Pomůcka: Aditivní skládání barev

Když jsem v jednom z minulých článků věnovanému standardní domácí učitelské kratochvíli, tedy „hobíkovské“ výrobě školních pomůcek (na které ve škole standardně nejsou peníze), zmínil svou inspiraci příspěvkem z Veletrhu nápadů učitelů fyziky (VNUF), vzpomněl jsem si ještě na jednu pomůcku, kterou jsem se na VNUF [1] nechal inspirovat a kterou si může zručný fyzikář sestavit.

Pomůcek k tématu skládání barevných světel je mezi učiteli fyziky známo několik. Buď jde o profesionální pomůcky, které jsou v cenové relaci asi dvou a půl tisíce [2], nebo lze využít i některé části optických sad jako barevného zdroje (např. NTL – Optika 2). Zajímavé je i použití RGB žárovky nebo RGB LED pásku. Známé jsou i různé učitelské výrobní improvizace, např. s několika barevnými LED jako světelnými zdroji [3], [4], či právě [1].

My se pokusíme vytvořit pomůcky na aditivní RGB míchání s pomocí výkonné RGB LED tak, aby se co nejvíce podobala profesionálnímu výrobku. Nejde jen o celkové designové pojetí, ale chceme, aby pomůcka byla co nejjednodušší na ovládání a byla to taková ta pomůcka typu: „zapojím a už to jede“. Takže žádné oblíbené krokosvorky, hromady drátků a zabitá celá přestávka, než se to pořádně nastaví, aby pak alespoň jedničkáři mohli bez zardění předstírat, že demonstrovaný jev opravdu vidí.

Základem naší pomůcky bude výkonná RGB LED, kterou využijeme jako zdroj barevných složek. Díky tomu, že má jednotlivé barevné čipy poměrně blízko sebe, je její celkové světlo poměrně dobře složené a z dostatečné vzdálenosti se již jeví jako jediný zdroj výsledného barevného světla. Tato 3W RGB LED je přímo osazena na hliníkový segment, který částečně slouží jako chladič, ale především slouží pro lepší montáž tohoto modulu (viz následující obrázek – vlevo). My jej připevníme na hliníkový profil, který se používá pro chlazení elektronických součástek. Z hlediska chlazení LED modulu je tento chladič silně předimenzovaný, ale my jej spíše než chladič používáme jako montážní díl, s jehož pomocí můžeme zdroj barevného světla připevnit na zvolenou krabičku řídicí elektroniky (viz následující obrázek – vpravo). Modul je možné na hliníkový profil přišroubovat nebo kupříkladu přilepit lepidlem na chladiče. Chladicí profil i RGB modul lze zakoupit například u GM electronic [5].

Další důležitou částí je výkonové řízení jednotlivých barev. Jednou možností je připojení jednotlivých R, G, B složek diody přes samostatné reostaty. V naší koncepci jsme ale pro řízení barevných složek použili trojici modulů PWM regulátorů, které se používají buď pro řízení LED pásků, nebo nízkovýkonových stejnosměrných motorů. Jejich napěťový rozsah použitelnosti 1,8–15 V a proud do 2 A je více jak dostačující. Pokud tyto moduly zakoupíme u firmy Hadex [6], získáme všechny tři za cenu, kterou bychom u GM electronic zaplatili za jediný (sice výkonnější, ale to nyní nepotřebujeme).

Poslední elektronickou částí je vyřešení napájení. Snaha byla pochopitelně o co nejuniverzálnější použití. Nejlépe, aby bylo možné sadu napájet některým z adaptérů, které již ve škole jsou. A kdyby se nám to podařilo vyřešit tak, že by šel použít téměř jakýkoliv adaptér, který právě v kabinetě najdeme, bylo by to dokonalé. Naštěstí i pro tento trochu bizarním (i když vlastně zcela běžný) požadavek jsme našli řešení. Napájecí díl vyřešíme pomocí napájecího step-down měniče, který dokáže vytvořit nastavené pracovní napětí z napěťového rozsahu 4,5–35 V. Výstup měniče nastavíme pomocí jeho nastavovacího trimru na hodnotu napětí asi 3 V. Nejlepší způsob nastavení je následující: připojit modrou LED k PWM regulátoru společně s ochranným rezistorem (asi 10–30 Ω). Nastavit pro LED na regulátoru maximální svit a za stálého měření proudu protékajícího přes LED začít zvyšovat napětí na výstupu napájecího step-down měniče. Při dosažení zvoleného proudu (stačí asi 200 mA) máme nastaveno. Pro ostatní barvy, které vyžadují napětí nižší, se nastaví maximální proud ochranným odporem sériově zapojených trimrů. Díky použití step-down měniče máme zaručeno, že v celém zapojení bude vždy právě zvolené napětí, ať připojíme na napájecí vstup skoro jakýkoliv adaptér. Napájecí modul step-down měniče lze zakoupit kupříkladu opět u firmy Hadex [7].

Jelikož jednotlivé složky použité RGB LED mají různé světelné toky, doporučujeme na výstupy PWM modulů zvolit trimry (asi 100 Ω), které slouží nejen jako ochranný rezistor, ale zároveň lze jimi seřídit vhodné maximální světelné toky jednotlivých barev, aby se dosáhlo nejvhodnějšího efektu míchání a při plném svitu všech tří složek bylo výsledné světlo bílé. Trojici PWM modulů společně s step-down napájecím modulem lze zapojit do výše uvedeného zapojení (viz schéma) a zabudovat do příhodné krabičky (viz následující fotografie). Díky tomu, že používáme již připravené fungující moduly, je celé zapojování záležitostí propojení několika vodičů.

Pro zabudování celého zapojení nakonec posloužila plastová krabička o rozměrech 127×65×28 mm, kterou je možné zakoupit např. v GM electronic nebo u firmy HADEX [8]. Na vrchní víčko krabičky je připevněn hliníkový profil chladiče s připevněným modulem RGB diody. Aby LED modul příliš neoslňoval, také abychom viděli efekt skládání na větší ploše, je možné ještě před LED modul namontovat matnici. Protože použití klasické matnice by vyžadovalo vymýšlet řešení, jak ji vhodně přimontovat, nakonec jsme si ji vytvořili na 3D tiskárně. Použili jsme bezbarvý filament, ze kterého jsme vytiskli rámeček s destičkou matnice. Při nastavení asi 30–50% výplně 3D výrobku je destička matnice vyplněna výplňovým vzorem, který světlo vhodně rozptyluje. 3D tisk nám též umožnil vyrobit tento rámeček včetně montážních oušek pro přímou montáž na horní víčko krabičky, což vyřeší otázku, jak matnici přimontovat.

Následující fotografie ukazují výsledný výrobek.

Své usilí můžeme korunovat tím, že se (sami) pochválíme, pochopitelně se pomůckou pochlubíme kolegům z komise a po obědě se případně odměníme viržinkem. Vše pochopitelně s vědomím, že pokud jsme stavbu financovali ze svého, právě jsme škole ušetřili nějakou korunu na jiné „potřebnější“ pomůcky. 👍

Následující obrázky ukazují vyrobenou pomůcku „in action“. Získaný výsledný produkt je pro demonstraci aditivního skládání barev srovnatelný s profesionální pomůckou.

Kromě klasické ukázky míchání barev (viz předchozí obrázky) lze tento „RGB mixer“ použít v kombinaci s papírovým spektrometrem. Při dlouhých zimních večerech lze vyrobit těchto papírových spektroskopů asi tak třicet, rozdat je studentů a společně pozorovat a popisovat spektra jednotlivých vytvořených barev. Uvidíme, že všechny namixované barvy světla se zde skutečně vždy budou skládat jen ze tří barevných čar (vlnových délek), u kterých se bude měnit pouze jejich intenzita. Tento závěr lze rovnou využít pro výklad rozdílu mezi spojitým a čarovým spektrem.

Zdroje a odkazy: