4x4x4 DotStar LED kocka na steklenih tiskanih vezjih: 10 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Navdih za ta projekt so prišle druge drobne LED kocke, kot sta HariFun in nqtronix. Oba projekta uporabljata LED SMD za izdelavo kocke z res majhnimi dimenzijami, vendar sta posamezni LED povezani z žicami. Moja ideja je bila, da namesto tega namestimo LED na tiskano vezje, kot je namenjeno površinskim montažnim delom. To bi rešilo tudi problem urejanja LED v matriko z enakimi razdaljami, kar je pri povezovanju z žicami pogosto težavno. Očitna težava pri tiskanih vezjih je, da so neprozorne, zato bi bile posamezne plasti skrite ena za drugo. Med brskanjem po spletu s tem v mislih sem naletel na navodila CNLohra, kako narediti prozorne steklene vezje. Tako sem prišel na idejo, da bi iz SMD LED, nameščenih na steklenih tiskanih vezjih, naredil majhno kocko. Čeprav to ni najmanjša LED kocka na svetu (ta naslov verjetno še vedno pripada nqtronixu), mislim, da steklena tiskana vezja dodajo lep pridih velikemu številu že obstoječih LED kock.

1. korak: Predmet materiala

LED kocka je sestavljena iz le nekaj materialov, ki so navedeni spodaj

• diapozitivi za mikroskop (25,4 x 76,2 x 1 mm), npr. amazon.de
• bakreni trak (0,035 x 30 mm), npr. ebay.de
• DotStar Micro LED (APA102-2020), npr. adafruit ali aliexpress
• prototip PCB plošče (50 x 70 mm), npr. amazon.de
• arduino nano, npr. amazon.de
• Distančniki iz PCB, npr. amazon.de ali aliexpress

Diapozitivi mikroskopa bodo služili kot substrat za PCB. Odločil sem se, da jih razrežem na kvadratne kose velikosti 25,4 x 25,4 mm. Bakrena folija mora biti dovolj tanka za jedkanje, medtem ko je 1 mil (0,025 mm) običajno standard za PCB -je, debelina 0,035 mm pa dobro deluje. Seveda mora biti širina bakrenega traku večja od 25,4 mm, da pokrije stekleno podlago. Odločil sem se za uporabo DotStar LED v manjšem razpoložljivem paketu za leto 2020. Te LED diode imajo vgrajen krmilnik, ki vam omogoča, da naslovite vse LED z eno podatkovno vrstico, kar pomeni, da ni potrebe po registrih premikov ali charlieplexingu. Očitno obstajata dve različni vrsti postavitev ploščic za LED DotStar (glej zgoraj). Postavitev tiskanega vezja, ki sem jo oblikoval, je za tisto, prikazano na levi. Za kocko boste potrebovali 64 LED, naročil sem 100 kosov, da bi imeli nekaj rezervnih, ki jih lahko uporabite tudi za prihodnje projekte. Vse bo nameščeno na prototipno PCB ploščo, ki bi morala biti dovolj velika, da se nanjo prilega arduino nano. Iz dvostranske plošče 50 x 70 mm sem izrezal manjši kos (tudi enostranski bo deloval). Distančniki iz PCB bodo služili kot podstavki za podlago. Potrebovali boste tudi nekaj tankih žic za vzpostavitev povezav na prototipnem tiskanem vezju in morda nekaj "kablov Dupont" za testiranje.

Za izdelavo kocke boste potrebovali tudi naslednje kemikalije

• raztopina železovega klorida
• aceton
• epoksi lepilo, npr. Norland NO81 ali NO61
• spajkalna pasta
• tok
• lepilo za splošno uporabo, npr. UHU Hart

Za jedkanje bakra s steklenih podlag sem v lokalni trgovini z elektroniko dobil 40% raztopino železovega klorida. Uporabil sem železov klorid, ker je poceni in lahko dostopen, vendar obstajajo nekatere pomanjkljivosti in razmislite tudi o drugih jedkalih, kot je natrijev persulfat. Pregled različnih jedkancev ter njihove prednosti in slabosti najdete tukaj. PCB sem naredil po metodi prenosa tonerja in z acetonom odstranil toner po jedkanju. Za lepljenje bakrene folije na stekleno podlago bi morali dobiti prozorno epoksidno lepilo, ki je odporno na temperaturo (zaradi spajkanja) in je idealno odporno tudi na aceton. Ugotovil sem, da je zlasti slednje težko najti, vendar je večina epoksidov rahlo odpornih na aceton, kar zadošča za naš namen, saj moramo z njim samo obrisati površino. Odločil sem se, da uporabim epoksid, ki utrjuje UV, Norland NO81, predvsem zato, ker delam v podjetju, ki prodaja stvari. Na koncu nisem bil preveč vesel, saj se epoksid ni dobro prijel na stekleno podlago, čeprav je posebej zasnovan za lepljenje kovine s steklom. V svoji vadnici CNLohr uporablja ta epoksid, ki bi ga morda želeli razmisliti alternativno. Za spajkanje LED na tiskano vezje boste potrebovali spajkalno pasto, priporočam eno z nizko tališčem, da zmanjšate obremenitve LED in epoksi. Prav tako bi morali dobiti nekaj fluksa za pritrditev spajkalnih mostov. Končno bomo potrebovali lepilo za lepljenje steklenih PCB -jev na podlago. Uporabil sem lepilo za splošno uporabo UHU Hart, vendar so morda boljše možnosti.

Poleg tega boste za to gradnjo potrebovali naslednja orodja.

• laserski tiskalnik
• laminator
• rezalnik stekla
• toplotna spajkalna postaja
• spajkalnik z majhno konico

Laserski tiskalnik je potreben za način prenosa tonerja, brizgalni tiskalnik tukaj ne bo deloval. Za prenos tonerja v baker sem uporabil laminator. Čeprav je to mogoče storiti tudi z likalnikom, sem ugotovil, da laminator daje boljše rezultate. Spajkalna postaja z vročim zrakom je namenjena spajkanju LED SMD, to je mogoče (in morda bolj priročno) tudi z vročo kuhalno ploščo ali refluksno pečico, vendar boste morda za predelavo še vedno potrebovali postajo za spajkanje z vročim zrakom. Poleg tega je za pritrditev spajkalnih mostov in za priključitev na osnovno tiskano vezje priporočljiv spajkalnik z majhno konico. Za rezanje diapozitivov mikroskopa na kvadratne kose boste potrebovali tudi rezalnik stekla.

2. korak: Tiskanje postavitve tiskanega vezja

LED diode DotStar bodo nameščene na 4 enake tiskane vezje, od katerih bo vsaka vključevala niz LED 4x4. Z Eagleom sem naredil postavitev za tiskane vezje in jo izvozil v datoteko pdf. Nato sem zrcalil postavitev, razporedil več na eno stran in dodal tudi nekaj oznak za njihovo izrezovanje. To datoteko PDF lahko prenesete spodaj. Priložil sem tudi datoteke Eagle, če želite spremeniti postavitev plošče. Poleg tega sem naredil postavitev za šablono za spajkanje, ki jo je mogoče jedkati iz iste bakrene folije. Šablona ni obvezna, vendar olajša razmazovanje spajkalne paste na tiskano vezje. Kot smo že omenili, je treba postavitev natisniti z laserskim tiskalnikom. Ne morete uporabiti običajnega papirja, ampak raje uporabite kakšen sijajni papir. Obstaja posebna vrsta papirja za prenos tonerja (glej na primer tukaj), vendar veliko ljudi uporablja le papir iz revij (npr. Katalog IKEA). Prednost papirja za prenos tonerja je v tem, da je papir po prenosu lažje odstraniti iz bakra. Preizkusil sem ta papir za prenos tonerja in tudi nekaj strani revij in ugotovil, da so strani revij delovale še bolje. Težava z mojim papirjem za prenos tonerja je bila v tem, da se je toner včasih prej zdrsel, npr. pri izrezovanju posameznih postavitev priporočam uporabo druge znamke. V že omenjeni vadnici CNLohr uporablja to blagovno znamko, ki bi lahko delovala bolje. Po tiskanju postavitev za tiskane vezje in šablono za spajkanje jih izrežite z natančnim nožem. Načeloma potrebujete le štiri postavitve tiskanih vezij in eno šablono, vsekakor pa je koristno, da jih imate vsaj dvakrat toliko, kot je malo verjetno, da bodo vsi prenosi delovali.

3. korak: Izdelava bakra, oblečenega na steklo

Najprej morate z rezalnikom stekla razrezati diapozitive mikroskopa na kvadratne koščke. Priročno lahko na youtubu najdete vadnico za skoraj vse. Z iskanjem "mikroskopsko rezanje diapozitivov" sem našel to vadnico, ki vam pokaže, kako se to naredi. To je malo težavno, da bi to lepo delovalo in zapravil sem veliko mikroskopskih diapozitivov, če pa ste naročili 100 kosov, kot sem jih naredil, bi jih morali imeti več kot dovolj. Še enkrat, priporočam, da naredite vsaj dvakrat toliko substratov, kot je potrebno (približno 8-10), saj boste na poti verjetno naredili nekaj napak. Po tem razrežite bakreni trak na koščke, ki so nekoliko večji od kvadratnih steklenih podlag. Tako podlago kot bakreno folijo očistite z alkoholom ali acetonom in ju nato zlepite skupaj. Prepričajte se, da v lepilu niso ujeti zračni mehurčki. Kot sem že omenil, sem uporabil Norland NO81, ki je hitro lepilo za UV strjevanje, ki je priporočljivo za lepljenje kovine s steklom. Upošteval sem tudi navodila CNLohra in na eni strani bakrene folije naredil bolj hrapavo, da se bolje prilepi na steklo. Če pogledamo nazaj, bi to verjetno storil brez hrapavosti, saj je zaradi tega prenos svetlobe skozi tiskane vezje nekoliko razpršen in raje bi bil videti bolj jasen. Poleg tega nisem bil preveč zadovoljen s tem, kako dobro se je lepilo prijelo na steklo, in ugotovil, da se včasih robovi odlepijo. Nisem prepričan, ali je to posledica nepravilnega strjevanja ali lepila samega. V prihodnosti bi vsekakor preizkusil še kakšno drugo znamko. Za utrjevanje sem uporabil UV svetilko za preverjanje bankovcev, ki so po naključju imeli vrh emisije pri pravilni valovni dolžini (365 nm). Po utrjevanju sem z natančnim nožem odrezal prekrivajoči se baker. Za šablono za spajkanje sem izrezal tudi nekaj dodatnih kosov bakrene folije, ne da bi jih zlepil na podlago.

4. korak: Prenos postavitve tiskanega vezja

Zdaj je treba toner iz laserskega odtisa prenesti v baker, kar naredimo s toploto in pritiskom. Sprva sem to poskusil z likalnikom, kasneje pa sem uporabil laminator. Na zgornji sliki je prikazana primerjava obeh tehnik s starejšo različico postavitve tiskanega vezja. Kot je razvidno, je laminator dal veliko boljše rezultate. Večina ljudi uporablja modificiran laminator, ki ga je mogoče segreti na višje temperature. V svoji vadnici CNLohr najprej uporabi laminator, nato pa ga tudi segreje z likalnikom. Uporabil sem samo standardni laminator in brez železa, ki je deloval odlično. Za prenos sem laserski odtis položil z licem navzdol na baker in ga pritrdil z majhnim kosom lepljivega traku. Nato sem ga zložil na majhen kos papirja in ga po vsakem teku obrnil na glavo približno 8-10 krat, hkrati pa ga obrnil na glavo. Nato sem substrat z laserskim odtisom dal v posodo z vodo in pustil, da se namaka nekaj minut, nato sem papir previdno odlepil. Če uporabljate papir za prenos tonerja, se papir običajno zlahka odlepi, ne da bi pustil ostanke. Za časopisni list sem moral s palcem nežno odtrgati preostali papir. Če prenos ni uspel, lahko samo odstranite toner iz bakra z acetonom in poskusite znova. Postavitev šablone za spajkanje je bila na enak način prenesena na golo bakreno folijo.

5. korak: Jedkanje bakra

Zdaj je čas za jedkanje bakra. Med tem postopkom se baker odstrani s podlage, razen v regijah, kjer je zaščiten s tonerjem. Za zaščito hrbtne strani bakrene folije s postavitvijo šablone za spajkanje jo lahko preprosto pobarvate s trajnim markerjem. Naj omenim, da morate pri delu z jedilcem, kot je železov klorid, seveda sprejeti nekatere zaščitne ukrepe. Železov klorid ne gori skozi kožo, vendar bo povzročil vsaj grde rumeno-rjave madeže, zato vsekakor priporočamo rokavice. Prav tako vas verjetno ne bo presenetilo dejstvo, da je kislina škodljiva za vaše oči, zato nosite zaščitna očala. Kolikor razumem, med jedkanjem ne nastaja plin, vendar bi to vseeno želeli narediti v dobro prezračevanem prostoru, saj je svež zrak za vas vedno dober;-) Raztopino železovega klorida napolnite v majhno posodo (lahko zaščitite vaš delovni prostor zaradi nenamernega razlitja, tako da ga postavite v večjo posodo). Ko sem vstavljal tiskane vezje, sem spet sledil navodilom CNLohr -ja in dal substrate obrnjene navzdol v tekočino, tako da ostanejo lebdeči na vrhu. To je zelo priročno, saj boste natančno vedeli, kdaj je jedkanje končano, česar sicer ne vidite v rjavi raztopini, ki bo med jedkanjem še temnejša. Poleg tega ohranja tudi nekaj konvekcije pod podlagami. Zame je postopek jedkanja trajal približno 20 minut. Ko se odstrani ves neželeni baker, sperite PCB -je z vodo in jih posušite. Morali bi vam pustiti nekaj lepih prozornih steklenih plošč. Zadnja stvar je, da z acetonom odstranite toner iz bakrenih sledi. Z njim nežno obrišite površino, saj bo aceton napadel tudi lepilo. Prosimo, da izrabljenega železovega klorida NE spravite v odtok, ker je to okolju škodljivo (in verjetno bo tudi razjedalo vaše cevi). Vse zberite v posodo in jo ustrezno zavrzite.

Korak 6: Spajkanje LED

Glede na vašo opremo in veščine spajkanja SMD lahko naslednji del traja veliko časa. Najprej morate spajkalno pasto nanesti na ploščice na tiskanem vezju, kamor bodo priključene LED diode. Če ste vtisnili šablono za spajkanje, jo lahko pritrdite na tiskano vezje z lepilnim trakom, nato pa le obilno razmažite pasto. Druga možnost je, da z zobotrebcem nanesete majhne količine spajkalne paste na vsako blazinico. Po tem je običajno, da LED -diode postavite in nato vse položite v pečico za ponovno polnjenje (= opekač za veliko ljubiteljev elektronike) ali na kuhalno ploščo. Vendar sem ugotovil, da bo na splošno nastalo nekaj spajkalnih mostov, ki jih je potem zelo težko odstraniti, saj ne morete dostopati do blazinic pod LED. Zato sem spajkalnik najprej topil s svojo vročo zračno postajo, nato pa vse spajkalne mostove popravil s spajkalnikom s pomočjo fluksa in razpenjalne pletenice, da sem odstranil odvečno spajkanje. Nato sem LED eno za drugo spajkal z vročim zrakom. Seveda bi bila hitrejša metoda uporaba vroče plošče ali pečice, vendar je prednost moje metode, da lahko po vsakem koraku preizkusite tiskano vezje. Tudi zame ima spajkanje skoraj meditativno vibracijo;-). Pazite, da LED diode spajkate v pravilni usmeritvi, kot je prikazano na zgornji shemi. Za testiranje sem uporabil "najstranejši" primer iz knjižnice adafruit DotStar in priključil žice SDI, CKI in GND, kot je prikazano zgoraj. Izkazalo se je, da povezava VCC ni potrebna za prižiganje LED, vendar sem opazil, da sta rdeča in modra barva prve LED vedno prižgali hkrati. To ni bilo tako, ko je priključen tudi VCC, vendar je težko povezati vse štiri žice, če imate na voljo le običajno količino rok;-).

7. korak: Pripravite osnovno tiskano vezje

Ko končate vse steklene tiskane plošče z LED -diodami, je čas za pripravo spodnjega tiskanega vezja, kamor bodo nameščene. Iz prototipnega tiskanega vezja sem izrezal kos z luknjami 18x19, ki zagotavlja dovolj prostora za vgradnjo vseh komponent in izvedbo vseh potrebnih povezav, poleg tega pa imam na robovih izvrtane štiri luknje, kamor je mogoče pritrditi distančnike za tiskano vezje. PCB bi lahko naredili še manjši z uporabo arduino micro namesto arduino nano in izbiro distančnikov z manjšim premerom. Shema tiskanega vezja je prikazana zgoraj. Najprej morate spajkati zatiče arduina na tiskano vezje, ne da bi jih pritrdili na arduino, ker morajo nekatere žice iti pod arduino (seveda sem to storil prvič narobe). Prepričajte se tudi, da je daljša stran nožic obrnjena stran za tiskano vezje (tj. Arduino bo pritrjen na daljšo stran). Nato uporabite nekaj tanke žice za povezavo, kot je prikazano na shemi. Vse žice potekajo na dnu tiskanega vezja, vendar so spajane na vrhu. Upoštevajte, da morate ustvariti tudi štiri spajkalne mostove za vzpostavitev povezav za VCC, GND, SDI in CKI z zatiči arduino. VCC bo priključen na arduino 5 V pin, GND v GND, SDI v D10 in CKI v D9. Ožičenje se je izkazalo za nekoliko bolj zapleteno, kot sem mislil, čeprav sem poskušal vse urediti tako, da morate vzpostaviti čim manj povezav.

8. korak: pritrdite steklene tiskane vezje

Končno lahko naredite zadnji korak montaže, to je pritrditev steklenih podlag na podlago. Začel sem s sprednjo plastjo, ki se nahaja na strani podnožja, ki je bližje arduinu. Na ta način lahko preizkusite vsako plast po namestitvi, saj signal teče od spredaj nazaj. Ker pa so spajkalne plošče obrnjene spredaj, spajkanje drugih slojev nekoliko zakomplicira, saj morate med njimi spajkati. Za pritrditev tiskanega vezja sem nanesel majhno količino lepila (UHU Hart) na spodnji rob steklenih tiskanih vezij (kjer se nahajajo blazinice), nato pa ga trdno pritisnil na podlago in počakal, da se je primerno dobro zlepil. Nato sem dodal še nekaj lepila na dno na zadnji strani tiskanega vezja (nasproti spajkalnih blazinic). Če sem iskren, nisem 100% zadovoljen z rezultatom, saj nisem mogel namestiti tiskanih vezij ravno navpično. Morda bi bilo bolje, da naredite nekakšno šablono, da zagotovite, da plasti ostanejo navpične, dokler se lepilo popolnoma ne posuši. Po namestitvi vsakega sloja sem naredil spajkalne povezave tako, da sem na šest podložk na dnu nanesel veliko količino spajkalne paste, tako da se povežejo z ustreznimi točkami spajkanja na spodnjem tiskanem vezju. Za spajkanje nisem uporabil vročega zraka, ampak svoj običajni spajkalnik. Upoštevajte, da morate za zadnjo plast povezati le štiri blazinice. Po namestitvi vsakega sloja sem kocko preizkusil z vzorčno kodo "strandtest". Izkazalo se je, da je kljub temu, da sem vnaprej preizkusil vsako plast, prišlo do slabih povezav in sem moral dve LED diodi ponovno spajkati. To je bilo še posebej nadležno, saj se je eden izmed njih nahajal v drugi plasti in sem moral vmes seči s toplotno pištolo. Ko vse opravite, je gradnja končana. Čestitamo!

9. korak: nalaganje kode

Naredil sem preprost primer skice z nekaj animacijami, ki je prikazan v zgornjem videu. Koda uporablja knjižnico FastLED in temelji na primeru DemoReel100. Ta knjižnica mi je zelo všeč, saj že ponuja funkcije za zbledelo barvo in svetlost, kar olajša ustvarjanje čudovitih animacij. Ideja je, da naredite še nekaj animacij in svojo kodo delite v razdelku za komentarje. V vzorčni skici sem celotno svetlost nastavil na nekaj nižje vrednosti iz dveh razlogov. Prvič, pri polni svetlosti so LED diode nadležno svetle. Drugič, vseh 64 LED pri polni svetlosti lahko potencialno porabi veliko več toka, kot ga lahko arduino 5 V pin varno napaja (200 mA).

10. korak: Outlook

Nekaj stvari, ki bi jih lahko izboljšali na tem bulid, večino sem že omenil. Glavna stvar, ki bi jo rad spremenil, je izdelava profesionalnega tiskanega vezja za bazo. To bi omogočilo manjšo podobo in lepši videz ter se izognilo tudi nadležnemu postopku ročnega ožičenja. Verjamem tudi, da bi zasnova steklenih PCB omogočila nadaljnjo miniaturizacijo celotne kocke. V svojem navodilu o (morda) najmanjši LED kocki na svetu nqtronix piše, da je prvotno nameraval uporabiti najmanjše RGB LED diode na svetu z velikostjo 0404, vendar jim ni uspel spajkati žic. Z uporabo steklenih tiskanih vezij bi se res lahko odločili za najmanjšo LED kocko na svetu. V tem primeru bi verjetno vse vrgel tudi v epoksi smolo, podobno kocki podjetja nqtronix.