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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Inspiracija za ovaj projekt došla je iz drugih sićušnih LED kockica poput HariFunove i one iz nqtronixa. Oba ova projekta koriste SMD LED diode za izgradnju kocke sa stvarno malim dimenzijama, međutim, pojedinačne LED diode povezane su žicama. Moja je ideja bila umjesto toga montirati LED diode na PCB, kako je predviđeno za dijelove za površinsku montažu. Time bi se riješio i problem urednog raspoređivanja LED dioda u matricu s istim udaljenostima, što često može biti teško kad ih spojite žicama. Očiti problem s PCB -ima je u tome što su neprozirni i stoga bi pojedini slojevi bili skriveni jedan iza drugog. Pretražujući web imajući to na umu, naletio sam na CNLohrove upute o tome kako izraditi prozirne staklene pločice. Ovako sam došao na ideju da napravim malu kocku od SMD LED dioda montiranih na staklene ploče. Iako nije riječ o najsitnijoj LED kocki na svijetu (ovaj naslov vjerojatno još uvijek pripada nqtronixu), mislim da staklene pločice 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, na pr. amazon.de
• Razmaknici od PCB -a, npr. amazon.de ili aliexpress

Mikroskopska stakalca poslužit će kao podloga za PCB -e. Odlučio sam ih izrezati na četvrtaste komade veličine 25,4 x 25,4 mm. Bakrena 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 omogućuje adresiranje svih LED dioda s jednom podatkovnom linijom, tj. Nema potrebe za registrama pomaka 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 kako bi imali neke rezervne koje se mogu koristiti i za buduće projekte. Sve će biti montirano na prototip PCB ploče koja bi trebala biti dovoljno velika da na nju stane arduino nano. Izrezao sam manji komad s dvostrane ploče dimenzija 50 x 70 mm (raditi će i jednostrano). Razmaknici 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

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

Za graviranje bakra sa staklenih podloga nabavio sam 40% -tnu 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 jetkance, 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 graviranja. 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 teško pronaći ovo posljednje, međutim, većina epoksida je blago otporna na aceton, što je dovoljno za našu svrhu budući da samo moramo obrisati površinu s njim. Odlučio sam se upotrijebiti epoksid za stvrdnjavanje UV -a Norland NO81, uglavnom zato što radim u tvrtki koja se bavi prodajom 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 niskim talištem za smanjenje naprezanja LED dioda i epoksida. Također biste trebali dobiti 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 gradnju trebat će vam sljedeći alati.

• laserski printer
• laminator
• staklorezac
• stanica za lemljenje toplim zrakom
• lemilica s malim vrhom

Laserski pisač potreban je za metodu prijenosa tonera, inkjet pisač ovdje neće raditi. Koristio sam laminator za prijenos tonera na bakar. Iako je to moguće učiniti i glačalom, 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 s vrućom pločom ili pećnicom s refluksom, ali možda će vam za ponovnu obradu ipak trebati stanica za lemljenje vrućim zrakom. 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: Ispis rasporeda PCB -a

DotStar LED diode bit će montirane na 4 identična PCB -a, a svaki će sadržavati niz od 4x4 LED dioda. Napravio sam izgled za PCB -ove s Eagle -om i izvezao ga u pdf datoteku. Zatim sam preslikao izgled, složio nekoliko na jednoj stranici i dodao neke oznake za njihovo kasnije izrezivanje. Ova pdf datoteka može se preuzeti u nastavku. Priložio sam i datoteke Eagle u slučaju da želite unijeti bilo kakve promjene u izgled ploče. Osim toga, napravio sam raspored za matricu za lemljenje koja se može utisnuti iz iste bakrene folije. Šablona je opcionalna, ali olakšava širenje paste za lemljenje na PCB. Kao što je već spomenuto, raspored treba ispisati laserskim pisačem. Ne možete koristiti običan papir, nego biste umjesto toga trebali koristiti neku vrstu sjajnog papira. Postoji posebna vrsta papira za prijenos tonera (vidi 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 prije istrljao, npr. prilikom izrezivanja pojedinačnih izgleda preporučujem upotrebu neke druge marke. U već spomenutom vodiču CNLohra koristi ovu marku koja bi mogla bolje funkcionirati. Nakon ispisa rasporeda za PCB -ove i matrice za lemljenje izrežite ih egzaktnim nožem. U načelu trebate samo četiri rasporeda PCB -a i jednu matricu, ali svakako je korisno imati barem dvostruko više njih nego što je malo vjerojatno da će svi transferi uspjeti.

Korak 3: Izrada bakra obloženog staklom

U početku morate rezati staklene pločice mikroskopa na rezače za staklo. Prikladno možete pronaći tutorial za gotovo sve na youtube -u. Tražeći "rezanje mikroskopskih dijapozitiva" pronašao sam ovaj vodič koji vam pokazuje kako se to radi. Pomalo je lukavo kako bi ovo dobro funkcioniralo i potrošila sam puno 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 griješiti 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, vjerojatno 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 bila presretna koliko se ljepilo dobro zalijepilo za staklo i otkrila sam da se rubovi ponekad odlijepe. 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 sam nožem odrezao preklapajući bakar. Za matricu za lemljenje također sam izrezao neke dodatne komade bakrene folije bez lijepljenja na podlogu.

Korak 4: Prijenos rasporeda PCB -a

Sada se toner iz laserskog ispisa mora prenijeti na bakar, što se postiže toplinom i pritiskom. Isprva sam to pokušao peglom, ali sam kasnije koristio laminator. Gornja slika prikazuje usporedbu obje tehnike s ranijom 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 glačalom. Upravo sam koristio standardni laminator i bez željeza koje je radilo sasvim u redu. Za prijenos sam laserski otisak stavio 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 nježno 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 bakrotisanje bakra. Tijekom ovog procesa bakar će se ukloniti s podloge, osim u regijama u kojima je zaštićen tonerima. Kako biste stražnju stranu bakrene folije zaštitili 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, tijekom jetkanja ne nastaje plin, ali možda biste to 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 tako da ga stavite u veći spremnik). Prilikom stavljanja PCB -a, ponovno sam slijedio upute CNLohra i stavio podloge licem prema dolje u tekućinu tako da ostanu plutati na vrhu. To je vrlo prikladno 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 neku konvekciju ispod podloga. Za mene je proces graviranja trajao oko 20 minuta. Nakon što se ukloni sav neželjeni bakar, isperite PCB -e vodom i osušite. Trebali biste ostaviti nekoliko lijepih prozirnih staklenih pločica. Posljednje što trebate 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 spremnik i pravilno ga zbrinite.

Korak 6: Lemljenje LED dioda

Ovisno o vašoj opremi i vještinama SMD lemljenja, sljedeći dio može potrajati. Prvo morate zalijepiti pastu za lemljenje na pločice 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 je postaviti LED diode, a zatim sve staviti u pećnicu s reflowom (= toster za mnoge ljubitelje elektronike) ili na vruću ploču. 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 sam razloga 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 LED diode jednu po jednu lemio vrućim zrakom. Naravno, brža metoda bila bi korištenje ploče za kuhanje ili pećnice, ali prednost moje metode je što možete testirati PCB nakon svakog koraka. Također za mene lemljenje ima gotovo meditativnu vibru;-). Pazite da lemite LED diode u ispravnom položaju kako je prikazano na gornjoj shemi. Za testiranje sam upotrijebio "najtraženiji" primjer iz adafruit DotStar biblioteke i spojio žice SDI, CKI i GND 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 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 ste dovršili sve staklene ploče s LED diodama, vrijeme je za pripremu donje pločice na koju će se montirati. Izrezao sam komad s rupama 18x19 na prototipu 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 umetnuti razmaknice za PCB. Moguće je učiniti PCB još manjim upotrebom arduino mikro umjesto arduino nano i odabirom odstojnika manjeg promjera. Shema PCB -a prikazana je gore. U početku trebate zalemiti pinove za arduino na PCB bez pričvršćivanja na arduino jer neke žice moraju ići ispod arduina (naravno da sam to učinio prvi put pogrešno). Također provjerite je li dulja strana pinova okrenuta prema PCB -u (tj. Arduino će biti pričvršćen na dulju 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 lemna mosta za povezivanje 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 posložiti 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. No, budući da su lemilice 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 donji rub staklenih PCB -a (gdje se nalaze jastučići), a zatim ga čvrsto pritisnuo na podlogu i čekao da se prilično dobro zalijepi. Nakon toga, dodao sam još ljepila na dno sa stražnje strane PCB -a (nasuprot jastučića za lemljenje). Da budem iskren, nisam 100% zadovoljan rezultatom jer nisam uspio montirati PCB -e 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 normalno lemilicu. Imajte na umu da za posljednji sloj morate spojiti samo četiri jastučića. Nakon ugradnje svakog sloja testirao sam kocku s "najnaprednijim" primjerom koda. Ispostavilo se da je, iako sam prethodno testirao svaki sloj, bilo nekih loših veza te sam morao ponovno lemiti 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. Nakon što sve radite, izgradnja je gotova. Čestitamo!

Korak 9: Prijenos koda

Upravo sam napravio jednostavan primjer skice s nekoliko animacija koji je prikazan u videu iznad. Kôd koristi knjižnicu FastLED i temelji se na primjeru DemoReel100. Ova mi se knjižnica jako sviđa jer već nudi funkcije za nestajanje boje i svjetline što olakšava generiranje sjajnih animacija. Ideja je da nastavite s izradom još nekih animacija i možda podijelite svoj kôd u odjeljku komentara. U primjeru skice postavio sam ukupnu svjetlinu na neku nižu vrijednost iz dva razloga. Prvo, pri punoj svjetlini LED diode su dosadno svijetle. Drugo, svih 64 LED diode pri punoj svjetlini mogu potencijalno privući mnogo više struje nego što arduino 5 V pin može sigurno izvoriti (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 dizajn staklenog PCB -a omogućio daljnju minijaturizaciju cijele kocke. U svom uputstvu o (moguće) najsitnijoj LED kocki na svijetu, nqtronix piše da je prvotno planirao koristiti najmanje svjetske RGB LED diode veličine 0404, ali da im nije uspio lemiti žice. Korištenjem staklenih PCB -a doista bi se moglo ići na najmanju svjetsku LED kocku. U ovom slučaju vjerojatno bih također bacio sve u epoksidnu smolu slično kocki nqtronixa.