¿Cómo activar el control de calidad de manera eficiente y convertirlo a 5 V constantes y un pico de 5 A?

Introducción

Para un proyecto universitario comencé a trabajar en unas gafas RGB LED Shutter, que se basan en la idea de un kickstarter de Macetech . Sin embargo, estas gafas pierden algunas características que estaba buscando y, por lo tanto, me pareció una buena idea mejorarlas. Además, son bastante caros y la mayoría de los componentes los proporcionó mi universidad, por lo que me alegré mucho de que mi idea fuera elegida para el proyecto. Dicho esto, el objetivo de nuestro proyecto era bastante simple: aplicar ingeniería inversa a estas gafas y hacer que reaccionen al sonido.

Sin embargo, durante el proyecto me topé con otros casos de uso muy interesantes para estas gafas y, por lo tanto, decidí desarrollarlo más en mi tiempo libre. Sin embargo, nuestro prototipo es muy tosco. Los LED están en una placa de circuito impreso que está pegada a unas gafas 3D y un cable de cuatro hilos conecta la placa de circuito impreso LED al microcontrolador. No muy agradable de ver...

Como quiero usar estos anteojos para mí (y usarlos en festivales), quiero que se vean más profesionales. Así que planeo crear un diseño 3D que sea más voluminoso que los anteojos normales pero que no se vea estúpidamente grande. Esto significa que todos mis dispositivos electrónicos (excepto la alimentación) deben caber en un estuche pequeño dentro de las gafas. Para eso, las patas de las gafas parecen la mejor idea, sobre todo si se utiliza una sola pata. Este volumen es de aprox. 4x6x1 cm.

Los componentes eléctricos de las patas de las gafas son:

  • wemos d1 mini pro
  • 3 botones y una resistencia desplegable para cada botón
  • Pequeño micrófono (max4465)
  • Conector para alimentación (situado al final de las patas de las gafas, por lo que no tiene las dimensiones mencionadas)
  • Circuito de suministro de energía (5V constante, 5A máx.)

El problema

Por lo tanto, estoy buscando una manera de obtener bastante potencia para estas gafas. El WS2812B que estoy usando tiene una corriente máxima de 60 mA por LED, de los cuales tengo 72 que representan 4,32 A. Normalmente, estos LED funcionan con 5 V, pero también parecen funcionar bien con un poco menos (voltaje de iones de litio de 3,7-4,2 V). Así que en el peor de los casos pueden chupar 21,6W. Más adelante, también planeo aumentar a más leds manteniendo la misma superficie. Entonces, para eso, usaré el sk6812 mini, que puedo exprimir 100 LED en una nueva versión de la PCB. Esto representará 50 mA por LED, que es un pico de 25 W.

Como me gusta reutilizar todo el diseño de energía, estoy buscando una manera de obtener 5V constantes, máximo 5A. La forma que me pareció más ideal fue usando un powerbank que tenga carga rápida. Para activar esto, podría usar una placa de activación de control de calidad (como se sugiere aquí ) y luego reducir el voltaje a los 5V 5A deseados. Sin embargo, estas dos tablas son bastante grandes y ciertamente no caben en mis anteojos.

También descubrí que es bastante simple activar el control de calidad, pero como no quiero desperdiciar energía tirando de 12 V constantes, no parece una buena idea.

Lo último fue que vi una placa de activación usb c qc en aliexpress , pero estas placas son muy caras.

La pregunta

Entonces, estoy interesado, ¿cómo puedo extraer energía de manera eficiente de un banco de energía QC y reducirlo a 5 V constantes y 5 A máximo, mientras mantengo un tamaño pequeño?

TLDR

Estoy buscando un circuito pequeño que pueda activar el control de calidad y convertirlo a 5V constantes y un pico de 5A. ¿Cómo puedo conseguir esto? Además, otras opciones también son bienvenidas.

Información de bonificación

Anteriormente, dije que quería más funciones de mis anteojos LED y contaré más sobre eso aquí.

Mis anteojos actualmente pueden mostrar aprox. 30 preajustes geniales, pero tengo muchos otros en proceso. Algunos de estos ajustes preestablecidos tienen bastante personalización, como establecer un color (o en alguna paleta), mostrar diferentes formas o reaccionar al sonido o no. También puedo mostrar el texto y la dirección de una determinada letra con un color. Y por último, pero no menos importante, funciona con ARTNET (recibe datos, el cajero automático no dice que es un dispositivo ARTNET). Además, me gusta hacer una aplicación que pueda controlar un determinado ajuste preestablecido y configurar todas las diferentes opciones del mismo.

Por control de calidad, supongo que te refieres a Qualcomm QuickCharge. ¿O te refieres a alguna de las tecnologías que logra lo mismo? Además, 60 mA por LED es bastante para los LED que no se utilizan para la iluminación, ¿está seguro de que necesita eso para cada LED?
@Hearth Just QuickCharge de hecho. De hecho, la potencia es bastante alta, pero no estoy seguro de cuánta potencia se necesita en un festival diurno. Además, conozco a alguien que está interesado en usar mis lentes (si funcionan completamente) para un espectáculo de luces en una fiesta (ya que pueden funcionar en ARTNET).
Los indicadores LED modernos se pueden ver perfectamente bien en una habitación iluminada a menos de 10 mA, a veces tan bajos como 1 mA cada uno. Sin embargo, los LED destinados a la iluminación necesitan una corriente más alta. También tenga en cuenta que en un suministro de 5 V, probablemente podría poner apenas dos LED rojos, amarillos o incluso verdes en serie, corriendo la misma corriente a través de ambos, porque esos tipos tienen un voltaje directo más bajo que el azul, violeta, o los blancos.
@Hearth Como se especifica, no estoy usando un LED normal pero estoy usando un Neopixel. Para ser exactos, el WS2812B y más tarde el SK6812 mini. Entonces, tanto los voltajes para el paquete como los LED en el paquete están en paralelo, no en serie.
Ah, no me di cuenta de eso. No sé qué son los neopíxeles, me temo.
¿Por qué necesita colocar los power hacks en sus anteojos? Colóquelos en su banco de energía en su lugar.

Respuestas (2)

La forma en que resolví esto en los tonos RGB originales de macetech:

La potencia total es demasiado, limite el software

Resulta que ejecutar 12-15 vatios de LED en la cara es demasiado. Tengo clientes que me preguntan con frecuencia por niveles de brillo reducidos, a pesar de que el firmware de RGB Shades se envía con un límite de brillo de 1/3 del brillo máximo (con 5 niveles ajustables que reducen el límite a menos de 1/10 del brillo posible).

Si está en una habitación oscura, incluso un brillo de 1/10 sobre 68x3 = 204 LED puede ser bastante cegador. Ejecutarlos con el brillo máximo también puede hacer que el panel se caliente al tacto y sea físicamente incómodo.

Al enviar los tonos con brillo limitado en el software, funcionan bien desde un banco de energía USB normal de bolsillo. Los clientes aún lo quieren más atenuado, por lo que no es necesario un suministro de alta corriente. Diseñar para la salida máxima de LED es una distracción en esta aplicación, se encontrará buscando formas de reducir la corriente, no aumentarla.

Filtre los suministros analógicos para reducir la interferencia del riel de alimentación

Con los cables USB normales, vimos un rebote bastante significativo del riel de alimentación según el patrón de LED. Esto interfirió con un sensor de audio de micrófono basado en MSGEQ7 posterior. La solución fue usar un pequeño inductor y una resistencia para filtrar el riel de alimentación, y tener cables USB de solo alimentación personalizados que tuvieran conductores de alimentación más gruesos que los cables USB normales y que fueran más delgados y flexibles que los cables USB normales ya que solo tenía dos conductores.

Gran parte del proceso de diseño específico de audio se captura aquí, si necesita información adicional (y archivos de diseño OSHW): http://www.macetech.com/blog/node/144

Maldita sea, nunca pensé que el que inspiró mi proyecto encontraría esta pregunta. Entonces, sabía que los LED pueden ser muy brillantes, pero quería que mi diseño tuviera la menor cantidad de limitaciones posible. Así que supongo que me quedaré con los powerbanks que tengo por ahí. También sé que luego descubrió que Muse usó sus anteojos, ¿cuál es su estimación del brillo que usaron? Y gracias por señalar que el ruido es un problema bastante grande para el micrófono. Me di cuenta de que el riel de 5V del WEMOS era bastante ruidoso, pero creo que también debería mirar mejor la línea de 3.3V...
También porque ya me estoy desviando un poco del tema, espero que no te importe si hago algunas preguntas más. ¿Cómo solucionaste el ruido del botón (antirrebote)? ¿Y por qué optó por el MSGEQ7 en lugar de un amplificador de micrófono normal como el MAX4465? Y por último, ¿cómo puede soldar el WS2812B con bastante rapidez? Me tomó mucho tiempo (primera vez que soldaba SMD, así que creo que fueron 10 horas para una sola placa) y dado que tengo más PCB por ahí, es posible que desee soldarlos para mis amigos.
El departamento de tecnología de Muse pegó una pequeña fuente de alimentación USB en el lado izquierdo de las gafas, sacrificando algo de tiempo de ejecución por falta de atadura. No sé si aumentaron el brillo en el software, aunque es posible hacerlo y estaría bien por períodos cortos. Según el brillo relativo, creo que todavía están funcionando alrededor de 1/2 o 1/3 de PWM máximo. De hecho, la línea de 3,3 V puede ser un poco más silenciosa. Usé el sensor de audio Shades en un bastón LED mejorado con un Wemos y corrí desde el riel de 3.3V sin problemas. Sin embargo, esa placa de sensor ya tiene filtrado de fuente de alimentación.
Para eliminar el rebote de botones, mi solución (código antiguo pendiente de revisión) está disponible aquí: github.com/macetech/RGBShades/blob/master/buttons.h No hay trucos sofisticados para ahorrar memoria, solo dos botones y marcas de tiempo. Quería alguna selección de frecuencia, así que elegí MSEQ7 y mi propia solución de amplificador de micrófono para compacidad. Las primeras veces que soldé los tonos RGB, usé pasta de soldar, una plantilla y un horno de reflujo. Las plantillas son baratas ahora de los mismos lugares donde obtiene sus PCB, y puede usar un horno tostador (con cuidado) para reemplazar un horno de reflujo.

Saltando todos los detalles emocionantes, la pregunta se reduce a cómo hacer una fuente de alimentación portátil con una salida de 5 V 5 A (25 W).

La primera variante, QC (v3 y v4) puede generar 4,6 A en cualquier nivel de voltaje. Y el 5V es el valor predeterminado inicial. Por lo tanto, para obtener 4.6A no necesita tener ningún "disparador", siempre que la fuente de control de calidad esté diseñada y sea capaz de entregar esta cantidad de corriente. No todos los bancos/adaptadores pueden hacer esto, especialmente los que usan un puerto tipo A estándar para la salida y luego usan cables estándar (porque un conector tipo A normal no puede llevar 5A). Necesita un adaptador con "cable cautivo" de capacidad adecuada.

En segundo lugar, si un "banco de energía" tiene control de calidad avanzado y suficiente potencia total, de hecho puede "activar" el modo de mayor potencia de alto voltaje (9V, 12V, etc.). Una vez que "dispara" este nivel, la tarea es trivial: es convertir los 12 V en 5 V 5A usando un convertidor de conmutación reductor. En realidad, el nivel de nivel de salida de 5 A no es completamente trivial y no se puede hacer en "tamaño pequeño", la densidad de potencia típica no es inferior a 3-4 cm3 por 1 W, por lo que está buscando un espacio de volumen de aproximadamente 90 cm3 .

ingrese la descripción de la imagen aquí

Alternativamente, puede diseñar su propio suministro alimentado por batería (banco de energía) con la salida deseada. Es probable que necesite una batería de celdas de iones de litio, un cargador balanceado y un convertidor CC-CC a 5 V, sea cual sea el amperaje. La primera forma "estándar" parece ser la "más efectiva".

¡Muchas gracias! Si de hecho puedo obtener 4.6A, eso representará 23W, que es más que suficiente para mi primer prototipo. También es el 92 % de la potencia máxima para mi nueva PCB planeada con más LED, por lo que parece bastante suficiente (un 8 % menos de brillo). Pero ahora la pregunta, ¿qué tipos (o marcas) de paquetes de baterías tienen esta función? ¿O hay un estándar para este tipo de carga rápida?
@JeremyvanWieringen Hay un estándar, se llama QuickCharge. Es algo específico de Qualcomm, por lo que (en teoría) no estará tan extendido como el estándar abierto USB-PD, pero es razonablemente común. Sin embargo, es lo suficientemente complicado como para esperar que los paquetes de baterías compatibles sean mucho más caros.
@Hearth Ah, está bien, entonces pensé que tal vez además de Qualcomm había más estándares que lo permitirían.
@JeremyvanWieringen Hay , pero usted indicó anteriormente que estaba preguntando específicamente sobre Qualcomm QuickCharge.
@Hearth Vaya, mi error... Me refería a cualquier tecnología que pudiera lograr una carga rápida. Pero creo que pude haber encontrado una opción. Es un Anker Powercore, pero no estoy seguro de si puede generar 4,8 A en dos puertos o 4,8 A como máximo en general. Sin embargo, afirma que no puede hacer Qualcomm QC 2.0, por lo que es un poco extraño...
@Hearth, "por lo que (en teoría) no será tan generalizado"; desafortunadamente, la realidad parece diferir. En 2017, la lista de Qualcomm contenía 875 elementos compatibles con los métodos QC3 y QC2. La lista en 2019 es aún más grande, qualcomm.com/media/documents/files/quick-charge-device-list.pdf La lista de dispositivos PowerDelivery es limitada Apple, Dell, HP y mabe dos o tres otros fabricantes.
@Ale..chenski En un mundo perfecto, los estándares abiertos y gratuitos serían a) técnicamente superiores yb) más populares. Desafortunadamente, ninguno de esos parece ser cierto en este caso.
@Hearth, para ser justos, la lista actual de cargadores PD tiene alrededor de 300 entradas, por base de datos USB-IF. Sin embargo, mi experiencia de compra personal es que QC domina con una participación de mercado del 90%. Podría estar equivocado.
¿Cómo activar el control de calidad de manera eficiente y convertirlo a 5 V constantes y un pico de 5 A?
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