4x4x4 DotStar LED -kuutio lasipiirilevyillä: 10 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Hanke sai inspiraationsa muista pienistä LED -kuutioista, kuten HariFun ja nqtronix. Molemmat näistä projekteista käyttävät SMD -LEDejä rakentaakseen todella pienen kuution, mutta yksittäiset LEDit on kytketty johdoilla. Ajatukseni oli sen sijaan asentaa LEDit piirilevylle, kuten pinta -asennettavat osat on tarkoitettu. Tämä ratkaisisi myös ongelman järjestää LEDit siististi matriisiin, jolla on samat etäisyydet, mikä voi usein olla hankalaa, kun ne yhdistetään johdoilla. Piirilevyjen ilmeinen ongelma on, että ne ovat läpinäkymättömiä ja siksi yksittäiset kerrokset piilotetaan toistensa taakse. Selaillessani verkkoa tämän mielessä törmäsin CNLohrin ohjeisiin kirkkaasta lasista valmistettujen piirilevyjen valmistamiseksi. Näin keksin idean tehdä pieni kuutio lasipiirilevyihin kiinnitetyistä SMD -LED -valoista. Vaikka se ei ole maailman pienin LED -kuutio (tämä otsikko luultavasti kuuluu edelleen nqtronixille), mielestäni lasipiirilevyt lisäävät hienon uuden kosketuksen jo olemassa oleviin LED -kuutioihin.

Vaihe 1: Materiaaliluettelo

LED -kuutio koostuu vain muutamasta alla luetellusta materiaalista

• mikroskoopin objektilasit (25,4 x 76,2 x 1 mm), esim. amazon.de
• kuparinauha (0,035 x 30 mm), esim. ebay.de
• DotStar Micro LEDit (APA102-2020), esim. adafruit tai aliexpress
• piirilevyn prototyyppi (50 x 70 mm), esim. amazon.de
• arduino nano, esim. amazon.de
• Piirilevyvälikkeet, esim. amazon.de tai aliexpress

Mikroskoopin objektilasit toimivat PCB: n substraattina. Päätin leikata ne neliömäisiksi paloiksi, joiden koko oli 25,4 x 25,4 mm. Kuparikalvon tulisi olla riittävän ohut syövytystä varten, kun taas 1 mil (0,025 mm) on yleensä PCB -standardi, 0,035 mm paksuus toimii hyvin. Luonnollisesti kuparinauhan leveyden tulisi olla suurempi kuin 25,4 mm lasialustan peittämiseksi. Päätin käyttää DotStar -LED -valoja pienemmässä 2020 -paketissa. Näissä LED-valoissa on sisäänrakennettu ohjain, jonka avulla voit käsitellä kaikkia LED-valoja yhdellä datalinjalla, eli ei tarvitse siirtorekisteriä tai charlieplexingia. Ilmeisesti DotStar -LED -valoja varten on kaksi erilaista tyynyasettelua (katso yllä). Suunnittamani piirilevyasettelu on vasemmanpuoleinen. Kuutioon tarvitset 64 LEDiä, tilasin 100 kappaletta varaosia, joita voidaan käyttää myös tuleviin projekteihin. Kaikki asennetaan prototyyppiseen piirilevyyn, jonka pitäisi olla riittävän suuri, jotta arduino nano mahtuu siihen. Leikkasin pienemmän palan 50 x 70 mm: n kaksipuolisesta levystä (myös yksipuolinen toimii). Piirilevyvälikkeet toimivat jalustana jalustalle. Tarvitset myös ohuita johtoja piirilevyn prototyyppien liitäntöjen tekemiseen ja ehkä joitain "Dupont -kaapeleita" testattavaksi.

Kuution valmistukseen tarvitset myös seuraavat kemikaalit

• rautakloridiliuos
• asetoni
• epoksiliimaa, esim. Norland NO81 tai NO61
• juotospasta
• virtaus
• yleiskäyttöinen liima, esim. UHU Hart

Kuparin syövyttämiseksi lasialustoilta sain 40% ferrikloridiliuosta paikallisesta elektroniikkaliikkeestä. Käytin ferrikloridia, koska se on halpaa ja helposti saatavilla, mutta on joitain haittoja, ja sinun pitäisi harkita myös muita syövyttäjiä, kuten natriumpersulfaattia. Yleiskatsaus eri syövyttäjistä ja niiden ylä- ja alamäistä löytyy täältä. Tein piirilevyt käyttämällä väriaineen siirtomenetelmää ja poistin väriaineen asetonilla etsauksen jälkeen. Kuparikalvon liimaamiseksi lasialustalle tulee saada läpinäkyvä epoksiliima, joka kestää lämpötilaa (juottamisen vuoksi) ja ihanteellisesti myös asetonia. Huomasin, että erityisesti jälkimmäistä on vaikea löytää, mutta useimmat epoksit kestävät lievästi asetonia, mikä riittää tarkoitukseemme, koska meidän on vain pyyhittävä pinta sillä. Päätin käyttää UV -kovettua epoksi Norland NO81: tä pääasiassa siksi, että olen töissä yrityksessä, joka myy tavaraa. Lopulta en ollut kovin onnellinen, koska epoksi ei tarttunut kovin hyvin lasialustaan, vaikka se on erityisesti suunniteltu metallin liimaamiseen lasiin. Opetusohjelmassaan CNLohr käyttää tätä epoksia, jota kannattaa harkita vaihtoehtoisesti. Jos haluat juottaa LEDit piirilevyyn, tarvitset juotospastan, suosittelen sellaista, jolla on alhainen sulamispiste LEDien ja epoksin rasituksen vähentämiseksi. Sinun pitäisi myös saada virtausta juotosiltojen kiinnittämiseen. Lopuksi tarvitsemme liimaa lasipiirilevyjen liimaamiseksi pohjaan. Käytin yleisliimaa UHU Hart, mutta saattaa olla parempia vaihtoehtoja.

Lisäksi tarvitset seuraavat työkalut tätä rakennetta varten.

• Laser-tulostin
• laminointilaite
• lasileikkuri
• kuuman ilman juotosasema
• juotin pienellä kärjellä

Lasertulostinta tarvitaan väriaineen siirtomenetelmään, mustesuihkutulostin ei toimi täällä. Käytin laminaattoria väriaineen siirtämiseen kupariin. Vaikka tämä on mahdollista tehdä myös raudalla, huomasin, että laminointilaite antaa parempia tuloksia. Kuumailman juotosasema on tarkoitettu SMD -merkkivalojen juottamiseen. Se on myös mahdollista (ja ehkä helpompaa) tehdä tämä kuumennuslevyllä tai palautusjäähdytysuunilla, mutta saatat silti tarvita kuumailman juotosasemaa. Lisäksi juotosiltaa, jolla on pieni kärki, suositellaan juotosiltojen kiinnittämiseen ja liitosten tekemiseen pohjapiirilevyyn. Tarvitset myös lasileikkurin mikroskoopin diojen leikkaamiseen neliömäisiksi paloiksi.

Vaihe 2: PCB -asettelun tulostaminen

DotStar -LED -valot asennetaan neljään samanlaiseen piirilevyyn, joista jokainen sisältää 4x4 -LED -valikoiman. Tein piirustusten ulkoasun Eaglen kanssa ja vienin sen pdf -tiedostoon. Peilin sitten asettelua, järjestin useita yhdelle sivulle ja lisäsin myös joitain merkkejä niiden leikkaamiseksi myöhemmin. Tämän pdf -tiedoston voi ladata alta. Olen myös liittänyt Eagle -tiedostot siltä varalta, että haluat tehdä muutoksia taulun asetteluun. Lisäksi tein asettelun juotoskaavaimelle, joka voidaan syövyttää samasta kuparikalvosta. Kaavain on valinnainen, mutta se helpottaa juotospastan levittämistä piirilevylle. Kuten jo mainittiin, asettelu tulee tulostaa lasertulostimella. Et voi käyttää tavallista paperia, vaan sinun pitäisi käyttää jonkinlaista kiiltävää paperia. On olemassa erityinen väriaineen siirtopaperi (katso esim. Täältä), mutta monet ihmiset käyttävät vain aikakauslehtien paperia (esim. IKEA -luettelo). Väriaineen siirtopaperin etuna on, että paperi on helpompi poistaa kuparista siirron jälkeen. Kokeilin tätä väriaineen siirtopaperia ja myös joitain aikakauslehtisivuja ja huomasin, että lehden sivut toimivat vielä paremmin. Väriaineensiirtopaperini ongelma oli, että väriaine hieroi joskus ennen, esim. yksittäisiä asetteluja leikattaessa, joten suosittelen jonkin muun merkin käyttöä. CNLohrin jo mainitussa opetusohjelmassa hän käyttää tätä tuotemerkkiä, joka saattaa toimia paremmin. Tulostamisen jälkeen piirilevyjen ja juotoskaavaimen asettelut leikataan ne pois tarkalla veitsellä. Periaatteessa tarvitset vain neljä piirilevyasettelua ja yhden kaavaimen, mutta on ehdottomasti hyödyllistä saada vähintään kaksi kertaa enemmän kuin on epätodennäköistä, että kaikki siirrot toimivat.

Vaihe 3: Kuparin verhoaminen lasille

Aluksi sinun on leikattava mikroskoopin lasit neliömäisiksi paloiksi lasileikkurilla. Löydät kätevästi youtubesta opetusohjelman melkein kaikelle. Etsimällä "mikroskoopin diojen leikkaus" löysin tämän opetusohjelman, joka näyttää kuinka se tehdään. On hieman hankala saada tämä toimimaan hienosti, ja hukkasin paljon mikroskoopin dioja, mutta jos tilasit 100 kappaletta kuten minä, sinulla pitäisi olla enemmän kuin tarpeeksi. Suosittelen jälleen tekemään vähintään kaksi kertaa enemmän substraatteja kuin tarvitaan (noin 8-10), koska teet todennäköisesti virheitä matkan varrella. Leikkaa tämän jälkeen kuparinauha osiin, jotka ovat hieman suurempia kuin neliönmuotoiset lasialustat. Puhdista sekä alusta että kuparifolio alkoholilla tai asetonilla ja liimaa ne sitten yhteen. Varmista, ettei liiman sisälle jää ilmakuplia. Kuten jo mainitsin, käytin Norland NO81: tä, joka on nopeasti UV -kovettuva liima, jota suositellaan metallin liimaamiseen lasiin. Noudatin myös CNLohrin ohjeita ja karhensin kuparifolion toista puolta, jotta se tarttuisi paremmin lasiin. Jälkeenpäin ajateltuna tekisin sen luultavasti ilman karhennusta, koska tämä muutti valon läpäisyn piirilevyjen läpi hieman hajanaiseksi ja olisin halunnut saada ne näyttämään selvemmiltä. Lisäksi en ollut erittäin tyytyväinen siihen, kuinka hyvin liima tarttui lasiin ja huomasin, että reunat irtoavat joskus. En ole varma johtuiko tämä virheellisestä kovettumisesta vai itse liimasta. Tulevaisuudessa aion ehdottomasti kokeilla muita merkkejä. Kovettamiseen käytin UV -lamppua setelien tarkistamiseen, joiden päästöhuippu sattumalta oli oikealla aallonpituudella (365 nm). Kovettumisen jälkeen leikkasin päällekkäisen kuparin pois veitsellä. Leikkasin juotoskaavaimelle myös ylimääräisiä kuparifoliokappaleita liimaamatta niitä alustalle.

Vaihe 4: Piirilevyasettelun siirtäminen

Nyt lasertulostimen väriaine on siirrettävä kupariin, mikä tapahtuu lämmöllä ja paineella. Kokeilin aluksi rautaa, mutta myöhemmin laminaattoria. Yllä oleva kuva näyttää molempien tekniikoiden vertailun PCB -asettelun aiemman version kanssa. Kuten voidaan nähdä, laminaattori tuotti paljon parempia tuloksia. Useimmat ihmiset käyttävät modifioitua laminaattoria, joka voidaan lämmittää korkeampiin lämpötiloihin. Opetusohjelmassaan CNLohr käyttää ensin laminaattoria ja lämmittää sen myöhemmin raudalla. Käytin vain tavallista laminaattoria eikä rautaa, joka toimi hyvin. Siirtoa varten laitoin laserjäljen kuvapuoli alaspäin kuparille ja kiinnitin sen pienellä teipillä. Sitten taittelin sen pieneksi paperiksi ja ajoin sitä noin 8-10 kertaa laminaattorin läpi kääntäen sen ylösalaisin jokaisen ajon jälkeen. Sen jälkeen laitoin substraatin laserjäljen kanssa vesikulhoon ja jätin sen liottumaan muutamaksi minuutiksi, sitten irrotin paperin varovasti. Jos käytät väriaineen siirtopaperia, paperi irtoaa yleensä helposti jättämättä jälkiä. Aikakauslehtipaperia varten minun piti hieroa peukalolla varovasti pois jäljellä oleva paperi. Jos siirto ei toiminut, voit vain poistaa väriaineen kuparista asetonilla ja yrittää uudelleen. Juotekaavain siirrettiin paljaalle kuparikalvolle samalla tavalla.

Vaihe 5: Kuparin etsaus

Nyt on kuparin syövytyksen aika. Tämän prosessin aikana kupari poistetaan alustasta lukuun ottamatta alueita, joilla se on suojattu väriaineella. Suojataksesi kuparikalvon takaosan juotoskaavaimella voit maalata sen pysyvällä merkillä. Minun on mainittava, että sinun on tietysti ryhdyttävä suojatoimenpiteisiin, kun työskentelet syövyttäjän, kuten ferrikloridin, kanssa. Vaikka ferrikloridi ei pala ihon läpi, se tuottaa ainakin ikäviä kellanruskeita tahroja, joten käsineitä suositellaan ehdottomasti. Et myöskään todennäköisesti yllätty siitä, että happo on haitallista silmillesi, joten sinun on käytettävä suojalaseja. Ymmärtääkseni syövytyksen aikana ei muodostu kaasua, mutta voit silti haluta tehdä tämän hyvin tuuletetussa tilassa, koska raitis ilma on aina hyväksi sinulle;-) Täytä ferrikloridiliuos pieneen astiaan (voit suojata työtilasi tahattomilta roiskeilta sijoittamalla tämä sitten isompaan astiaan). Kun laitoin piirilevyjä, seurasin jälleen CNLohrin ohjeita ja laitoin alustat kuvapuoli alaspäin nesteeseen niin, että ne pysyvät kelluvina. Tämä on erittäin kätevää, koska tiedät tarkalleen, milloin etsaus on valmis, jota et muuten voi nähdä ruskeassa liuoksessa, joka tummenee etsauksen aikana. Lisäksi se pitää myös jonkin verran konvektiota alustojen alla. Minulle syövytysprosessi kesti noin 20 minuuttia. Kun kaikki ei -toivottu kupari on syövytetty pois, huuhtele piirilevyt vedellä ja kuivaa ne pois. Sinun pitäisi jäädä mukaviin läpinäkyviin lasilevyihin. Viimeinen asia on poistaa väriaine kuparijäljistä asetonilla. Pyyhi vain pinta varovasti sillä asetoni hyökkää myös liimaa vastaan. ÄLÄ huuhtele käytettyä ferrikloridia viemäriin, koska se on haitallista ympäristölle (ja todennäköisesti syövyttää myös putkiasi). Kerää kaikki astiaan ja hävitä se asianmukaisesti.

Vaihe 6: LEDien juottaminen

Riippuen laitteistasi ja SMD -juotostaidoistasi seuraava osa voi olla melko aikaa vievä. Ensin sinun on saatettava juotospasta piirilevyn tyynyihin, joihin LED -valot kytketään. Jos olet syövyttänyt juotoskaavaimen, voit kiinnittää sen piirilevyyn teipillä ja levittää sen vain runsaasti. Vaihtoehtoisesti voit hammastikulla laittaa pieniä määriä juotospastaa jokaiseen tyynyyn. Sen jälkeen tavallinen asia olisi sijoittaa LEDit ja laittaa sitten kaikki uuniuuniin (= leivänpaahdin monille elektroniikan harrastajille) tai keittolevylle. Olen kuitenkin huomannut, että tämä tuottaa yleensä joitakin juotosiltoja, joita on erittäin vaikea poistaa jälkikäteen, koska et pääse käsiksi LED -valojen alla oleviin tyynyihin. Tästä syystä sulatin ensin juotteen kuumailma -asemallani ja sitten kiinnitin kaikki juotosillat juotosraudalla käyttämällä virtausta ja juottamispunosta ylimääräisen juotteen poistamiseksi. Sitten juotin LEDit yksitellen kuumalla ilmalla. Tietenkin nopeampi tapa olisi käyttää keittolevyä tai uunia, mutta menetelmäni etuna on, että voit testata piirilevyn jokaisen vaiheen jälkeen. Myös minulle juottamisessa on melkein meditatiivinen tunnelma;-). Muista juottaa LEDit oikeassa suunnassa yllä olevan kaavion mukaisesti. Testissä käytin "strandtest" -esimerkkiä adafruit DotStar -kirjastosta ja liitin SDI-, CKI- ja GND -johdot yllä kuvatulla tavalla. Osoittautuu, että VCC -yhteyttä ei tarvita LEDien syttymiseen, mutta huomasin, että ensimmäisen LEDin punainen ja sininen väri syttyvät aina samanaikaisesti. Näin ei ollut silloin, kun myös VCC on kytketty, mutta kaikkia neljää johtoa on vaikea yhdistää, jos käytettävissä on vain normaali määrä käsiä;-).

Vaihe 7: Valmistele peruspiirilevy

Kun olet valmistanut kaikki lasiset piirilevyt, joissa on LED -valot, on aika valmistella pohjapiirilevy, johon ne asennetaan. Leikkasin palan, jonka läpimitta on 18x19, PCB -prototyypistä, joka tarjoaa tarpeeksi tilaa kaikkien komponenttien asentamiseen ja kaikkien tarvittavien liitosten tekemiseen. Piirilevyä voitaisiin pienentää käyttämällä arduino -mikroa arduino -nanon sijaan ja valitsemalla halkaisijaltaan pienemmät välikappaleet. Piirilevyn kaavio on esitetty yllä. Aluksi sinun pitäisi juottaa arduinon tapit piirilevyyn kiinnittämättä niitä arduinoon, koska joidenkin johtojen on mentävä arduinon alapuolelle (tietenkin tein tämän väärin ensimmäistä kertaa). Varmista myös, että nastojen pidempi puoli on piirilevyä kohti (ts. Arduino kiinnitetään pidempään sivuun). Käytä sitten ohutta johtoa liitäntöjen tekemiseen kaavion mukaisesti. Kaikki johdot ovat piirilevyn pohjassa, mutta ne on juotettu yläosaan. Huomaa, että sinun on myös luotava neljä juotosiltaa, jotta VCC-, GND-, SDI- ja CKI -liitännät voidaan tehdä arduino -nastoilla. VCC kytketään 5 V: n arduino -napaan, GND - GND, SDI - D10 ja CKI - D9. Johdotus osoittautui hieman sekavammaksi kuin luulin, vaikka yritin järjestää kaiken niin, että sinun on tehtävä mahdollisimman vähän yhteyksiä.

Vaihe 8: Kiinnitä lasiset piirilevyt

Lopuksi voit tehdä asennuksen viimeisen vaiheen, eli kiinnittää lasialustat pohjaan. Aloitin etukerroksesta, joka sijaitsee pohjan puolella, joka on lähempänä arduinoa. Tällä tavalla voit testata jokaisen kerroksen asennuksen jälkeen, kun signaali kulkee edestä taakse. Kuitenkin, kun juotoslevyt ovat edestäpäin, se tekee muiden kerrosten juottamisesta hieman monimutkaista, koska sinun on päästävä niiden väliin juotosraudallasi. PCB: n kiinnittämiseksi levitin pienen määrän liimaa (UHU Hart) lasilevyjen alareunaan (jossa tyynyt sijaitsevat) ja puristin sen lujasti alustalle ja odotin, kunnes se tarttui kohtuullisen hyvin. Myöhemmin lisäsin hieman liimaa piirilevyn takana olevaan pohjaan (vastapäätä juotoslevyjä). Ollakseni rehellinen, en ole 100% tyytyväinen tulokseen, koska en pystynyt asentamaan piirilevyjä täysin pystysuoraan. Voi olla parempi tehdä jonkinlainen jigi, jotta kerrokset pysyvät pystysuorassa, kunnes liima on täysin kuivunut. Jokaisen kerroksen asennuksen jälkeen tein juotosliitännät levittämällä runsaasti juotospastaa kuuteen alareunan tyynyyn niin, että ne yhdistetään vastaaviin juotospisteisiin alareunassa. Juotoksessa en käyttänyt kuumaa ilmaa, vaan tavallista juotosrautaani. Huomaa, että viimeistä kerrosta varten sinun on liitettävä vain neljä tyynyä. Jokaisen kerroksen asennuksen jälkeen testasin kuution "strandtest" -esimerkillä. Kävi ilmi, että vaikka testasin jokaisen kerroksen etukäteen, oli joitakin huonoja yhteyksiä ja minun piti resoldoida kaksi LEDiä. Tämä oli erityisen ärsyttävää, koska yksi niistä sijaitsi toisessa kerroksessa ja minun piti päästä niiden välille lämpöpistoolini kanssa. Kun olet saanut kaiken toimimaan, rakennus on valmis. Onnittelut!

Vaihe 9: Koodin lataaminen

Tein juuri yksinkertaisen esimerkkiluonnoksen muutamalla animaatiolla, joka näkyy yllä olevassa videossa. Koodi käyttää FastLED -kirjastoa ja perustuu DemoReel100 -esimerkkiin. Pidän todella tästä kirjastosta, koska se tarjoaa jo toimintoja värin ja kirkkauden häivyttämiseksi, mikä helpottaa upeiden animaatioiden luomista. Ideana on, että voit jatkaa animaatioiden tekemistä ja ehkä jakaa koodisi kommenttiosioon. Esimerkkiluonnoksessa asetin yleisen kirkkauden jonkin verran pienemmäksi kahdesta syystä. Ensinnäkin täydellä kirkkaudella LEDit ovat ärsyttävän kirkkaita. Toiseksi kaikki 64 LEDiä täydellä kirkkaudella voivat mahdollisesti ottaa paljon enemmän virtaa kuin 5 V: n arduino -nasta voi turvallisesti (200 mA).

Vaihe 10: Outlook

Tässä bulidissa voitaisiin parantaa joitakin asioita, joista useimmat olen jo maininnut. Tärkein asia, jonka haluaisin muuttaa, on tehdä ammattimainen piirilevy pohjaan. Tämä mahdollistaisi alustan pienentämisen ja hyvännäköisyyden sekä välttäisi ärsyttävän prosessin johdottaa kaikki käsin. Uskon myös, että lasinen PCB -muotoilu mahdollistaisi koko kuution pienentämisen edelleen. Ohjeessaan (mahdollisesti) maailman pienimmästä LED -kuutiosta nqtronix kirjoittaa, että hän aikoi alun perin käyttää maailman pienimpiä RGB -LEDejä, joiden koko on 0404, mutta hän ei onnistunut juottamaan niihin johtoja. Käyttämällä lasisia piirilevyjä voitaisiin todella löytää maailman pienin LED -kuutio. Tässä tapauksessa luultavasti myös heittäisin kaiken epoksihartsiin, joka on samanlainen kuin nqtronixin kuutio.