Laser Show
Sistema di deflessione a galvanometri per LASER SHOW
15/10/2013
Si tratta di un'apparecchiatura da me realizzata abbastanza recentemente, anzi non è del tutto completata dal punto di vista meccanico, necessita infatti di qualche rifinitura.
Ma anche allo stato attuale può essere uno spunto per chi cercasse qualcosa per creare effetti piuttosto interessanti e scenografici.
Preciso che non si tratta del solito marchinegno a specchi rotanti o vibranti di cui internet è piena, ma di un vero sistema di deflessione a due assi, con possibilità di implementare il terzo asse, ovvero un otturatore ottico.
Questo significa che possiamo ottenere un'immagine "full graphics" e non solo disegni geometrici semi-casuali.
La luce laser è infatti ideale per questo genere di applicazioni, oltre a disegni di qualsiasi forma è in grado di disegnare scritte animate, immagini e loghi, volendo anche a più colori.
Ovviamente con il solo laser verde il risultato sarà un'immagine monocromatica.
La potenza massima del laser usato come sorgente si aggira intorno al watt, questo per evitare il rapido deterioramento degli specchi.
La lunghezza d'onda ammessa è quella nel range della luce "visibile", perciò non funziona con laser ad infrarosso (ad esempio quelli usati nei sistemi di marcatura o taglio. Questo perchè il materiale di cui sono fatti gli specchi non è idoneo all'infrarosso.
Per queste applicazioni esistono apposti specchi realizzati in rame dorato a spessore. Inoltre nei sistemi di taglio la focalizzazione è effettuata dopo la deflessione, immediatamente prima del "target".
Il sistema è stato costruito facendo uso di alcuni componenti commerciali, per i motivi di seguito esposti.
I GALVANOMETRI
Premetto che tutti i miei tentativi di costruire in casa in modo artigianale un sistema di deflessione a galvanometri sono stati fallimentari. Il motivo è da addebitarsi ai requisiti di estrema precisione necessari a realizzare l'equipaggio mobile e le bobine di deflessione. Anche usando le mie migliori risorse di "amatore avanzato" non era possibile fabbricare i minuscoli componenti necessari.
Un galvanometro di buon livello deve essere in grado di riprodurre fedelmente a livello meccanico i segnali di controllo inseriti ai suoi ingressi. Per ottenere il livello minimo accettabile di 10 o 12 Kpps (Passi Per Secondo, valore che indica la "frequenza di taglio" del sistema di deflessione) occorre costruire degli equipaggi mobili (specchio e magnete) con masse ridottissime, in modo da poterli muovere con energie non eccessive.
La corrente che passa nelle bobine per creare il campo elettromagnetico variabile non può superare determinati limiti pena il surriscaldamento o distruzione degli avvolgimenti. Inoltre, per queste applicazioni, ai galvanometri viene applicata una "retroreazione", che serve a monitorizzare istantaneamente la posizione assunta dall'equipaggio mobile ed eventualmente correggerla.
Ma come funziona questo dispositivo?
Il nome suggerisce la sua derivazione, il principio è infatti lo stesso dei ben conosciuti "galvanometri" a lancetta di antica memoria. Solo che in questo caso non basta deflettere tranquillamente una lancetta, bensi' far oscillare freneticamente un nucleo ferromagnetico ad alta frequenza e con assoluta precisione.
Alta frequenza significa che per mantenere visibile senza sfarfallii un disegno, dobbiamo rigenerarlo numerose volte al secondo (almeno una ventina) e se il disegno è sofisticato dobbiamo far percorrere al raggio laser un tracciato molto complesso.
Assoluta precisione significa che lo spostamento deve essere estremamente rapido, in modo da poter disegnare angoli acuti senza eccessivi arrotondamenti, riducendo al minimo l'abbrivio parassita. Questo si ottiene con masse mobili ridotte all'osso e correnti di pilotaggio molto intense.
Dopo vari ed infruttuosi tentativi di costruire da zero un galvanometro laser, mi sono arreso e ho cercato sulla rete qualcosa di commerciale. Ho così trovato una ditta tedesca che importa (suppongo dalla PRC) dei sistemi di deflessione piuttosto interessanti e a prezzi quasi abbordabili: www.jmlaser.com
In particolare ho messo gli occhi sul modello K12N, che possiamo vedere qui:
Si tratta di un sistema completo formato da una coppia di galvanometri montati a 90 gradi su un unico supporto, la scheda di controllo di potenza, oltre che di una scheda a microprocessore per l'interfacciamento con standard DMX512.
Nel kit c'era anche un alimentatore dedicato alimentabile da 90 a 230 V, 50Hz.
Per scaricare il datasheet questo è l'indirizzo: http://www.jmlaser.com/downloads/Datasheet_K12N_E.pdf
Ho acquistato il kit qualche anno fa e non ricordo precisamente quanto l'ho pagato, perciò suggerisco di chiedere al fornitore le quotazioni aggiornate.
Dalla scheda tecnica si possono rilevare le seguenti caratteristiche:
- Massimo angolo di scansione: 40 gradi
- Frequenza: da 8K a 15K, mediamente12K pps (passi al secondo)
- Specchi al dielettrico con riflettività superiore al 90%
- Formato specchi : 5 x 10 mm
- Temperatura massima di funzionamento : 50 gradi C'
Il gruppo galvanometri è corredato dai flat cable per la connessione alla sua scheda driver:
LA SCHEDA DRIVER
Purtroppo sulla scheda in dotazione non ho molte notizie, in quanto è stata acquistata già montata.
Da quello che posso presumere contiene una coppia di amplificatori con banda passante che arriva alla continua, questo perchè anche quando il galvanometro è fermo la corrente ci passa comunque.
La corrente di pilotaggio si aggira sull'ampere, con una tensione di circa 15 V.
Osservando le sigle dei componenti ho notato che sono presenti:
una coppia di LM324N, uno stabilizzatore LM7915 e un LM7815, sull'aletta sono fissati due TDA2030 (amplificatori da 18W Hi-Fi oppure driver da 35W), infine sulla parte centrale c'è un modulo ibrido marcato E266X, dalla funzione ignota (essendo immerso nella resina).
LA SCHEDA A MICROPROCESSORE
La sua funzione è quella di interfacciare la scheda driver con le tensioni di controllo esterne quali schede Bilda o segnali analogici generati da un PC. Dispone inoltre di un DEMO interno che mostra una serie di disegni, scritte e figure geometriche in movimento. Ottimo per i test, la tarature e le diagnosi.
Un dip switch connesso tramite un cavo flat serve a presettare alcuni parametri della scheda e ad impostare il demo.
C'è poi una capsula microfonica che presumibilmente ha la funzione di generare qualche tipo di grafica in funzione della musica ambientale. In realtà non sono mai riuscito a farla funzionare :)
Come sopra accennato, la scheda è interfacciabile tramite lo standard DMX512, ma non ho mai usato tale funzione in quanto non posseggo per ora un controller per tale sistema.
Per i miei scopi ho invece costruito una scheda di interfaccia bIlda, molto famosa e usata spesso anche a livello semiprofessionale. I dettagli li pubblico in seguito.
L'ALIMENTATORE
E' un piccolo alimentare switching con entrata da 90 a 230 V CA e presenta delle uscite a +18 - 18 V, max 1 A
Le sue piccole dimensioni sono molto utili per sistemarlo nel case senza rubare troppo spazio.
IL CONTENITORE
Per ospitare il laser show mi serviva una scatola metallica piuttosto capiente e non avendo a disposizione un rack professionale ho usato... un case da PC.
Dopo aver asportato l'asportabile e averla svuotata per bene ho preparato un pannello in policarbonato che ho applicato sul frontale, ricavando la finestra per l'uscita del raggio laser.
La finestra non va coperta con vetro o plastica! Per quanto trasparenti questi ostacolano il raggio e causano riflessioni all'interno.
Peggio ancora se la superficie e' impolverata.
Ecco il risultato :
Sullo stesso pannello frontale sono stati sistemati : la presa di alimentazione, l'interruttore principale, l'interruttore del laser e quello del sistema di raffreddamento e un amperometro per tener d'occhio l'assorbimento del laser.
Il potenziometro è stato previsto per usi futuri, ad esempio regolare con facilità il segnale modulante.
In questa veduta possiamo osservare la disposizione interna dei componenti.
Dietro il pannello anteriore c'è il blocco alimentatore del laser (trasformatore toroidale riavvolto), oltre a quello per le celle di Peltier (toroidale impaccato).
Queste servono a "termostatare" il modulo laser per farlo lavorare alla temperatura prevista, circa 25 gradi.
Sul fondo è sistemato il laser DPSS (momentaneamente senza alette di raffreddamento) e a sinistra il doppio galvanometro.
Particolare del laser e dei galvanometri.
L'ottica collimatrice del laser è nuova, realizzata al tornio appositamente per questo impiego. Usa una lente convessa recuperata da un surplus militare non meglio identificato, acquistato in fiera.
Osservare anche la presenza sul pannello posteriore di una ventola ex PC, per agevolare il raffreddamento del laser e degli alimentatori.
In questa foto possiamo invece vedere la scheda driver di potenza (siglata E266X), di fianco l'alimentatore switching e sotto la scheda a microprocessore - interfaccia DMX512.
Vista dal lato sinistro del case. Si possono vedere il gruppo alimentatori con trasformatore toroidale.
Quello per le celle di Peltier è un normale alimentatore stabilizzato a 12V 5 Ampere, mentre quello per il laser eroga una corrente costante regolabile in vari step, per poter modulare la potenza di emissione del laser da 50 mW fino a 400 mW.
Il circuito di regolazione della corrente è montato sul circuito stampato in alto a destra.
Dettaglio del gruppo galvanometri.
Notare lo spessore degli specchi, che non raggiunge i 3 decimi di millimetro.
Questo per risparmiare peso sulle masse mobili ed aumentare così le prestazioni del sistema di deflessione.
I minuscoli vetrini hanno un rivestimento in materiale dielettrico e una riflettività del 90 %.
Ed ecco la scheda bIlda di cui ho accennato prima.
Si tratta di una scheda di interfaccia che tramite standard USB2 permette il pilotaggio tramite computer, ovviamente dotato di apposito software.
Con opportuni editor è possibile crearsi in proprio le seguenze animate da usare nel laser show.
NON E' UN CIRCUITO DI MIA PROGETTAZIONE, ma è disponibile in rete su diversi siti in tema, ad esempio: www.linux-laser.org/
Questo è lo schema elettrico, che è possibile scaricare dal sito sopra menzionato:
Io ho solo realizzato il circuito stampato partendo dal master originale e assemblando con cura i componenti, alcuni di questi piuttosto difficili da reperire, come ad esempio l'integrato USB AN2135SC.
Layout dei componenti sulla scheda bIlda.
Questo è invece l'elenco dei componenti :
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E questa è la scheda bIlda in fase di montaggio nel case.
Per il poco spazio disponibile la scheda è stata montata sopra le altre, per mezzo di alcune flange distanziatrici.
Sul connettore da 25 poli presente sulla parte destra sono disponibili le uscite analogiche. L'input è invece il connettore USB presente sul lato sinistro.
Lo zoccolo vuoto serve per la memoria EEPROM, che viene utilizzata solo in alcune procedure Linux.
Seguono alcune immagini del sistema di deflessione e delle foto riprese mentre sta tracciando dei disegni.
