Master's Thesis

Experimental light source with external triggering and modulation

Final Thesis 8.13 MB Appendix 7.64 kB

Author of thesis: Ing. Kateřina Vancová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jiří Sekora, MBA

Reviewer: Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the design and implementation of an experimental light source intended for use in chromatic pupillometry and other optophysiological measurements. The thesis focuses on the driving of high-power LEDs, the possibility of their control using analog current modulation and the design of a system capable of generating reproducible light stimuli synchronized with an external device. Within the thesis, a~functional prototype of a microcontroller-based device was designed and implemented. The power stage of the device is based on a linear constant-current source regulator and discrete current adjustment by relay-switched resistor branches. The device allows adjustment of light stimulation parameters and synchronization with external devices using synchronization outputs. The thesis also includes the design of the control software and experimental verification of the device functionality. The measurement results confirmed the correct operation of the power stage, correct timing of light stimuli and proper synchronization of the trigger output. The proposed device enables the implementation of custom light stimulation protocols for future research and experimental applications.

Keywords:

pupillometry, chromatic pupillometry, constant-current source, high-power LED, light stimulation, analog modulation

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Dr. Mézl položil otázku proč LED nesvítila. Prof. Černý položil otázku na co je obvod 555, proč je ve schématu dělič, proč se nebere impuls z digitálního výstupu. Studentka obhájila diplomovou práci s výhradami a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Bioengineering (MPC-BIO)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Černý, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jana Kolářová, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Mézl, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Sekora, MBA (člen)
MUDr.Ing. Richard Ředina (člen)
doc. Ing. Radovan Jiřík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jiří Sekora, MBA

Diplomová práce studentky Kateřiny Vancové se zabývá návrhem a realizací experimentálního světelného zdroje určeného pro využití v oblasti chromatické pupilometrie a dalších optofyziologických měření. Práce je zaměřena na problematiku buzení a řízení výkonových LED a předkládá návrh systému umožňujícího generování reprodukovatelných světelných stimulů. Výsledné zařízení umožňuje nastavování parametrů světelné stimulace dle požadavků měření, konkrétně co do budicích proudů, délky stimulů, mezer mezi stimuly i režimů opakování. Výstupem je též 3V3 a 5V kompatibilní „trigger“ výstup pro řízení externího zařízeními. Součástí řešení je poměrně intuitivní uživatelský software, který umožňuje nastavení vybraných režimů buzení, sestavení vlastních sekvencí a jejich uložení do nevolatilní paměti kontroléru, aby je mohl uživatel pohodlně vyčíst i pro budoucí experimenty.

Literatura sestává především ze zdrojů pro nastudování parametrů používaných při pupilometrii a dále z katalogových listů použitých komponent. Hardware je navržen modulárně, vč. elektrického schéma zapojení a nabízí snadnou integraci v rámci budoucích experimentů.

Studentka přistupovala k řešení velmi aktivně a velkou část věnovala řídicímu softwaru, který ladila dle požadavků a připomínek konzultanta. Výsledkem je tak světelný zdroj „na míru“ pro různé typy buzených LED. Předloženou práci studentky Kateřiny Vancové hodnotím známkou „výborně“. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Předložená diplomová práce studentky Kateřiny Vancové pojednává o návrhu a realizaci experimentálního světelného zdroje s externím spínáním a modulací.
V rámci teoretické části práce je proveden přehled relevantních teoretických poznatků z oblasti výkonových LED, proudových zdrojů a řízení jasu. Teoretická část práce je stručná ale z mého pohledu pro další práci plně dostačující. Odkazováno je 30 položek literatury, což považuji za dostačující u prakticky orientovaných prací.
V praktické části studentka provedla systémový návrh experimentálního zařízení, který bude sloužit jako zdroj pro výkonové LED dle parametrů zadání. Koncepčně je návrh zajímavý a řešení přepínání rozsahu zdroje proudu v diskrétních krocích dobře zvolené a fungující řešení. Dle zadání (a i názvu práce samotné) bych očekával možnost externího řízení zařízení pomocí signálu CMOS nebo TTL. V práci je pouze řešen analogový výstup řídícího (trigger) signálu, ale nikoli možnost spouštění zařízení tímto signálem. Vzhledem k tomu, že se jedná o podstatný požadavek na samotné zařízení a práce se o tom nezmiňuje, prosím autorku práce o komentář. Z pohledu samotné realizace bylo zapojení ověřeno na nepájivém poli. Bohužel tímto ale realizační část v oblasti hardwaru končí. V práci zcela postrádám jakýkoli návrh realizace finálního zařízení – ať už návrh desky plošných spojů, krabičky, konektorů jak vstupních, tak výstupních. Z jediné fotografie, která toto zapojení dokumentuje (příloha C.1), není zapojení vstupů ani výstupů patrné. U diplomových prací nemusí být finální realizace vyžadována, ale především v případě výkonových zdrojů, kde svoji roli hraje i bezpečnost a chlazení elektrických zařízení, považuji realizaci pouze na nepájivém poli za nedostačující. Naopak velmi kladně hodnotím softwarovou část – předložené softwarové řešení včetně dokumentace je propracované a má logickou strukturu. Ovládání rotačním enkodérem je praktické a je dobře využité.
Ověření funkčnosti zdroje (bod zadání 5) je proveden minimalisticky a v některých ohledech nedostatečně.  U diskuze vhodného zdroje a požadavku na USB napájení je opomenut standard USB-C, který by mohl pro danou aplikaci postačovat. Z pohledu testování postrádám proměření výstupních hodnot proudu, které můžou vzhledem k tolerancím rezistorů drobně odlišné od předpokládaných hodnot. Pro hodnocení tvaru výstupního pulzu by bylo vhodnější použít jinou metriku než subjektivní zhodnocení. Obrázky z osciloskopů jsou poměrně nekvalitní a těžko se v nich orientuje. Např. z obrázku 4.3, který ukazuje zákmity při spínání není zřejmé, jaký proud byl nastaven. Vyhodnocení zákmitů v kontextu nastaveného proudu by bylo také vhodné provést pro celý rozsah výstupních proudů pomocí objektivních metrik běžných při hodnocení přechodových dějů. Dále v práci není vůbec zmínka o řešení chlazení součástek – ztrátový výkon je kolem 5 W při maximálním nastaveném proudu, což pro maximální dobu buzení 20 sekund dle zadání představuje nezanedbatelné teplo.
Po formální stránce je práce na velmi dobré úrovni. Jedinou připomínku mám k nekvalitním obrázkům z osciloskopu.
Celkově je předvedená práce kvalitním inženýrským řešením, kterému ale chtělo dopřát více času k úspěšnému dotažení. Otázkou je splnění zadání v oblasti řízení zařízení externím trigger signálem, které v práci i koncepčním návrhu zařízení chybí. Předloženou práci pro její nedostatky v oblasti finální realizace hodnotím stupněm dobře (C – 70 bodů) a doporučuji ji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. 1) Bylo externí spouštění zdroje v průběhu řešení zamýšleno?
  2. 2) Jak bylo řešeno chlazení výkonové LED diody a kritických částí obvodu?
  3. 3) Vyhodnoťte přesnost výstupního proudu v celém rozsahu výstupních proudů.
Points proposed by reviewer: 70

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová