LED DisplayV2

POV_Display_PCB

📋 สรุปโปรเจกต์ POV Display 4 แถว LED

เอกสารสำหรับนำเสนออาจารย์ — สรุปการตัดสินใจดีไซน์ทั้งหมด

🎯 1. ภาพรวมโปรเจกต์

ชื่อโปรเจกต์: Rotating LED Display (POV - Persistence of Vision)

อ้างอิงหลัก:

• Hackaday RD40: Rotating LED Display by lhm0
• Royer Converter from Mikrocontroller.net

ความต่างจากต้นฉบับ:

🔧 2. หลักการทำงาน

2.1 Persistence of Vision (POV)

LED จำนวนน้อยหมุนเร็วๆ + เปิด/ปิดตามจังหวะ → ตามนุษย์เห็นเป็น "ภาพเต็ม"

ที่ 2000 RPM:

• 33 รอบ/วินาที = 33 FPS
• 240 พิกเซลต่อรอบ
• 125 µs ต่อพิกเซล

2.2 Wireless Power Transfer

ใช้ Royer Converter ส่งไฟไร้สายจากฐานคงที่ → บอร์ดที่หมุน

• หลีกเลี่ยง slip ring (สึกหรอ, มี noise)
• ใช้ PCB coil 2 ตัว coupled กันผ่านอากาศ

⚡ 3. Royer Converter (Wireless Power Source)

3.1 หลักการ Resonant Royer

• Self-oscillating LC tank ที่ความถี่ resonance
• ใช้ Zero Voltage Switching (ZVS) → ประสิทธิภาพ 90%+
• สร้าง sinewave 120 kHz → secondary coil รับสนามแม่เหล็ก

3.2 สเปก Royer

🔌 4. การกระจายไฟ (Power Distribution)

12V DC Adapter
     │
     ▼
Royer Converter (120 kHz)
     │
     ▼
Primary PCB Coil (ฐาน)
     ║
     ║ wireless transfer (air gap 3-5mm)
     ║
     ▼
Secondary PCB Coil (rotor)
     │
     ▼
Bridge Rectifier (4× SS14 Schottky)
     │
     ▼
C1 = 220µF + C2 = 1µF ceramic (smoothing)
     │
     ▼ V_raw ~7V
     │
     ├──→ Arduino Nano VIN (regulator internal → 5V)
     │
     └──→ AMS1117-5.0 → +5V rail

💡 5. การออกแบบ LED Layout

5.1 ตำแหน่งของ 4 แถว

เลือกใช้: 45° / 135° / 225° / 315° (KiCad-friendly)

        แถว B (135°)
        ●●●●●●●●●●●●●●●●
                │
แถว C ──────────●────── แถว A (45°)
(225°)          │
        ●●●●●●●●●●●●●●●●
        แถว D (315°)

เหตุผล:

• ✅ KiCad routing สนับสนุน 45° native
• ✅ Effective scan rate = 4× ต่อรอบ
• ✅ Mirror symmetric → balance สมบูรณ์
• ✅ พื้นที่ว่างที่ 0/90/180/270° สำหรับวางอุปกรณ์

5.2 หลักการเลื่อนรัศมี

ในแต่ละคู่ของแถว:

• เลื่อนรัศมี 1mm → เติม "ช่องว่างเชิงรัศมี" ระหว่าง LED
• ทำให้ภาพต่อเนื่อง ไม่มีจุดมืด

🖥️ 6. ระบบ Control

6.1 Arduino Nano (ATmega328P, 5V logic)

Pin Assignment:

6.2 Shift Register Cascade

• TPIC6C595 × 8 ตัว = 64 outputs
• ต่อ cascade ผ่าน SER_OUT → SER_IN
• SPI 16 MHz: ส่ง 64 bit ใน 4 µs

6.3 Image Storage (PROGMEM)

• ขนาดต่อภาพ: 960 bytes (240 มุม × 32 bit, เก็บแค่ 1 คู่)
• Flash 32KB ของ Arduino: เก็บได้ ~25 ภาพ
• ภาพ static, compile ใหม่เมื่อต้องการเปลี่ยน

🛒 7. BOM (Bill of Materials)

7.1 Power Section

7.2 Logic Section

7.3 LED Section

7.4 Wireless Power

🎨 8. PCB Design Decisions

8.1 Board Specifications

8.2 Critical Design Rules

8.3 Ground Pour & Stitching

• Top + Bottom ground pour บนพื้นที่ว่างทั้งหมด
• Stitching vias ทุก 10-15mm เชื่อม top/bottom GND
• พิเศษ: vias 4-6 ตัวใกล้ AMS1117 (heat dissipation)

🔬 9. การคำนวณสำคัญ

9.1 Power Budget

9.2 Timing ที่ 2000 RPM

• 30 ms/รอบ
• 240 พิกเซล/รอบ → 125 µs/พิกเซล
• SPI 64 bit: ส่งใน 4 µs (3.2% ของ timing budget)
• เหลือเวลา 121 µs สำหรับการคำนวณอื่น ✓

9.3 Refresh Rate

• 4× scan ต่อรอบ × 33 rotations/sec = 133 Hz effective refresh
• ไม่มีการกระพริบที่ตาเห็น

⚠️ 10. ความท้าทาย & การแก้ปัญหา

10.1 EMI/Noise จาก Royer

ปัญหา: Royer 120 kHz สร้างสนามแม่เหล็กแรง

การแก้:

• Ground plane ทั้ง 2 ชั้น
• Decoupling cap (100nF) ใกล้ทุก IC
• Power-on reset RC สำหรับ shift register
• A3144 อยู่ห่างจาก secondary coil อย่างน้อย 10mm

10.2 Mass Balance

ปัญหา: บอร์ดต้องสมดุลที่ความเร็ว 2000 RPM

การแก้:

• Component placement สมมาตรกับแกน 0°-180°
• รูยึด M2 รอบขอบ 4-8 รู สำหรับ balance weight
• LED 4 แถว 4 ทิศ → balance อัตโนมัติ

10.3 Heat Dissipation

ปัญหา: AMS1117 drop 2V × ~400mA = 0.8-1.5W

การแก้:

• Copper pour 2×2cm ใต้ AMS1117
• Stitching vias เชื่อมไป bottom GND plane
• Operating temp คาดการณ์: ~80°C (ใต้ขีดจำกัด 125°C)

📅 11. Progress & Next Steps

✅ สิ่งที่เสร็จแล้ว

• Schematic หลัก (Arduino + LED + Power + Hall sensor)
• Bridge rectifier + AMS1117 power supply
• LED layout 4 แถว at 45/135/225/315°
• PCB layout เบื้องต้น
• BOM พร้อม part numbers
• Capacitor selection (X7R, tantalum spec)

🚧 กำลังทำ

• Ground pour (top + bottom)
• Stitching vias
• DRC check + final routing

📋 ขั้นต่อไป

• PCB Royer driver (ฐานคงที่)
• PCB coil design (3 coils: primary bifilar, coupling, secondary)
• Arduino code + Python script สร้าง PROGMEM image
• Mechanical mounting (CD motor + base)
• Testing & calibration

📚 12. Technical References

1. Hackaday RD40 Rotating LED Display - lhm0
   • URL: hackaday.io/project/191947-rotating-led-display
2. Royer Converter Theory - Mikrocontroller.net
   • URL: www.mikrocontroller.net/articles/Royer_Converter
3. AMS1117 Datasheet - Advanced Monolithic Systems
4. TPIC6C595 Datasheet - Texas Instruments
5. IPC-2221 - PCB Trace Current Capacity Standard

🎓 ภาคผนวก: ตารางการตัดสินใจสำคัญ

💬 คำถามที่อาจารย์อาจถาม + คำตอบ

Q1: ทำไมไม่ใช้ ESP32 ที่ทันสมัยกว่า? A: Arduino Nano เพียงพอสำหรับ timing budget (ใช้แค่ 3% ของเวลาต่อพิกเซล) และไม่ต้องการ WiFi/Bluetooth สำหรับ image storage แบบ static

Q2: ทำไมเลือก Royer Converter แทน buck/boost ปกติ? A: Royer เป็น self-oscillating, ไม่ต้องการ MCU/PWM controller, มี ZVS efficiency สูง และเหมาะกับการขับ resonant coil สำหรับ wireless power

Q3: ทำไม 4 แถวไม่ใช่ 2 แถวเหมือนต้นฉบับ? A: เพิ่ม effective scan rate เป็น 4× ทำให้ภาพสว่างขึ้นและกระพริบน้อยลง โดยเฉพาะที่ RPM ต่ำ

Q4: ทำไม PCB coil ไม่ใช้ wire-wound? A: PCB coil ได้ tolerance ดีกว่า, ทำซ้ำได้, ไม่ต้องประกอบ, ราคาเป็นส่วนหนึ่งของ PCB

Q5: balance ที่ 2000 RPM จะมีปัญหาไหม? A: ออกแบบให้สมมาตรกับแกน + มีรูสำหรับน็อตปรับ + LED 4 แถวกระจายช่วย balance อัตโนมัติ

อันนี้คือสรุปทั้งหมดที่คุยกันมา ครอบคลุมทุกการตัดสินใจ พร้อมเหตุผล ตัวเลข และเอกสารอ้างอิงที่อาจารย์มักถาม

ถ้าต้องการให้ผมขยายส่วนไหนเพิ่ม หรือทำเป็น slides PowerPoint บอกได้เลยครับ! 👍

ดีมากครับ Royer coil เป็นส่วนที่อาจารย์น่าจะถามรายละเอียดมาก ผมจะเพิ่มให้ละเอียดและครบทุกเรื่องที่คุยมา

📋 ภาคเพิ่มเติม: Royer Coil System

เอกสารส่วนเสริมสำหรับนำเสนออาจารย์ — โฟกัสที่ระบบ coil ของ Royer Converter

🔍 1. ทำไม Royer ต้องมี Coil 3 ตัว?

Royer Converter ในงาน wireless power ไม่ใช่ขดลวดเดียว แต่ใช้ระบบ 3 coil ทำงานร่วมกัน

┌─── ฝั่งฐาน (อยู่นิ่ง) ──────────────────┐
│                                          │
│   ┌─────────────────┐                    │
│   │ L1: Primary     │ ← coil หลัก       │
│   │     Bifilar     │   เป็น LC tank    │
│   │     17 turns    │   + ส่งกำลัง      │
│   └─────────────────┘                    │
│        ║║                                 │
│        ║║ inductive coupling             │
│        ║║                                 │
│   ┌────╨╨─────────┐                      │
│   │ L2: Coupling  │ ← coil เล็ก         │
│   │     6 turns    │   feedback ไป      │
│   │                │   gate MOSFET     │
│   └─────────────────┘                    │
└─────────────╫───────────────────────────┘
              ║
              ║ AIR GAP (~3-5mm)
              ║ → ส่งกำลังที่นี่
              ║
┌─────────────╫───── ฝั่งหมุน ──────────────┐
│   ┌─────────────────┐                     │
│   │ L3: Secondary   │ ← coil รับ        │
│   │     14 turns    │   อยู่บน rotor    │

⚙️ 2. หน้าที่ของแต่ละ Coil (อธิบายละเอียด)

2.1 L1 — Primary Bifilar Coil

หน้าที่ 2 อย่างพร้อมกัน:

1. เป็นส่วนหนึ่งของ LC Resonant Tank

   • ร่วมกับ capacitor 100nF → สั่นที่ 120 kHz
   • กำหนดความถี่ทำงานของระบบทั้งหมด

2. ส่งสนามแม่เหล็ก AC

   • ผ่านอากาศไปยัง secondary coil
   • กำลังส่งสูงสุด ~5W

ทำไมต้อง Bifilar (พันลวด 2 เส้นพร้อมกัน)?

• ได้ 2 ครึ่งที่ coupling กันสมบูรณ์
• ทำหน้าที่เป็น center-tap transformer
• ครึ่งซ้าย/ขวาทำงานสลับกัน ตอน MOSFET เปิด/ปิด

       ●───────●───────●
        │       │       │  ← Center tap → V+ supply
      Half 1  CT     Half 2
        │       │       │
        ●       │       ●
        │   ↓ MOSFETs ↓ │
        Q1     →     Q2
        │               │
        ●━━━━━━━━━━━━━●
              GND

2.2 L2 — Coupling Coil (Feedback)

หน้าที่: เป็น "ตัวฟัง" สนามแม่เหล็กของ L1 แล้วส่งสัญญาณไปเปิด-ปิด MOSFET

ทำไมต้องมี?

• Royer เป็น self-oscillating ต้องมี positive feedback
• L2 จะ induced voltage จาก L1 → ใช้ขับ gate ของ MOSFET
• ขั้วของ L2 สำคัญที่สุด — ต้องตรงข้ามกับ Q1/Q2 ที่กำลัง on

ขนาดทำไมเล็กกว่า L1 มาก?

• L2 = ~1/4 ของ L1 (ในแง่ turns)
• ได้ feedback voltage ที่เหมาะ (5-10V) สำหรับ gate
• ถ้าใหญ่เกินไป → gate voltage สูงเกิน → MOSFET พัง

2.3 L3 — Secondary Coil (รับพลังงาน)

หน้าที่: รับสนามแม่เหล็กจาก L1 ผ่านช่องอากาศ → จ่ายไฟให้บอร์ดที่หมุน

ขั้นตอน:

สนามแม่เหล็ก AC ที่ L1 ──→ L3 induced AC voltage
                              ↓
                         Bridge Rectifier
                              ↓
                         DC + Smoothing
                              ↓
                         AMS1117 → 5V → LED

อัตราส่วน turns กำหนดแรงดัน output:

• n₂/n₁ × coupling × V_primary = V_secondary
• ของเรา: 14/17 × 0.4 × 38V ≈ 12V peak → DC 10V → AMS1117 → 5V

🧮 3. การคำนวณค่าตัวเลข

3.1 ความถี่ Resonance

สมการพื้นฐาน: $$f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$$

กำหนดเป้าหมาย:

• f = 120 kHz (sweet spot ระหว่างขนาด coil กับ loss)
• C = 100nF (cap film polypropylene หาง่าย)

คำนวณ L ที่ต้องการ: $$L = \frac{1}{(2\pi f)^2 \cdot C} = \frac{1}{(2\pi \times 120{,}000)^2 \times 100 \times 10^{-9}}$$

$$L \approx 17.6 , \mu H$$

→ L1 รวม = 18 µH (จากปลายถึงปลาย)

3.2 คำนวณ Turns ของ Primary (L1)

ใช้ Mohan's Formula สำหรับ planar spiral coil:

$$L = \frac{\mu_0 \cdot n^2 \cdot d_{avg}}{2} \left[ \ln\left(\frac{2.46}{\rho}\right) + 0.20 \cdot \rho^2 \right]$$

ค่าที่กำหนด:

• d_outer = 90 mm
• d_inner = 30 mm (เผื่อพื้นที่ L2)
• d_avg = 60 mm
• ρ = 0.5 (fill ratio)

คำนวณ: $$L = 6.18 \times 10^{-8} \cdot n^2 , H$$

ต้องการ L = 18 µH: $$n^2 = \frac{18 \times 10^{-6}}{6.18 \times 10^{-8}} = 291$$

→ n ≈ 17 turns (bifilar = trace 2 เส้น × 17 รอบ = 34 trace ทั้งหมด)

3.3 ขนาด Trace ของ L1

พื้นที่ใช้งาน: (90-30)/2 = 30 mm รัศมี

ระยะต่อรอบ: 30/34 = 0.88 mm

แบ่ง:

• Trace width: 0.4 mm
• Gap: 0.48 mm

ตรวจสอบ current capacity:

• กระแส peak ของ primary: ~750 mA
• Trace 0.4mm × 35µm (1oz) รับได้ ~1.5A ที่ ΔT 10°C ✓

3.4 คำนวณ Turns ของ L2 (Coupling)

กฎทั่วไป: L2 = L1/4 ในแง่ inductance

ค่าที่ใช้:

• d_outer = 28 mm (ใส่ใน inner ของ L1)
• d_inner = 10 mm
• ρ = 0.47

→ n ≈ 6 turns (single, ไม่ bifilar) → L2 ≈ 2-3 µH

Trace:

• Width: 0.3mm
• Gap: 0.5mm
• Layer: single (top)

3.5 คำนวณ Turns ของ L3 (Secondary)

เป้าหมาย: ได้ V_DC ≈ 7-9V (สำหรับ headroom ของ AMS1117)

สมการ: $$V_{secondary,peak} \approx k \cdot \frac{n_2}{n_1} \cdot V_{primary,peak}$$

ค่าที่ใช้:

• V_primary,peak = π × 12V = 38V (ที่ resonance)
• k (coupling) = 0.4 (PCB coil + air gap 3-5mm)
• n₁ = 17 turns
• ต้องการ V_secondary,peak = 10V

$$\frac{n_2}{n_1} = \frac{10}{38 \times 0.4} = 0.66$$

→ n₂ ≈ 11 turns (เกือบ minimum)

บวก margin เผื่อ coupling แย่กว่าคิด: → n₂ = 14 turns (ปลอดภัย)

Trace: กว้างขึ้น = resistance ต่ำลง

• Width: 0.8mm
• Gap: 1.3mm

📐 4. PCB Coil Specifications สุดท้าย

🔬 5. หลักการ Coupling & Air Gap

5.1 Coupling Coefficient (k)

ค่า k บอกอะไร:

• k = 1.0 → coupling สมบูรณ์ (เช่น transformer มี core)
• k = 0.0 → ไม่ coupling เลย
• PCB coil + air gap 3-5mm: k ≈ 0.3-0.5

ปัจจัยที่กระทบ k:

5.2 ทำไม Air Gap 3-5mm?

ใหญ่กว่านี้ (>5mm):

• k ลดลงเร็ว
• ต้องเพิ่มกำลัง Royer → ร้อน
• Efficiency ตก

น้อยกว่านี้ (<3mm):

• กระทบกันได้ตอนหมุน
• Mechanical tolerance ลำบาก
• Bearing อาจขยับ

3-5mm = sweet spot สำหรับ:

• Mechanical safety margin
• k > 0.4 (efficiency ดี)
• ไม่ต้องการ precision machining

⚠️ 6. ความท้าทาย & การแก้ปัญหา

6.1 Polarity ของ Coupling Coil

ปัญหา: ถ้า L2 ต่อขั้วผิด → MOSFET ทั้งสองเปิดพร้อมกัน → ลัดวงจร → พังทันที!

วิธีตรวจสอบ:

1. เปิดไฟครั้งแรกผ่าน current-limited supply (ตั้ง limit 100mA)
2. หรือใส่ resistor 10Ω อนุกรมที่ V+
3. ถ้ากระแสกระโดด → ปิดทันที, สลับขั้ว L2
4. ถ้า oscillate ปกติ → ต่อตรงๆ ได้

6.2 Capacitor ต้องเป็น Film เท่านั้น

ห้าม: ceramic capacitor

เหตุผล:

• Ceramic 100nF Y5V ที่ AC 38V peak → ค่าลด 50%
• DC bias effect ทำให้ค่าไม่นิ่ง
• Ceramic ร้อนเร็วเมื่อทำงานที่ 120 kHz

ใช้: Polypropylene film cap, ≥250V rating

6.3 Tuning หลังประกอบ

ค่า L ที่คำนวณได้อาจ คลาดเคลื่อน ±20% เพราะ:

• PCB thickness ไม่เท่ากัน
• Copper thickness ผันแปร
• Layer alignment

วิธี tune:

1. วัดความถี่จริงด้วย oscilloscope
2. ถ้า f สูงกว่าเป้า → เพิ่ม C
3. ถ้า f ต่ำกว่าเป้า → ลด C

Tip: เริ่มด้วย C = 47nF + 100nF (ขนาน) → 147nF → tune ลงได้

6.4 Air Gap คงที่

ปัญหา: ถ้า rotor กระดิก → coupling กระเพื่อม → output voltage แกว่ง

การแก้:

• ใช้ standoff/spacer ที่แน่นอน
• Mounting hole ที่ rotor ตรงกับ bearing
• ตรวจ wobble ก่อนทดสอบความเร็วสูง

🎨 7. PCB Layout Strategy

7.1 Stack-up

ฐานล่าง (Primary side):

Top Layer:    L1 ครึ่งที่ 1 (spiral นอก→ใน) + L2 + Royer driver
              Vias เชื่อมไป Bottom
Bottom Layer: L1 ครึ่งที่ 2 (spiral ใน→นอก) + GND plane

Rotor (Secondary side):

Top Layer:    LED + IC + Arduino (rotor topside ↑)
Bottom Layer: L3 + bridge rectifier + power supply + GND plane
              (ด้านที่หันลงเข้าหา primary)

7.2 Spiral Pattern

Square spiral vs Circular spiral:

แนะนำ: Octagonal spiral (8-sided) — KiCad routable ใน 45° mode

7.3 Via Connection

L1 bifilar ต้องใช้ vias เพื่อข้ามตัวเอง:

Top layer:    เริ่มขอบนอก →  spiral ใน → via ลง Bottom
Bottom layer: via ขึ้น Top → spiral ออก → ขอบนอก (อีกขั้ว)

Via spec:

• Size: 0.6 mm drill, 1.0 mm pad
• Quantity: ~10 vias per coil (กระจายตามจุด crossing)
• Current rating: 1 via ≈ 1A (สบายสำหรับ 750mA)

🧪 8. การทดสอบ (Testing Plan)

8.1 ทดสอบ Royer (ไม่มี secondary)

Step 1: ต่อแค่ Royer + L1 + L2 (ไม่มี L3 rotor) Step 2: ค่อยๆ เพิ่มไฟจาก 0V → 12V ผ่าน current-limited supply Step 3: วัดที่ L1:

• ความถี่ ≈ 120 kHz ✓
• Sinewave shape ✓
• Peak voltage ≈ 30-40V ✓
• กระแสจากแหล่งจ่าย ≈ 200-300mA (no load)

ถ้าผิดปกติ:

• ไม่ oscillate → ตรวจ L2 polarity
• ความถี่ผิด → ปรับ C
• MOSFET ร้อน → ตรวจ ZVS timing

8.2 ทดสอบ Coupling (มี L3)

Step 1: วาง rotor PCB เหนือ Royer ที่ air gap 3-5mm Step 2: วัดที่ L3 ด้วย oscilloscope:

• AC peak ≈ 10-12V ✓
• ความถี่เดียวกับ L1 ✓ Step 3: ต่อ rectifier + dummy load (resistor 10Ω):
• V_DC หลัง rectifier ≈ 7-9V ✓
• Ripple < 200mV ✓

8.3 ทดสอบ Full System

Step 1: ต่อ rotor ทั้งบอร์ด, ยังไม่หมุน Step 2: วัด +5V rail:

• = 5.0V ± 0.1V ✓
• กระแสรวม ≈ 400mA ✓ Step 3: ทดสอบ LED ติด/ดับผ่าน Arduino code Step 4: ค่อยหมุนช้าๆ (เริ่มที่ 200 RPM) → เพิ่มความเร็ว Step 5: ที่ 2000 RPM ตรวจ:
• ภาพ POV ปรากฏชัด
• Hall sensor trigger ถูกต้อง
• ไม่มี restart Arduino

🎓 9. คำถามที่อาจารย์อาจถาม + คำตอบ

Q1: ทำไมต้องใช้ Resonant Royer ไม่ใช่ Classic Royer?

A: Classic Royer พึ่ง core saturation → core ร้อน, loss สูง, ใช้กับ ferrite transformer Resonant Royer พึ่ง LC tank → ZVS efficiency 90%+, sinewave (low EMI), เหมาะกับ PCB coil + air-core

Q2: ทำไมไม่ใช้ Qi standard (15W) แทน?

A:

• Qi ใช้ controller IC ซับซ้อน (BQ51, MP-Q)
• ต้องการ communication protocol ระหว่าง primary/secondary
• Overkill สำหรับ 4W static power transfer
• Royer ง่ายกว่า, ราคาถูกกว่า 10 เท่า

Q3: ทำไมไม่ใช้ ferrite core ใส่ใน coil?

A:

• Air gap ที่ต้องการ (~5mm) — ferrite core จะ saturate ที่ gap นี้
• PCB coil + air-core: ทำซ้ำได้, ราคาเป็นส่วนของ PCB
• Ferrite จะเพิ่มน้ำหนัก, ขนาด, ความซับซ้อน
• Efficiency ต่างกัน <10% สำหรับ application นี้

Q4: ปัญหา EMI ระดับไหน? FCC compliance?

A:

• Royer 120 kHz อยู่ใน ISM band ที่ controlled
• Sinewave (resonant) → harmonics น้อยกว่า square-wave switch
• Ground pour + shielding → ลด radiated emissions
• สำหรับ academic project: ไม่ต้อง FCC certified
• สำหรับ commercial: ต้องเพิ่ม EMI filter + shielding

Q5: ทำไมไม่ใช้ slip ring?

A:

Q6: ค่า k = 0.4 ดีพอหรือยัง?

A:

• Industry standard wireless charging: k ≈ 0.5-0.7
• ของเรา 0.4: efficiency loss ~10% เพิ่มเติม
• ยอมรับได้ เพราะ:
  • Total efficiency ยัง > 70%
  • กำลังต้องส่งแค่ ~4W (ไม่ใช่ระดับ 100W)
  • Simplicity > efficiency optimization

Q7: ทำไมเลือก 120 kHz ไม่ใช่ 200 kHz หรือ 50 kHz?

A:

• <50 kHz: Coil ใหญ่เกินไป, ไม่พอดี PCB 120mm
• >200 kHz: Switching loss สูง, capacitor ESR เริ่มเป็นปัญหา
• 120 kHz = sweet spot:
  • Coil ขนาดพอดี
  • MOSFET ทั่วไป (IRFZ44N) ทำงานได้ดี
  • Cap film polypropylene หาง่ายที่ค่านี้
  • ตรงกับ RD40 ต้นฉบับ — ผ่านการ verify แล้ว

📚 10. References เพิ่มเติม

1. Mohan's Formula for PCB Spiral Inductors

   • Mohan, S. S., et al. "Simple accurate expressions for planar spiral inductances." IEEE J. Solid-State Circuits, 1999.

2. Royer Converter Original Patent

   • US Patent 2783384 (Royer, 1957)

3. Resonant Royer (Baxandall)

   • Baxandall, P. J. "Transistor sine-wave LC oscillators." Proc. IEEE, 1959.

4. Wireless Power Transfer Theory

   • Kurs, A., et al. "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances." Science, 2007.

5. RD40 Project Documentation

   • lhm0, Hackaday RD40, 2023

✅ สรุป Royer Coil System

ระบบ Royer coil ของเราใช้แนวคิด 3 coils ทำงานร่วมกัน:

• L1 Bifilar Primary (17 turns × 2): สร้าง resonance + ส่งกำลัง
• L2 Coupling (6 turns): feedback ขับ MOSFET
• L3 Secondary (14 turns): รับกำลังบน rotor

ออกแบบทั้งหมดเป็น PCB spiral coils ผ่านการคำนวณตามทฤษฎี:

• Mohan's formula → กำหนด turns
• Resonance equation → กำหนด LC tank
• Coupling theory → กำหนด air gap & alignment

ทำงานที่ 120 kHz, 4-5W output, efficiency ~70%, k ≈ 0.4 — เหมาะกับ rotor 120mm ที่หมุน 2000 RPM

📖 คำอธิบายประกอบการดู Animation ลองกด Play แล้วดู animation ทำงาน — ผมจะอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นในแต่ละ step ให้ ขั้นที่ 1-4: ครึ่งคลื่นแรก (Positive Half-Cycle) Step 1: Q1 เปิด — MOSFET ตัวซ้าย "เปิดสวิตช์" ทำให้กระแสไหลจาก 12V → choke → L1a (ครึ่งซ้ายของ primary coil) → Q1 → GND Step 2: สนามแม่เหล็กขยายตัว — เมื่อกระแสไหลผ่าน coil → สร้างสนามแม่เหล็ก B ตามกฎ Ampere ขยายออกจาก coil Step 3: L3 รับสนามแม่เหล็ก — สนาม B พุ่งผ่าน air gap → ตัด L3 บน rotor → ตามกฎ Faraday เกิด induced EMF ขั้วบวก Step 4: D1+D4 conduct — แรงดัน AC ครึ่งคลื่นบวก → D1 และ D4 forward biased → กระแสไหลไป V+ output ขั้นที่ 5-8: ครึ่งคลื่นที่สอง (Negative Half-Cycle) Step 5: Q2 เปิด, Q1 ปิด — LC tank "ring" ทำให้ MOSFET สลับกันโดยอัตโนมัติ (self-oscillation) Step 6: B field กลับทิศ — กระแสไหลผ่าน L1b ในทิศตรงข้าม → สนาม B กลับทิศด้วย Step 7: L3 induced AC ขั้วลบ — สนาม B ทิศใหม่ตัด L3 → induced EMF กลับขั้ว Step 8: D2+D3 conduct — แม้ AC กลับขั้ว แต่ bridge rectifier ฉลาด — เลือก D2 และ D3 แทน → กระแสยังไหลไป V+ ทิศเดียวกับครึ่งคลื่นแรก! 🔑 จุดสำคัญที่ต้องเข้าใจ

1. Self-Oscillation: Royer ไม่ต้องมี clock หรือ microcontroller — LC tank สั่นเองที่ 120 kHz เพราะ resonance
2. Wireless ผ่าน Magnetic Field: ไม่มีสายไฟข้าม air gap — แค่สนามแม่เหล็กที่สั่นเปลี่ยนทิศ 240,000 ครั้งต่อวินาที (120 kHz × 2)
3. Full-Wave Rectification: Bridge rectifier ใช้ครึ่งคลื่นทั้งบวกและลบของ AC → จ่ายไฟ DC ออกมาทุกครึ่งคลื่น (efficiency สูง)
4. LED ติดต่อเนื่อง: ความถี่ 120 kHz เร็วมาก → cap หลัง rectifier กรองให้เป็น DC นิ่ง → LED ติดต่อเนื่องไม่กระพริบ 💡 เปรียบเทียบให้เห็นภาพ ลองนึกถึง:

Royer = หัวใจที่เต้นเอง ไม่ต้องมีสมองสั่ง — pace maker built-in Air gap = ทางเดินของแสง ผ่านอากาศได้ แม้บอร์ดหมุน Bridge rectifier = วาล์วน้ำ บังคับให้ไฟไหลทิศเดียว ไม่ว่า input จะกลับขั้วยังไง