4x4x4 DotStar LED kubs uz stikla PCB: 10 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Šī projekta iedvesma radās no citiem sīkiem LED klucīšiem, piemēram, HariFun un nqtronix. Abos šajos projektos tiek izmantotas SMD gaismas diodes, lai izveidotu patiešām mazu izmēru kubu, tomēr atsevišķas gaismas diodes ir savienotas ar vadiem. Mana ideja bija uzstādīt gaismas diodes uz PCB, kā paredzēts detaļām uz virsmas. Tas arī atrisinātu problēmu, kā gaismas diodes kārtīgi sakārtot matricā ar vienādiem attālumiem, kas bieži var būt sarežģīti, savienojot tos ar vadiem. Acīmredzamā problēma ar PCB ir tā, ka tie ir necaurspīdīgi, un tāpēc atsevišķi slāņi būtu paslēpti viens aiz otra. Pārlūkojot tīmekli, to paturot prātā, es uzdūros CNLohr norādījumiem par skaidra stikla PCB izgatavošanu. Tādā veidā man radās ideja izgatavot nelielu kubu no SMD gaismas diodēm, kas uzstādītas uz stikla PCB. Lai gan tas nav pasaulē mazākais LED kubs (šis nosaukums, iespējams, joprojām pieder nqtronix), es domāju, ka stikla PCB pievieno jauku jaunu pieskārienu lielajai jau esošo LED kubu dažādībai.

1. darbība: materiālu saraksts

LED kubs sastāv no dažiem materiāliem, kas uzskaitīti zemāk

• mikroskopa priekšmetstikliņi (25,4 x 76,2 x 1 mm), piem. amazon.de
• vara lente (0,035 x 30 mm), piem. ebay.de
• DotStar Micro LED (APA102-2020), piem. adafruit vai aliexpress
• PCB plates prototips (50 x 70 mm), piem. amazon.de
• arduino nano, piem. amazon.de
• PCB starplikas, piem. amazon.de vai aliexpress

Mikroskopa priekšmetstikliņi kalpos kā PCB substrāts. Es nolēmu sagriezt tos kvadrātveida gabalos, kuru izmērs ir 25,4 x 25,4 mm. Vara folijai jābūt pietiekami plānai kodināšanai, savukārt 1 mil (0,025 mm) parasti ir PCB standarts, bet 0,035 mm biezums darbojas labi. Protams, vara lentes platumam jābūt lielākam par 25,4 mm, lai pārklātu stikla pamatni. Es nolēmu izmantot DotStar gaismas diodes mazākajā pieejamajā 2020. Šīm gaismas diodēm ir iebūvēts kontrolieris, kas ļauj adresēt visas gaismas diodes ar vienu datu līniju, t.i., nav nepieciešami maiņu reģistri vai charlieplexing. Acīmredzot DotStar gaismas diodēm ir divu veidu spilventiņu izkārtojumi (skatīt iepriekš). Manis izstrādātais PCB izkārtojums ir tāds, kas parādīts kreisajā pusē. Kubam jums būs vajadzīgas 64 gaismas diodes, es pasūtīju 100 gabalus, lai būtu daži rezerves, kurus var izmantot arī turpmākajiem projektiem. Viss tiks uzstādīts uz PCB plates prototipa, kurai jābūt pietiekami lielai, lai arduino nano tajā ietilptu. Es izgriezu mazāku gabalu no 50 x 70 mm divpusējas plātnes (derēs arī vienpusēja). PCB starplikas kalpos kā pamatnes pamatne. Jums būs nepieciešami arī plāni vadi, lai izveidotu savienojumus prototipa PCB, un varbūt daži "Dupont kabeļi" testēšanai.

Lai izgatavotu kubu, jums būs nepieciešamas arī šādas ķīmiskās vielas

• dzelzs hlorīda šķīdums
• acetons
• epoksīda līme, piem. Norland NO81 vai NO61
• lodēšanas pasta
• plūsma
• universāla līme, piem. UHU Hart

Lai iegravētu varu no stikla pamatnēm, es dabūju 40% dzelzs hlorīda šķīdumu no vietējā elektronikas veikala. Es izmantoju dzelzs hlorīdu, jo tas ir lēts un viegli pieejams, tomēr ir daži trūkumi, un jums vajadzētu apsvērt arī citus kodinātājus, piemēram, nātrija persulfātu. Pārskatu par dažādiem kodinātājiem un to pozitīvajām un negatīvajām pusēm var atrast šeit. Es izgatavoju PCB, izmantojot tonera pārneses metodi, un pēc kodināšanas toneru noņemšanai izmantoju acetonu. Lai pielīmētu vara foliju uz stikla pamatnes, jums vajadzētu iegūt caurspīdīgu epoksīda līmi, kas ir izturīga pret temperatūru (lodēšanas dēļ) un ideālā gadījumā arī pret acetonu. Es atklāju, ka īpaši pēdējo ir grūti atrast, tomēr lielākā daļa epoksīdu ir viegli izturīgi pret acetonu, kas ir pietiekams mūsu mērķim, jo mums ir tikai jānoslauka virsma. Es nolēmu izmantot UV cietējošo epoksīdu Norland NO81, galvenokārt tāpēc, ka strādāju uzņēmumā, kas pārdod preces. Galu galā es nebiju ļoti laimīgs, jo epoksīdslānis ļoti labi nelīp pie stikla pamatnes, lai gan tas ir īpaši paredzēts metāla savienošanai ar stiklu. Savā apmācībā CNLohr izmanto šo epoksīdu, kuru, iespējams, vēlēsities apsvērt. Lai lodētu gaismas diodes uz PCB, jums būs nepieciešama lodēšanas pasta, es iesaku tādu ar zemu kušanas temperatūru, lai samazinātu gaismas diožu un epoksīda iedarbību. Jums vajadzētu arī iegūt plūsmu lodēšanas tiltu nostiprināšanai. Beidzot mums būs nepieciešama kāda līme stikla PCB pielīmēšanai pie pamatnes. Es izmantoju universāla līme UHU Hart, bet varētu būt labākas iespējas.

Turklāt, lai izveidotu šo versiju, jums būs nepieciešami šādi rīki.

• lāzera printeris
• laminētājs
• stikla griezējs
• karstā gaisa lodēšanas stacija
• lodāmurs ar mazu galu

Lāzera printeris ir vajadzīgs tonera pārsūtīšanas metodei, tintes printeris šeit nedarbosies. Es izmantoju laminētāju, lai toneri pārnestu uz varu. Lai gan to var izdarīt arī ar gludekli, es atklāju, ka laminētājs dod labākus rezultātus. Karstā gaisa lodēšanas stacija ir paredzēta SMD gaismas diožu lodēšanai, to ir iespējams (un varbūt arī ērtāk) darīt ar sildvirsmu vai refluksa krāsni, taču, iespējams, jums būs nepieciešama karstā gaisa lodēšanas iekārta pārstrādei. Turklāt lodāmurs ar nelielu uzgali ir ieteicams lodēšanas tiltu nostiprināšanai un savienojumu veidošanai uz pamata PCB. Jums būs nepieciešams arī stikla griezējs, lai mikroskopa priekšmetstikliņus sagrieztu kvadrātveida gabalos.

2. darbība. PCB izkārtojuma drukāšana

DotStar gaismas diodes tiks uzstādītas uz 4 identiskām PCB, katrā no tām ir 4x4 gaismas diodes. Es izveidoju PCB izkārtojumu ar Eagle un eksportēju to uz pdf failu. Pēc tam es atspoguļoju izkārtojumu, sakārtoju vairākus vienā lapā un pievienoju dažas atzīmes par to izgriešanu pēc tam. Šo pdf failu var lejupielādēt zemāk. Esmu pievienojis arī Eagle failus, ja vēlaties veikt izmaiņas tāfeles izkārtojumā. Turklāt es izveidoju lodēšanas trafareta izkārtojumu, ko var kodināt no vienas un tās pašas vara folijas. Trafarets nav obligāts, taču tas atvieglo lodēšanas pastas izplatīšanu uz PCB. Kā jau minēts, izkārtojums ir jāizdrukā ar lāzera printeri. Jūs nevarat izmantot parasto papīru, bet tā vietā izmantojiet kādu spīdīgu papīru. Pastāv īpaša veida tonera pārneses papīrs (sk., Piemēram, šeit), taču daudzi cilvēki vienkārši izmanto žurnālu papīru (piemēram, IKEA katalogs). Tonera pārneses papīra priekšrocība ir tā, ka pēc pārnešanas to ir vieglāk noņemt no vara. Es izmēģināju šo tonera pārneses papīru un arī dažas žurnālu lapas un atklāju, ka žurnālu lapas darbojas vēl labāk. Mana tonera pārneses papīra problēma bija tā, ka toneris dažreiz noberzējās, piemēram, izgriežot atsevišķus izkārtojumus, tāpēc es iesaku izmantot kādu citu zīmolu. Jau pieminētajā CNLohr apmācībā viņš izmanto šo zīmolu, kas var darboties labāk. Pēc PCB izkārtojumu un lodēšanas trafareta drukāšanas tos izgrieziet ar precīzu nazi. Principā jums ir nepieciešami tikai četri PCB izkārtojumi un viens trafarets, taču noteikti ir lietderīgi, ja ir vismaz divas reizes vairāk, nekā maz ticams, ka visi pārsūtījumi darbosies.

3. solis: vara uzklāšana uz stikla

Sākumā mikroskopa priekšmetstikliņi jāsagriež kvadrātveida gabalos, izmantojot stikla griezēju. Ērti youtube varat atrast pamācību gandrīz jebkuram. Meklējot "mikroskopa slaidu griešana", es atradu šo pamācību, kas parāda, kā tas tiek darīts. Tas ir mazliet sarežģīti, lai tas darbotos labi, un es izšķērdēju daudz mikroskopa priekšmetstikliņu, bet, ja jūs pasūtījāt 100 gabalus, kā es, jums vajadzētu būt vairāk nekā pietiekami. Atkal es iesaku izgatavot vismaz divas reizes vairāk substrātu, cik nepieciešams (apmēram 8-10), jo jūs, iespējams, pieļausit dažas kļūdas. Pēc tam vara lenti sagriež gabalos, kas ir nedaudz lielāki par kvadrātveida stikla pamatnēm. Notīriet gan pamatni, gan vara foliju ar spirtu vai acetonu un pēc tam pielīmējiet kopā. Pārliecinieties, ka līmes iekšpusē nav gaisa burbuļu. Kā jau minēts, es izmantoju Norland NO81, kas ir ātri UV cietējoša līme, kas ir ieteicama metāla savienošanai ar stiklu. Es arī sekoju CNLohr norādījumiem un raupju vienu vara folijas pusi, lai tā labāk pieliptu pie stikla. Retrospektīvi, es droši vien to darītu bez raupšanas, jo tas padarīja gaismas caurlaidību caur PCB nedaudz izkliedētu, un es gribētu, lai tie izskatās skaidrāk. Turklāt es nebiju ļoti apmierināta ar to, cik labi līme pielīmēja stiklu, un atklāju, ka malas dažreiz nolobās. Es neesmu pārliecināts, vai tas bija saistīts ar nepareizu sacietēšanu vai pašas līmes dēļ. Nākotnē es noteikti izmēģinātu dažus citus zīmolus. Konservēšanai es izmantoju UV lampu, lai pārbaudītu banknotes, kurām nejauši bija emisijas maksimums pareizajā viļņu garumā (365 nm). Pēc sacietēšanas es ar precīzu nazi nogriezu vara pārklāšanos. Lodēšanas trafaretam es arī nogriezu dažus papildu vara folijas gabalus, nelīmējot tos uz pamatnes.

4. darbība. PCB izkārtojuma pārsūtīšana

Tagad toneris no lāzerdrukas ir jāpārnes uz varu, ko veic ar karstumu un spiedienu. Sākumā es to izmēģināju ar gludekli, bet vēlāk izmantoju laminatoru. Iepriekš redzamajā attēlā redzams abu metožu salīdzinājums ar iepriekšējo PCB izkārtojuma versiju. Kā redzams, laminētājs sniedza daudz labākus rezultātus. Lielākā daļa cilvēku izmanto pārveidotu laminatoru, ko var sildīt līdz augstākai temperatūrai. Savā apmācībā CNLohr vispirms izmanto laminatoru un pēc tam arī silda to ar gludekli. Es tikko izmantoju standarta laminatoru un bez dzelzs, kas darbojās lieliski. Pārsūtīšanai es ievietoju lāzera nospiedumu uz leju uz vara un nostiprināju to ar nelielu līmlentes gabalu. Tad es to salocīju nelielā papīra gabaliņā un apmēram 8-10 reizes izlaida cauri laminatoram, vienlaikus apgriežot to otrādi. Pēc tam es ievietoju substrātu ar lāzera nospiedumu ūdens bļodā un atstāju to dažas minūtes mērcēt, pēc tam uzmanīgi noņemu papīru. Ja izmantojat tonera pārneses papīru, papīrs parasti viegli nokrīt, neatstājot atlikumus. Žurnāla papīram ar īkšķi nācās viegli noberzt atlikušo papīru. Ja pārsūtīšana nedarbojās, varat vienkārši noņemt toneri no vara ar acetonu un mēģināt vēlreiz. Lodēšanas trafareta izkārtojums tika pārnests uz tukšo vara foliju tādā pašā veidā.

5. solis: vara kodināšana

Tagad ir pienācis laiks vara kodināšanai. Šī procesa laikā varš tiks noņemts no pamatnes, izņemot reģionus, kur to aizsargā toneris. Lai aizsargātu vara folijas aizmuguri ar lodēšanas trafareta izkārtojumu, varat to vienkārši nokrāsot ar pastāvīgu marķieri. Jāpiemin, ka, strādājot ar kodinātāju, piemēram, dzelzs hlorīdu, jums, protams, jāveic daži aizsardzības pasākumi. Lai gan dzelzs hlorīds nedeg caur ādu, tas vismaz radīs nejaukus dzeltenbrūnus traipus, tāpēc noteikti ieteicams lietot cimdus. Tāpat jūs, iespējams, nepārsteigs fakts, ka skābe ir kaitīga jūsu acīm, tāpēc jums jāvalkā aizsargbrilles. Cik es saprotu, kodināšanas laikā neveidojas gāze, bet jūs joprojām varat to darīt labi vēdināmā vietā, jo svaigs gaiss jums vienmēr ir labs;-) Ievietojiet dzelzs hlorīda šķīdumu nelielā traukā (jūs varat aizsargāt lai izvairītos no nejaušas noplūdes, ievietojot to lielākā traukā). Ievietojot PCB, es atkal ievēroju CNLohr norādījumus un ievietoju pamatnes ar skatu uz leju šķidrumā, lai tās paliktu peldošas. Tas ir ļoti ērti, jo jūs precīzi zināt, kad kodināšana ir pabeigta, ko citādi neredzat brūnajā šķīdumā, kas kodināšanas laikā kļūs vēl tumšāks. Turklāt tas arī saglabā zināmu konvekciju zem pamatnēm. Man kodināšanas process aizņēma apmēram 20 minūtes. Pēc visa nevēlamā vara kodināšanas izskalojiet PCB ar ūdeni un nosusiniet. Jums vajadzētu atstāt dažas jaukas caurspīdīga stikla PCB. Pēdējais, kas jādara, ir noņemt toneri no vara pēdām ar acetonu. Vienkārši viegli noslaukiet virsmu, jo acetons arī uzbrūk līmei. Lūdzu, NELIETOJIET izlietoto dzelzs hlorīdu kanalizācijā, jo tas ir kaitīgs videi (un, iespējams, arī korodēs jūsu caurules). Visu savāc traukā un pareizi iznīcini.

6. solis: gaismas diožu lodēšana

Atkarībā no jūsu aprīkojuma un SMD lodēšanas prasmēm nākamā daļa var būt diezgan laikietilpīga. Vispirms jums ir jāiegūst lodēšanas pasta uz PCB paliktņiem, kur tiks savienotas gaismas diodes. Ja esat iegravējis lodēšanas trafaretu, varat to piestiprināt pie PCB ar līmlenti un pēc tam vienkārši bagātīgi izkliedēt pastu. Varat arī izmantot zobu bakstāmais, lai uz katra spilventiņa uzliktu nelielu daudzumu lodēšanas pastas. Pēc tam parastā lieta būtu novietot gaismas diodes un pēc tam visu ievietot atkārtotā krāsnī (= tostera krāsns daudziem elektroniskiem hobijiem) vai uz sildvirsmas. Tomēr es atklāju, ka tas parasti radīs dažus lodēšanas tiltus, kurus pēc tam ir ļoti grūti noņemt, jo jūs nevarat piekļūt spilventiņiem zem gaismas diodēm. Šī iemesla dēļ es vispirms izkausēju lodmetālu ar savu karstā gaisa staciju un pēc tam visus lodēšanas tiltus nostiprināju ar lodāmuru, izmantojot plūsmu un atkausēšanas pīti, lai noņemtu lieko lodējumu. Tad es lodēju gaismas diodes pa vienam ar karstu gaisu. Protams, ātrāka metode būtu izmantot sildvirsmu vai cepeškrāsni, taču manas metodes priekšrocība ir tāda, ka jūs varat pārbaudīt PCB pēc katra soļa. Arī man lodēšanai gandrīz piemīt meditatīva noskaņa;-). Uzmanieties, lai lodētu gaismas diodes pareizajā virzienā, kā parādīts iepriekšējā shēmā. Testēšanai es izmantoju "strandtest" piemēru no adafruit DotStar bibliotēkas un pievienoju SDI, CKI un GND vadus, kā parādīts iepriekš. Izrādās, ka VCC savienojums nav nepieciešams, lai iedegtos gaismas diodes, bet es novēroju, ka pirmās gaismas diodes sarkanā un zilā krāsa vienmēr iedegas vienlaicīgi. Tas tā nebija gadījumā, kad ir pievienots arī VCC, tomēr ir grūti savienot visus četrus vadus, ja jums ir pieejams tikai parastais roku skaits;-).

7. darbība: sagatavojiet bāzes PCB

Kad esat pabeidzis visas stikla PCB ar pievienotajām gaismas diodēm, ir pienācis laiks sagatavot apakšējo PCB, kur tās tiks uzstādītas. Es izgriezu gabalu ar 18x19 caurumiem no PCB prototipa, kas nodrošina pietiekami daudz vietas visu sastāvdaļu uzstādīšanai un visu nepieciešamo savienojumu veikšanai, kā arī četras atveres urbtas malās, kur var piestiprināt PCB starplikas. Varētu padarīt PCB vēl mazāku, izmantojot arduino micro, nevis arduino nano, un izvēloties starplikas ar mazāku diametru. PCB shēma ir parādīta iepriekš. Sākumā jums vajadzētu lodēt arduino tapas pie PCB, nepievienojot tās arduino, jo dažiem vadiem ir jāiet zem arduino (protams, es to izdarīju nepareizi pirmo reizi). Pārliecinieties arī, vai tapas garākā puse ir vērsta pret PCB (t.i., arduino tiks piestiprināts pie garākās puses). Pēc tam izmantojiet dažus plānus vadus, lai izveidotu savienojumus, kā parādīts shēmā. Visi vadi darbojas PCB apakšā, bet ir pielodēti augšpusē. Ņemiet vērā, ka jums ir jāizveido arī četri lodēšanas tilti, lai izveidotu savienojumus VCC, GND, SDI un CKI ar arduino tapām. VCC tiks pievienots arduino 5 V tapai, GND - GND, SDI - D10 un CKI - D9. Elektroinstalācija izrādījās nedaudz nekārtīgāka, nekā es domāju, lai gan es centos visu sakārtot tā, lai jums būtu pēc iespējas mazāk savienojumu.

8. solis: pievienojiet stikla PCB

Visbeidzot, jūs varat veikt montāžas pēdējo darbību, t.i., piestiprināt stikla pamatnes pie pamatnes. Es sāku ar priekšējo slāni, kas atrodas pamatnes pusē, kas ir tuvāk arduino. Tādā veidā jūs varat pārbaudīt katru slāni pēc tā uzstādīšanas, jo signāls darbojas no priekšas uz aizmuguri. Tomēr, tā kā lodēšanas spilventiņi ir vērsti uz priekšu, tas padara citu slāņu lodēšanu nedaudz sarežģītu, jo starp lodziņiem ir jāsasniedz ar lodāmuru. Lai piestiprinātu PCB, es uzklāju nelielu daudzumu līmes (UHU Hart) uz stikla PCB apakšējās malas (kur atrodas spilventiņi) un pēc tam stingri piespiedu to pie pamatnes un gaidīju, līdz tā pietiekoši labi pielīp. Pēc tam es pievienoju vēl nedaudz līmes apakšā PCB aizmugurē (pretēji lodēšanas spilventiņiem). Godīgi sakot, es neesmu 100% apmierināts ar rezultātu, jo es nevarēju uzstādīt PCB tieši vertikāli. Varētu būt labāk izveidot kādu džigu, lai nodrošinātu, ka slāņi paliek vertikāli, līdz līme pilnībā izžūst. Pēc katra slāņa uzstādīšanas es izveidoju lodēšanas savienojumus, uzklājot lielu daudzumu lodēšanas pastas uz sešiem spilventiņiem apakšā, lai tie tiktu savienoti ar atbilstošajiem lodēšanas punktiem apakšējā PCB. Lodēšanai es neizmantoju karstu gaisu, bet parasto lodāmuru. Ņemiet vērā, ka pēdējam slānim ir jāpievieno tikai četri spilventiņi. Pēc katra slāņa uzstādīšanas es pārbaudīju kubu ar "strandtest" parauga kodu. Izrādījās, ka, lai gan es iepriekš pārbaudīju katru slāni, bija daži slikti savienojumi, un man bija jāizšķirts no divām gaismas diodēm. Tas bija īpaši kaitinoši, jo viens no tiem atradās otrajā slānī, un man bija jāsasniedz pa vidu ar savu siltuma pistoli. Kad viss ir paveikts, būvniecība ir pabeigta. Apsveicam!

9. darbība: koda augšupielāde

Es tikko izveidoju vienkāršu skices piemēru ar dažām animācijām, kas parādīts iepriekšējā videoklipā. Kods izmanto FastLED bibliotēku un ir balstīts uz DemoReel100 piemēru. Man ļoti patīk šī bibliotēka, jo tā jau nodrošina krāsas un spilgtuma izbalēšanas funkcijas, kas ļauj viegli izveidot lieliskas animācijas. Ideja ir jums izveidot dažas animācijas un, iespējams, kopīgot savu kodu komentāru sadaļā. Skices piemērā es kopējo spilgtumu iestatīju uz zemāku vērtību divu iemeslu dēļ. Pirmkārt, ar pilnu spilgtumu gaismas diodes ir kaitinoši spilgtas. Otrkārt, visas 64 gaismas diodes ar pilnu spilgtumu potenciāli var patērēt daudz vairāk strāvas, nekā arduino 5 V tapa var droši avot (200 mA).

10. darbība. Outlook

Ir dažas lietas, kuras varētu uzlabot šajā bulīdā, no kurām lielāko daļu es jau minēju. Galvenais, ko es gribētu mainīt, ir izgatavot bāzei profesionālu PCB. Tas ļautu padarīt pamatni mazāku un izskatīties jaukāk, kā arī izvairīties no kaitinošā visa vadu savienošanas procesa ar rokām. Es arī uzskatu, ka stikla PCB dizains ļautu turpināt miniaturizēt visu kubu. Savā pamācībā par (iespējams) pasaulē mazāko LED kubu nqtronix raksta, ka sākotnēji plānoja izmantot pasaulē mazākās RGB gaismas diodes ar izmēru 0404, bet viņam neizdevās pielodēt vadus. Izmantojot stikla PCB, patiešām varētu izvēlēties pasaulē mazāko LED kubu. Šajā gadījumā es, iespējams, arī visu lietotu epoksīda sveķos, kas līdzīgi nqtronix kubam.