Самодельная макровспышка на ATmega8

[Impulsite]

Не проверял всю формулу, но вместо log надо бы ln
t = -0,5*(C*R*ln((((U1*U1)-(U0*U0))*k)+(U0*U0))-(2*C*R*ln(U0)))

[Impulsite]

vvsector85, где у меня ошибка? У меня почему-то Uo в знаменатель упало:

1) E=С(U²-Uг²)/2

2) U=Uo*e^x

3) x=-t/RC

1. 2E/C+Uг²=U²
2. 2E/C+Uг²=(Uo*e^x)²
3. Uo*e^x=scrt(2E/C+Uг²)
4. e^x=(scrt(2E/C+Uг²))/Uo
5. x=ln((scrt(2E/C+Uг²))/Uo)= ln(scrt(2E/C+Uг²)) - ln(Uo)
6. -t/RC=ln((scrt(2E/C+Uг²))/Uo)
7. t=-R*C*ln((scrt(2E/C+Uг²))/Uo)

PS:

[vvsector85]

нет, в Си log - это натуральный логарифм, log10 - по основанию 10.
Ой, не знаю, где ошибка, я же говорил, что далек от алгебры, пользовался онлайн-калькуляторами, ссылки на которые привел выше.
Если Ваше уравнение "упростить" в калькуляторе, получается вот это:

(U_г заменил на V, а E - на A)
Так что, возможно, и Ваше уравнение верно.
Да, точно, Ваше уравнение тоже верно, график функции идентичен моему (тому, который t(E))

[vvsector85]

С обычным режимом вспышки теперь, в роде бы, все ясно. Теперь заморочка с HSS.
Чтобы избежать градиентного освещения, нужно делать переменную скважность - чем ближе к концу серии импульсов - тем больше заполнение, т. к. напряжение падает. При чем, рассчитывать длительность каждого следующего импульса на лету, во время вспышки - не вариант, т. к. вычисления займут время. Значит, нужно заполнить расчетными данными массив, в котором будет длительность каждого импульса. Надеюсь, я смогу придумать, как это реализовать, но боюсь, все это может не влезть в выбранный МК. Занято уже 94% из 8 Кб его памяти.
Пока что не придумал способ расчета. Опять будет какое-то уравнение или их система. Как же лучше и рациональнее это сделать? Возникают следующие вопросы:
- должна ли быть постоянной частота импульсов?
- какое количество импульсов будет достаточным?
- если по ДШ частота работы транзистора - 150 Кгц, то минимальный полупериод ШИМ будет 3,33мкс?

Что касается интерфейса, основной экран выглядит приблизительно вот так:


вверху экрана условно обозначены 4 режима:
- регулировка мощности с шагом 1/2, 1/4, 1/8...
- регулировка мощности 1-100%
- регулировка длительности импульса (выдержка) 1/500 - 1/100000 с
- HSS
(текущий режим в негативе)

справа - сдвоенная шкала (напряжение на конденсаторе/потребляемый ток) и индикатор заряда батареи.

внизу - числовые значения U_конд., I_потр. U_бат.

посредине экрана остается место для крупных цифр, отображающих параметры текущего режима.

Буду рад предложениям и замечаниям по интерфейсу.

[vvsector85]

Пока что, на ум приходит только вот это:

T_n - длительность n-ного импульса
T - период ШИМ
N - количество импульсов в серии
Соответственно, скважность каждого периода будет равна S = T/(T-T_n)

Теперь это как-то нужно записать в строчку, чтобы упростить и проверить.

[vvsector85]

Ура! Кажется, получилось! Для наглядности, поделил всю серию вспышек в HSS всего на 3 импульса (можно выставить любое разумное значение), вот результаты вычислений:

1-й импульс: U_cap = 300 В, T₁ = 271 мкс
2-й импульс: U_cap = 247 В, T₂ = 448 мкс
3-й импульс: U_cap = 180 В, T₃ = 1549 мкс

сумма импульсов по времени совпадает с максимальной длительностью (U_г = 60 В): 2268 мкс. Энергия каждого импульса одинакова.

Но, боюсь придется перебираться на ATMega168, т.к. занято 97% памяти, интерфейс еще не доделан, а все что можно было оптимизировать - я оптимизировал, как мне кажется.

Формулу, ту что вверху, проверить не удалось, пришлось использовать несколько уравнений, но идея та же. Чуть позже постараюсь изложить логику вычислений.

[A-Gugu]

А я сделал по другому

У меня есть вспышка Godox DE-300, там регулировка от 1.0 до 3.0, с шагом 0.1 И это 3 ступени диафрагмы, от 1/1 до 1/8. Когда делал свою вспышку, подключил вольтметр к основным конденсаторам вспышки, и замерил напряжение для каждой ступени, что и перенёс потом в свой проект

[Impulsite]

У меня есть вспышка Godox DE-300, там регулировка от 1.0 до 3.0, с шагом 0.1 И это 3 ступени диафрагмы, от 1/1 до 1/8. Когда делал свою вспышку, подключил вольтметр к основным конденсаторам вспышки, и замерил напряжение для каждой ступени, что и перенёс потом в свой проект

Что-то совсем не в тему.

[A-Gugu]

В тему замера мощности импульса

[Impulsite]

В вашем проекте предусмотрен режим HSS? Скорее всего, нет, не предусмотрен. И кроме того, регулирование уровнем напряжения приводит к изменению цветности света лампы. При большом диапазоне регулирования это может быть существенным минусом.

[vvsector85]

Портировал проект на ATMega168, (этот МК стоит всего на 50 центов дороже), но теперь есть куча свободной памяти (целых 16 Кб против 8 у ATMega8, при том что 4 Кб занимает только библиотека LCD-экрана).
Что скажете на счет моих вычислений? Похоже на правду?

[vvsector85]

Что-то я не могу понять на счет длительности серии импульсов и их количества в HSS.
Вот, здесь, например, приводятся графики вспышки в режиме HSS Minolta 5600HSD.
8,6 КГц меня устраивают, вполне приемлемо и для транзистора и для разрядности ШИМ, но почему продолжительность серии - 21 МИЛЛИСЕКУНДА?!
Кого освещает эта вспышка, если время прохода шторки - около 4-5 мс?!
Вот, например, на этом видео, (с 29-й секунды) замеряется время прохода шторки на Canon 5D mkII https://www.youtube.com/watch?v=ptfSW4eW25g
На моем Canon 450D получалось фотографировать с обычной (не встроенной) вспышкой на выдержке 1/320 без появления шторки в кадре.
Может, такой медленный затвор - это особенность камеры Minolta? Тогда получается, что этой камерой без HSS можно только на выдержке 1/50 фотографировать?

На данный момент, мне удалось в симуляции сделать ШИМ переменной скважности (длительность каждого импульса рассчитывается таким образом, чтобы энергия была одинаковой для каждого периода) 11Кгц, что больше чем у Минолты, но при длительности 4 мс - это всего лишь 45 импульсов. Не уверен, что этого будет достаточно.

Обнаружил еще одну проблему - частота HSS должна быть согласована с ёмкостью конденсатора, т. к. при большой ёмкости (если, конечно, всю ее использовать) заполнение ШИМ может оказаться очень высоким, и интервал между импульсами будет очень коротким, чего, вероятно, может не выдержать транзистор.

Вообще, по расчетам, если ёмкость конденсатора будет 1500 мкФ, а сопротивление в цепи 3 Ом, то до 60В (гашение лампы) напряжение упадет за 7.25 мс.
Наверное, для HSS нужно установить напряжение гашение повыше, иначе не избежать длинных импульсов в конце серии вспышек. Конечно, тогда не будет использована вся энергия, накопленная в конденсаторе, но я не вижу другого пути, как обеспечить высокую частоту HSS и избежать интервалов ШИМ, выходящих за пределы возможностей IGBT-транзисторов.

P.S.: хотелось бы услышать от коллег хоть какие-то комментарии и предложения. Ведь я пытаюсь сделать не просто вспышку для своих скромных нужд в дентальной фотографии, а универсальный проект, который может быть положен в основу многих фотовспышек, с другим назначением и параметрами.

[Impulsite]

Как сказал поэт:
Нас мало, нас адски мало
...
Мы в одиночку к истине идём...
Первому всегда труднее, но вы удивляете своим упорством. Так держать!

Относительно графиков вспышки в режиме HSS Minolta 5600HSD: их надо перепроверять. Не всё, что пишут в инете является истиной. Например, вызывает сомнение фраза:

По расчетам на Минольте 7D скорость шторок равна примерно 1 метр в сек. и щель затвора перемещается по высоте кадрового окна в течение 21 мсек

Высота матрицы 15,2 мм, выдержка синхронизации 1/160 с. Если включен стабилизатор, то выдержка синхронизации понижается до 1/125 с, что, в общем-то, понятно, в режиме стабилизации приходится учитывать возможные поперечные перемещения матрицы, а это эквивалентно увеличению высоты матрицы.
Отсюда следует, что шторка затвора должна пройти 15,2 мм за время меньшее, чем 1/160 секунды (0,00625 с). Скорость шторок должна быть больше, чем 15,2мм/(0,00625с)= 2,4 м/с. И более вероятно, что скорость выше, чем полученная величина. Но никак не 1 м/с.

Кратчайшая выдержка х-синхронизации складывается из времени открытия первой шторки t_откр и времени открытого состояния матрицы t_имп, необходимого для отработки одиночного импульса вспышки.
В режиме HSS к этому времени добавляется ещё время закрытия второй шторки t_закр. Т.е. длительность HSS-мерцания t_HSS ⩾ t_откр + t_имп + t_закр.

Также непонятно откуда взята длительность 21 мсек. Если из графика, то нет ли ошибки в методе получения графика, в интерпретировании цифр графика?
Возможно, это сумма t_откр + t_имп + t_закр= 1/125 + 1/250 + 1/125, что равно как раз 20 мс, и с запасом перекрывает время работы затвора и обеспечивает HSS с включённым стабилизатором. Ещё можно предположить, что Минольта в режиме HSS начинает мерцание вспышки сразу при нажатии спусковой кнопки, без учета лага затвора. Но тогда много энергии вспышки расходуется бесполезно. Это всё гадания. Надо по-возможности перепроверить графики. Полезно при этом совместить их с диаграммой работы затвора.

На моем Canon 450D получалось фотографировать с обычной (не встроенной) вспышкой на выдержке 1/320

Интересно, какая это была вспышка? На каком уровне мощности?
vvsector85, не могли бы вы осциллографом снять картинку импульсов в режиме HSS на своей камере с кэноновской вспышкой, и снять диаграмму движения шторок, записывая звук спусковой кнопки и звук работы затвора. Необходимы актуальные данные - сейчас камеры более скоростные, чем это было 10 лет назад. Можно сравнить, например, с данными в текстах, которые кажутся более достоверными:
Протокол Canon E-TTL - как это на самом деле выглядит?
Протокол Nikon i-TTL - как это на самом деле выглядит?

для HSS нужно установить напряжение гашение повыше

Кстати, насчет употребления слова "гашение" в отношении импульсной лампы. Меня смутило это слово в ваших формулах в виде "U_{гашения}".
Как-то считается, что U_{гашения}" - это напряжение, при котором импульсная лампа самопроизвольно гасится, отключается. Полагаю, в ваших расчетах логичнее использовать не "U_{гашения}", а "U_выкл" или как-то иначе, так как лампа в вашем проекте выключается принудительно.
Хорошо, если импульсная лампа способна зажигаться от 100 В и выше, но это нечасто встречается. Обычно напряжение устойчивого зажигания начинается от 190-220 В. Т.е. при уменьшении напряжения на основном конденсаторе ниже этой величины лампа может перестать зажигаться. Конечно, если в схеме не предусмотрена вольтодобавка. Это тоже надо иметь в виду для универсального проекта.

[vvsector85]

Во вложении архив с фотографией, сделанной на выдержке 1/320 (в метаданных можно посмотреть). Как видите, это даже не вспышка, а макет с шестью параллельно соединенными лампами от пленочных мыльниц. Вообще, удивительно, что в кадре нет шторки, т. к. длительность импульса не могла быть большой при мизерном сопротивлении ламп (приблизительно R= 0.8/6 + 0.5 = 0.63 Ом) и небольшой ёмкости (точной ёмкости не помню, но она могла быть в пределах от 100 до 360 мкФ).

На счет "гашения", и "выключения".
Действительно, следует определиться с номенклатурой. Идея проекта - в универсальности прошивки. Т. е. любой конструктор вспышек может взять мою прошивку и даже не внося изменений в исходный код, установить все необходимые значения (C, R, U₀ и т. д., данные будут сохраняться в EEPROM микроконтроллера, все необходимые расчеты будут выполнены самим МК) в соответствии с параметрами своей лампы, конденсатора и т. д. Поэтому, важно четко понимать, какая переменная за что отвечает.

Кстати, везде, где в формулах использовалось U_{гашения}, речь действительно шла о напряжении самопроизвольного выключения лампы, и везде, в примерах вычислений, это была константа - 60В. В расчетах эта величина нужна, чтобы определить максимальное время горения лампы.
Думаю, понадобиться несколько переменных для обозначения пределов напряжения на лампе:
- Напряжение полного заряда ёмкости U₀
- Напряжение самопроизвольного отключения лампы U_г
- Минимальное напряжение зажигания лампы Umin
- Напряжение, до которого будет рассчитываться серия импульсов HSS (без вольт-добавки, наверное, оно будет равно Umin, но, все равно, єтот параметр следует предусмотреть) U_?
Также, возможно, понадобится отсекать пологую часть кривой разряда и для одиночного импульса.

не могли бы вы осциллографом снять картинку импульсов в режиме HSS на своей камере с кэноновской вспышкой, и снять диаграмму движения шторок, записывая звук спусковой кнопки и звук работы затвора.

К сожалению, у меня нет накамерной вспышки с HSS, а встроенная, вероятно, HSS не поддерживает, т. к. при ее использовании, выдержку нельзя выставить короче 1/200 (Искусственное ограничение? Ведь и при 1/320 получалось синхронизировать)

Попробовал записать звук затвора при выдержке 1/4000, но, кроме звука зеркала ничего расслышать/рассмотреть не смог.


https://impulsite.ru/ctlg/.../img_4227.rar
https://impulsite.ru/ctlg/.../zatvor.rar

[Impulsite]

у меня нет накамерной вспышки с HSS

Но, наверное, есть у коллег-фотографов?

[Impulsite]

Минимальное напряжение зажигания лампы Umin
- Напряжение, до которого будет рассчитываться серия импульсов HSS (без вольт-добавки, наверное, оно будет равно Umin, но, все равно, этот параметр следует предусмотреть) U?

Предлагаю
- Минимальное напряжение зажигания лампы Umin -> U_з или U_заж.
- Напряжение, до которого будет рассчитываться серия импульсов HSS: как конечное U_к, U_кон или нижнее U_н, U_ниж.
Как-то так...

[Impulsite]

Интересно. Думаю, чтобы "увидеть" пики второй шторки надо увеличить выдержку хотя бы до 1/15, до 1/4 и так, чтобы в паузе не мешали посторонние звуки. Тогда в тишине хорошо слышно, как вторая шторка закрывает окно, а потом, с грохотом, падает зеркало. Первую шторку, наверное, будет сложнее выявить, так как там весь корпус гудит после прыжка зеркала. LiveView позволяет заранее поднять зеркало. Тогда и первая шторка будет хорошо слышна.

Получив характерные звуковые портреты первой и второй шторки и, постепенно уменьшая выдержку, можно будет научиться выделять их пики и на выдержках короче х-синхронизированной.

А где на диаграмме находится второй щелчок спусковой кнопки?

[vvsector85]

Вот осциллограммы симуляции серии из 80 импульсов, длительность - 5 мс, для наглядности показаны только 4 первых и 4 последних импульса. Нижний предел напряжения снизил до 160В (Uк). При таких параметрах, все вполне приемлемо, частота 16 КГц. Если же понизить минимальное напряжение (в случае с вольт-добавкой, например), то амплитуда заполнения может возрасти до опасных пределов, когда интервал между импульсами станет слишком коротким.

[Impulsite]

Подумалось, а что если светодиодом светить прямо в камеру или на лист бумаги перед камерой с различной частотой и скважностью, в известных пределах, чтобы опытным путем выявить необходимые параметры HSS мерцания на разных выдержках затвора. Выяснить минимальную частоту, которая проявляется неравномерной экспозицией кадрового окна? Это сложно?

[vvsector85]

А где на диаграмме находится второй щелчок спусковой кнопки?

Хотел бы я знать. Кнопка у Кэнона довольно тихая, ее звук мог затеряться на фоновом шуме (вентиляторы ПК и т. д.). Буду пробовать еще. И частоту дискретизации нужно повысить.
В LiveView вместо поднимающегося зеркала слышна закрывающаяся диафрагма. Наверное, в обычном режиме, ее не слышно за грохотом зеркала. Странно, что даже если полностью открыть диафрагму, все равно перед щелчком затвора слышен ее звук. Разобрать что либо в шуме затвора у меня пока не получилось, можно предположить, что самый первый небольшой всплеск - это и есть опускающаяся вторая шторка, как раз около 5 мс (первая уже опущена, т. к. LV), а дальше - непонятный грохот (wav в архиве).


На счет светодиода - можно попробовать, помигать им не сложно, но результат может отличаться, т.к. у светодиода практически нет инерции, думаю, он гаснет быстрее, чем лампа. Заполнение, в случае со светодиодом, будет постоянным, его значение нужно взять минимальным (как в начале серии импульсов).
И еще, чтобы засветить матрицу светодиодом, даже при F/1.8 на выдержке 1/4000, нужен мощный светодиод.

И еще, хотел бы пояснить: на данном этапе разработки мне не так важны точные значения параметров, я стараюсь сделать так, чтобы их всегда можно было изменить, но мне важно понимать, в каких диапазонах эти значения могут быть, и я стараюсь максимально расширить эти диапазоны, учитывая все возможные ограничения, как, например, минимальная частота HSS, а максимальная будет определяться минимальным временем открытия/закрытия транзистора и разрешением ШИМ.

На счет HSS, по приведенным Вами ссылкам нашел следующую информацию: у Canon EX частота HSS 50 кГц, чего достаточно для равномерного засвета при выдержке 1/16000, длительность - 10 мс. К сожалению, не владею немецким, чтобы изучить статью в оригинале.
Воспроизвести такие показатели проблематично. Даже хранить в оперативной памяти МК данные о длительностях такого количества (500) импульсов и то проблематично, даже при 8-бит разрешении. Разве что упростить массив - объединить импульсы в группы по несколько штук и присвоить им общую усредненную длительность (у соседних нескольких импульсов при таком их количестве отличия в длительности все равно будут меньше разрешающей способности ШИМ).

LiveView.rar

[vvsector85]

Итак, в симуляции удалось получить ШИМ переменной скважности, частотой 32КГц длительностью 10 мс. Разрешение ШИМ - 8 бит (256 градаций). В принципе, это хорошо, пусть не 50КГц, как у Canon EX, но и выдержку 1/16000 мало какая камера может обеспечить. Проблема в другом - отсутствие гибкости. Чтобы обеспечить наилучшее возможное разрешение ШИМ, частота должна быть фиксированной. А это значит, что при длительности серии импульсов 10 мс, для обеспечения допустимой амплитуды скважности, нужна определенная ёмкость конденсатора, по крайней мере, лежащая в определенных пределах. Например, если ёмкость будет 470мкФ, то первые импульсы в серии будут иметь продолжительность порядка 1,7 мкс, с чем транзистор не справится. Так что, с универсальностью есть проблемы. Хотя, тут, как раз, может помочь вольт - добавка (приведенные примеры расчетов были с минимальным напряжением зажигания Uз=160В)

[vvsector85]

Уже лучше - нашел способ, как произвольно менять частоту ШИМ. При этом, при тактовой частоте МК 8МГц, максимальная частота ШИМ при 8-битном разрешении - 31250 Гц, с понижением частоты, разрешение будет увеличиваться. В общем, теперь можно задавать любой период и количество импульсов, программа рассчитает продолжительность каждого импульса и т. д.
Загадкой для меня остаются параметры транзистора. Какая минимальная продолжительность импульса допустима для него?

[Impulsite]

Прямо в начале спецификации частотные свойства обозначены:

Benefits

• Lower switching losses allow more cost-effective
  operation than power MOSFETs up to 150 kHz
  ("hard switched" mode)
• Of particular benefit to single-ended converters and
  boost PFC topologies 150W and higher
• Low conduction losses and minimal minority-carrier
  recombination make these an excellent option for
  resonant mode switching as well (up to >>300 kHz)

В режиме "жёстких переключений" до 150 кГц. Вероятно, что минимальный период импульса равен обратной величине частоты, т.е. 1/150000 секунды.

[vvsector85]

Я вижу, что 150КГц. Частота у меня в любом случае ниже, интересна именно минимальная длительность импульса. на счет "Вероятно, что минимальный период импульса равен обратной величине частоты, т.е. 1/150000 секунды." - не соглашусь. Эта величина обязана быть, как минимум, вдвое меньше, т.к. частота подразумевает два полупериода. И то, это идеальный случай, для заполнения 50%. Ниже, в ДШ, приводятся графики зависимости длительности периода и "температурного ответа", но я не знаю, что это означает. И что за "resonant mode switching", в котором частота до 300КГц.
Обнаружил еще одну проблему: при одиночной вспышке, в симуляции, конечное напряжение на конденсаторе в точности соответствует расчетному, а в HSS опускается ниже (при расчетном 160 В, последний импульс заканчивается на 130 В). Похоже, Протеус учитывает потери на транзисторе. Хотелось бы эти потери тоже включить в расчеты, только я пока не знаю как.

[Impulsite]

частота подразумевает два полупериода

А как быть, когда частота, к примеру, прямоугольного сигнала 150 кГц, а коэффициент заполнения 0,9 и, вообще, больше 0,5)? Частота тогда уже и не частота вовсе?
Важно поддерживать общее понимание "периода" и "частоты", как величины, обратной периоду.