4x4x4 „DotStar“LED kubas ant stiklo PCB: 10 žingsnių (su paveikslėliais)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:48

Šio projekto įkvėpimas kilo iš kitų mažų LED kubelių, tokių kaip „HariFun“ir „nqtronix“. Abu šie projektai naudoja SMD šviesos diodus, kad sukurtų tikrai mažų matmenų kubą, tačiau atskiri šviesos diodai yra sujungti laidais. Mano idėja buvo sumontuoti šviesos diodus ant PCB, kaip numatyta ant paviršiaus montuojamoms dalims. Tai taip pat išspręstų problemą, kad šviesos diodai būtų tvarkingai išdėstyti matricoje su tais pačiais atstumais, o tai dažnai gali būti sudėtinga juos prijungus laidais. Akivaizdi PCB problema yra ta, kad jie yra nepermatomi, todėl atskiri sluoksniai būtų paslėpti vienas už kitą. Naršydamas internete turėdamas tai omenyje, atsitiktinai aptikau „CNLohr“instrukcijas, kaip pasigaminti skaidraus stiklo PCB. Taip sugalvojau padaryti nedidelį kubelį iš SMD šviesos diodų, sumontuotų ant stiklo PCB. Nors tai nėra mažiausias pasaulyje LED kubas (šis pavadinimas tikriausiai vis dar priklauso „nqtronix“), manau, kad stiklinės PCB suteikia puikų naują prisilietimą prie daugybės jau esamų LED kubelių.

1 žingsnis: medžiagų sąrašas

LED kubą sudaro tik kelios toliau išvardytos medžiagos

• mikroskopo skaidres (25,4 x 76,2 x 1 mm), pvz. amazon.de
• varinė juosta (0,035 x 30 mm), pvz. ebay.de
• „DotStar Micro LED“(APA102-2020), pvz. adafruit arba aliexpress
• PCB plokštės prototipas (50 x 70 mm), pvz. amazon.de
• arduino nano, pvz. amazon.de
• PCB tarpikliai, pvz. amazon.de arba aliexpress

Mikroskopo stikleliai bus PCB substratas. Aš nusprendžiau juos supjaustyti į 25,4 x 25,4 mm dydžio kvadratinius gabalėlius. Vario folija turi būti pakankamai plona ėsdinimui, o 1 mil (0,025 mm) paprastai yra PCB standartas, 0,035 mm storis puikiai tinka. Žinoma, varinės juostos plotis turi būti didesnis nei 25,4 mm, kad padengtų stiklo pagrindą. Aš nusprendžiau naudoti „DotStar“šviesos diodus mažesniame prieinamame 2020 m. Šiuose šviesos dioduose yra įmontuotas valdiklis, leidžiantis adresuoti visus šviesos diodus viena duomenų linija, t. Matyt, yra dviejų skirtingų tipų „DotStar“šviesos diodų padėklų išdėstymai (žr. Aukščiau). Mano sukurtas PCB išdėstymas yra tas, kuris parodytas kairėje. Kubui jums reikės 64 šviesos diodų, aš užsisakiau 100 vienetų, kad būtų keletas atsarginių, kurie taip pat gali būti naudojami būsimiems projektams. Viskas bus sumontuota ant prototipo PCB plokštės, kuri turėtų būti pakankamai didelė, kad ant jos tilptų arduino nano. Iš 50 x 70 mm dvipusės lentos iškirpiau mažesnį gabalėlį (tiks ir vienpusis). PCB tarpikliai bus pagrindo pjedestalai. Jums taip pat reikės plonų laidų, skirtų prototipo PCB prijungimui, ir galbūt „Dupont“kabelių bandymams.

Norėdami pagaminti kubą, jums taip pat reikės šių cheminių medžiagų

• geležies chlorido tirpalas
• acetonas
• epoksidiniai klijai, pvz. Norlandas NO81 arba NO61
• litavimo pasta
• srautas
• bendrosios paskirties klijai, pvz. UHU Hartas

Norėdami išgraviruoti varį nuo stiklo pagrindų, iš vietinės elektronikos parduotuvės gavau 40% geležies chlorido tirpalą. Aš naudojau geležies chloridą, nes jis yra pigus ir lengvai prieinamas, tačiau yra tam tikrų trūkumų, taip pat turėtumėte apsvarstyti kitus ėsdintojus, tokius kaip natrio persulfatas. Įvairių etchančių apžvalgą ir jų teigiamus bei neigiamus aspektus rasite čia. PCB gaminau naudodamas dažų perkėlimo metodą, o po ėsdinimo tonerį pašalinau acetonu. Norėdami klijuoti vario foliją ant stiklo pagrindo, turėtumėte gauti skaidrius epoksidinius klijus, kurie yra atsparūs temperatūrai (dėl litavimo) ir idealiu atveju taip pat atsparūs acetonui. Radau, kad ypač pastarojo sunku rasti, tačiau dauguma epoksidų yra šiek tiek atsparūs acetonui, kurio pakanka mūsų tikslui, nes mes turime tik juo nuvalyti paviršių. Aš nusprendžiau naudoti UV kietinantį epoksidą „Norland NO81“, daugiausia dėl to, kad dirbu įmonėje, kuri parduoda medžiagą. Galų gale aš nebuvau labai laimingas, nes epoksidas nelabai prilipo prie stiklo pagrindo, nors jis yra specialiai sukurtas metalo ir stiklo klijavimui. Savo pamokoje „CNLohr“naudoja šią epoksidinę medžiagą, kurią galbūt norėsite apsvarstyti. Norėdami lituoti šviesos diodus ant PCB, jums reikės litavimo pastos, aš rekomenduoju tokią, kurios lydymosi temperatūra yra maža, kad sumažėtų šviesos diodų ir epoksidinės medžiagos įtempis. Taip pat turėtumėte gauti srautą, kad pritvirtintumėte litavimo tiltus. Pagaliau mums reikės klijų, skirtų stiklo PCB klijavimui prie pagrindo. Aš naudoju bendros paskirties klijus UHU Hart, bet gali būti geresnių variantų.

Be to, šiai konstrukcijai jums reikės šių įrankių.

• Lazerinis spausdintuvas
• laminatorius
• stiklo pjaustytuvas
• karšto oro litavimo stotis
• lituoklis su mažu antgaliu

Lazerinis spausdintuvas reikalingas dažų perkėlimo būdui, rašalinis spausdintuvas čia neveiks. Naudojau laminatorių toneriui perkelti į varį. Nors tai galima padaryti ir su lygintuvu, pastebėjau, kad laminatorius duoda geresnių rezultatų. Karšto oro litavimo stotis skirta SMD šviesos diodams lituoti, taip pat galima (o gal ir patogiau) tai padaryti naudojant kaitlentę arba virimo krosnelę, tačiau vis tiek gali prireikti karšto oro litavimo stoties. Be to, lituoklių tiltams tvirtinti ir jungtims prie pagrindinės PCB rekomenduojama naudoti lituoklį su mažu antgaliu. Jums taip pat reikės stiklo pjaustytuvo, kad mikroskopo skaidres supjaustytumėte į kvadratines dalis.

2 veiksmas: spausdinkite PCB išdėstymą

„DotStar“šviesos diodai bus sumontuoti ant 4 identiškų PCB, kurių kiekvienoje yra 4x4 šviesos diodų masyvas. Aš padariau PCB išdėstymą su „Eagle“ir eksportavau jį į pdf failą. Tada aš atspindėjau maketą, išdėstiau kelis viename puslapyje ir pridėjau keletą žymių, kad vėliau juos iškirpčiau. Šį pdf failą galima atsisiųsti žemiau. Taip pat pridėjau „Eagle“failus, jei norėtumėte pakeisti lentos išdėstymą. Be to, sukūriau litavimo trafareto, kurį galima išgraviruoti iš tos pačios varinės folijos, maketą. Trafaretas neprivalomas, tačiau palengvina lydmetalio pastos paskleidimą ant PCB. Kaip jau minėta, išdėstymas turėtų būti atspausdintas lazeriniu spausdintuvu. Jūs negalite naudoti įprasto popieriaus, bet turėtumėte naudoti tam tikrą blizgantį popierių. Yra specialus dažų pernešimo popierius (žr., Pvz., Čia), tačiau daugelis žmonių tiesiog naudoja žurnalų (pvz., IKEA katalogo) popierių. Dažų pernešimo popieriaus pranašumas yra tas, kad jį lengviau išimti iš vario po perdavimo. Išbandžiau šį dažų perkėlimo popierių ir kai kuriuos žurnalų puslapius ir pastebėjau, kad žurnalo puslapiai veikia dar geriau. Mano dažų perkėlimo popieriaus problema buvo ta, kad dažai kartais anksčiau nusitrindavo, pvz. iškirpdami atskirus išdėstymus, todėl rekomenduoju naudoti kitą prekės ženklą. Jau minėtoje „CNLohr“pamokoje jis naudoja šį prekės ženklą, kuris gali veikti geriau. Išspausdinę PCB ir litavimo trafareto maketus, iškirpkite juos peiliu. Iš esmės jums reikia tik keturių PCB išdėstymų ir vieno trafareto, tačiau tikrai naudinga turėti bent dvigubai daugiau, nei mažai tikėtina, kad visi perkėlimai veiks.

3 žingsnis: Padarykite varį ant stiklo

Iš pradžių stiklo pjaustytuvu turite supjaustyti mikroskopo skaidres į kvadratinius gabalus. Patogiai „YouTube“galite rasti pamoką apie beveik viską. Ieškodamas „mikroskopo skaidrių pjovimo“radau šią pamoką, kurioje parodyta, kaip tai daroma. Tai šiek tiek sudėtinga, kad tai gerai veiktų, ir aš iššvaisčiau daug mikroskopo skaidrių, bet jei užsisakėte 100 vienetų, kaip aš, turėtumėte turėti daugiau nei pakankamai. Vėlgi, aš rekomenduoju padaryti bent du kartus daugiau substratų, kiek reikia (apie 8–10), nes greičiausiai padarysite keletą klaidų. Po to varinę juostą supjaustykite gabalėliais, kurie yra šiek tiek didesni už kvadratinius stiklo pagrindus. Tiek substratą, tiek vario foliją nuvalykite alkoholiu arba acetonu ir tada klijuokite. Įsitikinkite, kad klijų viduje nėra oro burbuliukų. Kaip jau minėta, naudojau „Norland NO81“, kuris yra greitai kietėjantis UV spindulių klijus, rekomenduojamas metalo ir stiklo klijavimui. Taip pat vykdžiau „CNLohr“nurodymus ir grubiau vieną vario folijos pusę, kad ji geriau priliptų prie stiklo. Žvelgiant retrospektyviai, aš tikriausiai tai daryčiau neapdorodamas, nes dėl to šviesos perdavimas per PCB buvo šiek tiek išsklaidytas, ir aš norėčiau, kad jie atrodytų aiškiau. Be to, nebuvau labai patenkinta, kaip gerai klijai prilipo prie stiklo, ir pastebėjau, kad kraštai kartais nulupami. Nesu tikras, ar tai įvyko dėl netinkamo kietėjimo, ar dėl paties klijų. Ateityje tikrai išbandysiu kitus prekės ženklus. Džiovinimui naudoju UV lempą banknotams tikrinti, kurių emisijos smailė atsitiktinai turėjo esant tinkamam bangos ilgiui (365 nm). Išdžiovinus, aš tiksliai peiliu nupjoviau persidengiančius varius. Lituoklio trafaretui aš taip pat supjaustiau keletą papildomų vario folijos gabalų, neklijuodamas jų ant pagrindo.

4 veiksmas: PCB išdėstymo perkėlimas

Dabar lazerinio spausdinimo dažai turi būti perkelti į varį, kuris atliekamas karščiu ir slėgiu. Iš pradžių tai bandžiau su lygintuvu, bet vėliau panaudojau laminatorių. Aukščiau esančiame paveikslėlyje parodytas abiejų metodų palyginimas su ankstesne PCB išdėstymo versija. Kaip matote, laminatorius davė daug geresnių rezultatų. Dauguma žmonių naudoja modifikuotą laminatorių, kurį galima pašildyti iki aukštesnės temperatūros. Savo pamokoje „CNLohr“pirmiausia naudoja laminatorių, o vėliau taip pat šildo jį lygintuvu. Aš ką tik naudojau standartinį laminatorių ir neturėjau lygintuvo, kuris puikiai veikė. Perkėlimui lazerinį atspaudą uždėjau ant vario žemyn ir pritvirtinau nedideliu lipnia juostele. Tada sulenkiau jį į nedidelį popieriaus lapelį ir po kiekvieno bėgimo apverčiau aukštyn kojomis maždaug 8-10 kartų per laminatorių. Po to substratą su lazeriniu atspaudu įdėjau į dubenį su vandeniu ir palikau keletą minučių mirkyti, tada atsargiai nulupau popierių. Jei naudojate dažų pernešimo popierių, popierius paprastai lengvai nusiima, nepaliekant jokių likučių. Dėl žurnalo popieriaus nykščiu turėjau švelniai patrinti dalį likusio popieriaus. Jei perkėlimas nepavyko, galite tiesiog pašalinti dažą iš vario acetonu ir bandyti dar kartą. Lituoklio trafareto išdėstymas buvo perkeltas į pliką vario foliją tokiu pačiu būdu.

5 žingsnis: vario ėsdinimas

Dabar atėjo laikas vario ėsdinimui. Šio proceso metu varis bus pašalintas iš pagrindo, išskyrus tas vietas, kuriose jis yra apsaugotas dažais. Norėdami apsaugoti vario folijos užpakalinę dalį su litavimo trafareto išdėstymu, galite tiesiog nudažyti ją nuolatiniu žymekliu. Turėčiau paminėti, kad dirbdami su ėsdinimo priemone, pvz., Geležies chloridu, žinoma, turėtumėte imtis tam tikrų apsaugos priemonių. Nors geležies chloridas nedega per jūsų odą, jis bent jau susidarys nemalonių geltonai rudų dėmių, todėl tikrai rekomenduojama dėvėti pirštines. Taip pat tikriausiai nenustebsite dėl to, kad rūgštis kenkia jūsų akims, todėl turėtumėte dėvėti apsauginius akinius. Kiek suprantu, ėsdinant nesusidaro dujos, tačiau vis tiek galite tai padaryti gerai vėdinamoje vietoje, nes grynas oras jums visada naudingas;-) Įpilkite geležies chlorido tirpalo į mažą indą (galite apsaugoti apsaugokite savo darbo vietą nuo atsitiktinio išsiliejimo, įdėdami ją į didesnį indą). Įdėdamas PCB, vėl laikiausi CNLohr nurodymų ir padėjau substratus žemyn į skystį, kad jie liktų plaukiojantys. Tai labai patogu, nes tiksliai žinosite, kada baigsite ofortą, kurio kitaip nematysite rudame tirpale, kuris ėsdinant taps dar tamsesnis. Be to, jis taip pat palaiko tam tikrą konvekciją žemiau substratų. Man ėsdinimo procesas truko apie 20 minučių. Išgraviravus visą nepageidaujamą varį, PCB nuplaukite vandeniu ir išdžiovinkite. Turėtumėte palikti keletą gražių skaidraus stiklo PCB. Paskutinis dalykas, kurį reikia padaryti, yra pašalinti acetoną iš vario pėdsakų. Tiesiog švelniai nuvalykite juo paviršių, nes acetonas taip pat užpuls klijus. NEGALIMA išplauti panaudoto geležies chlorido į kanalizaciją, nes jis kenkia aplinkai (ir greičiausiai taip pat korozuos jūsų vamzdžius). Surinkite viską į konteinerį ir tinkamai išmeskite.

6 žingsnis: šviesos diodų litavimas

Priklausomai nuo jūsų įrangos ir SMD litavimo įgūdžių, kita dalis gali užtrukti daug laiko. Pirmiausia turite gauti litavimo pastą ant plokštelių, ant kurių bus prijungti šviesos diodai. Jei išgraviravote lydmetalio trafaretą, galite jį pritvirtinti prie PCB lipnia juostele ir tik gausiai paskleisti pastą. Arba galite naudoti dantų krapštuką, kad ant kiekvienos trinkelės uždėtumėte nedidelį kiekį litavimo pastos. Po to įprastas dalykas yra įdėti šviesos diodus ir viską įdėti į orkaitę (= skrudintuvą daugeliui elektroninių mėgėjų) arba ant kaitlentės. Tačiau pastebėjau, kad dėl to paprastai susidarys kai kurie litavimo tiltai, kuriuos vėliau labai sunku pašalinti, nes negalite pasiekti trinkelių po šviesos diodais. Dėl šios priežasties iš pradžių lydmetalį ištirpinau karšto oro stotyje, o po to visus litavimo tiltus sutvirtinau lituokliu, naudodami srautą ir litavimo pynę, kad pašalintumėte lydmetalio perteklių. Tada šviesos diodus po vieną litavau karštu oru. Žinoma, greitesnis metodas būtų kaitvietės ar orkaitės naudojimas, tačiau mano metodo pranašumas yra tas, kad po kiekvieno žingsnio galite išbandyti PCB. Taip pat man litavimas beveik turi meditacinę vibraciją;-). Stenkitės lituoti šviesos diodus teisinga kryptimi, kaip parodyta aukščiau esančioje schemoje. Bandymams naudojau „strandtest“pavyzdį iš „adafruit DotStar“bibliotekos ir prijungiau SDI, CKI ir GND laidus, kaip parodyta aukščiau. Pasirodo, kad VCC jungtis nereikalinga, kad šviesos diodai užsidegtų, tačiau pastebėjau, kad pirmojo šviesos diodo raudona ir mėlyna spalva visada užsidega vienu metu. Taip nebuvo, kai taip pat prijungtas VCC, tačiau sunku prijungti visus keturis laidus, jei turite tik įprastą rankų skaičių;-).

7 žingsnis: Paruoškite pagrindinę PCB

Kai baigsite visas stiklo PCB su prijungtais šviesos diodais, laikas paruošti apatinę PCB, kur jie bus sumontuoti. Aš išpjoviau gabalėlį su 18x19 skylėmis iš prototipo PCB, kuris suteikia pakankamai vietos visiems komponentams montuoti ir visoms būtinoms jungtims, taip pat keturiose skylėse, išgręžtose kraštuose, kur galima pritvirtinti PCB tarpiklius. Galima padaryti PCB dar mažesnę, naudojant arduino mikro, o ne arduino nano, ir pasirenkant mažesnio skersmens tarpiklius. PCB schema parodyta aukščiau. Iš pradžių turėtumėte lituoti arduino kaiščius prie PCB, neprijungdami jų prie arduino, nes kai kurie laidai turi būti žemiau arduino (žinoma, pirmą kartą tai padariau neteisingai). Taip pat įsitikinkite, kad ilgesnė kaiščių pusė nukreipta į PCB pusę (t. Y. Arduino bus pritvirtinta prie ilgesnės pusės). Tada naudokite ploną vielą, kad sujungtumėte, kaip parodyta schemoje. Visi laidai eina PCB apačioje, bet yra lituojami viršuje. Atminkite, kad taip pat turite sukurti keturis litavimo tiltus, kad sujungtumėte VCC, GND, SDI ir CKI su arduino kaiščiais. VCC bus prijungtas prie arduino 5 V kaiščio, GND - GND, SDI - D10 ir CKI - D9. Laidai pasirodė šiek tiek netvarkingesni, nei maniau, nors bandžiau viską sutvarkyti taip, kad jūs turėtumėte kuo mažiau jungčių.

8 žingsnis: pritvirtinkite stiklo PCB

Galiausiai galite atlikti paskutinį surinkimo žingsnį, ty pritvirtinti stiklo pagrindą prie pagrindo. Pradėjau nuo priekinio sluoksnio, esančio pagrindo šone, kuris yra arčiau arduino. Tokiu būdu galite išbandyti kiekvieną sluoksnį po to, kai jis buvo sumontuotas, nes signalas eina iš priekio į galą. Tačiau, kai litavimo pagalvėlės nukreiptos į priekį, kitų sluoksnių litavimas tampa šiek tiek sudėtingesnis, nes tarp jų reikia pasiekti lituoklį. Norėdami pritvirtinti PCB, aš uždėjau nedidelį kiekį klijų (UHU Hart) ant apatinio stiklo PCB krašto (ten, kur yra trinkelės), tada tvirtai prispaudžiau jį prie pagrindo ir laukiau, kol jis pakankamai gerai prilips. Vėliau aš pridėjau dar šiek tiek klijų į apatinę dalį, esančią galinėje PCB pusėje (priešingai nei litavimo pagalvėlės). Tiesą pasakius, nesu 100% patenkintas rezultatu, nes nepavyko sumontuoti PCB tiksliai vertikaliai. Gali būti geriau padaryti tam tikrą strypą, kad sluoksniai liktų vertikalūs, kol klijai visiškai išdžius. Sumontavęs kiekvieną sluoksnį, sujungiau lydmetalį, ant šešių trinkelių apačioje užtepdamas didelį kiekį litavimo pastos, kad jos būtų prijungtos prie atitinkamų litavimo taškų apatinėje PCB. Lituoti naudoju ne karštą orą, o įprastą lituoklį. Atminkite, kad paskutiniam sluoksniui turite prijungti tik keturias trinkeles. Sumontavęs kiekvieną sluoksnį, išbandžiau kubą su „strandtest“pavyzdiniu kodu. Paaiškėjo, kad nors iš anksto išbandžiau kiekvieną sluoksnį, buvo keletas blogų jungčių ir turėjau pertvarkyti du šviesos diodus. Tai buvo ypač erzina, nes vienas iš jų buvo antrame sluoksnyje, o aš turėjau pasiekti tarpą su savo šilumos pistoletu. Kai viskas bus padaryta, statyba bus baigta. Sveikinu!

9 veiksmas: įkelkite kodą

Aš ką tik padariau paprastą eskizo pavyzdį su keliomis animacijomis, kuris parodytas aukščiau esančiame vaizdo įraše. Kodas naudoja „FastLED“biblioteką ir yra pagrįstas „DemoReel100“pavyzdžiu. Man labai patinka ši biblioteka, nes joje jau yra spalvų ir ryškumo išblukimo funkcijos, todėl lengva sukurti puikiai atrodančią animaciją. Idėja yra tai, kad jūs galite padaryti daugiau animacijos ir galbūt pasidalyti savo kodu komentarų skiltyje. Eskizo pavyzdyje aš nustatiau bendrą ryškumą į mažesnę vertę dėl dviejų priežasčių. Pirma, visu ryškumu šviesos diodai yra erzinančiai ryškūs. Antra, visi 64 šviesos diodai visu ryškumu gali suvartoti daug daugiau srovės, nei 5 V arduino kaištis gali saugiai (200 mA).

10 žingsnis: „Outlook“

Yra keletas dalykų, kuriuos galima patobulinti naudojant šią bulidę, daugumą jų jau minėjau. Pagrindinis dalykas, kurį norėčiau pakeisti, yra padaryti profesionalią PCB pagrindui. Tai leistų sumažinti pagrindą ir atrodyti gražiau, taip pat išvengti erzinančio visko prijungimo rankomis proceso. Taip pat manau, kad stiklo PCB dizainas leistų toliau mažinti visą kubą. Savo instrukcijoje (galbūt) mažiausiame pasaulyje LED kubelyje nqtronix rašo, kad iš pradžių planavo naudoti mažiausius pasaulyje RGB šviesos diodus, kurių dydis 0404, tačiau jis nespėjo prie jų prilituoti laidų. Naudojant stiklo PCB tikrai galima rasti mažiausią pasaulyje LED kubą. Šiuo atveju aš tikriausiai taip pat viską supilčiau į epoksidinę dervą, panašią į „nqtronix“kubą.