van de onderkant van het systeem als tijdens het integreren van het flexibel en rekbaar circuit in textiel. Meer onderzoek is nodig om te bepalen welke materialen in aanmerking komen voor dit reflecterend vlak. De gebruikte materialen moeten het licht kunnen reflecteren, maar mogen de flexibiliteit en rekbaarheid van het systeem niet tegenwerken. Het gebruik van miniscule stukjes glas of metaalschilfers lijkt een oplossing, maar hierbij ontstaat een risico op scheurtjes in de encapsulatie.

70

Hoofdstuk 8

Conclusie en mogelijke verbeteringen Het doel van deze masterproef was het ontwikkelen van een flexibel en rekbaar licht dat ge¨ıntegreerd kan worden in textiel. Hierbij lag de focus vooral op vermogenverbruik en zichtbaarheid. In de vorige hoofdstukken werden de verschillende stappen, die ondernomen moeten worden om van een idee naar een werkende demonstrator te gaan, uitvoerig besproken. Eerst werd er gekeken naar de geldende wetten en normen voor de verlichting van een fiets. Vanuit deze restricties werden componenten geselecteerd, die bovendien weinig vermogen verbruiken en een kleine verpakking hebben. Ook in het schrijven van de firmware ging de nodige aandacht naar het verlagen van het vermogenverbruik. Vervolgens werden regels en technieken besproken die gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van een flexibel en rekbaar circuit. Uit de karakterisatie van het eerste PCB-ontwerp bleek dat het ontworpen lichtsysteem een laag vermogenverbuik heeft. Het lichtprofiel van het ontworpen systeem is verschillend ten opzichte van het lichtprofiel van een commercieel verkrijgbaar achterlicht: het eigen ontwerp heeft een breder lichtprofiel, terwijl de commerciële verlichting eerder directief is. In een laatste fase werd een finale demonstrator geproduceerd en ge¨ıntegreerd aan de buitenkant van een T-shirt. Het integreren van het verlichtingssysteem aan de binnenkant van een T-shirt bleek te verlieslatend voor de lichtefficiëntie. De beschrijving van de verschillende productiestappen in hoofdstuk 6 toont duidelijk dat een groot aantal stappen reeds industrieel kunnen toegepast worden. Andere stappen gebeuren echter nog manueel (zoals het verwijderen van polyimide, PDMS blading) en deze kunnen nog sterk geöptimaliseerd worden. Toch zit er zeker toekomst in het maken van flexibele en rekbare systemen voor commercieel gebruik. Tot slot werden ook een aantal technieken voorgesteld om het geproduceerde licht beter te extraheren uit het systeem. Deze technieken kunnen eveneens gebruikt worden om het lichtprofiel aan te passen: het licht meer directief maken of juist meer diffuus. Om het vermogenverbruik van het verlichtingssysteem nog meer te drukken, moet de lekstroom verminderd worden door gebruik te maken van twee MOSFETs, zoals omschreven in hoofdstuk 5. Ook moet er een alternatief voorzien worden voor de spanningsregelaar aan de batterijkant. Er kan eveneens gezocht worden naar een microcontroller met minder functionaliteiten. 71

Hoofdstuk 8. Conclusie en mogelijke verbeteringen De microcontroller moet enkel in staat zijn om PWM signalen te genereren en externe interrupts te ontvangen. Daarnaast kan het gebruik van een extern kristal als bronklok voor de PWM signalen leiden tot een lager vermogenverbruik. Lichtmetingen die de geproduceerde lichtsterkte van het systeem in kaart brengen, moeten aantonen dat het verlichtingssysteem conform de standaarden is. Bovendien moeten er rek- en stevigheidsproeven uitgevoerd worden om te kijken of het ontwerp daadwerkelijk geschikt is om intensief te gebruiken in kledij. Om tot een commercieel systeem te komen dat ge¨ıntegreerd kan worden in textiel, zal de integratie van een batterij in het systeem en het opladen ervan de grootste uitdaging zijn. Dit zal niet alleen de verliezen in de lange interconnectie tussen het systeem en de batterij elimineren, maar ook leiden tot een kleiner en handiger design. De Qi standaard is zeker een goed uitgangspunt om dit verder te onderzoeken. Het verlichtingssysteem kan uitgebreid worden met een lichtsensor die de lichtsterkte van het verlichtingssysteem dynamisch aanpast, afhankelijk van de omstandigheden.

72

Bijlage A

C-programma voor de MSP430f2132 /∗================================================================= Master t h e s i s : Power Consumption O p t i m i s a t i o n f o r w e a r a b l e LED−c i r c u i t s Jeroen Vankelecom 2012−2013 msp430f2132 =================================================================∗/ #include ”msp430 . h” // D e f i n e modes #define OFF mode #define ON1 mode #define ON2 mode #define ON3 mode #define ON4 mode #define ON5 mode #define ON6 mode #define ON7 mode #define MAX mode

0 1 2 3 4 5 6 7 7

// // // // // // // // //

Off On1 On2 On3 On4 On5 On6 On7 Max

mode mode mode mode mode mode mode mode mode

// D e f i n e i n p u t s and o u t p u t s #define ModeSWPin 0 x04 // MODE s w i t c h b u t t o n on p i n 2 . 2 #define LED1 0 x80 #define LED2 0 x08

// LEDs i n c i r c l e P3 . 7 /TA1. 1 // LEDs i n c e n t e r P2 . 3 /TA0. 1

// F l a g s and c o u n t e r s unsigned char uc mode ; // S p e c i f i e s t h e u s e r mode unsigned char u c s t a t e ; // t o use PWM on low f r e q u e n c y s i g n a l 73

Bijlage A. C-programma voor de MSP430f2132

// Function d e c l a r a t i o n s void i n i t i a l i z e ( void ) ; void void void void void void

flashingLED ( void ) ; i n i t i a l i z e T i m e r A 0 ( long , long ) ; i n i t i a l i z e T i m e r A 1 ( long , long ) ; i n i t i a l i z e T i m e r A 0 S p e c i a l ( long ) ; s t op T im e r s ( void ) ; debounce ( void ) ;

// Main program int main ( void ) { initialize (); for ( ; ; ) { i f ( uc mode == OFF mode ) { // Enter low power mode 4 , e n a b l e i n t e r r u p t s b i s S R r e g i s t e r ( LPM4 bits + GIE ) ; } else { // Enter low power mode 0 , e n a b l e i n t e r r u p t s b i s S R r e g i s t e r ( LPM0 bits + GIE ) ; } } } // Function i m p l e m e n t a t i o n s void i n i t i a l i z e ( void ) { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // Stop watchdog t i m e r ( no time o u t r s t ) // I n i t i a l i z e s t a t e uc mode = OFF mode ; // I n i t i a l i z e I /O p i n s P2DIR = LED2 ; // P2IE = ModeSWPin ; // P2IES = ModeSWPin ; // P2SEL = LED2 ; P2OUT = 0 x00 ; // P2IFG = 0 x00 ; //

p o r t LED2 t o o u t p u t P2 i n t s e n a b l e d P2 e d g e s e l e c t = h i g h t o low a l l outputs to zero Clear port2 f l a g s

74

Bijlage A. C-programma voor de MSP430f2132 P3DIR = LED1 ; P3OUT = 0 x00 ; P3SEL = LED1 ;

// p o r t LED1 t o o u t p u t // a l l o u t p u t s t o z e r o

} void flashingLED ( void ) { switch ( uc mode ) { case ON1 mode : initializeTimerA1 (1500 , 750); break ; case ON2 mode : initializeTimerA1 (1500 , 300); break ; case ON3 mode : initializeTimerA1 (1500 , 75); break ; case ON4 mode : initializeTimerA0 (1500 , 750); initializeTimerA1 (1500 , 150); break ; case ON5 mode : initializeTimerA0Special (18750); break ; case ON6 mode : initializeTimerA0Special (9375); break ; case ON7 mode : initializeTimerA0 (1500 , 75); initializeTimerA1 (37500 , 18750); break ; }

// CIRCLE 100Hz (50%)

// CIRCLE 100Hz (20%)

// CIRCLE 100Hz (5%)

// CIRCLE−CENTER 100Hz // PWM (10%−50%)

// CIRCLE 2Hz // ( w i t h PWM a t 100Hz ) // CIRCLE 4Hz // ( w i t h PWM a t 100Hz ) // CIRCLE 4Hz , // CENTER 100Hz (10%)

} void i n i t i a l i z e T i m e r A 0 ( long c o u n t e r , long dutyCycle ) { TA0CCR0 = c o u n t e r − 1 ; // PWM P e r i o d // TA0CCR1 r e s e t / s e t TA0CCTL1 = OUTMOD 7; TA0CCR1 = dutyCycle ; // TA0CCR1 PWM d u t y c y c l e TA0CTL = TASSEL 2 + MC 1 + ID 3 ; // SMCLK, up mode } void i n i t i a l i z e T i m e r A 1 ( long c o u n t e r , long dutyCycle ) { 75

Bijlage A. C-programma voor de MSP430f2132 TA1CCR0 = c o u n t e r − 1 ; TA1CCTL1 = OUTMOD 7; TA1CCR1 = dutyCycle ; TA1CTL = TASSEL 2 + MC 1 + ID 3 ;

// // // //

PWM P e r i o d TA1CCR1 r e s e t / s e t TA1CCR1 PWM d u t y c y c l e SMCLK, up mode

} void i n i t i a l i z e T i m e r A 0 S p e c i a l ( long c o u n t e r ) { TA0CTL = TASSEL 2 + ID 3 + MC 3 ; // SMCLK, c o n t mode TA0CCR0 = c o u n t e r ; CCTL0 = CCIE ; // e n a b l e i n t e r r u p t s uc state = 1; } void debounce ( ) { // can be r e p l a c e d by timer , b u t would i n t e r f e r e w i t h program f o r ( int t 1 = 1 0 0 0 0 ; t 1 > 0 ; t1 −−); P2IFG = 0 x00 ; // e n a b l e i n t e r r u p t s } void stopTimer ( ) { TA0CTL = TACLR; TA1CTL = TACLR; TA0CCTL1 = OUTMOD 0; TA1CCTL1 = OUTMOD 0; CCTL0 &= 0 x00 ; P2OUT &= 0 x00 ; P3OUT &= 0 x00 ;

// s t o p t i m e r // s t o p t i m e r

// s w i t c h o f f LEDs i f on

} // Timer0 A0 i n t e r r u p t s e r v i c e r o u t i n e #pragma v e c t o r=TIMER0 A0 VECTOR i n t e r r u p t void Timer0 A0 ( void ) { i f ( u c s t a t e ){ // t u r n on PWM initializeTimerA1 (1500 , 750); uc state = 0; } else { TA1CTL = TACLR; TA1CCR0 = 0 ; TA1CCTL1 = OUTMOD 0; P3OUT &= 0 x00 ;

// s t o p PWM

76

Bijlage A. C-programma voor de MSP430f2132

uc state = 1; } } // Port 2 i n t e r r u p t s e r v i c e r o u t i n e #pragma v e c t o r = PORT2 VECTOR i n t e r r u p t void P o r t 2 ( void ) { stopTimer ( ) ; uc mode++; i f ( uc mode > MAX mode) { uc mode = OFF mode ; } else { flashingLED ( ) ; } // Debouncer debounce ( ) ; // l e a v e LPM4 t o t u r n on d e v i c e i f ( uc mode == ON1 mode ) { b i s S R r e g i s t e r (LPM4 EXIT + GIE ) ; } // l e a v e LPM0 t o t u r n o f f d e v i c e i f ( uc mode == OFF mode ) { b i s S R r e g i s t e r (LPM0 EXIT + GIE ) ; } }

77

Bibliografie [1] N. Nuyttens, N. Focant, and Y. Casteels, Statistische analyse van verkeersongevallen 2010. Brussel, Belgie: Belgisch Instituut voor de Verkeersveiligheid - Kenniscentrum voor de Verkeersveiligheid, 2012. [2] H. Martensen and N. Nuyttens, Verkeersongevallen met fietsers (2000-2007). Brussel, Belgie: Belgisch Instituut voor de Verkeersveiligheid - Kenniscentrum voor de Verkeersveiligheid, 2009. [3] BIVV. (2013, Feb.) Val op veilig! val veilig op! //bivv.be/frontend/files/userfiles/files/valopveilig.pdf

[Online]. Available:

http:

[4] Belgische Staat. (2013, Feb.) Algemeen reglement op de politie van het wegverkeer en van het gebruik van de openbare weg - art.82. [Online]. Available: http: //www.wegcode.be/wetteksten/secties/kb/wegcode/272-art82 [5] Stad Gent. (2013, Feb.) Sensibiliseringscampagne fietsverlichting. [Online]. Available: http://www.gent.be/eCache/THE/34/409.cmVjPTE0NzE5Mg.html [6] B. Staes. (2013, Feb.) 78 fietslichten niet in orde. [Online]. Available: //www.nieuwsblad.be/article/detail.aspx?articleid=DMF20121130 037

http:

[7] T. Vervust, “Stretchable and washable electronics for embedding in textiles,” Ph.D. dissertation, University of Ghent, 2012. [8] P. Ronan. (2013, Mar.) Light. [Online]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Light [9] R. Baets and G. Roelkens, Fotonica.

Universiteit Gent, 2009.

[10] Prismalence. (2013, Apr.) Efficient lighting solutions. [Online]. Available: //www.prismalenceuk.com/

http:

[11] ISO, Cycles - Lighting and retro-reflective devices - Part 1: Lighting and signaling devices, ISO 6742-1, 2011. [12] Meerdere auteurs. (2013, Mar.) Cie 1931 color space. [Online]. Available: //en.wikipedia.org/wiki/CIE 1931 color space [13] OSRAM, “Topled enhanced thinfilm led,” Product Datasheet, http://www.farnell.com/datasheets/1605247.pdf.

78

http:

Februari 2010,

Bibliografie [14] R. Stevenson. (2012, Oct.) The led’s dark sectret. [Online]. Available: //spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/the-leds-dark-secret

http:

[15] E. Rogers et al., “Understanding buck-boost power stages in switch mode power supplies,” 1999. [16] Linear Technologies, “Dual full function white led driver with integrated schottky diodes,” Product Datasheet, 2006, http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3497f.pdf. [17] Murata, “Chip coils for dc-dc converter wire wound type,” Product Datasheet, 2007, http://www.farnell.com/datasheets/5143.pdf. [18] Texas Instruments, “Mixed signal datacontroller,” Product Datasheet, November 2007, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f2132.pdf. [19] Texas Instruments, “Mixed signal datacontroller,” User’s Guide, November 2007, http://www.ti.com/lit/ug/slau144i/slau144i.pdf. [20] Energizer. (2013, Feb.) Single inductive charger. [Online]. Available: http://www.energizer. com/portable-power/wireless-chargers/qi-wireless/Pages/single-charger.aspx [21] Texas Instruments, “Product datasheet,” Integrated Wireless Power Supply Receiver, Qi Compliant, 2012, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq51013a.pdf. [22] Maxim Integrated, “Sot23 dual-input usb/ac adapter 1-cell li+ battery chargers,” Product Datasheet, July 2003, http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX1551MAX1555.pdf. [23] Texas Instruments, “1-a, single-cell li-ion and li-polymer charge management ic evm,” Product Datasheet, May 2006, http://www.ti.com/lit/ug/sluu249/sluu249.pdf. [24] B. Johns, T. Antonacci, and K. Siddabattula. (2013, Feb.) Designing a qicompliant receiver coil for wireless power systems. [Online]. Available: http: //www.ti.com/lit/an/slyt479/slyt479.pdf [25] Micrel, “Mic5209 - 500ma low-noise ldo regulator,” http://www.farnell.com/datasheets/29478.pdf.

Product Datasheet,

2006,

[26] N. de Smith. (2013, Apr.) Ansi ipc-2221a pcb trace width calculator. [Online]. Available: http://www.desmith.net/NMdS/Electronics/TraceWidth.html [27] Omron, “Ultra-low profile dome key,” Product http://www.omron.com/ecb/products/pdf/en-b3d.pdf.

Datasheet,

2007,

[28] I. Systems. (2012, Oct.) Iar embedded workbench version 3.42 for ti msp430. [Online]. Available: http://www.iar.com/ew430 [29] T. Eichhorn, “Boost Converter Efficiency Through Accurate Calculations,” Power Electronics, p. 31, 2008.

79

Bibliografie [30] Photo Research. (2013, May) Pr-670 spectrascan spectroradiometer. [Online]. Available: http://www.photoresearch.com/current/pr670.asp [31] D. Corning, “Sylgard 186 silicone elastomer,” http://www.lindberg-lund.com/files/Tekniske

Product

Datasheet,

1999,

[32] Y.-K. Ee, P. Kumnorkaew, R. A. Arif, H. Tong, J. F. Gilchrist, N. Tansu et al., “Light extraction efficiency enhancement of ingan quantum wells light-emitting diodes with polydimethylsiloxane concave microstructures,” Opt. Express, vol. 17, no. 16, pp. 13 747–13 757, 2009.

80

Lijst van figuren 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18

Spreiding van ernstige fietsongevallen over de maanden van een jaar en over de uren van een dag - 2010 (afbeelding uit [1]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principe van de SMI technologie: functionele eilandjes verbonden via rekbare interconnecties (afbeelding uit [7]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prototype van het flexibel LED-circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planning van de masterproef. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Situering van zichtbaar licht in het elektromagnetisch spectrum [8]. . . . . . . . . Dwarsdoorsnede van het menselijk oog (afbeelding uit [9]). . . . . . . . . . . . . . De drie soorten kegeltjes reageren elk op verschillende golflengtes en hebben elk hun optimale golflengte waarbij ze het meest gevoelig zijn (440 nm, 540 nm en 580 nm) (afbeelding uit [9]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De luminous efficacy K bij fotopisch en scotopisch zicht. K is maximaal 683 lm/W bij fotopisch zicht en 1699 lm/W bij scotopisch zicht (afbeelding van [10]). . . . . Fotometrische vereisten voor het achterlicht (gebaseerd op afbeelding uit [11]). . Het CIE xyY chromaticiteitsdiagram, met aanduiding van de restricties op de xen y-parameter (afbeelding van [12]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Algemene opbouw van een LED (afbeelding uit [14]). . . . . . . . . . . . . . . . . Principe van pulsbreedtemodulatie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stralingseigenschappen van de OSRAM LED (afbeeldingen uit [13]). . . . . . . . If Vf -karakteristiek en relatieve lichtsterkte van de LED (IV (20 mA) = 1, 4 cd) (afbeeldingen uit [13]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typische If Vf -karakteristiek van een diode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Twee manieren om een LED aan te sturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Algemene topologie van de vermogenstrap van een boost-converter. . . . . . . . . Schema en aanbevolen layout van een voorbeeldapplicatie met twee asymmetrische LED-strings (afbeelding uit [16]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokschema van de LT3497 (afbeelding uit [16]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . MSP430f2132 ontwikkelingsbord van de vakgroep CMST, waarbij alle pinnen van de microcontroller bereikbaar zijn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokschema voor het draadloos herladen van een LiPo batterij. . . . . . . . . . . Elektrisch schema voor het PCB-prototype. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

2 3 4 5 8 8

9 10 12 13 14 15 16 17 18 18 19 21 22 24 25 27

Lijst van figuren 3.1

Voorbeeld van een zelfgemaakt symbool en layout van een component op basis van de door de fabrikant gespecificeerde footprint. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Kruisingen worden mogelijk gemaakt door een 0 Ω-weerstand of de ruimte onder de reeds aanwezige componenten te gebruiken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Layout van PCB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Realisatie van het PCB-ontwerp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Layout van flexibel circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Belangrijkste parameters van een meander: de straal R , de hoek a en de breedte W (gebaseerd op figuur uit [7]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Invloed van de hoek a bij het tekenen van connecties met een hoge densiteit. . . R 3.8 Invloed van de verhouding W op de interconnetie (W = 200 µm, a = 30◦ ). . . . . 3.9 Een interconnectie met een hoek van 90◦ door gebruik te maken van twee hoeken van 45◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10 Ontwerp van een meander in AutoCAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11 Normaal en verbeterd werkingsprincipe van een domekey (afbeeldingen uit [27]). 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

5.1 5.2 5.3 5.4

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Uitgang van de timer in Output Mode 7 (Reset/Set). . . . . . . . . . . . . . . . . Stroomdiagram van poort 2 ISR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Toestandsdiagram van het systeem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemeten uitgangssignaal aan pin 3.7 met frequentie 98.8 Hz en een dutycycle van respectievelijk 50%, 20% en 5%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemeten uitgangssignalen aan pin 3.7 en pin 2.3 met frequentie 98.8 Hz en een dutycycle van respectievelijk 10% en 50%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Een 100 Hz PWM-signaal, gesuperponeerd op een signaal van 2 Hz (gesimuleerd uitgangssignaal van pin 3.7). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stroom- en spanningsverloop aan de ingang van het systeem en aan de buitenste LED-string in mode 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spectrale analyse van de LED-verlichting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CIE xyY chromaticiteitsdiagram met aanduiding van de gemeten kleur. . . . . . Resultaten van de luminantiemetingen op het ontworpen LED-systeem en een commercieel achterlicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Procesflow voor het fabriceren van een flexibel en rekbaar circuit (afbeelding uit [7]). De opeenvolgende stappen bij de micro-ets: ontvetten, spoelen, micro-ets, spoelen, drogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het substraat voor en na de micro-ets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De lamineermachine brengt de fotoresistfolie aan door de druk en de temperatuur te verhogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het masker gebruikt voor lithografie (a) en het substraat na het ontwikkelen van de fotoresist (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De ontwikkelingsmachine die instaat voor het ontwikkelen van de resist en het spoelen en drogen van het substraat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

29 30 31 32 34 35 36 36 37 38 39 41 42 43 44 45 45

49 52 52 54 56 57 58 58 59 60

Lijst van figuren 6.7

Het circuit na het lasersnijden en na het verwijderen van de overbodige delen polyimide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Het circuit na het plaatsen van de componenten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Encapsulatie van het circuit in PDMS door blading. . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Het verlichtingssysteem en de externe connectie na de release van de drager. . . . 6.11 Het integreren van een flexibel circuit in textiel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12 Foto’s van de finale demonstrator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 7.2

Refractie van licht bij de overgang van PDMS naar lucht (van links naar rechts: normale breking, kritische hoek en totale interne reflectie). . . . . . . . . . . . . . Processtappen voor het aanbrengen van concave microstructuren. . . . . . . . . .

83

61 62 63 64 65 67

68 70

Lijst van tabellen 1.1

Ongevallenstatistieken van het jaar 2010 (gegevens uit [1]). . . . . . . . . . . . .

1

2.1

Vergelijking van de optische efficiëntie en de levensduur van verschillende soorten lichtbronnen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.1

Dimensionering van de rekbare connecties in het verlichtingssysteem. . . . . . . .

37

4.1 4.2

Voorbeeldwaarden voor de CC-registers, uitgaande van een klok van 150 kHz. . . Verbruik van de microcontroller in de verschillende Low-Power modes. . . . . . .

42 44

5.1 5.2

Resultaten van de spannings- en stroommetingen op het PCB-prototype. . . . . . 48 Verliezen door het aanbrengen van de verlichting aan de binnenkant van een T-shirt. 55

84

Optimalisatie van het vermogenverbruik van flexibele LED-circuits in textiel

Recommend Documents