CSH/Rapport/Tp2.typ

= Projet 2 Lumière photo

Et c'est reparti pour un tour avec un nouveau projet.

== contraintes

Ce projet doit inclure :

- Un MCU de notre choix (Sûrement un RP2040)
- Un moyen pour l'utilisateur d'interragir avec le système
- Un moyen pour l'utilisateur de voir ce qu'il se passe (Une IHM)
- Utiliser un ou plusieurs capteurs qui communiquent avec le MCU

Possibilités :

- Utiliser un PCB 4 couches si nécessaire ou dans une autre matière si besoin (Ex un PCB alu pour des raisons de température)
- Utiliser des composants intéressants qui pourraient demander un peu de budget (dans la limite du raisonnable évidemment)
- Faire le projet qu'on veut !

== Idée de projet :

Je suis photographe et un des équipements indispensables pour un photographe outre l'appareil et les objectifs, c'est de la lumière !

Les lumières sont un élément très important et absolument nécessaire pour tout travail de shooting photo avec des humains ou des produits.

En général pour la photographie pure on va sur des flashs. C'est une option assez abordable qui permet d'avoir une grande puissance pour chaque photo. Cependant je fais aussi de la vidéo et j'aimerais ne pas utiliser un flash pour avoir une idée de mon exposition tout le long.

En plus les flash demandent de se recharger et donc pour du focus stacking par exemple ca allonge énormément la durée d'une prise photo.

Bref il me faut une source de lumière continue.

En plus de ca j'aimerais que ma source de lumière continue soit portable. Je n'ai pas de studio et donc je dois régulièrement me déplacer et pour cela une lampe qui a besoin d'une prise secteur est très limitante.

Il se trouve que j'ai déja acheté des lights portables de 100W et je n'en était pas content. Elles avaient soit une batterie horrible et propriétaire, soit des problèmes de surchauffe soit simplement pas assez puissante ou trop chères.

Le but de ce projet est donc de faire une source de lumière continue portable et puissante avec des batteries interchangeables et bicolore.

(Une lampe vidéo bicolore permet de règler la température de la lumière (sa "chaleur") ce qui est crucial pour la vidéo et la photo.)

== Composants requis :

- Led ou Leds bicolores puissantes (Found)
- Driver de leds assez puissant pour driver la/les leds (Found)
- Micro controlleur (Found)
- Radiateur conséquent pour reffroidir la/les leds (Found)
- BMS pour le pack de batteries (Found)
- Un FET pour couper l'arri£vée de la batterie quand le BMS detecte un problème (Found)
- Optocoupleurs pour isoler le MCU
- Buck pour l'alimentation du MCU et du BMS (si besoin)
- Buck pour alimenter les ventilateurs
- Capteurs de température pour monitorer la light
- Thermomètre resistif pour le BMS
- Boutons et potentiomètres pour interragir avec la light
- Ecran 16 segments pour afficher les informations de la light à l'utilisateur
- Cellules 18650 pour faire l'alimentationproblème

Ca fait un paquet de composants sans compter les composants passifs à ajouter pour faire fonctionner toute l'histoire

== Composants possibles :

Il y a des features qui seraient juste incroyables à rajouter même si ca parait complexe avec le temps impartit

- Un controlleur USB power delivery pour permettre d'alimenter la light avec de la puissance
- La recharge du pack de batteries directement depuis le PCB (Avec une alimentation USB PD)
- Un ecran sympa qui permette une vraie IHM
- Un heatsink custom faits exprès pour la matrice de LEDS

== Choix des composants

=== LED 

Pour commencer je pense que le mieux c'est d'aller chercher des LEDS.

J'adorerais utiliser un seul module LED comme les marques de lights utilisent en général, mais je n'ai pas trouvé de module assez puissant sur mouser ou digikey qui soit aussi bicolore.

J'ai trouvé des modules plutôt puissants que l'ont peut utiliser en les additionnant en revanche.

Ce modèle est de loin le plus intéressant : CTM-22-4018-90-36-TWD6-F3-3

Mouser nbr: 896-CTM224189036TWD6

#image("assets/image-4.png")

C'est un module LED bicolore qui peut envoyer jusqu'à 25W sur chaque channel donc 50W au total.

Si on en prend 4 ca fait une puissance max de 200W ce qui devrait être tout à fait digne comme light. 200W en général c'est le genre de lights qu'on trouve rarement en version portable. Cela est donc un projet plutôt fun.

En plus on peut très bien imaginer une version de 50W avec un seul module et beaucoup plus petit vu que on aurait besoin de beaucoup moins de puissance en refroidissement.

Si on en achète 10, le prix unitaire est de 9.12CHF. Donc 40Chf de LED

==== Specs

28mm/28mm Ou 56x56mm pour un array de 4

25W par channel
En utilisation pleine balle typique:

1.4 ampères à 36V

Maximum

1.7 ampères à 38.7V

Mais c'est la consommation totale. Cela veut dire que par channel c'est plutôt 700mA voire 850mA. Et ca c'est très important pour choisir notre driver de led ensuite.

=== Driver LED

Pour le driver on a plusieurs options. 

On a besoin d'au moins deux channels pour pouvoir contrôler la température de la LED. Ou alors deux petits drivers.

Il doit pouvoir gèrer 2 Ampères de courant à une tension élevée. (En général les drivers sont compatibles avec des entrées jusqu'à 60V). Ou alors 1 Ampère et on utilise deux drivers par led.

L'idéal serait un énorme driver qui s'occupe de tout. 2 Channels qui peuvent supporter 4 Ampères chacuns. Mais de ce que j'ai vu c'est beaucoup plus simple de trouver des petits drivers 1 channel 1 Ampères.

J'ai donc décidé de partir sur un chip qui s'occupe d'un channel d'une LED. C'est un chip peut onéreux qu'il faudra acheter 8X.

Ce chip c'est le : ZXLD1366

Mouser nbr : 522-ZXLD1366ET5TA

#image("assets/image-6.png")

C'est un petit chip très simple qui fait Buck et qui serait parfait pour notre utilisation

==== Specs

Entre 6 et 60V d'alimentation (Parfait car la Led demande un peu moins de 40V cela veut dire que on peut brancher un pack de batterie 13S et n'avoir besoin que de Buck)

Courant continu max recommandé : 1 Ampère (Au dessus des 850Ma demandés dans le pire des cas par la LED)

Température max : 125 degrés (Les Leds produisent beaucoup de chaleurs mais elles ne seront pas sur le même PCB)

Contrôle de l'intensité lumineuse : 0.3v à 2.5V (mais peut supporter 6V sans brûler immediatement) Ca permet de contrôler l'intensité lumineuse directement avec le DAC du RP2040

Il est disponible en package très compact et simple avec 5 pins (C'est un vrai bon point pour moi qui suis encore débutant en conception)

Prix unitaire : Pour 10 unités 1.35CHF ou à peu près 11Chf par PCB

Je suis sûr qu'il existe des chips moins onéreux qui peuvent faire la même chose, mais pour la V1 je suis sûr que ca ira très bien avec celui ci et sa simplicité est un vrai +

=== Refroidissement

La dissipation de la chaleur/energie que les leds produisent est un veritable problème.

Les LEDS ont une efficicence d'environs 20% ce qui veut dire que 80% de l'énergie part en chaleur. Donc pour 200W on aurait 180W de chaleur produite.

Pour dimensionner le refroidissement on va partir sur une base de 200W avec une température ambiante de 30 degrés. Cela devrait nous donner un refroidissement efficace.

Les leds ont été testées pour fonctionner à 100% jusqu'à 85 degrés. Cela veut dire qu'on a droit à une différence de température de 55 degrés.

La resistance thermique de nos LEDS est de 0.27 ce qui nous fait une montée de 13.5 degrés

On estime l'epoxy thermique qui va les fixer autour des 0.1 ce qui ajoutes 5 degrés.

Il nous reste donc 36 degrés avec lesquels jouer et 36.5 / 200 = 0.182...

Et 0.182 C'EST VRAIMENT PAS BEAUCOUP !! 

On peut déja oublier un heatsink passif. Pour référence un ventirad inclus avec l'achat d'un intel core i5 peut dissiper environs 65W et chat Gpt estime que sa RTH est de 0.8 à 1.2 AVEC UN VENTILATEUR !!

Et nous on doit trouver une solution compacte qui soit autour des 0.18...

Après un long moment de recherche, l'option d'un ventirad pour serveur parait la plus evidente et la plus logique niveau côut. En effet ils sont faits en grande quantité et sont faits pour gèrer des CPU qui peuvent envoyer plus de 200W de puissance.

J'ai jeté mon dévoulu sur un ventirad de threadripper le : `Arctic Freezer 4U-SP5` qui côute 60Chf sur digitec.

Je voulais prendre un ventirad noctua, mais même des ventirads faits pour des threadrippers ne sont parfois pas suffisants pour refroidir autout de puissance.

SINON autre option bien moins volumineuse serait ce produit https://www.conrad.ch/fr/p/dissipateur-en-profile-fischer-elektronik-la-6-150-al-10015838-0-3-k-w-l-x-l-x-h-150-x-75-x-62-mm-1-pc-s-166111.html

C'est une extrusion d'aluminium qui a un thermal rating de 0.3 K/W. C'est juste un peu trop mais si j'arrive à trouver une version un poil plus grande ca serait nikel, et sinon on peut simplement ajouter un ventilateur et cela ferait descendre la resistance thermique assez bas pour être utilisable. Cela veut aussi dire que comme la surface de contact est grande, on pourrait mettre le PCB et les LEDS dessus.

Mon choix s'est porté sur le Dynatron A51. C'est un refroidisseur en cuivre pur et qui est fait pour des processeurs de serveur. 

Il est disponible sur digitec pour environs 55CHF et il a un TDP de 205W. Si on y ajoute un ventilateur qui souffle dans l'axe des ailettes on arrive à une resistance thermique suffisante pour nos leds et il est très compact !!

C'est la meilleure option je pense.

Lien digitec : https://www.digitec.ch/fr/s1/product/dynatron-a51-refroidisseur-cpu-1u-pour-socket-sp6-passif-27-mm-ventirad-processeur-39319613

#image("assets/image-5.png")

=== MCU

Comme on a pas besoin de communication sans fil pour ce projet, le RP2040 est le MCU de choix !

Il est très peu cher (65 centimes à l'unité) et il est largement assez puissant pour tout ce qu'on pourrait lui demander 10X.

J'ai l'habitude de l'utiliser et j'en ai toujours été très content.

Mouser nbr : 358-SC091413

#image("assets/image-3.png")

ATTENTION !! Le RP2040 n'a pas de DAC et d'output analogique. Il faut donc soit prévoir un DAC soit utiliser un système RC en utilisant du PWM et un filtre passe bas avec un diviseur résistif et une capacité.

Chat GPT propose une installation de ce style : 

```
GPIO (PWM) ── R ──┬── Analog Out
                  |
                  C
                  |
                 GND
```

=== BMS

Pour la batterie, je pense que le mieux est de partir sur une batterie 13S. Cela représente une tension nominale de 48V avec une tension max un peu en dessous de 55V et une tension min de 39V.

Pourquoi? Et bien par ce que notre LED va tourner dans les alentours de 36V, et que donc si on envoie minimum 39V cela veut dire qu'on peut utiliser un driver assez simple qui ne fait que Buck et qui a de la marge avec le voltage drop.

Cela simplifie pas mal tout le système (à part pour l'encombrement qui demande donc 13 cellules). Même à 200W cela veut dire que on n'aura jamais plus de 5 Ampères à nimporte quel endroit du circuit ce qui est gèrable sur un PCB classique. Et dans les faits l'alimentation de la batterie sera splitée en 8 immediattement donc on aura des pistes de 1A.

Pour ca il faut donc un BMS qui peut gèrer 13 cellules.

Le modèle que j'ai trouvé et qui a l'air pas mal est le BQ7694006DBT.

Mouser number : 595-BQ7694006DBT

#image("assets/image-7.png")

Il est fait pour gèrer jusqu'à 15S.

Clairement le mieux serait qu'il soit directement sur la batterie et pas sur le PCB car il ne pourra pas nous sauver de tout les problèmes. On pourrait aussi croire que ce chip nous permet de charger les batteries mais pas du tout, c'est plutôt un genre de douanier qui vérifie l'état de notre batterie en continu et qui est prêt à tout couper dès la moindre anomalie.

Cette partie est à discuter avec mon prof car je vois que au niveau de la sécurité c'est un peu plus compliqué que ce que j'ai l'habitude d'utiliser. Avec les drones c'est un peu YOLO, on a un chargeur en qui on fait confiance et ensuite le BMS en vol c'est nous.

=== FET

Pour protèger notre système, il faut un moyen de déconnecter la batterie du circuit.

Pour ca il nous faut un MOSFET fait pour la gestion de puissance et c'est des composants vachement plus gros que ce que j'aurais pensé. Un Mosfet de base a une resistance de plusieurs OHM et avec 200W qui passent à travers ca fait non seulement une perte significative mais en plus c'est beaucoup de chaleur créée dans un petit package.

On veut aussi un N channel MOSFET pour que le courant ne passe que quand on le veut. Cela veut dire que si le BMS pour une raison ou un autre se déconnecte, par sécurité on va couper le courant et pas laisser passer par défaut.

J'ai trouvé ce composant qui me semble parfait. le 637-DI035N10PT-AQ

Mouser nbr: 637-DI035N10PT-AQ

#image("assets/image-2.png")

Le BMS qu'on a choisi (BQ7694006DBT) a une sortie qui peut driver des FET à 10-12V ce qui est la tension nécessaire pour driver notre FET.

ATTENTION pour pouvoir driver ce FET avec la pin de notre BMS il faut mettre notre FET en configuration LOW SIDE (donc du côté - de la batterie) 

#image("assets/image.png")

Ci dessus, on a un exemple de cablage avec le BMS et un MCU.

Dans les faits notre BMS est une version un peu plus complexe mais le principe est le même.

#image("assets/image-1.png")

Mais après verfications, le RP2040 consomme un peu trop pour être alimenté par le LDO du BMS. Il y aura donc besoin d'un buck exprès pour lui.

=== FET (High side)

En fait il m'a été expliqué que au niveau électrique, couper le GND de certains composants avec des tensions plutôt hautes encore connectés avec des composants toujours sous tension c'est pas la meilleure idée.

Exemple, si on prend notre MCU alimenté par le BMS, on peut se retrouver dans une situation ou les drivers de leds envoient du 55V sur les GPIO et c'est bof.

Pour éviter ce problème, deux solutions : 

1. Isoler les deux circuits avec des diodes ou des optocoupleurs.
2. Mettre un PMOS du côté + de la batterie.

Comme je n'ai pas envie de mettre un Pmos high side il faut donc trouver des optocoupleurs pour les signaux entre le MCU et les drivers de LED ainsi que pour le signal du ventilo.

==== Specs

Ici je vais mettre les valeurs des absolute maximum ce qui ne devrait pas être représentatif du chip en utilisation mais c'est pour montrer à quel point il est overkill

- Tension max : 100V (on ne devrait jamais depasser les 55V avec notre pack 13S)
- Il peut dissiper 25W
- 13Mohm (P=I2⋅RDS(on)=52⋅0.013≈0.325W) on est LARGE pour nos 5 Ampères

C'est très clairement un chip très overkill mais il n'est pas très cher (64cts pour une pièce) et je n'ai pas trouvé moins balèze qui soit suffisant.

Note: IGBT 

=== Buck 3.3V

Le Rp2040 peut consommer jusqu'à 100mA ce qui est trop pour le LDO de notre BMS.

Il nous faut donc un Buck qui puisse fournir 3.3V à partir du potentiel 55V en entrée.

J'ai trouvé ce chip : RAA2118034GP3\#JA0

Mouser nbr : 968-RAA2118034GP3JA0

==== Specs

Tension acceptée en entrée : 80V
Courant : 300Ma (Le Rp2040 ne consomme pas plus de 0.1A en principe)
Il fonctionne jusqu'à 125c
Il n'a pas besoin d'être paramètré. C'est un chip qui a une sortie 3.3V fixe.

=== Ventilateur

Pour refroidir le système j'ai pensé à un ventilateur noctua. C'est les mêmes prix que chez Mouser pour des ventilateurs classiques mais la on a un ventilo très silencieux et performant.

Je pense partir sur ce modèle :

https://www.digitec.ch/fr/s1/product/noctua-ventilateur-nf-p12-redux-1700-pwm-120-mm-1-x-ventilateur-pc-12826297

C'est 15CHF le ventilo ce que je pense correct

==== Specs

0-1700RPM contrôlable avec PWM
Opérations en 12V et 13.2V max
0.1A -> 1W de puissance demandée

Pinout:

#image("assets/image-8.png")

=== Buck Ventilos

En soit on pourrait très bien choisir de prendre un ventilateur 48V et ne pas avoir besoin de buck. Mais les ventilos 48V sur Mouser sont assez cher pour ce que c'est et plutôt bruyants.

Je pense que ca vaut le coup de faire le travail et prendre un Buck qui nous permette de brancher un ventilateur 12V classique.

J'ai trouvé ce modèle sur Digikey par ce que sur Mouser c'était impossible de trouver quelque chose à prix raisonnable

J'ai choisi le LM2576HVS-12-EV

Digikey nbr : 5272-LM2576HVS-12-EVTR-ND

=== Opto couplers

Modèle TLP155E(TPL,E)
Digikey nbr : TLP155E(TPLE)TR-ND