Středoškolská odborná činnost 2007/2008

Obor 10 – elektrotechnika, elektronika a telekomunikace

LED DIY projektor

Autor:Tomáš TrýskaGymnázium J. Vrchlického, Nár. mučedníků 347339 01 Klatovy, 7. ročník

Konzultant práce:Ing. Jaroslav KadlecGymnázium J. Vrchlického, Nár. mučedníků 347339 01 Klatovy

Odborný posudek:RNDr. Miroslav Panoš, Ph.D.Gymnázium J. Vrchlického, Nár. mučedníků 347339 01 Klatovy

Klatovy, 2008Plzeňský kraj

1

Prohlašuji   tímto,   že   jsem   soutěžní   práci   vypracoval   samostatně   pod   vedením Ing. Jaroslava Kadlece a uvedl v seznamu literatury veškerou použitou literaturu a další informační zdroje včetně internetu.

V Klatovech dne 14. 3. 2008

_____________________Tomáš Trýska

2

Odborný posudek

Jak sám autor práce  student oktávy Gymnázia J. Vrchlického v Klatovech Tomáš Trýska  v úvodu píše, práce popisuje návrh a realizaci vylepšené verze jeho loňského DIY projektoru.

Písemnou část práce je možné rozdělit na dvě části. První se obecně zabývá principem  konstrukce   projekční   techniky,   konkrétně   pak   zaměřeným   na   návrh amatérské   stavby datového projektoru.  V druhé   (obsáhlejší)  části  student popisuje postup a úskalí  stavby nové  verze datového projektoru. Zde odvedl spoustu práce, prokázal   velkou   míru   samostatnosti   a   musel   zvládnout   problematiku,   která mnohonásobně přesahuje rámec středoškolského učiva.

Doufám, že z výše uvedených řádků plyne, že student Tomáš Trýska v části praktické  konstrukce   se   pokusil   o   cosi   jedinečného   a   odvedl   skutečně   dobrou   a nezpochybnitelnou práci. 

Jako velmi  pozitivní   i   letos hodnotím, že za  touto odbornou středoškolskou činností  je vidět nejen text výsledků rešeršní či badatelské činnosti, ale i fungující prototyp projekčního zařízení, ve kterém jsou zohledněny jak aspekty funkčnosti, tak i bezpečnosti provozu takového zařízení.

V Klatovech 14. března 2008

  _______________________RNDr. Miroslav Panoš, Ph.D.        

3

Poděkování

Během   stavby   tohoto   projektoru   se   objevily   různé   potíže   a   problémy,   se kterými mi  pomáhali   rodiče,   lidé   z  gymnázia  a  kamarádi.  Velké  díky si  zaslouží pánové   z   fóra   DIY  projektorů  http://ritzy.cz/phpBB2/,  kteří   mi   velmi   ochotně   radili s   různými potížemi při   stavbě,   rodiče a  kamarád Petr  Janeček.  Nebýt   těchto  lidí, pravděpodobně by mi dal projekt mnohem více práce a starostí.

4

http://ritzy.cz/phpBB2/http://ritzy.cz/phpBB2/http://ritzy.cz/phpBB2/

Obsah

1. Úvod 72. Teorie zobrazování, projekční techniky a princip DIY projektoru 8

2.1. Teorie zobrazování a projekční techniky 82.2. Princip DIY projektoru 8

3. Funkční části 93.1. LCD displej 103.2. LED pole a  zdroj 103.3. Fresnelova čočka 113.4. Objektiv 123.5. Chlazení 133.6. Skříň projektoru 13

4. Stavba projektoru   144.1. LCD displej 144.2. LED pole a zdroj 154.3. Fresnelova čočka 174.4. Objektiv 184.5. Chlazení 194.6. Skříň projektoru 19

5. Zapojení projektoru 196. Popis ovládání projektoru 207. Technické parametry 208. Plány do budoucna 209. Závěr   2110. Informační zdroje 21

Seznam příloh:1. Fotodokumentace 222. Rozpočet a finance 243. Protokol o revizi elektrického spotřebiče 25

5

Seznam použitých zkratek

A/D analogově – digitální převod signáluDIY Do It Yourself  „Udělej to sám“ (angl. ozn. pro věci vyrobené doma)DPS deska plošných spojůDVD Digital Versatile DiscDVI Digital Video Interface – digitální rozhraní pro přenos video signáluFFC Flat Flex Cable – plochý ohebný kabelFOV Field of View – úhel pohleduLCD Liquid Crystal Display – displej z tekutých krystalůOverdrive technika, jak rychleji otočit krystal v LCD displejiVGA Video Graphics Array – standard pro počítačovou zobrazovací techniku 

(data se přenášejí analogově přes konektory D  SUB)

6

1. Úvod

Po loňské poměrně úspěšné verzi s výbojkou jsem si letos připravil LED verzi na mnohem vyšší  úrovni.  Jedná  se o průkopnický  čin v oblasti  české  DIY tvorby projektorů.  Tento krok pochopitelně  přináší  nové  výhody i problémy. Celý  přístroj jsem kompletně přestavěl a nyní je schopen fungovat zcela nezávisle na cizím zdroji signálu, neboť ve svém těle obsahuje malý přenosný počítač.

Nová verze si z loňské vzala pouze dvě komponenty (LCD displej a fresnelovu čočku), zbytek je zcela nový.

7

2. Teorie zobrazování, projekční techniky a princip DIY projektoru

Projektory  můžeme   rozdělit  například  na  diaprojektory,   filmové   projektory, zpětné projektory a dataprojektory.

2.1. Teorie zobrazování, projekční techniky

Diaprojektory pracují tak, že světlo z lampy prosvítí diapozitiv a přes soustavu čoček v objektivu vykreslí obraz na promítací plochu. Filmové pracují na shodném principu, jen promítají film políčko po políčku velmi rychle za sebou.

Zpětný   projektor,   protože   zobrazuje   větší   plochu,   musí   používat   o   něco složitější   techniku.  Pod   průsvitkou   jsou  umístěny   fresnelovy  čočky.   První   z   nich rozloží obraz pod celou průsvitku a druhá soustředí přes průsvitku do objektivu, který paprsky světla zalomí a promítne na projekční plochu. Obě dvě fresnelovy čočky jsou obvykle slepené nebo svařené.

Dataprojektor je kombinací předcházejících dvou s tím rozdílem, že nepromítá statický obraz, ale to, co je do něj odesláno přes kabel z počítače, případně jiného zdroje signálu. Komerční dataprojektory jsou buď typu LCD nebo DLP. U LCD typu se   obraz   promítá   přes   3   miniaturní   LCD   displeje,   tzn.   obdobně,   jako   u   DIY projektoru   (tam  je   jen  jeden barevný).  DLP  technologie  používá   soustavu mnoha miniaturních   zrcátek,   které   kmitají   a   odrážejí   paprsky   na   barevný   filtr.   Tato technologie lépe nakládá se světelnými paprsky, ale kvalita obrazu je na nižší úrovni, to znamená,  že DLP projektor  je nevhodný  k promítání   fotografií  nebo videí,  ale výborný na projekci textu v méně zatemněné místnosti.

2.2. Princip DIY projektoru

Tento dataprojektor pracuje na obdobném principu jako zpětný projektor, tzn. prosvětlování   předlohy,   LCD   panelu,   a   jeho   následném   promítnutí   na   nějakou promítací plochu. I svojí konstrukcí se dosti podobá zpětnému projektoru Meotar či Epirex, ze kterých částečně vychází. Na rozdíl od nich ale zdrojem světla jsou malé polovodičové součástky, LED diody.

Dalším důležitým parametrem je orientace skříně a použití zrcadel. Tato verze je  postavená  naplocho,  na   rozdíl  od předchozí,  která  byla  na  výšku.  Momentálně využívám jedno zrcadlo, které láme paprsky do objektivu.

8

3. Funkční části

K výrobě LED DIY projektoru jsem použil tyto součásti:➢ LCD displej➢ LED pole a zdroj➢ fresnelova čočka➢ objektiv a zrcadlo➢ materiál na skříň

Výše   uvedené   součásti   je   nutné   složit   dle   optických   zákonů   a   zapojit   dle předpisů   a  norem pro  elektrická   zařízení  do  vhodné   skříně.    Na obrázku níže   je nakresleno schématické osazení horní vrstvy projektoru. Z názorných důvodů nejsou 

zachovány optické zákony.

obr. 1  Schéma konstrukce1 LED pole2 transformátor3 DPS zdroje4 sklo5 fresnelova čočka6 LCD displej7 optické zrcadlo8 objektiv

9

4 1

2

 3

5  6

7

8

3.1. LCD displej

LCD displej   je   jedna  z  nejdůležitějších součástí  DIY projektoru.  Vhodným výběrem jde docílit velmi kvalitního výstupního obrazu. V mém případě ale nebyla přílišná možnost vybírat. 

Důležitými   parametry   při   výběru   LCD   displeje   jsou   velikost   obrazu (úhlopříčka), rozlišení, kontrast, rychlost odezvy a použití FFC propojek.

3.1.1. Velikost obrazu

Podle velikosti  obrazu se odvozuje velikost skříně,  v tomto případě   je jen o několik málo centimetrů vyšší, než samotný displej.

3.1.2. Kontrast

Dalším   poměrně   důležitým   parametrem   je   kontrast.   Hodnota   kontrastu zjednodušeně vypovídá  o poměru mezi nejsvětlejším a nejtmavším bodem obrazu. Čím   větší   toto   číslo   je,   tím  je   rozdíl   větší.   Při   velmi   vysokých   hodnotách   LCD nepropouští buď téměř žádné světlo nebo skoro vše. I přes vysoký kontrast se na LCD displeji ztrácí kolem 70% světla, v mém případě bohužel až 90%, protože už nemohu odstranit některé fólie z displeje z důvodu jeho stáří. Současné LCD panely dosahují hodnot od 250:1 po 1000:1, použitý má hodnotu kolem 200:1.

3.1.3. Odezva

Doba odezvy je hodnota, která přibližně udává, jak rychle se je schopen krystal v   LCD   displeji   pootočit   z   jedné   polohy   do   druhé,   to   znamená   z   tmy   na   plnou světelnost. Tato hodnota je ale často jen marketingový tah a monitory s 2 ms odezvou mohou mít  klidně  odezvu přes  20 ms.  Pro běžné   sledování   je  dostačující  odezva kolem   30   ms,   ale   nižší   skutečná   není   na   škodu.   Mnohé   moderní   LCD   displeje s krátkou odezvou používají techniku Overdrive, čímž ale trpí barevnost a obraz tak může být viditelně horší, než u pomalejších panelů.

10

3.1.4. FFC propojky

FFC propojky se užívají pro spojení LCD displeje s řadičem. Mnohé monitory bohužel tyto FFC propojky obsahují  na nevhodných místech a ztěžují,  či dokonce znemožňují  stavbu DIY projektoru. V zahraničí jsou k sehnání různé prodlužovací kabely, ale u nás se musíme zatím spoléhat na informace z různých fór nebo štěstí, že právě   ten   můj  monitor   ji   nebude   obsahovat,   případně   bude   obsahovat,   ale   půjde snadno přemostit. V mém případě LCD panel propojku obsahuje, ale ta je duplicitní, protože displej správně zobrazuje i pokud tato propojka není zapojená. Této duplicity jsem využil a do obrazu tak nezasahuje žádný předmět.

3.2. LED pole a zdroj

LED diody jsou novou perspektivní technologií v oblasti osvětlení. Při stavbě se z LED diod vytvoří  na DPS plástev, případně  dvě  čtvercové  vrstvy nad sebou. Z principu diody je nutné vytvořit proudový zdroj, který způsobí, že všechny diody svítí stejnou intenzitou a přitom na každé může být různé napětí. Aby bylo možně proudový zdroj použít, je nutné určitý počet diod zapojit sériově.

O   napájení   všech   komponent   se   stará   transformátor   typu   toroid   se   dvěma sekundárními  vinutími.  Za   transformátorem  jsou  zapojeny  usměrňovací  můstky   a vyhlazovací  kondenzátory.  Z bezpečnostních důvodů   je  vhodné  použít   transily.  Po tyto   části   jsou   obě   větve   shodné.   Větev,   která   má   na   starosti   napájení   diod   je připojená  k poli  stabilizátorů,  které  fungují   jako proudové  zdroje. Dvanáctivoltová větev je přes stabilizátor připojená přímo k displeji.

3.3. Fresnelova čočka

Fresnelova   čočka   je   tenká   čočka,   které   může   dosáhnout   velké   optické mohutnosti díky své zvláštní struktuře. Na obrázku 2 můžete porovnat rozdíl mezi běžnou a fresnelovou čočkou. Jelikož je ale vždy něco za něco, tak fresnelovy čočky mají   jako daň  za malou tloušťku nižší  kvalitu obrazu. Je to způsobené  množstvím soustředných kružnic, které se mohou objevit ve výsledném obraze, což je nežádoucí. Jelikož  je zaostření  velmi přesné  a roli hraje každý  milimetr, dává  se LCD displej alespoň   10   mm   od   fresnelovy   čočky,   čímž   se   tyto   rušivé   kružnice   eliminují. V   projektoru   se   obvykle   vyskytují   dvě   tyto   čočky   –   jedna   zrovnoběžní   světlo z výbojky a druhá ho nasměruje do objektivu. Při použití LED diod ale první čočka 

11

odpadá, neboť LED pole funguje jako plošný zdroj světla.

Obr. 2 – Rozdíl mezi běžnou a fresnelovou čočkou

3.4. Objektiv

Objektiv   je  poslední   optický   prvek  v  projektoru.  Bez  něj   bychom nemohli zaostřit výsledný obraz. Objektivy rozlišujeme podle ohniskové vzdálenosti, množství a  typů  použitých čoček. Čím má  objektiv více čoček,  tím obvykle bývá  výsledný obraz   kvalitnější.   V   projektorech   se   obvykle   používají   dvou   nebo   tříčočkové objektivy. U méněčočkových objektivů můžeme pozorovat obrazové vady, například sférickou a chromatickou aberaci.

3.4.1. Sférická aberace

Sférická aberace je optická vada, kdy se paprsky na krajích čočky lámou pod jiným   úhlem   než   v   jiných   částech   čočky.   Tato   vada   způsobuje,   že   paprsky z okrajových částí čočky se protnou ještě před ohniskem (Obr. 3).

Obr. 3 – Sférická aberace

12

3.4.2. Chromatická aberace

Další   častou   vadou   je   již   zmíněná   chromatická   aberace.   Ta   se   projevuje obdobně, jako v předchozím bodě  zmíněná sférická aberace, jen s tím rozdílem, že se paprsky nelámou různě  podle  vzdálenosti  od optické  osy,  ale  podle  vlnové  délky daného paprsku. To znamená, že krátkovlnné paprsky se lámou více, než dlouhovlnné (Obr. 4). Na obrázku 5 je vidět náprava další čočkou.

Obr. 4 – Chromatická aberace Obr. 5 – Náprava chromatické aberace

3.4.3. Další parametry

Dále   se  u  objektivů   sleduje  průměr  objektivu  a  úhel  pohledu  (FOV),  který určuje  maximální   velikost   promítané   předlohy,   na  kterou   jde   zaostřit.  Tento  úhel závisí na průměru objektivu. 

3.5. Chlazení

Projektory   je   obvykle   potřeba   chladit.   Intenzita   chlazení   se   odvíjí   od vyzářeného   tepla.   Výbojky   je   třeba  vždy   chladit   aktivně,  LED diody   si   obvykle vystačí s pasivním.

3.6. Skříň projektoru

Všechny uvedené součásti musí být osazeny do vhodné skříně, aby při provozu nedošlo k  jejich poškození,  ani  poškození  okolí  projektoru například požárem. Ve skříni   jsou   využity   kovové   a   dřevotřískové   součásti,   základny   jsou   z   dřevotřísky s nalepeným ABS okrajem a obal je z nerezového plechu. Celá  skříň   je navržena modulárně, aby bylo možně v budoucnosti vyměnit jakoukoliv součást za vynaložení minimálního úsilí. Tento systém se již v praxi osvědčil.

13

4. Stavba projektoru

Jak   již   bylo   v   předchozím   bodě   uvedeno,   všechny   součásti   jsou   osazeny modulárně,   to   znamená,   že   každá   součást   má   svou   vlastní   desku   uchycenou   po stranách k dřevěnému držáku.

4.1. LCD displej

Mnou použitý LCD displej je 14“ Keymat 711A. Displej má jediný vstup a to analogový DSUB.

Displej je uchycený v dřevotřískové desce se sololitovým držákem řadiče, A/D převodníku a ovládacího panelu displeje (Obr. 6). Tato fotka pochází z první verze, červené čáry naznačují, místa řezů částí, které jsem odstranil.

Obr. 6 – Modul LCD displeje

14

4.2. LED pole a zdroj

Na stavbu tohoto projektoru jsem použil 10 mm vysoce svítivé bílé LED diody. Diody jsou uspořádané do plástve v jedné vrstvě. Jak jsem již v úvodu psal, jde o první  český  LED projektor   se  všemi svými výhodami   i  nevýhodami.   Jak  je   jistě známo, LED diody mají velmi vysokou účinnost, ale výbojka na tom není o moc hůř. Jelikož jsou u nás tyto součástky velmi drahé, musel jsem je zakoupit přes internet přímo z továrny v jihočínském Hong Kongu. Vybral jsem ty nejsvítivější, a to 140 cd, 12° vyzařovací úhel, 3,2 V, 20 mA (obr. 7). Protože jsou osazené plošně, bylo třeba objednat   800   ks.   Vzhledem   k   použitému   počtu   a   příkonu   (60   W)   je   obraz pozorovatelný pouze při zatemnění, ve dne jen s obtížemi. 

Diody napájí  pole stabilizátorů  LM317 zapojených jako proudový  zdroj. Pro 

výpočet  proudu procházející   stabilizátorem LM 317 se používá  vzorec RS=1,25I L

, 

kde     IL  je   procházející   (požadovaný)   proud   a  RS  je   odpor,   který   musíme  použít k dosažení tohoto proudu. Zapojení stabilizátoru LM317 ukazuje obrázek 8 a 9.

Obr. 7 – LED pole

15

Obr. 8  Zapojení stabilizátoru LM317 jako proudový zdroj

Obr. 9 – Zdroj a pole stabilizátorů

16

4.3. Fresnelova čočka

Použitá fresnelova čočka o rozměrech 310 x 310 mm byla původně určena pro nějaký větší zpětný projektor. A protože se v této velikosti prodává pouze set 220 – 330, musel jsem je rozdělit. Jejich ohniskové vzdálenosti jsou 220 a 330 mm. Byly k sobě svařené, pravděpodobně již od výroby. Vzhledem k plánované velikosti jsem musel tuto čočku (330 mm) zmenšit na rozměry 310 x 220 mm, aby se mi vešla do nového projektoru a mohl nad ní být řadič a A/D převodník pro displej. Fresnelova čočka je přišroubovaná z druhé strany modulu displeje.

Obr. 10 – Ještě nerozdělené fresnelovy čočky

17

Obr. 11  Zkušebně instalovaná fresnelova čočka

4.6. Objektiv

Objektiv (Obr. 12) je triplet z Izzoteku, který je určený pro DIY projektory. Jde však pouze o 300 mm verzi, která už má trochu problémy s ostrostí v rozích takto velkého displeje.

Obr. 12  Objektiv

18

4.5. Chlazení

Na   chlazení   projektoru   není   použit   jediný   ventilátor,   protože   projektor neobsahuje  žádný   výrazný   zdroj   tepla.  Případné   vyzářené   teplo  přijme  obvodový plech a rozptýlí je.

4.6. Skříň projektoru

V současné podobě  nejde moc o skříni mluvit, spíš o obalu. Projektor má 3 kruhové základny, které fungují jako podstava, základna 2. patra a víko. Tyto kruhové desky jsou spojené přes závitové tyče a sešroubovány V dolním patře je notebook, adaptér a DVD mechanika, v horním vlastní projektor.

5. Zapojení projektoru

Zapojení   tohoto   projektoru   je   poměrně   jednoduché.   Na   vstupu   je   pouze napájecí  kabel.  Vzhledem k bezdrátové  klávesnici,  myši   a   síti  nejsou žádné  další vstupy třeba. Zapojení je znázorněno na níže uvedeném diagramu (Obr. 13). Projektor je chlazen zcela pasivně a tak jediným možným zdrojem hluku je ventilátor chladící notebook. Ten však po úplném zavření projektoru není téměř slyšet.

Obr. 13 – Diagram zapojení projektoru

19

Notebook

LCD displej

LED pole

Napájení Tlačítko

Zdroj proLED a LCD

5.1. Ovládací panel

Ovládací panel, lze li to tak nazvat, je v dolním patře uprostřed (při pohledu zepředu).   Na   panelu   se   nachází   napájecí   konektor,   mechanika   a   hlavní   vypínač. Pojistka se z předního panelu přesunula za něj.

6. Popis ovládání projektoru

Projektor  se  uvede do provozu zmáčknutím tlačítka na předním panelu pod mechanikou. Tím se zapne notebook a začne startovat. Okamžitě po stisknutí tlačítka se ozve klapnutí. Relé sepnulo zdroj pro LED pole a to se rozsvítí. Na projekční ploše je vidět obraz ze startujícího notebooku. Po startu systému je možné s projektorem možné   pracovat,   jako   s  kterýmkoliv   jiným počítačem připojený   na  projektor,   jen odpadá problém s přepravou jednotlivých zařízení.

7. Technické parametry

➢ LED: 140 cd, 20mA, 12±5°, 750 ks➢ zdroj: toroid 70VA, sekundární vinutí: 48 a 12 V➢ notebook Brave➢ Fresnelova čočka 330➢ LCD displej Keymat 711A➢ Objektiv 300

➢ Spotřeba celého projektoru se pohybuje někde kolem 80 W.

8. Plány do budoucna

Pravděpodobně jediný plán do budoucna je upravit podsvětlení tak, aby bylo rovnoměrnější. Více světla z projektoru této koncepce asi nedostanu.

20

9. Závěr

Vzhledem k tomu, že jde o prvotinu a tak trochu pokus o něco nové, tak jsem s výsledkem poměrně  spokojen. Zatím kvalitativně  nedosahuje kvalit  výbojkových verzí, ale při ani ne polovičním příkonu dosahuje jasu 150W keramických výbojek.

V   průběhu   stavby   jsem   si   ověřil   v   praxi   optické   zákony   a   zapojení elektronického zařízení tohoto typu.

Výsledkem mé práce je funkční projektor o rozlišení 1024 x 768 px (tj. HD Ready).

10. Informační zdroje

Přímo k této tématice mi není známa žádná česky psaná kniha, a proto jsem použil internetové diskuze a servery zaobírající se DIY tématikou.

➢ České fórum o DIY projektorech http://ritzy.cz/phpBB2/➢ Anglické fórum o DIY projektorech http://lumenlab.com/forums/➢ Fórum PC Tunningu http://pctforum.tyden.cz➢ Wikipedia http://cs.wikipedia.org

21

http://pctforum.tyden.cz/http://ritzy.cz/phpBB2/http://cs.wikipedia.org/http://cs.wikipedia.org/http://cs.wikipedia.org/http://lumenlab.com/forums/http://lumenlab.com/forums/http://lumenlab.com/forums/

1. Fotodokumentace

Obr. 14 – Projektor zepředu

Obr. 15 – Pohled do projektoru

22

Obr.  16 – Zkušební obrazec

Obr. 17 – Zkušební fotografie

23

2. Rozpočet a finance

➢ LED diody 5800 Kč➢ LCD displej 500 Kč➢ Součástky na zdroj 3000 Kč➢ Ovládací panel 700 Kč➢ Materiál 2000 Kč➢ Fresnelovy čočky a objektiv 1000 Kč

➢ Celkem    cca 13000 Kč

24

25