OBSAH: 1
Úvod …................................................................................................................ 7
2
Obecný princip DIY projektoru ................................................................ 8
3
Funkce a technické detaily komponent – obecný popis .................... 8 3.1
Výbojka a podpůrná elektronika 3.1.1 3.1.2
3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9
4
Sférický reflektor Optický kondenzor IR filtrační sklo Fresnelovy čočky LCD Panel Odrazové optické zrcadlo Objektiv Skříň projektoru
Technické parametry komponent a jejich osazení .............................. 14 4.1
Výbojka a podpůrná elektronika 4.1.1 4.1.2 4.1.3
4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9
5
Výbojka Tlumivka Tyristorový zapalovač
Sférický reflektor Optický kondenzor IR filtrační sklo Fresnelovy čočky 4.5.1 Fresnelova čočka 1 4.5.2 Fresnelova čočka 2 LCD panel Optické zrcadlo Objektiv Skříň projektoru
Obvodové zapojení projektoru .................................................................. 23 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
6
Výbojka Podpůrná elektronika
Panel s ovládacími tlačítky Spínací relé výbojky Ventilátory Zadní panel pro připojení síťového a záložního napájení Podpůrná elektronika výbojky a spínaný zdroj
Řídící elektronický obvod ............................................................................ 25 6.1 6.2 6.3
Hlavní požadavky na řídící elektronický obvod Koncepce řešení výroby řídícího elt. obvodu projektoru Popis schématu zapojení řídícího elektronického obvodu 6.3.1 6.3.2
Část zdroje napětí Část řídící elektroniky a výstupních obvodů
5
7
Popis ovládání projektoru ............................................................................ 28
8
Závěrečné hodnocení ...................................................................................... 29
9
Použitá literatura a informační zdroje .................................................... 29
Seznam příloh: Příloha 1
- Obvodové (základní) schéma - Legenda k obvodovému základnímu schématu
Příloha 2
- Obvodové (základní) schéma bloku řídící elektroniky
Příloha 3
- Program pro obsluhu řídící elektroniky
Příloha 4
- Soupis použitých součástek bloku řídící elektroniky - Soupis ostatních použitých součástek
Příloha 5
-
Příloha 6
- DIY projektor - původní provedení
Příloha 7
- DIY projektor - Nové provedení - Celkové vnitřní uspořádání DIY projektoru - Detaily vnitřního uspořádání DIY projektoru
Příloha 8
- Elektronická verze dokumentace DIY Projektoru
Matrice DPS – strana součástek Vyleptaná DPS – strana součástek Matrice DPS – spodní strana Vyleptaná DPS – spodní strana Rozvržení součástek na DPS Rozvržení součástek na DPS - fotodokumentace
6
1
Úvod
Pro výrobu tohoto projektoru jako předmětu ročníkové práce jsem se rozhodl v době loňských letních prázdnin. Na myšlenku zvolit si stavbu projekčního zařízení mě přivedlo zjištění, že výrobek s podobným zaměřením se vředchozích tématech ročníkových prací studentů VOŠ a SPŠE zatím neobjevil. Shodou okolností jsem v inzertní sekci internetového fóra http://dvlachy.ic.cz objevil inzerát, v němž inzerent nabízel k prodeji již funkční, jím sestavený projektor. O výrobě projektoru vlastní konstrukce jsem přemýšlel již delší dobu před tím, ale z důvodu nedostatku potřebných financí na koupi jednotlivých komponent jsem svůj plán nemohl realizovat. Díky objevení výše zmíněného inzerátu se naskytla šance za výhodnou cenu koupit projektor již hotový. Odpadlo tím shánění jednotlivých komponent, z nichž je podstatnou většinu možné zakoupit pouze v zahraničí. Obstarávání jednotlivých součástí ze zahraničí je však finančně, ale zejména časově a organizačně náročná záležitost. Z výše uvedených důvodů jsem se po zvážení celé situace rozhodl nabízený projektor zakoupit i s vědomím rizika, že inzerované promítací zařízení nemusí plně vyhovovat mým představám a požadavkům a že na takto pořízené zařízení nedostanu žádnou záruku funkčnosti. Po obdržení zásilky se moje obavy skutečně potvrdily. Projektor byl sice jako celek funkční, ale jeho úroveň zpracování mě neuspokojovala. Proto jsem se rozhodl, že s vynaložením dalších nemalých finančních prostředků zakoupený projektor přebuduji, což v podstatě obnášelo fakt, že využiji většinu komponent, které však osadím do úplně nové skříně, a navíc celé zařízení doplním řídící elektronikou a dále použiji navíc oproti původní koncepci optické zrcadlo k tomu, aby skříň projektoru byla při promítání ve svislé poloze. Toto řešení je dle mého názoru mnohem elegantnější. Skříň projektoru zabere při projekci daleko méně prostoru a odpadají nároky na jeho umístění na vhodný podstavec. Pro přebudování a doplnění původně zakoupeného projektoru bude nutné navrhnout a zkonstruovat nové mechanizmy a řídící elektroniku a tím vznikne kvalitativně úplně nové zařízení. V následujícím textu je mnou vyrobené projekční zařízení označované zkratkou DIY. Tato zkratka pochází z anglického označení DIY - Do It Yourself, ve volném překladu „udělej si sám“ a používá se pro výrobky, které jsou vyrobeny většinou svépomocí a v domácích podmínkách.
7
2
Obecný princip DIY projektoru
DIY projektor pracuje na velmi podobném principu jako například všeobecně známý a používaný diaprojektor k promítání diapozitivů zasazených do rámečku, nebo meotar k promítání rozměrově větších průhledných fólií. Meotar oproti diaprojektoru však využívá navíc optické zrcadlo k zalomení světelných paprsků promítaného obrazu o 90° (v tomto případě ke kolmému zalomení paprsků světla z vertikální do horizontální roviny). Mnou zkonstruovaný DIY projektor má blíže principu meotaru právě díky použití optického zrcadla. Podstatnou odlišností je však využití LCD displeje jako zdroje obrazového materiálu. Při použití tohoto zdroje může DIY projektor využívat širokých možností, které nabízí současná úroveň multimediální výpočetní techniky.
3
Funkce a technické detaily komponent – obecný popis Pro výrobu zařízení se zpravidla používají tyto hlavní komponenty: ● ● ● ● ● ● ● ● ●
výbojka a podpůrná elektronika sférický reflektor optický kondenzor IR filtrační sklo fresnelovy čočky LCD panel odrazové optické zrcadlo objektiv skříň projektoru
Výše uvedené komponenty je nutné podle optických zákonitostí a podle platných předpisů a norem pro elektrická zařízení osadit do konstrukčně vyhovující skříně (šasi).
3.1
Výbojka a podpůrná elektronika
3.1.1 Výbojka Výbojka je jako zdroj světla nepostradatelnou a velice důležitou součástí každého projektoru a její výběr podstatně ovlivňuje výsledou kvalitu obrazu. V DIY projektorech se nejlépe osvědčily metahalogenidové výbojky. Tyto výbojky jsou k dispozici u rozličných distributorů, jednotlivé typy se vzájemně liší především hodnotami příkonu, světelností, barevnou teplotou a dalšími parametry. 3.1.2 Podpůrná elektronika Jelikož při provozu hoří v baňce výbojky elektrický oblouk, je nutné ho proudově omezit. K tomuto účelu slouží předřadná tlumivka, která díky své impedanci udržuje hodnotu proudu na konstantní úrovni.
8
Další důležitou součástí podpůrné elektroniky je tyristorový zapalovač. Ve vypnutém a chladném stavu je tlak uvnitř baňky výbojky příliš nízký a síťové napětí 230V není samo o sobě schopné zažehnout elektrický oblouk. Zapalovač v okamžiku zapnutí vytvoří vysoké napětí o hodnotě přibližně 5kV, které již plně postačuje k zapálení elektrického oblouku. Toto vysoké napětí zapalovač udržuje až do doby, než dojde k vytvoření dostatečného tlaku uvnitř baňky výbojky. Poté se zapalovač automaticky odpojí a elektrický oblouk je nadále udržován síťovým napětím 230V. Poslední v řadě sestavy podpůrné elektroniky výbojky je kompenzační kondenzátor. Funkčnost výbojky neovlivňuje, ale slouží ke kompenzaci jalového proudu, který je ve větším množství nežádoucí hlavně pro distributora elektrické energie. V DIY projektorech používané výbojky produkují zanedbatelné množství jalového výkonu a není proto bezpodmínečně nutné kompenzační kondenzátor použít Jelikož je v obvodu použitá tlumivka, která se při průchodu střídavého proudu chová jako induktivní zátěž, dochází ke snižování účiníku. Proto se například i u obyčejných zářivek používá kompenzační kondenzátor. Ten se naopak při průchodu střídavého proudu chová jako kapacitní zátěž a výsledný účiník vyrovnává zpět.
3.2
Sférický reflektor
Jak napovídá název, tato komponenta reflektuje neboli odráží světelné paprsky. Výbojku jako takovou lze považovat za bodový zdroj světla. Pokud výbojku tedy umístíme do středu kulové zrcadlové plochy sférického reflektoru, pak jsou paprsky, které z výbojky vycházejí opačným směrem než je směr promítání, odráženy zpět do středu reflektoru. Pokud si tedy představíme reflektor jako polovinu kulové plochy, pak paprsky, které jsou touto kulovou plochou, resp. reflektorem odraženy, směřují po odrazu souběžně s paprsky, které odraženy nebyly, to znamená v požadovaném směru promítání.
3.3
Optický kondenzor
Kondensor je obyčejná spojná ploskovypuklá optická čočka. Je umístěn mezi výbojkou a první fresnelovou čočkou. U projektorů, resp. obecně u promítacích zařízení plní tři základní funkce. První je rovnoměrné prosvícení LCD displeje. Tato funkční vlastnost se projeví rovnoměrným nasvícením obrazu na promítacím plátně. Pokud bychom porovnali projekci z projektoru, v němž je kondenzor osazen, a z projektoru, který tuto optickou součást postrádá, byl by rozdíl na první pohled patrný. Nedokonalost rovnoměrného nasvícení obrazu na plátně se projevuje především při světlých scénách, kdy jsou okraje obrazu vůči jeho středu výrazně tmavší. V domácích podmínkách a při nedokonalých znalostech optiky sice lze jen obtížně dosáhnout naprosto rovnoměrného podsvícení, ale z praxe vyplývá, že právě kondensor nerovnoměrné nasvícení z větší části eliminuje. Druhou funkcí optického kondenzoru je zachycení a následné usměrnění šířících se světelných paprsků na fresnelovu čočku. Usměrnění světelných paprsků je docíleno umístěním výbojky co nejblíže kondenzoru. Díky tomuto umístění část paprsků, které by jinak směřovaly na stěny skříně projektoru, projde kondenzorem. Tyto paprsky jsou podle zákonů optiky o spojné čočce kondenzorem zalomeny a usměrněny na fresnelovu čočku.
9
Třetí funkce, nebo spíše výhoda použití kondenzoru vyplývá ze skutečnosti, která byla popsána v předchozím odstavci. Paprsky, které projdou kondenzorem, vycházejí z kondenzoru pod jiným úhlem, než do něj vstupují. Pokud bychom tyto paprsky prodloužili na opačnou stranu, protnuly by se v bodě, který se pak vůči zbytku celé optické soustavy chová jako bodový zdroj světla. To znamená, že kondenzor virtuálně posune bodový zdroj světla výbojky o určitou vzdálenost dále, než se skutečně nachází. Výhodou je tedy skutečnost, že při použití kondenzoru může být celková výsledná konstrukční velikost (výška) skříně projektoru právě o tuto vzdálenost kratší.
3.4
IR filtrační sklo
V projektorech se využívá z důvodu snížení vyzařování infračervených paprsků výbojkou, to znamená k omezení značného tepelného vyzařování výbojky na LCD panel. Jelikož není optická část DIY projektorů tak dokonalá, jako je tomu například u komerčně vyráběných projektorů a využití světelného výkonu výbojky tudíž není optimální, musí být tato nedokonalost kompenzována zvýšeným příkonem použité výbojky. Tím samozřejmě neúměrně vzroste množství tepelného (IR) záření. IR sklo je vyrobeno z takových materiálů, které paprsky IR-záření alespoň z části pohlcují a propouštějí jen světlo ve viditelném spektru. Bohužel však tato filtrační skla vykazují jednu nežádoucí vlastnost, kterou je nerovnoměrné propouštění světelných paprsků viditelného spektra. Následkem této vlastnosti dochází ke zkreslení barev na výsledném obrazu, jelikož každá základní barevná složka spektra - červená, zelená, modrá (RGB) má jinou světelnou intenzitu a tudíž každý barevný subpixel na LCD není prosvěcován se stejnou intenzitou.
3.5
Fresnelovy čočky
Další komponentou, využívanou v projektoru, je fresnelova čočka. Oproti klasické čočce vypadá na první pohled jako tabulka skla či plexiskla. Pokud se však podíváme zblízka, vidíme, že jsou na tomto skle patrné soustředné kružnice. Když se podíváme ještě detailněji, zjistíme, že každá kružnice má o trochu jiný sklon zářezu. Rozdíl mezi klasickou a fresnelovou čočkou názorně ukazuje obr. 1. Komplexně se fresnelova čočka chová jako klasická čočka, tzn. má stejné optické parametry, ale je méně kvalitní. Výhodou je však její téměř zanedbatelná tloušťka, nízká hmotnost a cena. V DIY projektorech se používají fresnelovy čočky dvě. Jedna slouží ke zrovnoběžnění světelných paprsků vycházejících z výbojky, druhá pak tyto rovnoběžné paprsky soustředí do svého ohniska, ve kterém se nachází objektiv.
Obr. 1 10
3.6
LCD panel
LCD panel je jednou z nejdůležitějších, ale také nejdražších součástí celého DIY projektoru, jelikož právě on nejvíce ovlivňuje výslednou kvalitu výstupu, tedy promítaného obrazu. Při koupi kvalitního LCD monitoru je důležité vybírat podle několika důležitých parametrů. Především se musíme rozhodnout, jakou velikost monitoru zvolíme, jelikož od této velikosti se následně odvíjí celková velikost DIY projektoru. Pokud tuto otázku máme vyřešenou, dalšími rozhodujícími parametry pro výběr typu monitoru, resp. LCD panelu, jsou zejména dosahovaná úroveň kontrastu, doba odezvy a vybavenost signálovými vstupy. Kontrast je ve zjednodušeném pojetí poměr mezi nejtmavším a nejsvětlejším bodem obrazu. Při projekci to tedy znamená, jaké tmavosti dosáhne obraz při tmavých scénách ve vztahu ke světelným podmínkám v okolním prostředí. Názorně si tuto vlastnost můžeme představit v situaci, v níž bychom promítali absolutně černý obraz v absolutní tmě. Pokud by se hodnota poměru kontrastu blížila k nekonečnu (tedy například nereálných 1 000 000:1), pak by LCD panelem neprošlo vůbec žádné světlo a na promítacím plátně bychom vlastně nepoznali, že je projektor zapnutý a promítá obraz. V praxi však LCD monitory zatím běžně dosahují hodnot v rozmezí 300:1 až 1000:1. Doba odezvy je při použití LCD panelu stejně tak důležitá, jako kdybychom původní LCD monitor používali k jeho původnímu účelu, to znamená jako stolní monitor k PC. Při vysokých dobách odezvy je obraz v rychlých scénách rozmazaný, a naopak. Čím kratší doba odezvy, tím je výsledná kvalita obrazu lepší. Signálové vstupy jsou u dnešních LCD monitorů v podstatě dvojího typu. Analogový - VGA, a digitální – DVI. Jelikož je LCD monitor čistě digitální zařízení stejně tak jako grafická karta v PC, pak při použití analogového vstupu je obraz méně kalitní vzhledem ke skutečnosti, že dochází ke dvojí konverzi těchto signálů - tzn. nejprve digitálně-analogový převod (DA), a poté zpět na signál digitální (AD převod). Pokud použijeme digitální vstup, pak k těmto zbytečným konverzím nedochází a výsledný obraz je kvalitnější. Další důležitou věcí, která není ve specifikacích LCD monitorů výrobci udávána, je tzv. volný FFC (Flat Flex Cable). Jedná se v podstatě o propojení LCD panelu s jeho řadičem. Pokud chceme monitor využít ke stavbě DIY projektoru, nesmí nám samozřejmě bránit v optické cestě žádný propojovací kabel. Skutečnost, jak je LCD monitor uvnitř propojený a uspořádaný však nejde stoprocentně zjistit u žádného typu monitoru bez ohledu na původ jeho výroby. Jsou jen dvě možnosti, jak tuto vlastnost zjistit. První možností je navštěva internetového fóra, zabývajícího se stavbou DIY projektorů a hledat, popřípadě vznést dotaz, zdali námi vybraný LCD monitor již použil někdo před námi, a jestli je tedy použití LCD panelu z tohoto monitoru možné a vhodné. Toto je nejsnadnější cesta. Druhou, podstatně méně elegantní a praktickou možností je vybraný monitor zakoupit, rozebrat, a doufat, že bude našim potřebám na stavbu DIY projektoru vyhovovat.
3.7
Odrazové optické zrcadlo
Optická zrcadla se v projektorech využívají k pravoúhlému zalomení světelných paprsků. Díky této vlastnosti můžeme konstruovat například přístroje typu Meotar či Episkop, a nebo právě tento DIY projektor.
11
Optické zrcadlo se v projektorech používá z důvodu dosažení maximální kvality a čistoty odrazu světelných paprsků. Toto speciální zrcadlo má odrazovou vrstvu nanesenou přímo na povrchu odrazové plochy skla. Je pochopitelně možné použít i zrcadlo obyčejné, které však má odrazovou vrstvu nanesenou až pod vrstvou (tloušťkou) skla. Rozdíl v použití optického a obyčejného zrcadla spočívá ve skutečnosti, že zatímco u optického zrcadla dochází pouze k jednomu, přímému odrazu paprsků od jeho povrchu, u zrcadla obyčejného dochází k dvojímu odrazu paprsků. Jednou se světlo částečně odrazí od skleněného povrchu zrcadla, a teprve po průchodu tloušťkou skla se odrazí od hlavní odrazové vrstvy úplně. Částečný odraz od skleněné plochy je sice velmi slabý, ale ve výsledném obrazu se negativně projeví ve formě vytváření obrazových stínů, laicky tzv. "duchů".
3.8
Objektiv
Poslední optickou součástí projektoru je objektiv. Bez této součásti by nebylo možné zaostřit paprsky světla vycházejících z druhé fresnelovy čočky. Rozlišujeme objektivy jedno, dvou a tříčočkové. Kvalita objektivu pochopitelně stoupá s počtem použitých čoček, jelikož každá čočka eliminuje některou z optických vad čoček ostatních. Jedná se především o chromatickou a sférickou aberaci. Chromatická aberace (též chromatická vada – viz. obr. 2) je barevná vada čočky způsobená závislostí indexu lomu u všech průhledných látek na vlnové délce. Čočky pak lámou světlo každé barvy jinak (záření dlouhovlnné - červené nejméně, krátkovlnné - fialové nejvíce), což se na snímku projeví jako barevné lemování ostrých přechodů mezi světlem a stínem. Tuto vadu jednotlivé čočky lze částečně eliminovat přidáním dalších čoček do soustavy (viz. obr. 3).
Obr. 2
Obr. 3
Sférická aberace je optická vada, kdy se světelné paprsky na okraji čočky lámou pod větším úhlem, než poblíž optické osy čočky. To znamená, že se paprsky procházející okrajem čočky protnou blíže, než paprsky procházející poblíž optické osy čočky (viz. obr. 4).
Obr. 4 12
Pro projekci DIY projektory jsou vhodné triplety (tri = tři čočky), pro méně kvalitnější aplikace nebo menší promítané úhlopříčky lze použít objektivy s menším počtem čoček. Triplety se daleko lépe zbavují výše popsaných optických vad. Kromě počtu čoček jsou hlavními sledovanými parametry objektivů ohnisková vzdálenost a úhel FOV (Field Of View). Ohnisková vzdálenost určuje výslednou velikost obrazu. Čím větší je ohnisková vzdálenost, tím je možné dosáhnout menšího obrazu při stejné projekční vzdálenosti od plátna. Úhel FOV – úhel pole pohledu určuje maximální velikost promítané předlohy. Čím je úhel FOV objektivu větší, tím větší předlohu můžeme zaostřit. Tento úhel úzce souvisí s průměrem objektivu, který ho prakticky určuje.
3.9
Skříň projektoru
Všechny výše uvedené komponenty musí být osazeny ve vhodné skříni, aby se z použitých součástí stal funkční bezpečný celek - výrobek. Jelikož je opracování kovových materiálů z hlediska strojního vybavení domácí dílny poněkud problematické, je většina skříní DIY projektorů zhotovena převážně z finálně povrchově upravených nebo surových dřevotřískových a překližkových materiálů dále povrchově upravených, jejichž nároky na zpracování do požadovaných tvarů nejsou natolik náročné, jako u kovových materiálů.
13
4
Technické parametry komponent a jejich osazení
V předchozí části byly jednotlivé komponenty a jejich funkce popsány v obecné rovině. V této kapitole jsou uvedeny a popsány technické parametry konkrétních komponent, které jsem použil při stavbě DIY projektoru. Vzájemné odstupové vzdálenosti mezi jednotlivými optickými komponenty vycházejí ze zákonitostí optiky, ale především z praktických zkušeností, pokusů a poznatků získaných v průběhu stavby projektoru.
4.1
Výbojka a podpůrná elektronika
4.1.1 Výbojka
Obr. 5 Specifikace: Typ: Příkon: Barevná teplota (chromatičnost): Světelný tok: Svítivost: Průměr:
Osram HQI-TS 400W/D FC2 FLH1 400 W 5600 K 31 000 lm 1100 cd/cm2 31 mm
Výbojka je osazena v keramických paticích a spolu se sférickým reflektorem, optickým kondenzorem a IR filtračním sklem je umístěna v pouzdře, které je vyrobeno z hliníkových plechů tloušťky 1,5 mm a pertinaxových dílů tloušťky 5 mm. Toto pouzdro je připevněno k bokům skříně projektoru. Celé pouzdro je opatřeno žáruvzdorným nástřikem černé matné barvy kvůli eliminaci parazitních odrazů světelných paprsků (viz. obr. 6). Z důvodu zamezení šíření tepelné energie vyzařované výbojkou jsou tři vnější strany pouzdra obloženy tepelně izolačním materiálem Sibral (čtvrtou stranu tvoří IR irolační sklo). Prostor pouzdra je odvětráván pomocí ventilátoru ∅ 120mm.
Obr. 6 14
4.1.2 Tlumivka
Obr. 7a Specifikace Typ: LAYRTON SAPI - HSI 40/23 Ostatní údaje: viz. obr. 7b Obr. 7b Osazení tlumivky je popsáno v kapitole 5.
4.1.3 Tyristorový zapalovač
Obr. 8a Specifikace Typ: Výkon:
Obr. 8b - schéma
TYRIST TRZ 11 100 - 400W
Osazení tyristorového zapalovače je popsáno v kapitole 5. 15
4.2
Sférický reflektor
Obr. 9a Specifikace Ohnisková vzdálenost: Průměr: CT: ET: R1: R2:
16.30 mm 64.00 mm 4.80 mm 6.27 mm 37.20 mm 32.60 mm
Obr. 9b
Sférický reflektor je osazen spolu s výbojkou, optickým kondenzorem a IR filtračním sklem v pouzdře, které je vyrobeno z hliníkových plechů a pertinaxových dílů. Toto pouzdro je připevněno k bokům skříně projektoru. Samotný sférický reflektor je pak uchycen na závitových tyčích pomocí patřičně upravených kovových mřížek používaných u ventilátorů (viz. obr. 10).
Obr. 10 16
4.3
Optický kondenzor
Obr. 11 Specifikace Ohnisková vzdálenost: Průměr:
220 mm 90 mm
Optický kondenzor je osazen spolu s výbojkou, sférickým reflektorem a IR filtračním sklem v pouzdře, které je vyrobeno z hliníkových plechů a pertinaxových dílů a toto pouzdro je připevněno k bokům skříně projektoru. Samotný optický kondenzor je pak uchycen na závitových tyčích pomocí patřičně upravených kovových mřížek používaných u ventilátorů (viz. obr. 12)
Obr. 12
17
4.4
IR filtrační sklo
Specifikace Typ: Rozměry (délka x šířka): Tloušťka:
Robax Anti-IR 217 x 125 mm 4 mm
IR filtrační sklo je osazeno spolu s výbojkou, sférickým reflektorem a optickým kondenzorem v pouzdře, které je vyrobeno z hliníkových plechů a pertinaxových dílů. Toto pouzdro je připevněno k bokům skříně projektoru.
4.5
Fresnelovy čočky
4.5.1 Fresnelova čočka 1 Specifikace Rozměry (š x v): Ohnisková vzdálenost:
395 x 395 mm 330 mm
4.5.2 Fresnelova čočka 2 Specifikace Rozměry (š x v): Ohnisková vzdálenost:
320 x 400 mm 550 mm
Obě fresnelovy čočky – č.1 a 2 jsou k sobě vzájemně slepeny a společně jsou volně zasunuty do dřevěných profilovaných lišt, které jsou přišroubované na bocích skříně projektoru.
Obr. 13 18
4.6
LCD panel
Specifikace Typ: Úhlopříčka: Kontrast: Doba odezvy: Vstupy:
Hawlett-Packard HP1755 17'' 1000:1 25 ms VGA, DVI
Samotný LCD panel je uchycen v originálně vyrobeném rámečku z čirého plexiskla opatřeném nástřikem černé matné barvy. Rámeček je uchycen k bočním stěnám skříně projektoru. Elektronické obvody, které byly součástí původního monitoru, jsou uchyceny na distančních sloupcích na zadní vnitřní straně skříně projektoru. Přístup k signálovým vstupům je zajištěn přes otvor na zadní straně skříně projektoru. Tento otvor je oddělený od vnitřního prostoru skříně projektoru prohlubní vyrobenou z plexiskla.
Obr. 14
4.7
Optické zrcadlo
V tomto DIY projektoru bohužel není použito optické zrcadlo, ale pouze běžné zrcadlo s tloušťkou skla 2 mm a o rozměrech 300 x 300 mm. Původně zakoupené optické zrcadlo o rozměrech 160 x 183mm a tloušťce 3mm nemohlo být použito, jelikož se při praktických zkouškách funkčnosti celého zařízení ukázalo, že tato velikost není při použití 17'' LCD panelu dostačující. Při promítání obrazu nebyly zobrazeny okraje obrazu a tudíž bylo nutno z časových důvodů (dlouhá objednací lhůta ze zahraničí) použít jako provizorní řešení běžné zrcadlo s vědomím, že tato skutečnost se částečně negativně projeví na výsledné kvalitě promítaného obrazu.
19
Zrcadlo je uchyceno v jednoduchých držácích ze dřeva pomocí přítlačných lišt z plexiskla. Držáky jsou přišroubovány ve sklonu 45° na vnitřních bočních stěnách skříně projektoru. Aby nedocházelo k pnutí mezi zrcadlem a přítlačnými lištami, jsou v drážkách držáků vlepeny proužky pružného molitanového těsnění.
Obr. 15
4.8
Objektiv
Specifikace Typ: Ohnisková vzdálenost: Průměr: Počet čoček:
triplet 450 mm 135 mm 3 ks
Aby bylo možné provádět elektronické zaostřování promítaného obrazu, bylo nutné kromě elektroniky vyvinout i potřebnou mechanickou konstrukci posuvu objektivu. K sestrojení konstrukce posuvu byly využity některé součásti z vyřazených inkoustových tiskáren. Konkrétně se jednalo o ozubený řemínek, krokový elektromotorek, dvě lyžiny a dvě pouzdra pojezdu tiskových hlav. Pouzdra pojezdu jsou zalita do dvousložkového tmelu se sekelnými vlákny. Takto vzniklé polotovary byly po vytvrdnutí tmelu opracovány do bloků požadovaného tvaru a rozměrů. Bloky se zalitými pouzdry jsou uchyceny k odnímatelné přední stěně projektoru pomocí hliníkových Lprofilů a inbusových šroubů. Dále bylo nutné vyrobit držák samotného objektivu. Pro výrobu držáku – přední a zadní díl, byla použita pertinaxová deska tloušťky 7 mm, která byla upravena do požadovaného kružnicového tvaru a opatřena středícími zarážkami, v nichž je osazeno kovové pouzdro objektivu. Přední a zadní díl držáku je propojen pomocí dvou výše zmíněných lyžin. Držák se pak při zaostřování pohybuje dopředu a zpět klouzáním lyžin v pouzdrech. Na zadním dílu držáku je umístěn krokový motorek, který je osazen ve speciálně vyrobeném pouzdru a zpřevodován přes vložené ozubené kolečko pro dosažení většího kroutícího momentu a zmenšení dílčího kroku. Na předním dílu držáku je připevněno napínací kolečko ozubeného řemínku a tento řemínek je pak napevno ukotven v jednom bodě k přední odnímatelné stěně skříně projektoru. 20
Takto vzniklý mechanizmus pak díky ozubenému řemínku, krokovému motorku a řídící elektronice pohybuje objektivem v požadovaném směru a rychlosti při zaostřování promítaného obrazu. Vymezení pojezdu objektivu v úseku mezi spodní a horní úvratí je řešeno osazením dvou koncových mikrospínačů, připojených k řídící elektronice projektoru. Veškeré detaily a způsob provedení jsou patrné z obr. 16a, b.
Obr. 16a
Obr. 16b 21
4.9
Skříň projektoru
Vzhledem k možnostem dostupného strojního vybavení naší domácí dílny jsem jako vhodný materiál pro výrobu skříně DIY projektoru použil překližkovou desku tloušťky 12 mm doplněnou částmi z masivního dřeva. Překližkové desky tvoří všechny stěny skříně projektoru. Jsou vzájemně spojeny do jednoho celku – skříně profily z masivního dřeva. Toto spojení je provedeno z části v nerozebíratelném provedení, pouze přední stěna a spodní a vrchní díl jsou odnímatelné. K nerozebíratelné části skříně jsou připevněny pomocí vrutů a šroubů. Odnímatelnost částí skříně je nezbytná z důvodu provádění údržby, čištění vnitřního vybavení a případných oprav. Z překližky tloušťky 12 mm je rovněž vyroben kryt objektivu. Kryt je připevněn z vnější strany k odnímatelné přední stěně pomocí vrutů. V jednotlivých stěnách skříně jsou vytvořené potřebné otvory pro ventilátory, připojovací místa, objektiv, ovládací panel a transportní madla. Celý vnitřní povrch skříně je opatřen nátěrem černé matné barvy, aby se zamezilo parazitním odrazům světelných paprsků, stejně tak, jako tomu bylo u pouzdra výbojky. Vnější povrch skříně je namořen do odstínu hnědé barvy a finálně povrchově upraven nástříkem velmi odolného polyuretanového polomatného laku. Kovové a plexisklové části viditelně osazené ve stěnách skříně jsou opatřené lesklým nástřikem laku v odstínu noční metalízové modři. Veškeré detaily a způsob provedení jsou patrné z fotodokumentace v Příloze 7.
22
5
Obvodové zapojení projektoru
Obvodové zapojení DIY projektoru je znázorněno v OBVODOVÉM SCHÉMATU v Příloze 1. Je v něm znázorněno celkové zapojení elektroniky projektoru včetně jednotlivých periferií a řídící elektroniky. V této kapitole jsou popsány pouze jednotlivé periferie a jejich umístění.
5.1
Panel s ovládacími tlačítky
Panel je zhotoven z hliníkového plechu tloušťky 1,5mm, v němž jsou provedeny otvory pro osazení pěti ovládacích tlačítek. Jedno tlačítko je určeno pro zapínání/vypínání celého zařízení. Dvě tlačítka ovládají pomalý posuv objektivu, dvě tlačítka se starají o rychlý posuv objektivu. U jednotlivých tlačítek jsou vyobrazeny příslušné symboly jejich funkcí. Panel s ovládacími tlačítky je umístěn ve vrchním odnímatelném dílu skříně projektoru.
Obr. 17
5.2
Spínací relé výbojky
Spínací relé výbojky je osazeno spolu s ochranou diodou na malé jednoduché DPS ve spodní části uvnitř skříně projektoru.
5.3
Ventilátory
Jeden ventilátor je umístěn v pouzdře výbojky a zajišťuje chlazení výbojky v průběhu promítání a dále zabezpečuje dochlazování výbojky po skončení promítání nebo v případě výpadku elektrické energie v síti. Další dva ventilátory jsou koncipovány jako tahové a zabezpečují provětrávání celého vnitřního prostoru skříně projektoru především proto, aby nedocházelo k přehřívání LCD panelu. Jsou umístěné ve vrchním odnímatelném dílu skříně projektoru. Větráky vytvářejí podtlak uvnitř horní části skříně projektoru. K vyrovnávání podtlaku dochází nuceným prouděním vzduchu ze spodní části skříně projektoru skrz přepážku tvořenou LCD panelem a fresnelovými čočkami (nasávací otvory vzduchu jsou ve spodní části skříně projektoru).
23
Obr. 18a
5.4
Obr. 18b
Zadní panel pro připojení síťového a záložního napájení
Tento panel je zhotoven z hliníkového plechu tloušťky 1,5mm, v němž jsou provedeny otvory pro osazení síťového konektoru, pojistkového pouzdra, hlavního vypínače a konektoru pro připojení externího záložního zdroje. Panel je usazen v zadní stěně projektoru.
Obr. 19
5.5
Podpůrná elektronika výbojky a spínaný zdroj
Tyristorový zapalovač, tlumivka, a spínaný zdroj jsou osazeny na pertinaxové desce tloušťky 5mm ve spodní části zadní stěny uvnitř skříně projektoru.
Obr. 20 24
6
Řídící elektronický obvod
Řídící elektronický obvod není bezpodmínečně nutnou součástí DIY projektorů, ale jeho použitím dosáhneme celkového zvýšení komfortu obsluhy při ovládání projektoru.
6.1
Hlavní požadavky na řídící elektronický obvod
●
Dochlazení výbojky (zdroje světla) – v okamžiku vypnutí vlastního přístroje hlavním vypínačem nebo při výpadku hlavní elektrické rozvodné sítě. Je požadováno z důvodu zamezení poškození vnitřních částí projektoru v důsledku tepelné setrvačnosti samotné výbojky a jí bezprostředně ohřátých okolních komponent.
●
Elektronické ovládání zaostřování objektivu – slouží ke zvýšení komfortu obsluhy.
●
Celkové řízení projektoru pomocí jednočipového mikropočítače – sloužící ke zvýšení komfortu obsluhy.
6.2
Koncepce řešení výroby řídícího elektronického obvodu projektoru
Celkové ovládání projektoru je řešeno prostřednictvím jednočipového procesoru Atmel s jádrem 8051. Toto řešení bylo zvoleno z důvodu zjednodušení a zefektivnění vývoje obvodu. Díky procesoru je možné naprogramovat funkce a činnost výstupních obvodů. Všechny funkce výstupních obvodů je pak možné v případě, že nebudou zcela vyhovovat potřebám při provozu, jednoduše změnit přepsáním programu, aniž by bylo nutné zasahovat do hardwarového uspořádání obvodu. Při použití jednočipového procesoru Atmel bylo nutné vyvinout konkrétní elektronický obvod pro procesor a k němu odpovídající řídící program. Toto řešení si vyžádalo zapůjčení vývojového kitu procesoru Atmel AT89xxx, k němuž bylo následně připojeno vývojové nepájivé pole. Na nepájivém poli pak postupně následovalo zkoušení různých možností zapojení v kombinaci s postupným rozvíjením řídícího programu. Výsledný řídící obvod a jeho činnost jsou podrobně popsány v části 6.3 této dokumentace a řídící program je popsán v Příloze 3. Dále bylo nutné najít vhodné řešení, jakým způsobem celý řídící elektronický obvod zálohovat. Vzhledem k nákladům, které by si vyžádala realizace vnitřního záložního akumulátoru a jeho nutného automatického dobíjení, bylo zvoleno jako jednodušší a méně nákladné řešení vyvedení konektoru pro připojení externího záložního zdroje. Jelikož je tento externí záložní zdroj přiveden na 12V stabilizátor LM7812CV, je možno připojit externí záložní zdroj stejnosměrného napětí až 35V. Po sestavení a vyzkoušení provizorně zapojeného obvodu na nepájivém poli a ověření, že je ve spojení s řídícím programem procesoru plně funkční, bylo potřeba přistoupit k další fázi. Další fáze obnášela vytvoření schématu zapojení v konkrétním návrhovém programu pro tvorbu elektronických schémat. Schéma bylo vytvořeno v programu Eagle, který má sice jistá omezení ve volně dostupné verzi, ale pro potřeby výroby elektronického obvodu projektoru byl zcela vyhovující. Komplexní nástroj pro tvorbu elektronických zařízení Eagle byl dále využit k jednoduchému vygenerování podkladů (matric) pro výrobu desky plošných spojů (dále jen DPS). Navržený obvod obsahuje značné množství vodivých propojení, a proto bylo z hlediska náročnosti jednodušší zvolit výrobu oboustrané DPS. 25
Po vytištění matric na průhlednou fólii a za použití cuprextitu s fotocitlivou vrstvou byla vyrobena finální deska plošného spoje. Při výrobě bylo postupováno standardním způsobem v souladu s technologickým postupem výroby DPS fotocestou. Vyleptaná DPS byla osazena příslušnými součástkami a následným krokem bylo ověření funkčnosti obvodu jako celku. Po zjištění, že je ovládací obvod plně funkční, následovalo jeho osazení do skříně projektoru a propojení s dalšími navazujícími komponenty – ventilátory, spínacím relé výbojky, panelem s ovládacími tlačítky, krokovým motorem posuvu objektivu a koncovými mikrospínači posuvu objektivu.
6.3
Popis schématu zapojení řídícího elektronického obvodu
Obvodové schéma bloku řídící elektroniky je zobrazeno v Příloze 2.
6.3.1 Část zdroje napětí Oba zdroje elektrické energie – hlavní a záložní (externí baterie, akumulátor) – jsou přivedeny na desku řídící elektroniky pomocí konektoru POWER. Tuto část lze tedy opět rozdělit na dva okruhy – hlavní zdroj a záložní baterie. V prvním případě, kdy je projektor připojen k elektrické rozvodné síti, se objeví napětí 12V ze spínaného adaptéru mezi svorkami J0-1 a J0-2. Toto napětí je přivedeno na dvojici dvojitých přepínacích relé, z nichž pouze první (K1) je využito pro účely zdrojové části obvodu. Druhé relé slouží pouze jako indikátor výpadku elektrické sítě pro procesor. Obě relé jsou přemostěna jednou společnou diodou v závěrném směru, která chrání zbytek obvodu před napěťovými špičkami z cívek relé. Pokud je aktivní hlavní napájení a je sepnuto první relé, je spojena první dvojice kontaktů (S1 a P1), a napětí 12V ze spínaného adaptéru se objeví před diodou D5. Druhá dvojice kontaktů (O2 a P2) je rozpojena a tím je externí záložní zdroj galvanicky oddělen od celého obvodu. Od okamžiku rozpojení těchto kontaktů nedochází k vybíjení záložního zdroje (pokud pomineme jeho vnitřní odpor a tedy jeho samovolné vybíjení). V druhém případě, když je projektor odpojen od rozvodné sítě (nebo není napájen v důsledku výpadku proudu), sepne druhý kontakt (O2 a P2), čímž dojde k připojení záložní baterie na 12V stabilizátor (LM7812CV). Z tohoto stabilizátoru pokračuje napětí dále přes sepnutý první kontakt relé K1 (P1 a O1) opět před diodu D5. Výše popsaným řešením je zabezpečeno téměř kontinuální 12V napájení ventilátorů a procesoru. Zcela kontinuálního napájení není možné dosáhnout z důvodu, že spínaný zdroj 12V, který drží sepnuté kontakty relé, obsahuje velké filtrační kondenzátory. Po odpojení od sítě tudíž nedojde k okamžitému rozepnutí relé s následným připojením záložního zdroje. Kontakty relé rozepnou až v okamžiku, když se sníží napětí na filtračních kondenzátorech pod úroveň přídržného napětí cívky relé. Dále proto následuje dioda D5, kondenzátor a 5V stabilizátor (LM78M05). Kondenzátor udržuje energii pro logickou část obvodu po dobu, kdy se vybíjí kondenzátory ve spínaném zdroji a než dojde k přepnutí na záložní zdroj. Dioda slouží jako blokace pro kondenzátor, aby se vybíjel pouze přes logickou - nyní již plně kontinuálně zálohovanou část obvodu. Stabilizátor zajišťuje napájení pro procesor a další logické obvody.
26
6.3.2 Část řídící elektroniky a výstupních obvodů Jádrem celého řídícího obvodu je jednočipový mikropočítač ATMEL AT89C52. Ten je připojen k výše popsanému zálohovanému napětí 5V. Dále jsou k procesoru připojeny základní podpůrné obvody podle katalogových zapojení. Jedná se o obvod pro RESET procesoru a krystal pro vnitřní generátor taktovacích pulzů. Ošetřen je také vstup/výstup EA, který musí být – pokud není použita externí paměť – v log.0. Výše zmíněné druhé relé K2 je připojené na kontakt portu P3.3 procesoru a slouží jako indikace výpadku elektrické sítě. Ovládání procesoru – ovládací panel Ovládání procesoru je realizováno na portu P3 procesoru a je vyvedeno na konektor CONTROL a dále pak na externí panel s ovládacími tlačítky. P3.2 je připojen na tlačítko, které slouží jako hlavní vypínač projektoru. Přes toto tlačítko je možné projektor zapnout i vypnout. P3.4 – P3.7 jsou vyvedeny na tlačítka, která slouží k ovládání krokového motoru posuvu objektivu při zaostřování obrazu. Na konektor CONTROL je dále vyvedeno napětí 12V a jeden procesorem ovládaný výstup P1.4 z budiče ULN2003A, sloužící k napájení podsvícených tlačítek na ovládacím panelu. Poslední kontakt je GND (zem), společný pro všechna tlačítka a pro podsvícení. Pozn.: I přesto, že podsvícená tlačítka jsem u prodejce včas objednal, přislíbenou dodací lhůtu prodejce nedodržel. Proto jsem byl z časových důvodů donucen od svého původního záměru ustoupit a osadit obyčejná tlačítka bez podsvícení. Z tohoto důvodu není o ovládání podsvícení těchto tlačítek zmíňka v ovládacím PROGRAMU PRO OBSLUHU ŘÍDÍCÍ ELEKTRONIKY uvedeném v Příloze 3.
Ovládání krokového motoru – ostření Ovládání krokového motoru je realizováno na portu P2 procesoru a je vyvedeno přes budič L293E na konektor STEPPER a dále pak na krokový motor. P2.0 – P2.3 slouží k programově řízenému spínání cívek krokového motoru a jsou připojeny na vstupy budiče krokového motoru L293E. P2.4 je připojen přes invertor na vstupy CHIP ENABLE budiče krokového motoru a slouží k zapínání/vypínání budiče. Přes invertor je připojen z toho důvodu, že po startu (resetu) procesoru jsou na všech portech implicitně nastaveny log.1, čímž by došlo k sepnutí všech cívek najednou. Invertor zajistí, že tento budič bude aktivní až v okamžiku, kdy se na kontaktu P2.4 procesoru objeví log.0. Napájení budiče krokového motoru L293E je připojeno na nezálohovaný zdroj napětí, tedy přímo na spínaný zdroj. Výstupy SENSE tohoto budiče (1. - 4.) nejsou využity. Výstupy budiče jsou vyvedeny přímo na konektor STEPPER a jelikož se jedná krokový motor, jsou zde připojené ještě ochranné diody D1 – D4 v závěrném směru. Na konektoru STEPPER jsou ještě vyvedeny první dva kontakty portu P3, které slouží k indikaci krajních úvratí posuvu objektivu, aby se motor přestal otáčet a nedošlo k poškození mechanizmu zaostřování objektivu. 27
Ovládání ostatních periferií Ovládání ostatních periferií je realizováno na portu P1 procesoru a je vyvedeno přes invertor a budič ULN2003A na konektor LIGHT, FAN1, FAN2 a FAN3. P1.0 – LIGHT slouží k ovládání relé, na které je připojena vlastní výbojka. P1.1–P1.3 - FAN1–3 slouží k ovládání ventilátorů uvnitř skříně projektoru.
7
Popis ovládání projektoru
Zapnutí projektoru je umožněno po připojení kabelu síťového napájení tlačítkem označeným symbolem na panelu s ovládacími tlačítky. Po stisku tohoto tlačítka dojde k rozsvícení výbojky a rozběhu všech tří ventilátorů. Jak vyplývá z obvodového schématu zapojení, je LCD panel připojen přímo na síťové napájení, a proto je po přivedení obrazového signálu (např. z PC, DVD, ...) možno začít ihned promítat. Po zapnutí přístroje, popsaném v předchozím odstavci, je možné pomocí čtyř tlačítek ovládat krokový motorek, který přes mechanizmus složený z ozubených koleček a ozubeného řemínku pohybuje objektivem a tím dochází k zaostření obrazu na určitou projekční vzdálenost. Čtyři tlačítka jsou využita pro dvě rychlosti ostření – pomalý posuv vpřed/vzad, rychlý posuv vpřed/vzad. Krokování je samozřejmě možné na obě strany. Zároveň je zabezpečeno pomocí koncových mikrospínačů, aby se ostření zastavilo, pokud objektiv dosáhne kterékoliv z jeho dvou krajních úvratí. Zároveň je ale vždy možné začít ostřit na opačnou stranu. Po ukončení promítání a manuálním vypnutí přístroje prostřednictvím tlačítka označeného symbolem zajišťuje elektronika bezpečné dochlazení výbojky a po uplynutí programově nastavené doby dochlazení se celé zařízení automaticky vypne. Stejný případ nastane, pokud v průběhu promítání dojde k výpadku hlavní rozvodné elektrické sítě. Elektronika výpadek zaregistruje, a pokud je připojen externí záložní zdroj, přejde řídící jednotka automaticky do režimu dochlazování výbojky a k následnému vypnutí celého zařízení. Opětovné zapnutí přístroje je možné až po obnovení dodávky elektrické energie z rozvodné sítě.
28
8
Závěrečné hodnocení
Při zkušebním promítání v průběhu dílčích zkoušek jednotlivých částí projektoru a následně při zkušebním promítání po úplném dokončení celého zařízení DIY projektoru bylo zjištěno, že projektor jako celek funguje podle očekávání a výsledná kvalita obrazu je uspokojující i přes skutečnost, že v projektoru je použito namísto optického zrcadla pouze zrcadlo obyčejné. Jednotlivé části projektoru - mechanizmus zaostřování objektivu, chod ventilátorů a řídící elektronika fungují přesně podle původního záměru. Stavba projektoru pro mě z praktického hlediska znamenala nabytí mnoha cenných zkušeností v oblasti teoretického poznání zákonů optiky a tvorby elektronických zařízení. Cennější však je skutečnost, že teoretické poznatky jsem mohl uvést do praxe a vytvořit tak plně funkční výrobek, který najde praktické využití. Rovněž jsem se zdokonalil v praktickém poznání technologických postupů při vývoji a výrobě jednotlivých součástí projekčního zařízení. I přesto, že podobné zařízení by bylo možné pořídit za cenu cca 15 000,- Kč, cenová kalkulace tohoto DIY projektoru se kvůli vyšším nárokům na celkovou úroveň provedení – design, komfort obsluhy a kvalita použitých komponent pohybuje v cenové relaci cca 22 000,- Kč. V této ceně není započtena práce ve vztahu k hodinám, stráveným vývojem a výrobou tohoto DIY projektoru. V průběhu výroby DIY projektoru se vyskytly různé problémy a překážky. Při jejich řešení mi účinně a nezištně pomáhaly blízké osoby z mé rodiny, učitelé z VOŠ a SPŠE a přátelé. Dalším cenným zdrojem informací byly internetové diskuze. Všem výše zmíněným osobám patří moje velké poděkování. Bez jejich obětavého přístupu a věnovaného času bych celý tento projekt jen s velkými obtížemi dovedl do zdárného konce.
9
Použitá literatura a informační zdroje
Katalog součástek GM Electronic spol. s r.o. Technické kreslení podle mezinárodních norem III., autor Dušan Poláček, r. 1995
Internet: ● ● ● ● ● ● ●
DIY Projektory – Fórum: DIY Projektory – Galerie: Manuál k programu Eagle: Procesory Atmel: Krokové motory: CNC Fórum: Datasheet katalog:
http://www.dvlachy.ic.cz/phpBB2/index.php http://www.allinbox.com/allinbox.htm http://www.fm.vslib.cz/~kes/zip/profi/des/maneag.html http://www.dhservis.cz/index.php http://www.elektrorevue.cz/clanky/05043/#kapitola2.1 http://www.mdp.cz/teorie.htm http://www.c-n-c.cz http://www.datasheetcatalog.com
29
