4x4x4 DotStar LED kocka na staklenim PCB -ovima: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Inspiracija za ovaj projekat došla je iz drugih sićušnih LED kockica poput HariFuna i one iz nqtronixa. Oba ova projekta koriste SMD LED diode za izgradnju kocke sa zaista malim dimenzijama, međutim, pojedinačne LED diode povezane su žicama. Moja ideja je bila umjesto toga montirati LED diode na PCB, kako je predviđeno za dijelove za površinsku montažu. Ovo bi također riješilo problem urednog raspoređivanja LED dioda u matricu s istim udaljenostima, što često može biti teško kada ih spojite žicama. Očigledan problem sa PCB -ima je u tome što su neprozirne i stoga bi pojedini slojevi bili skriveni jedan iza drugog. Pretražujući web imajući to na umu, naišao sam na CNLohrova uputstva o tome kako napraviti PCB -e od prozirnog stakla. Ovako sam došao na ideju da napravim malu kocku od SMD LED dioda montiranih na staklene ploče. Iako to nije najsitnija LED kocka na svijetu (ovaj naslov vjerovatno još uvijek pripada nqtronix -u), mislim da staklene PCB -e dodaju lijep novi dodir velikoj raznolikosti već postojećih LED kockica.

Korak 1: Opis materijala

LED kocka sastoji se od samo nekoliko materijala navedenih u nastavku

• stakalci za mikroskop (25,4 x 76,2 x 1 mm), npr. amazon.de
• bakrena traka (0,035 x 30 mm), npr. ebay.de
• DotStar mikro LED diode (APA102-2020), npr. adafruit ili aliexpress
• prototip PCB ploče (50 x 70 mm), npr. amazon.de
• arduino nano, npr. amazon.de
• Odstojnici za PCB, npr. amazon.de ili aliexpress

Stakalci za mikroskop poslužit će kao podloga za PCB -ove. Odlučio sam ih izrezati na četvrtaste komade veličine 25,4 x 25,4 mm. Bakarna folija trebala bi biti dovoljno tanka za jetkanje, dok je 1 mil (0,025 mm) obično standard za PCB -e, a debljina od 0,035 mm dobro radi. Naravno, širina bakrene trake trebala bi biti veća od 25,4 mm da pokrije staklenu podlogu. Odlučio sam koristiti DotStar LED diode u manjem dostupnom paketu za 2020. Ove LED diode imaju ugrađeni kontroler koji vam omogućava da sve LED diode adresirate jednom linijom podataka, tj. Nema potrebe za promjenama registara ili charlieplexingom. Očigledno postoje dvije različite vrste jastučića za DotStar LED diode (vidi gore). Raspored PCB -a koji sam dizajnirao je za onaj prikazan lijevo. Za kocku će vam trebati 64 LED diode, naručio sam 100 komada da imam neke rezervne koje se mogu koristiti i za buduće projekte. Sve će biti montirano na prototipnu PCB ploču koja bi trebala biti dovoljno velika da na nju stane arduino nano. Izrezao sam manji komad s dvostrane ploče 50 x 70 mm (jednostrano će također funkcionirati). Odstojnici od PCB -a poslužit će kao postolja za bazu. Trebat će vam i neke tanke žice za povezivanje na prototipu PCB -a i možda "Dupont kabeli" za testiranje.

Za izradu kocke trebat će vam i sljedeće kemikalije

• rastvor željeznog klorida
• aceton
• epoksidno ljepilo, npr. Norland NO81 ili NO61
• pasta za lemljenje
• tok
• ljepilo opće namjene, npr. UHU Hart

Za nagrizanje bakra sa staklenih podloga nabavio sam 40% otopinu željezovog klorida iz lokalne trgovine elektronike. Koristio sam željezni klorid jer je jeftin i lako dostupan, međutim, postoje neke nedostatke, a trebali biste uzeti u obzir i druge nagrizače, poput natrijevog persulfata. Pregled različitih jetkanja i njihovih pozitivnih i negativnih strana može se pronaći ovdje. Napravio sam PCB -e metodom prijenosa tonera i upotrijebio aceton za uklanjanje tonera nakon nagrizanja. Za lijepljenje bakrene folije na staklenu podlogu trebali biste dobiti prozirno epoksidno ljepilo koje je otporno na temperaturu (zbog lemljenja) i idealno otporno na aceton. Otkrio sam da je posebno ovo posljednje teško pronaći, međutim, većina epoksida je blago otporna na aceton, što je dovoljno za našu svrhu, jer samo moramo obrisati površinu s njim. Odlučio sam se za epoksidni stvrdnjavajući epoksid Norland NO81, uglavnom zato što radim u kompaniji koja prodaje te stvari. Na kraju nisam bio presretan jer se epoksid nije dobro lijepio za staklenu podlogu iako je posebno dizajniran za lijepljenje metala na staklo. U svom vodiču CNLohr koristi ovaj epoksid koji biste mogli alternativno razmotriti. Za lemljenje LED dioda na tiskanu ploču trebat će vam pasta za lemljenje, preporučujem onu s niskom točkom topljenja kako biste smanjili naprezanje LED dioda i epoksida. Također biste trebali nabaviti malo fluksa za pričvršćivanje lemnih mostova. Konačno će nam trebati ljepilo za lijepljenje staklenih PCB -a na podlogu. Koristio sam ljepilo opće namjene UHU Hart, ali možda postoje bolje opcije.

Osim toga, za ovu izgradnju bit će vam potrebni sljedeći alati.

• laserski štampač
• laminator
• rezač stakla
• stanica za lemljenje toplim vazduhom
• lemilica sa malim vrhom

Laserski štampač je potreban za metodu prenosa tonera, inkjet štampač ovde neće raditi. Koristio sam laminator za prijenos tonera na bakar. Iako je to moguće i pomoću pegle, otkrio sam da laminator daje bolje rezultate. Stanica za lemljenje vrućim zrakom služi za lemljenje SMD LED dioda, također je moguće (a možda i prikladnije) to učiniti sa vrućom pločom ili pećnicom sa refluksom, ali možda će vam ipak trebati stanica za lemljenje vrućim zrakom za ponovnu obradu. Osim toga, lemilo s malim vrhom preporučuje se za pričvršćivanje lemnih mostova i za spajanje na osnovnu PCB. Za rezanje stakalca mikroskopa na četvrtaste komade trebat će vam i rezač stakla.

Korak 2: Odštampajte raspored PCB -a

DotStar LED diode bit će montirane na 4 identična PCB -a, a svaki će sadržati niz od 4x4 LED diode. Napravio sam raspored za PCB -ove sa Eagle -om i izvezao ga u pdf datoteku. Zatim sam preslikao izgled, rasporedio nekoliko na jednoj stranici i dodao neke oznake za njihovo kasnije izrezivanje. Ovaj pdf fajl možete preuzeti ispod. Priložio sam i Eagle datoteke u slučaju da želite unijeti bilo kakve promjene u izgled ploče. Osim toga, napravio sam raspored za matricu za lemljenje koja se može izrezati iz iste bakrene folije. Šablona je opcionalna, ali olakšava nanošenje paste za lemljenje na PCB. Kao što je već spomenuto, raspored treba odštampati laserskim štampačem. Ne možete koristiti običan papir, već biste trebali koristiti neku vrstu sjajnog papira. Postoji posebna vrsta papira za prijenos tonera (pogledajte npr. Ovdje), ali mnogi ljudi samo koriste papir iz časopisa (npr. IKEA katalog). Prednost papira za prijenos tonera je to što se papir lakše uklanja iz bakra nakon prijenosa. Isprobao sam ovaj papir za prijenos tonera i neke stranice časopisa i otkrio da stranice časopisa rade još bolje. Problem s mojim papirom za prijenos tonera bio je u tome što se toner ponekad istrljao, npr. prilikom izrezivanja pojedinačnih izgleda preporučujem upotrebu neke druge marke. U već spomenutom vodiču CNLohra koristi ovaj brend koji bi mogao bolje funkcionirati. Nakon ispisa rasporeda za PCB -ove i matrice za lemljenje izrežite ih egzaktnim nožem. U principu su vam potrebna samo četiri rasporeda PCB -a i jedna šablona, ali svakako je korisno imati barem dvostruko više njih nego što je malo vjerojatno da će svi prenosi uspjeti.

Korak 3: Izrada bakra obloženog staklom

U početku morate rezati staklene ploče mikroskopa na rezače za staklo. Prikladno možete pronaći vodič za gotovo sve na youtube -u. Tražeći "rezanje mikroskopskih dijapozitiva" pronašao sam ovaj vodič koji vam pokazuje kako se to radi. Malo je nezgodno kako bi ovo dobro funkcioniralo i potrošio sam mnogo mikroskopskih dijapozitiva, ali ako ste naručili 100 komada kao i ja, trebali biste imati više nego dovoljno. Opet, preporučujem da napravite barem dvostruko više podloga koliko je potrebno (oko 8-10) jer ćete vjerojatno napraviti neke greške usput. Nakon toga izrežite bakrenu traku na komade koji su malo veći od četvrtastih staklenih podloga. Očistite podlogu i bakrenu foliju alkoholom ili acetonom, a zatim ih zalijepite. Uvjerite se da unutar ljepila nema mjehurića zraka. Kao što je već spomenuto, koristio sam Norland NO81 koje je brzo ljepilo za UV -očvršćavanje koje se preporučuje za lijepljenje metala na staklo. Također sam slijedio upute CNLohra i ogrubio jednu stranu bakrene folije kako bi se bolje zalijepila za staklo. Gledajući unatrag, vjerovatno bih to učinio bez grubljenja jer je zbog toga prijenos svjetlosti kroz PCB -ove bio malo raspršen i radije bih da izgledaju jasnije. Osim toga, nisam bio presretan koliko se ljepilo dobro zalijepilo za staklo i otkrio sam da se rubovi ponekad oljušte. Nisam siguran je li to posljedica nepravilnog stvrdnjavanja ili samog ljepila. U budućnosti bih svakako isprobao neke druge marke. Za sušenje sam upotrijebio UV lampu za provjeru novčanica koje su slučajno imale vrhunac emisije na ispravnoj valnoj duljini (365 nm). Nakon stvrdnjavanja, preciznim nožem sam odrezao preklapajući bakar. Za matricu za lemljenje također sam izrezao neke dodatne komade bakrene folije bez lijepljenja na podlogu.

Korak 4: Prenos PCB rasporeda

Sada se toner iz laserskog ispisa mora prenijeti na bakar, što se postiže toplinom i pritiskom. U početku sam ovo pokušavao peglom, ali sam kasnije koristio laminator. Gornja slika prikazuje usporedbu obje tehnike sa starijom verzijom rasporeda PCB -a. Kao što se može vidjeti, laminator je dao mnogo bolje rezultate. Većina ljudi koristi modificirani laminator koji se može zagrijati na više temperature. U svom vodiču CNLohr prvo koristi laminator, a zatim ga zagrijava i peglom. Upravo sam koristio standardni laminator i bez peglanja koje je radilo sasvim u redu. Za prijenos, stavio sam laserski otisak licem prema dolje na bakar i popravio ga malim komadom ljepljive trake. Zatim sam ga presavio u mali komad papira i provukao ga oko 8-10 puta kroz laminator okrećući ga naopako nakon svakog trčanja. Nakon toga sam podlogu s laserskim otiskom stavio u posudu s vodom i ostavio da se upije nekoliko minuta, a zatim sam pažljivo odlijepio papir. Ako koristite papir za prijenos tonera, papir se obično lako skida bez ostavljanja ostataka. Za papir u časopisu morao sam palcem lagano otrgnuti dio preostalog papira. Ako prijenos nije uspio, možete samo ukloniti toner iz bakra acetonom i pokušati ponovo. Raspored šablona za lemljenje na isti je način prenijet na golu bakrenu foliju.

Korak 5: Graviranje bakra

Sada je vrijeme za bakropisanje bakra. Tokom ovog procesa bakar će se ukloniti sa podloge, osim u regijama u kojima je zaštićen tonerima. Kako biste zaštitili stražnju stranu bakrene folije rasporedom matrice za lemljenje, možete je samo obojiti trajnim markerom. Trebao bih napomenuti da biste, naravno, trebali poduzeti neke zaštitne mjere pri radu s jetkom, poput željezovog klorida. Iako željezni klorid ne izgori kroz vašu kožu, barem će stvoriti gadne žuto-smeđe mrlje, pa se rukavice svakako preporučuju. Također vas vjerojatno neće iznenaditi činjenica da je kiselina štetna za vaše oči pa biste trebali nositi zaštitne naočale. Koliko sam shvatio, pri graviranju ne nastaje plin, ali možda biste to ipak htjeli učiniti u dobro prozračenom prostoru jer je svježi zrak uvijek dobar za vas;-) Napunite otopinu željeznog klorida u malu posudu (možete zaštititi vaš radni prostor od slučajnog izlijevanja stavljanjem ovog u veći spremnik). Prilikom stavljanja PCB -a, opet sam slijedio upute CNLohra i stavio podloge licem prema dolje u tekućinu tako da ostanu plutati na vrhu. Ovo je vrlo zgodno jer ćete točno znati kada je graviranje završeno, što inače ne možete vidjeti u smeđoj otopini koja će tijekom jetkanja postati još tamnija. Osim toga, održava i konvekciju ispod podloge. Za mene je proces graviranja trajao oko 20 minuta. Nakon što se ukloni sav neželjeni bakar, isperite PCB -e vodom i osušite ih. Trebalo bi vam ostaviti nekoliko lijepih prozirnih staklenih ploča. Posljednja stvar koju treba učiniti je ukloniti toner iz bakrenih tragova acetonom. Samo nježno obrišite površinu njime jer će aceton također napasti ljepilo. Korišteni željezni klorid NE ispuštajte u odvod jer je štetan za okoliš (a vjerojatno će i nagrizati cijevi). Sakupite sve u kontejner i pravilno ga odložite.

Korak 6: Lemljenje LED dioda

Ovisno o vašoj opremi i vještinama SMD lemljenja, sljedeći dio može potrajati. Prvo morate staviti pastu za lemljenje na jastučiće na PCB -u na koje će biti spojene LED diode. Ako ste ugravirali matricu za lemljenje, možete je pričvrstiti ljepljivom trakom na PCB, a zatim samo velikodušno rasporediti pastu. Alternativno, čačkalicom možete staviti male količine paste za lemljenje na svaki jastučić. Nakon toga uobičajeno bi bilo postaviti LED diode, a zatim sve staviti u pećnicu s reflowom (= toster za mnoge ljubitelje elektronike) ili na ringlu. Međutim, otkrio sam da će to općenito proizvesti neke lemne mostove koje je nakon toga vrlo teško ukloniti jer ne možete pristupiti jastučićima ispod LED dioda. Iz tog razloga sam prvo topio lem sa svojom stanicom za topli zrak, a zatim sam sve lemne mostove popravio lemilicom pomoću fluksa i pletenice za lemljenje kako bih uklonio višak lema. Zatim sam lemio LED diode jednu po jednu vrućim zrakom. Naravno, brži način bi bio korištenje ploče za kuhanje ili pećnice, ali prednost moje metode je što možete testirati PCB nakon svakog koraka. Takođe za mene lemljenje ima gotovo meditativnu vibraciju;-). Pazite da lemite LED diode u ispravnoj orijentaciji kao što je prikazano na gornjoj shemi. Za testiranje sam upotrijebio "najtraženiji" primjer iz adafruit DotStar biblioteke i spojio SDI, CKI i GND žice kao što je prikazano gore. Ispostavilo se da VCC veza nije potrebna da bi LED zasvijetli, ali primijetio sam da su crvena i plava boja prve LED diode uvijek svijetlile istovremeno. To nije bio slučaj kada je spojen i VCC, međutim, teško je spojiti sve četiri žice ako imate na raspolaganju samo normalnu količinu ruku;-).

Korak 7: Pripremite osnovnu PCB ploču

Nakon što završite sa svim staklenim PCB -ovima sa LED diodama, vrijeme je da pripremite donju PCB ploču na koju će se montirati. Izrezao sam komad dimenzija 18x19 kroz rupe sa prototipa PCB -a koji pruža dovoljno prostora za montažu svih komponenti i izvršavanje svih potrebnih veza, a također ima i četiri rupe izbušene na rubovima na koje se mogu postaviti distanci. Moguće je učiniti PCB još manjim upotrebom arduino mikro umjesto arduino nano i odabirom odstojnika manjeg promjera. Shema PCB -a je prikazana gore. U početku biste trebali lemiti pinove arduina na PCB bez pričvršćivanja na arduino jer neke žice moraju ići ispod arduina (naravno da sam to učinio prvi put pogrešno). Također pazite da dulja strana pinova bude okrenuta prema PCB -u (tj. Arduino će biti pričvršćen na dužu stranu). Zatim upotrijebite tanku žicu za povezivanje kako je prikazano na shemi. Sve žice prolaze s donje strane PCB -a, ali su lemljene na vrhu. Imajte na umu da također morate stvoriti četiri mosta za lemljenje kako biste uspostavili veze za VCC, GND, SDI i CKI s arduino pinovima. VCC će biti spojen na arduino 5 V pin, GND na GND, SDI na D10 i CKI na D9. Ožičenje je ispalo malo neurednije nego što sam mislio, iako sam pokušao sve urediti tako da morate uspostaviti što je moguće manje veza.

Korak 8: Pričvrstite staklene PCB -ove

Na kraju možete napraviti posljednji korak montaže, tj. Pričvršćivanje staklenih podloga na podlogu. Počeo sam s prednjim slojem koji se nalazi sa strane baze koja je bliža arduinu. Na ovaj način možete testirati svaki sloj nakon što je montiran, jer signal ide od naprijed prema natrag. Međutim, budući da su lemne pločice okrenute prema naprijed, lemljenje ostalih slojeva čini pomalo kompliciranim jer morate lemilicom posegnuti između njih. Za pričvršćivanje PCB -a, nanio sam malu količinu ljepila (UHU Hart) na donju ivicu staklenih PCB -a (gdje se nalaze jastučići), a zatim ga čvrsto pritisnuo na podlogu i čekao da se zalijepi prilično dobro. Nakon toga, dodao sam još ljepila na dno sa stražnje strane PCB -a (nasuprot jastučića za lemljenje). Iskreno, nisam 100% zadovoljan rezultatom jer nisam uspio montirati PCB -ove točno okomito. Možda bi bilo bolje napraviti neku vrstu šablone kako bi se osiguralo da slojevi ostanu okomiti dok se ljepilo potpuno ne osuši. Nakon ugradnje svakog sloja, napravio sam spojeve za lemljenje nanošenjem velike količine paste za lemljenje na šest jastučića na dnu tako da se spoje na odgovarajuće točke lemljenja na donjoj PCB -u. Za lemljenje nisam koristio vrući zrak već svoje uobičajeno lemilice. Imajte na umu da za posljednji sloj morate spojiti samo četiri jastučića. Nakon montiranja svakog sloja testirao sam kocku sa "najnaprednijim" primjerom koda. Ispostavilo se da, iako sam prethodno testirao svaki sloj, bilo je nekih loših veza i morao sam ponovno zalemiti dvije LED diode. To je bilo posebno neugodno jer se jedan od njih nalazio u drugom sloju i morao sam posegnuti između sa svojim toplinskim pištoljem. Kada sve završite sa radom, izgradnja je završena. Čestitamo!

Korak 9: Učitavanje koda

Upravo sam napravio jednostavan primjer skice s nekoliko animacija koji je prikazan u gornjem videu. Kôd koristi biblioteku FastLED i zasnovan je na primjeru DemoReel100. Ova biblioteka mi se jako sviđa jer već nudi funkcije za nestajanje boje i svjetline što olakšava generiranje animacija sjajnog izgleda. Ideja je da nastavite sa stvaranjem još animacija i možda podijelite svoj kôd u odjeljku za komentare. U primjeru skice postavio sam ukupnu svjetlinu na neku nižu vrijednost iz dva razloga. Prvo, pri punoj svjetlini LED diode su dosadno sjajne. Drugo, svih 64 LED diode pri punoj svjetlini mogu potencijalno privući mnogo više struje nego što arduino 5 V pin može sigurno izvesti (200 mA).

Korak 10: Outlook

Postoji nekoliko stvari koje bi se mogle poboljšati na ovom bulidu, a većinu sam već spomenuo. Glavna stvar koju bih želio promijeniti je izrada profesionalnog PCB -a za bazu. To bi omogućilo da baza postane manja i izgleda ljepše, a također bi se izbjegao dosadan proces ručnog ožičenja. Također vjerujem da bi stakleni PCB dizajn omogućio daljnju minijaturizaciju cijele kocke. U svom uputstvu o (moguće) najsitnijoj LED kocki na svijetu, nqtronix piše da je prvobitno planirao koristiti najmanje svjetske RGB LED diode veličine 0404, ali da nije uspio zalemiti žice na njih. Korištenjem staklenih PCB -a zaista bi se moglo ići na najmanju LED kocku na svijetu. U ovom slučaju vjerovatno bih i sve bacio u epoksidnu smolu sličnu kocki kompanije nqtronix.