4x4x4 DotStar LED -kuup klaasplaatidel: 10 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:49

Selle projekti inspiratsiooni said teised väikesed LED -kuubikud, nagu HariFun ja nqtronix. Mõlemad projektid kasutavad SMD LED -e tõeliselt väikeste mõõtmetega kuubi ehitamiseks, kuid üksikud LED -id on ühendatud juhtmetega. Minu idee oli paigaldada valgusdioodid PCB -le, nagu on ette nähtud pinnale paigaldatavate osade jaoks. See lahendaks ka probleemi, et LED -id paigutatakse korralikult sama kaugusega maatriksisse, mis võib juhtmetega ühendamisel sageli keeruline olla. Ilmne probleem PCBde puhul on see, et need on läbipaistmatud ja seetõttu oleksid üksikud kihid üksteise taha peidetud. Seda silmas pidades veebis sirvides sattusin CNLohri juhistele, kuidas valmistada läbipaistvast klaasist PCB -sid. Nii tekkiski mul idee teha klaasist trükkplaatidele paigaldatud SMD LED -idest väike kuubik. Kuigi see pole maailma väikseim LED -kuubik (see pealkiri kuulub ilmselt endiselt nqtronixile), lisavad minu arvates klaasist trükkplaadid juba olemasolevatele LED -kuubikute suurele valikule kena uue puudutuse.

Samm: materjalide arve

LED -kuubik koosneb vaid mõnest allpool loetletud materjalist

• mikroskoobi slaidid (25,4 x 76,2 x 1 mm), nt. amazon.de
• vasest lint (0,035 x 30 mm), nt. ebay.de
• DotStar Micro LED-id (APA102-2020), nt. adafruit või aliexpress
• PCB plaadi prototüüp (50 x 70 mm), nt. amazon.de
• arduino nano, nt. amazon.de
• PCB vahekaugused, nt. amazon.de või aliexpress

Mikroskoobi slaidid on PCBde substraadiks. Otsustasin need lõigata 25,4 x 25,4 mm suurusteks ruudukujulisteks tükkideks. Vasefoolium peaks söövitamiseks olema piisavalt õhuke, samas kui 1 mill (0,025 mm) on tavaliselt PCBde standard, paksus 0,035 mm sobib hästi. Muidugi peaks vasest lindi laius olema suurem kui 25,4 mm, et katta klaaspind. Otsustasin kasutada DotStar LED -e väiksemas pakendis 2020. Nendel valgusdioodidel on sisseehitatud kontroller, mis võimaldab teil kõiki LED-e käsitleda ühe andmeliini abil, st pole vaja vahetusregistreid ega charliepleximist. Ilmselt on DotStar LED -ide jaoks kahte erinevat tüüpi padjandeid (vt ülal). Minu kavandatud trükkplaatide paigutus sobib vasakul näidatuga. Kuubi jaoks vajate 64 LED -i, tellisin 100 tükki, et oleks varuosi, mida saab kasutada ka tulevaste projektide jaoks. Kõik paigaldatakse PCB plaadi prototüübile, mis peaks olema piisavalt suur, et arduino nano sellele sobiks. Lõikasin 50 x 70 mm kahepoolselt plaadilt väiksema tüki (sobib ka ühepoolne). PCB vaheseinad on aluse pjedestaalid. Teil on vaja ka mõnda õhukest traati prototüübi PCB ühenduste tegemiseks ja võib -olla mõnda "Duponti kaablit" testimiseks.

Kuubi valmistamiseks vajate ka järgmisi kemikaale

• raudkloriidi lahus
• atsetoon
• epoksüliim, nt. Norland NO81 või NO61
• jootmispasta
• voog
• üldotstarbeline liim, nt. UHU Hart

Vase söövitamiseks klaaspindadelt sain kohalikust elektroonikapoest 40% raudkloriidi lahuse. Ma kasutasin raudkloriidi, kuna see on odav ja kergesti kättesaadav, kuid sellel on ka negatiivseid külgi ja peaksite kaaluma ka teisi söövitajaid, nagu naatriumpersulfaat. Siit leiate ülevaate erinevatest söövitajatest ning nende eelistest ja puudustest. PCBsid tegin tooneri ülekandemeetodi abil ja tooneri eemaldamiseks pärast söövitamist kasutasin atsetooni. Vasefooliumi klaaspinnale liimimiseks peaksite saama läbipaistva epoksüliimi, mis on temperatuurikindel (jootmise tõttu) ja ideaaljuhul ka atsetoonikindel. Leidsin, et eriti viimast on raske leida, kuid enamik epoksiide on atsetooni suhtes kergelt vastupidavad, mis on meie jaoks piisav, kuna peame sellega ainult pinda pühkima. Otsustasin kasutada UV -kõvendavat epoksiidi Norland NO81, peamiselt seetõttu, et töötan ettevõttes, mis seda asja müüb. Lõpuks ei olnud ma väga õnnelik, kuna epoksü ei kleepunud klaasist aluspinnaga kuigi hästi, kuigi see on spetsiaalselt ette nähtud metalli klaasiga sidumiseks. Oma õpetuses kasutab CNLohr seda epoksiidi, mida võiksite alternatiivselt kaaluda. Valgusdioodide trükkplaadile jootmiseks vajate jootmispastat, ma soovitan seda, mille sulamistemperatuur on madal, et vähendada valgusdioodide ja epoksüüdi pinget. Samuti peaksite saama jootet jootmissildade kinnitamiseks. Lõpuks vajame liimi klaasist PCB -de liimimiseks alusele. Kasutasin üldotstarbelist liimi UHU Hart, kuid võib olla paremaid võimalusi.

Lisaks vajate selle ehituse jaoks järgmisi tööriistu.

• laserprinter
• lamineerija
• klaasilõikur
• kuuma õhu jootmisjaam
• väikese otsaga jootekolb

Tooneri ülekandemeetodi jaoks on vaja laserprinterit, siin ei tööta tindiprinter. Tooneri vasele ülekandmiseks kasutasin laminaatorit. Kuigi seda on võimalik teha ka triikrauaga, leidsin, et lamineerija annab paremaid tulemusi. Kuuma õhu jootmisjaam on mõeldud SMD LED -ide jootmiseks, samuti on võimalik (ja võib -olla mugavam) seda teha kuumutusplaadi või tagasivooluahjuga, kuid teil võib siiski vajada kuuma õhu jootmisjaama ümbertöötamiseks. Lisaks on soovitatav jootekolb väikese otsaga jootesildade kinnitamiseks ja ühenduste tegemiseks alusplaadile. Mikroskoobi slaidide nelinurkseteks lõikamiseks vajate ka klaasilõikurit.

2. samm: trükkplaadi paigutuse printimine

DotStar LED -id paigaldatakse neljale identsele PCB -le, millest igaüks sisaldab 4x4 LED -d. Tegin Eaglega trükkplaatide paigutuse ja eksportisin selle pdf -faili. Seejärel peegeldasin paigutust, paigutasin ühele lehele mitu ja lisasin ka mõned märgid nende väljalõikamiseks. Selle pdf -faili saab alla laadida allpool. Lisasin ka Eagle'i failid juhuks, kui soovite plaadi paigutuses muudatusi teha. Lisaks tegin skeemi jootetšablooni jaoks, mida saab söövitada samast vaskfooliumist. Šabloon on valikuline, kuid see hõlbustab jootepasta trükkplaadile kandmist. Nagu juba mainitud, tuleks paigutus trükkida laserprinteriga. Te ei saa kasutada tavalist paberit, vaid peaksite kasutama mõnda läikivat paberit. Tooneriülekandepaberit on eriliik (vt nt siit), kuid paljud inimesed kasutavad lihtsalt ajakirjade paberit (nt IKEA kataloog). Tooneri ülekandepaberi eeliseks on see, et pärast ülekandmist on seda lihtsam vasest eemaldada. Proovisin seda tooneri ülekande paberit ja ka mõnda ajakirjalehte ning leidsin, et ajakirja lehed töötasid veelgi paremini. Minu tooneri ülekandepaberi probleem oli see, et tooner hõõrus mõnikord enne ära, nt. üksikute paigutuste väljalõikamisel, seega soovitan kasutada mõnda muud kaubamärki. CNLohri juba mainitud õpetuses kasutab ta seda kaubamärki, mis võib paremini toimida. Pärast PCB -de ja joote šablooni paigutuse printimist lõigake need täpse noaga välja. Põhimõtteliselt vajate ainult nelja trükkplaadi paigutust ja ühte šablooni, kuid kindlasti on kasulik, kui neid on vähemalt kaks korda rohkem, kui on ebatõenäoline, et kõik ülekanded toimivad.

Samm: klaasi plakeeritud vask

Alguses tuleb klaasilõikuri abil mikroskoobi slaidid ruudukujulisteks tükkideks lõigata. Mugavalt leiate youtubest õpetuse peaaegu kõige jaoks. Otsides sõna „mikroskoobi slaidide lõikamine”, leidsin selle õpetuse, mis näitab teile, kuidas seda teha. Selle ilusti tööle saamine on natuke keeruline ja raiskasin palju mikroskoobi slaide, kuid kui tellisite 100 tükki nagu mina, peaks teil olema rohkem kui piisavalt. Jällegi soovitan teha vähemalt kaks korda rohkem substraate kui vaja (umbes 8-10), kui tõenäoliselt teete sellel teel mõningaid vigu. Seejärel lõigake vasest lint tükkideks, mis on ruudukujulistest klaaspindadest veidi suuremad. Puhastage nii aluspind kui ka vaskfoolium alkoholi või atsetooniga ja seejärel liimige need kokku. Veenduge, et liimi sisse ei jääks õhumulle. Nagu juba mainitud, kasutasin Norland NO81, mis on kiiresti UV -kõvenev liim, mida soovitatakse metalli ja klaasi sidumiseks. Samuti järgisin CNLohri juhiseid ja karestasin vaskfooliumi ühe külje, et see klaasile paremini kinni jääks. Tagantjärele mõeldes teeksin seda tõenäoliselt ilma karestamiseta, kuna see muutis valguse läbilaskvuse läbi PCB -de kergelt hajusaks ja oleksin eelistanud nende selgemat väljanägemist. Lisaks ei olnud ma väga rahul sellega, kui hästi liim klaasi külge kleepus, ja leidsin, et servad kooruvad mõnikord maha. Ma pole kindel, kas selle põhjuseks oli vale kõvenemine või liim ise. Tulevikus proovin kindlasti mõnda muud kaubamärki. Kuivatamiseks kasutasin pangatähtede kontrollimiseks UV -lampi, mille emissiooni tipp oli juhuslikult õigel lainepikkusel (365 nm). Pärast kõvenemist lõikasin täpse noaga ära kattuva vase. Joote šablooni jaoks lõikasin ka mõned lisatükid vaskfooliumi ilma neid aluspinnale liimimata.

4. samm: trükkplaadi paigutuse ülekandmine

Nüüd tuleb laserprindilt saadud tooner üle kanda vasele, mis toimub kuumuse ja rõhu all. Alguses proovisin seda triikrauaga, kuid hiljem kasutasin laminaatorit. Ülaltoodud pilt näitab mõlema tehnika võrdlust PCB paigutuse varasema versiooniga. Nagu näha, andis laminaator palju paremaid tulemusi. Enamik inimesi kasutab modifitseeritud laminaatorit, mida saab kuumutada kõrgemale temperatuurile. Oma õpetuses kasutab CNLohr kõigepealt laminaatorit ja seejärel soojendab seda triikrauaga. Ma kasutasin lihtsalt tavalist lamineerijat ja ilma triikrauta, mis töötas hästi. Ülekande jaoks asetasin laserjälje allapoole vasele ja kinnitasin selle väikese kleeplindiga. Seejärel voldisin selle väikeseks paberitükiks ja jooksin umbes 8-10 korda läbi laminaatori, keerates seda pärast igat jooksu tagurpidi. Pärast seda panin aluspinna koos laserjäljega kaussi veega ja jätsin mõneks minutiks ligunema, seejärel koorisin paberi ettevaatlikult maha. Kui kasutate tooneri ülekandepaberit, tuleb paber tavaliselt kergesti maha, jätmata jääke. Ajakirjapaberi jaoks pidin pöidlaga osa ülejäänud paberist õrnalt maha hõõruma. Kui ülekanne ei toiminud, saate tooneri vasest atsetooniga eemaldada ja uuesti proovida. Joote šablooni paigutus kanti paljale vaskfooliumile samamoodi.

Samm: vase söövitamine

Nüüd on aeg vaske söövitada. Selle protsessi käigus eemaldatakse vask aluspinnalt, välja arvatud piirkonnad, kus see on tooneriga kaitstud. Selleks, et kaitsta vaskfooliumi tagakülge joote šablooni paigutusega, võite selle lihtsalt püsimarkeriga värvida. Peaksin mainima, et söövitajaga, näiteks raudkloriidiga töötamisel peaksite loomulikult rakendama mõningaid kaitsemeetmeid. Kuigi raudkloriid ei põle läbi naha, tekitab see vähemalt ebameeldivaid kollakaspruune plekke, seega on kindad kindlasti soovitatavad. Samuti ei üllata teid tõenäoliselt asjaolu, et hape on teie silmadele kahjulik, nii et peaksite kandma kaitseprille. Minu arusaamise järgi söövitamise ajal gaasi ei teki, kuid võiksite seda siiski teha hästi ventileeritavas kohas, sest värske õhk on teile alati hea;-) Täitke raudkloriidi lahus väikesesse anumasse (saate kaitsta juhusliku lekke eest, pannes selle suuremasse mahutisse). PCBde panemisel järgisin taas CNLohri juhiseid ja panin substraadid näoga allapoole vedelikku, nii et need jääksid peal hõljuma. See on väga mugav, kuna teate täpselt, millal söövitus on lõppenud, mida te muidu ei näe pruuni lahuse korral, mis söövitamisel muutub veelgi tumedamaks. Lisaks hoiab see ka konvektsiooni substraatide all. Minu jaoks võttis söövitusprotsess umbes 20 minutit. Pärast soovimatu vase söövitamist loputage PCB -d veega ja kuivatage. Teile tuleks jätta mõned toredad läbipaistvast klaasist PCB -d. Viimane asi, mida teha, on eemaldada tooner vasejälgedest atsetooniga. Lihtsalt pühkige sellega pinda õrnalt, kuna atsetoon ründab ka liimi. Palun ÄRGE loputage kasutatud raudkloriidi kanalisatsiooni, kuna see on keskkonnale kahjulik (ja tõenäoliselt ka söövitab teie torusid). Koguge kõik konteinerisse ja kõrvaldage see nõuetekohaselt.

6. samm: LED -ide jootmine

Sõltuvalt teie varustusest ja SMD jootmisoskusest võib järgmine osa olla üsna aeganõudev. Kõigepealt peate jootmispasta saama trükkplaadil olevatele plaatidele, kuhu LED -id ühendatakse. Kui olete joote šablooni söövitatud, saate selle kleeplindiga trükkplaadile kinnitada ja seejärel lihtsalt pasta laialdaselt laiali ajada. Teise võimalusena võite hambaorku abil panna igale padjale väikese koguse jootmispastat. Pärast seda peaks tavaline asi olema LED -ide paigutamine ja seejärel kõik tagasivooluahju (= paljudele elektroonilistele harrastajatele mõeldud röstriahi) või pliidiplaadile asetamine. Siiski olen avastanud, et see tekitab üldiselt mõningaid jootmissildasid, mida on pärast seda väga raske eemaldada, kuna te ei pääse LED -ide all olevatele padjakestele juurde. Sel põhjusel sulatasin esmalt jootet oma kuumaõhujaamaga ja seejärel kinnitasin kõik jootesillad jootekolviga, kasutades voolu ja jootmispunutist, et eemaldada liigne jootmine. Siis jootsin valgusdioodid ükshaaval kuuma õhuga. Muidugi oleks kiirem meetod kuumutusplaadi või ahju kasutamine, kuid minu meetodi eeliseks on see, et saate PCBd pärast iga sammu testida. Ka minu jaoks on jootmisel peaaegu meditatiivne vibe;-). Hoolitsege LED -de jootmise eest õiges suunas, nagu on näidatud ülaltoodud skeemil. Testimiseks kasutasin "strandtest" näidet adafruit DotStar raamatukogust ja ühendasin SDI, CKI ja GND juhtmed, nagu ülal näidatud. Selgub, et VCC -ühendust ei ole vaja LED -ide süttimiseks, kuid märkasin, et esimese LED -i punane ja sinine värv põlevad alati samaaegselt. See ei olnud nii, kui ka VCC on ühendatud, kuid kui teil on saadaval ainult tavaline hulk käsi, on raske ühendada kõiki nelja juhtmest;-).

Samm: valmistage ette PCB alus

Kui olete lõpetanud kõik klaasist trükkplaadid koos LED -dega, on aeg ette valmistada alumine trükkplaat, kuhu need paigaldatakse. Lõikasin prototüübi trükkplaadilt 18x19 läbimõõduga tüki, mis annab piisavalt ruumi kõikide komponentide paigaldamiseks ja kõigi vajalike ühenduste tegemiseks ning mille servadesse on puuritud neli auku, kuhu saab trükkplaatide vahekaugused kinnitada. PCB saaks veelgi väiksemaks muuta, kui kasutada arduino nano asemel arduino micro ja valida väiksema läbimõõduga vahekaugused. PCB skemaatika on näidatud ülal. Alguses peaksite jootma arduino tihvtid trükkplaadile ilma neid arduino külge kinnitamata, sest osa juhtmeid peab minema arduino alla (muidugi tegin seda esimest korda valesti). Veenduge ka, et tihvtide pikem külg jääks PCB jaoks eemale (st arduino kinnitatakse pikema külje külge). Seejärel kasutage ühenduste tegemiseks õhukest traati, nagu on näidatud skemaatiliselt. Kõik juhtmed on trükkplaadi põhjas, kuid on joodetud ülaosas. Pange tähele, et VCC, GND, SDI ja CKI ühendamiseks arduino tihvtidega peate looma ka neli jootesilda. VCC ühendatakse arduino 5 V kontaktiga, GND - GND, SDI - D10 ja CKI - D9. Juhtmed osutusid veidi segasemaks, kui ma arvasin, kuigi püüdsin kõik korraldada nii, et peate tegema võimalikult vähe ühendusi.

Samm: kinnitage klaasist PCB -d

Lõpuks saate teha montaaži viimase etapi, st kinnitada klaasist aluspinnad alusele. Alustasin esikihiga, mis asub aluse küljel, mis on arduinole lähemal. Sel viisil saate testida igat kihti pärast selle paigaldamist, kuna signaal kulgeb eest taha. Kuna aga jootmispadjad on suunatud ettepoole, muudab see teiste kihtide jootmise natuke keeruliseks, kuna jootekolviga tuleb nende vahele jõuda. PCB kinnitamiseks kandsin klaasist PCBde alumisele servale (kus padjad asuvad) väikese koguse liimi (UHU Hart) ja surusin seejärel kindlalt alusele ning ootasin, kuni see piisavalt hästi kinni jääb. Pärast lisasin trükkplaadi tagumisele küljele (jootepatjade vastas) põhja veidi liimi. Ausalt öeldes ei ole ma tulemusega 100% rahul, kuna mul ei õnnestunud trükkplaate täpselt vertikaalselt paigaldada. Võib -olla oleks parem teha mingi jig, et tagada kihtide vertikaalne püsimine kuni liimi täieliku kuivamiseni. Pärast iga kihi paigaldamist tegin jooteühendused, kandes kuuele alumisele padjale suure hulga jootepastat, nii et need ühendati vastavate jootmispunktidega alumisel trükkplaadil. Jootmiseks ei kasutanud ma kuuma õhku, vaid tavalist jootekolvi. Pange tähele, et viimase kihi jaoks peate ühendama ainult neli padja. Pärast iga kihi paigaldamist testisin kuubi "strandtest" näidiskoodiga. Selgus, et kuigi ma testisin igat kihti eelnevalt, olid mõned halvad ühendused ja ma pidin kaks LED -i resideerima. See oli eriti tüütu, kuna üks neist asus teises kihis ja ma pidin oma soojuspüstoliga vahele jõudma. Kui kõik on töökorras, on ehitus valmis. Palju õnne!

Samm: koodi üleslaadimine

Tegin lihtsalt lihtsa näitejoonise koos mõne animatsiooniga, mis on näidatud ülaltoodud videos. Kood kasutab FastLED -teeki ja põhineb DemoReel100 näitel. Mulle meeldib see raamatukogu väga, kuna see pakub juba funktsioone värvide ja heleduse kustutamiseks, mis hõlbustab suurepäraste animatsioonide loomist. Idee järgi saate teha rohkem animatsioone ja jagada oma koodi kommentaaride jaotises. Visandi näites seadsin üldise heleduse mõnele madalamale väärtusele kahel põhjusel. Esiteks on LED -id täieliku heleduse korral tüütult heledad. Teiseks võivad kõik 64 valgusdioodi täisheledusel potentsiaalselt palju rohkem voolu tarbida, kui arduino 5 V tihvt suudab ohutult toita (200 mA).

Samm 10: Outlook

Sellel bulidil on mõned asjad, mida saaks parandada, millest enamikku olen juba maininud. Peamine asi, mida sooviksin muuta, on baasi jaoks professionaalse trükkplaadi valmistamine. See võimaldaks muuta aluse väiksemaks ja näeks kenam välja ning väldiks ka tüütut kõike käsitsi juhtmestikku. Samuti usun, et klaasist PCB disain võimaldaks kogu kuubi veelgi miniaturiseerida. Oma juhendis (võib -olla) maailma väikseima LED -kuubi kohta kirjutab nqtronix, et plaanis algselt kasutada maailma väikseimaid RGB -valgusdioode suurusega 0404, kuid tal ei õnnestunud nende külge juhtmeid jootma hakata. Kasutades klaasist PCB -sid, võiks tõesti leida maailma väikseima LED -kuubi. Sel juhul valasin ma tõenäoliselt kõik ka nqtronixi kuubiku sarnasesse epoksüvaiku.