LED kocka 4x4x4 DotStar na sklenených plošných spojoch: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Inšpiráciou pre tento projekt boli ďalšie malé LED kocky, ako napríklad HariFun a nqtronix. Oba tieto projekty používajú LED diódy SMD na stavbu kocky so skutočne malými rozmermi, jednotlivé LED diódy sú však spojené drôtmi. Mojou myšlienkou bolo namiesto toho namontovať diódy LED na dosku plošných spojov, ako sú určené pre diely na povrchovú montáž. To by tiež vyriešil problém úhľadného usporiadania LED diód v matici s rovnakými vzdialenosťami, čo môže byť často zložité pri ich spájaní drôtmi. Zjavným problémom PCB je to, že sú nepriehľadné a preto by boli jednotlivé vrstvy skryté za sebou. Pri prezeraní webu s touto myšlienkou som narazil na pokyny spoločnosti CNLohr o tom, ako vyrábať PCB z číreho skla. Takto som prišiel na nápad vyrobiť malú kocku z LED diód SMD namontovaných na sklenených PCB. Aj keď to nie je najmenšia LED kocka na svete (tento titul pravdepodobne stále patrí spoločnosti nqtronix), myslím si, že sklenené dosky plošných spojov dodávajú príjemnú novú atmosféru širokej škále už existujúcich kociek LED.

Krok 1: Kusovník

LED kocka pozostáva iba z niekoľkých nižšie uvedených materiálov

• mikroskopické sklíčka (25,4 x 76,2 x 1 mm), napr. amazon.de
• medená páska (0,035 x 30 mm), napr. ebay.de
• Micro LED diódy DotStar (APA102-2020), napr. adafruit alebo aliexpress
• prototyp dosky plošných spojov (50 x 70 mm), napr. amazon.de
• arduino nano, napr. amazon.de
• Rozpery do DPS, napr. amazon.de alebo aliexpress

Mikroskopické sklíčka budú slúžiť ako substrát pre PCB. Rozhodol som sa ich nakrájať na štvorcové kusy s rozmermi 25,4 x 25,4 mm. Medená fólia by mala byť na leptanie dostatočne tenká, zatiaľ čo pre dosky plošných spojov je zvyčajne štandardom 1 mil (0,025 mm), pričom hrúbka 0,035 mm funguje dobre. Samozrejme, šírka medenej pásky by mala byť väčšia ako 25,4 mm, aby pokryla sklenený substrát. Rozhodol som sa použiť LED diódy DotStar v menšom dostupnom balení do roku 2020. Tieto diódy LED majú vstavaný ovládač, ktorý vám umožňuje osloviť všetky diódy LED jediným dátovým vedením, to znamená, že nie sú potrebné žiadne posuvné registre ani charlieplexovanie. Zjavne existujú dva rôzne druhy rozložení podložiek pre LED DotStar (pozri vyššie). Rozloženie DPS, ktoré som navrhol, je to, ktoré je zobrazené vľavo. Na kocku budete potrebovať 64 LED diód, objednal som 100 kusov, aby som mal niekoľko náhradných, ktoré je možné použiť aj na budúce projekty. Všetko bude namontované na prototype dosky plošných spojov, ktorá by mala byť dostatočne veľká, aby sa na ňu arduino nano zmestilo. Vyrezal som menší kus z obojstrannej dosky 50 x 70 mm (jednostranný bude tiež fungovať). Rozpery na dosky plošných spojov budú slúžiť ako podstavce pre základňu. Budete tiež potrebovať niekoľko tenkých vodičov na pripojenie na prototype DPS a možno aj niekoľko „káblov Dupont“na testovanie.

Na výrobu kocky budete potrebovať aj nasledujúce chemikálie

• roztok chloridu železitého
• acetón
• epoxidové lepidlo, napr. Norland NO81 alebo NO61
• spájkovacia pasta
• tok
• lepidlo na všeobecné použitie, napr. UHU Hart

Na leptanie medi zo sklenených substrátov som dostal 40% roztok chloridu železitého z miestneho obchodu s elektronikou. Použil som chlorid železitý, pretože je lacný a ľahko dostupný, existujú však určité nevýhody a mali by ste zvážiť aj iné leptadlá, ako napríklad persíran sodný. Prehľad rôznych leptadiel a ich vzostupných a záporných stránok nájdete tu. PCB som vyrobil metódou prenosu tonera a po leptaní som z neho odstránil toner acetónom. Na prilepenie medenej fólie na sklenený substrát by ste mali dostať priehľadné epoxidové lepidlo, ktoré je odolné voči teplote (kvôli spájkovaniu) a ideálne aj voči acetónu. Zistil som, že obzvlášť ten druhý je ťažké nájsť, väčšina epoxidov je však mierne odolná voči acetónu, čo na náš účel stačí, pretože ním musíme iba zotrieť povrch. Rozhodol som sa použiť epoxid vytvrdzovaný UV žiarením Norland NO81, hlavne preto, že pracujem vo firme, ktorá predáva tieto veci. Nakoniec som nebol veľmi šťastný, pretože epoxid nelepil veľmi dobre na sklenený podklad, aj keď je špeciálne navrhnutý na lepenie kovu na sklo. Vo svojom návode CNLohr používa tento epoxid, ktorý by ste mohli alternatívne zvážiť. Na spájkovanie LED na dosku plošných spojov budete potrebovať spájkovaciu pastu, odporúčam takú s nízkou teplotou topenia, aby sa znížilo napätie pre diódy LED a epoxid. Mali by ste tiež získať nejaký tok na upevnenie spájkovacích mostíkov. Nakoniec budeme potrebovať nejaké lepidlo na lepenie sklenených DPS na základňu. Použil som univerzálne lepidlo UHU Hart, ale môžu existovať lepšie možnosti.

Okrem toho budete pre túto zostavu potrebovať nasledujúce nástroje.

• laserova tlačiareň
• laminátor
• rezačka skla
• teplovzdušná spájkovacia stanica
• spájkovačka s malým hrotom

Na spôsob prenosu tonera je potrebná laserová tlačiareň, tu atramentová tlačiareň nebude fungovať. Na prenos tonera na meď som použil laminátor. Aj keď je to možné aj pomocou žehličky, zistil som, že laminátor poskytuje lepšie výsledky. Teplovzdušná spájkovacia stanica je na spájkovanie LED diód SMD. Je tiež možné (a možno aj pohodlnejšie) to urobiť pomocou horúcej platne alebo refluxnej rúry, ale na prepracovanie budete stále potrebovať teplovzdušnú spájkovaciu stanicu. Okrem toho sa odporúča spájkovačka s malým hrotom na upevnenie spájkovacích mostíkov a na vytváranie spojov na základnej doske plošných spojov. Budete tiež potrebovať sklenenú rezačku na rezanie sklíčok mikroskopu na štvorcové kusy.

Krok 2: Tlač rozloženia DPS

LED diódy DotStar budú namontované na 4 identické dosky plošných spojov, z ktorých každá bude obsahovať rad diód 4x4. Urobil som rozloženie pre DPS s Eagle a exportoval som ho do súboru pdf. Potom som zrkadlil rozloženie, usporiadal som niekoľko na jednu stránku a tiež pridal niekoľko značiek na ich následné vystrihnutie. Tento súbor pdf si môžete stiahnuť nižšie. Tiež som pripojil súbory Eagle pre prípad, že by ste chceli vykonať akékoľvek zmeny v rozložení dosky. Okrem toho som urobil rozvrh pre spájkovaciu šablónu, ktorú je možné vyleptať z tej istej medenej fólie. Šablóna je voliteľná, ale uľahčuje nanášanie spájkovacej pasty na dosku plošných spojov. Ako už bolo uvedené, rozloženie by malo byť vytlačené laserovou tlačiarňou. Nemôžete použiť bežný papier, ale namiesto toho by ste mali použiť nejaký lesklý papier. Existuje špeciálny druh papiera na prenos tonera (pozri napr. Tu), ale veľa ľudí používa papier z časopisov (napr. Katalóg IKEA). Výhodou papiera na prenos tonera je, že je ľahšie odstrániť papier z medi po prenose. Skúsil som tento tonerový prenosový papier a tiež niektoré stránky časopisov a zistil som, že stránky časopisov fungujú ešte lepšie. Problém s mojím papierom na prenos tonera bol ten, že sa toner niekedy predtým zotrel, napr. pri vystrihovaní jednotlivých rozložení preto odporúčam použiť inú značku. V už spomenutom návode od CNLohr používa túto značku, ktorá môže fungovať lepšie. Po vytlačení rozložení pre DPS a spájkovacej šablóny ich vystrihnite presným nožom. V zásade potrebujete iba štyri rozloženia DPS a jednu šablónu, ale určite je užitočné mať ich aspoň dvakrát toľko, pretože je nepravdepodobné, že by všetky prenosy fungovali.

Krok 3: Výroba medenej plátovanej skla

Sklíčka mikroskopu najskôr rozrežte na sklenené rezačky na štvorcové kusy. Na youtube môžete pohodlne nájsť návod na takmer čokoľvek. Hľadaním „rezania mikroskopických diapozitívov“som našiel tento návod, ktorý vám ukáže, ako sa to robí. Je to trochu zložité, aby to dobre fungovalo, a premrhal som veľa mikroskopických sklíčok, ale ak ste si objednali 100 kusov ako ja, mali by ste toho mať viac ako dosť. Opäť odporúčam urobiť najmenej dvakrát toľko substrátov, ako je potrebné (asi 8-10), ako pravdepodobne cestou urobíte niekoľko chýb. Potom rozrežte medenú pásku na kúsky, ktoré sú o niečo väčšie ako štvorcové sklenené podklady. Podklad aj medenú fóliu očistite alkoholom alebo acetónom a potom ich zlepte. Uistite sa, že vo vnútri lepidla nie sú žiadne vzduchové bubliny. Ako už bolo spomenuté, použil som Norland NO81, čo je rýchlo vytvrdzujúce UV lepidlo, ktoré sa odporúča na lepenie kovu na sklo. Tiež som postupoval podľa pokynov CNLohra a jednu stranu medenej fólie zdrsnil, aby lepšie priľnula k sklu. Spätne by som to asi urobil bez zdrsnenia, pretože prenos svetla cez dosky plošných spojov bol mierne difúzny a bol by som radšej, keby vyzerali jasnejšie. Okrem toho som nebol veľmi spokojný s tým, ako dobre lepidlo prilieha k sklu, a zistil som, že sa okraje niekedy odlupujú. Nie som si istý, či to bolo kvôli nesprávnemu vytvrdzovaniu alebo kvôli samotnému lepidlu. V budúcnosti by som určite vyskúšal aj iné značky. Na vytvrdnutie som použil UV lampu na kontrolu bankoviek, ktoré mali zhodou okolností emisný pík pri správnej vlnovej dĺžke (365 nm). Po vytvrdnutí som presahujúcu meď odrezal presným nožom. Pre spájkovaciu šablónu som tiež narezal niekoľko kúskov medenej fólie bez toho, aby som ich nalepil na substrát.

Krok 4: Prenos rozloženia DPS

Teraz je potrebné toner z laserovej tlače preniesť na meď, ktorá sa vykonáva teplom a tlakom. Najprv som to skúšal žehličkou, ale potom som použil laminátor. Obrázok vyššie ukazuje porovnanie oboch techník so staršou verziou rozloženia DPS. Ako je vidieť, laminátor priniesol oveľa lepšie výsledky. Väčšina ľudí používa upravený laminátor, ktorý je možné zahriať na vyššie teploty. Vo svojom návode CNLohr najskôr použije laminátor a potom ho tiež zohreje žehličkou. Práve som použil štandardný laminátor a žiadnu žehličku, ktorá fungovala dobre. Na prenos som laserový odtlačok položil lícom nadol na meď a pripevnil som ho malým kúskom lepiacej pásky. Potom som ho zložil na malý kúsok papiera a prešiel som ho asi 8-10 krát laminátorom, pričom som ho po každom chode obrátil hore dnom. Potom som substrát s laserovým odtlačkom vložil do misky s vodou a nechal som ho niekoľko minút nasiaknuť, potom som opatrne odlepil papier. Ak použijete papier na prenos tonera, papier sa zvyčajne ľahko odlepí bez zanechania zvyškov. Pre časopisový papier som musel palcom jemne zotrieť zvyšný papier. Ak prenos nefungoval, môžete jednoducho odstrániť toner z medi acetónom a skúsiť to znova. Rozloženie spájkovacej šablóny bolo prenesené na holú medenú fóliu rovnakým spôsobom.

Krok 5: Leptanie medi

Teraz je čas na leptanie medi. Počas tohto procesu bude meď odstránená zo substrátu s výnimkou oblastí, kde je chránená tonerom. Aby bola zadná strana medenej fólie chránená rozložením spájkovacej šablóny, stačí ju natrieť trvalou fixkou. Mal by som spomenúť, že pri práci s leptadlom, ako je chlorid železitý, by ste mali samozrejme prijať určité ochranné opatrenia. Napriek tomu, že vám chlorid železitý nehorí, prinesie prinajmenšom škaredé žltohnedé škvrny, preto sa rozhodne odporúčajú rukavice. Tiež vás pravdepodobne neprekvapí skutočnosť, že kyselina je škodlivá pre vaše oči, preto by ste mali používať ochranné okuliare. Pokiaľ chápem, počas leptania sa nevytvára žiadny plyn, ale stále to môžete chcieť urobiť v dobre vetranom priestore, pretože čerstvý vzduch je pre vás vždy dobrý;-) Naplňte roztok chloridu železitého do malého kontajnera (môžete chrániť váš pracovný priestor pred náhodným rozliatím umiestnením do väčšieho kontajnera). Pri vkladaní DPS som sa opäť riadil pokynmi CNLohra a substráty som lícom nadol vložil do kvapaliny tak, aby zostali plávať na vrchu. Je to veľmi výhodné, pretože budete presne vedieť, kedy je leptanie dokončené, čo inak nemôžete vidieť v hnedom roztoku, ktorý počas leptania ešte stmavne. Okrem toho tiež udržuje určitú konvekciu pod substrátmi. Mne proces leptania trval asi 20 minút. Potom, čo sa všetka nechcená meď vyleptá, opláchnite PCB vodou a osušte ich. Mali by ste mať niekoľko pekných priehľadných sklenených PCB. Posledná vec, ktorú musíte urobiť, je odstrániť toner z medených stôp acetónom. Stačí s ním jemne utrieť povrch, pretože acetón tiež zaútočí na lepidlo. Použitý chlorid železitý NEPOUŽÍVAJTE do odpadu, pretože je škodlivý pre životné prostredie (a pravdepodobne tiež skoroduje vaše potrubia). Zbierajte všetko do nádoby a zlikvidujte ju správne.

Krok 6: Spájkovanie LED diód

V závislosti od vášho zariadenia a schopností spájkovania SMD môže byť ďalšia časť dosť časovo náročná. Najprv musíte dostať spájkovaciu pastu na podložky na doske plošných spojov, kde budú pripojené diódy LED. Ak máte vyleptanú spájkovaciu šablónu, môžete ju prichytiť k DPS lepiacou páskou a potom pastu veľkoryso rozotrieť. Alternatívne môžete použiť špáradlo na nanesenie malého množstva spájkovacej pasty na každú podložku. Potom bude zvyčajné umiestniť LED diódy a potom všetko vložiť do reflow pece (= hriankovač pre mnoho elektronických nadšencov) alebo na horúcu platňu. Zistil som však, že to spravidla prinesie niektoré spájkovacie mostíky, ktoré je potom veľmi ťažké odstrániť, pretože nemáte prístup k podložkám pod diódami LED. Z tohto dôvodu som najskôr roztavil spájku so svojou teplovzdušnou stanicou a potom potom všetky spájkovacie mostíky zafixoval spájkovačkou pomocou tavidla a odpájkovacieho opletu, aby som odstránil prebytočnú spájku. Potom som LEDky po jednej spájkoval horúcim vzduchom. Rýchlejšou metódou by samozrejme bolo použiť horúcu platňu alebo rúru, ale výhodou mojej metódy je, že PCB môžete testovať po každom kroku. Tiež pre mňa má spájkovanie takmer meditatívnu atmosféru;-). Dbajte na spájkovanie LED diód so správnou orientáciou, ako je znázornené na schéme vyššie. Na testovanie som použil príklad „strandtest“z knižnice adafruit DotStar a podľa vyššie uvedeného obrázku som zapojil vodiče SDI, CKI a GND. Ukazuje sa, že pripojenie VCC nie je potrebné na rozsvietenie diód LED, ale zistil som, že červená a modrá farba prvej diódy LED sa rozsvietila vždy súčasne. Nebolo tomu tak, keď je pripojený aj VCC, je však ťažké pripojiť všetky štyri vodiče, ak máte k dispozícii iba normálne množstvo rúk;-).

Krok 7: Pripravte základnú dosku

Akonáhle dokončíte všetky sklenené dosky plošných spojov s pripojenými diódami LED, je čas pripraviť spodnú dosku plošných spojov, kde budú namontované. Odrezal som kus s otvormi 18 x 19 z prototypu DPS, ktorý poskytuje dostatok priestoru na namontovanie všetkých komponentov a vykonanie všetkých potrebných spojení, a tiež nechal vyvŕtať štyri otvory na okrajoch, kde je možné pripevniť rozpery plošných spojov. DPS by sa dalo ešte zmenšiť použitím arduino micro namiesto arduino nano a zvolením rozperiek s menším priemerom. Schéma DPS je uvedená vyššie. Najprv by ste mali spájkovať kolíky pre arduino s plošnými spojmi bez toho, aby ste ich museli pripevňovať k arduinu, pretože niektoré drôty musia ísť pod arduino (samozrejme, prvýkrát som to urobil zle). Tiež sa uistite, že dlhšia strana kolíkov smeruje k PCB smerom von (t.j. arduino bude pripevnené k dlhšej strane). Potom pomocou tenkého drôtu vytvorte spojenia podľa schémy. Všetky vodiče sú vedené v spodnej časti dosky plošných spojov, ale sú spájkované zhora. Všimnite si toho, že musíte tiež vytvoriť štyri spájkovacie mostíky, aby ste prepojili VCC, GND, SDI a CKI s arduino kolíkmi. VCC bude pripojený k arduino 5 V pin, GND na GND, SDI na D10 a CKI na D9. Elektroinštalácia sa ukázala byť trochu chaotickejšia, ako som si myslel, aj keď som sa snažil zariadiť všetko tak, aby ste museli vytvoriť čo najmenej spojení.

Krok 8: Pripojte sklenené dosky plošných spojov

Nakoniec môžete urobiť posledný krok montáže, tj. Pripojenie sklenených podkladov k základni. Začal som s prednou vrstvou, ktorá sa nachádza na boku základne, ktorá je bližšie k arduinu. Týmto spôsobom môžete testovať každú vrstvu po jej namontovaní, pretože signál prebieha spredu dozadu. Keďže spájkovacie podložky smerujú dopredu, spájkovanie ostatných vrstiev je trochu komplikované, pretože medzi nimi musíte dosiahnuť spájkovačku. Na prichytenie DPS som naniesol malé množstvo lepidla (UHU Hart) na spodný okraj sklenených DPS (kde sú umiestnené podložky) a potom som ho pevne pritlačil na základňu a čakal, kým sa primerane dobre prilepí. Potom som na dno na zadnej strane DPS (oproti spájkovacím podložkám) pridal trochu lepidla. Aby som bol úprimný, nie som s výsledkom 100% spokojný, pretože sa mi nepodarilo namontovať dosky plošných spojov presne vertikálne. Mohlo by byť lepšie vytvoriť nejaký prípravok, ktorý zaistí, aby vrstvy zostali zvislé, kým lepidlo úplne nevyschne. Po namontovaní každej vrstvy som vykonal spájkovacie spojenia nanesením veľkého množstva spájkovacej pasty na šesť podložiek v spodnej časti, aby sa spojili s príslušnými spájkovacími bodmi na spodnej doske plošných spojov. Na spájkovanie som nepoužil horúci vzduch, ale svoju bežnú spájkovačku. Všimnite si toho, že pre poslednú vrstvu musíte pripojiť iba štyri podložky. Po namontovaní každej vrstvy som kocku otestoval pomocou ukážkového kódu „strandtest“. Ukázalo sa, že aj keď som vopred testoval každú vrstvu, došlo k niektorým zlým spojeniam a musel som rozlíšiť dve LED diódy. To bolo obzvlášť nepríjemné, pretože jeden z nich sa nachádzal v druhej vrstve a ja som medzi nimi musel siahať horúcou pištoľou. Akonáhle získate všetko, čo funguje, je zostavenie dokončené. Gratulujem

Krok 9: Odovzdanie kódu

Práve som urobil jednoduchý ukážkový náčrt s niekoľkými animáciami, ktorý je znázornený na videu vyššie. Kód používa knižnicu FastLED a je založený na príklade DemoReel100. Táto knižnica sa mi veľmi páči, pretože už poskytuje funkcie na vyblednutie farieb a jasu, čo uľahčuje vytváranie skvelo vyzerajúcich animácií. Cieľom je, aby ste urobili ďalšie animácie a prípadne sa podelili o svoj kód v sekcii komentárov. V príklade náčrtu som nastavil celkový jas na nižšiu hodnotu z dvoch dôvodov. Po prvé, pri plnom jase sú LED diódy nepríjemne jasné. Za druhé, všetkých 64 LED diód s plným jasom môže potenciálne odoberať oveľa viac prúdu, ako je arduino 5 V pin schopný bezpečne zdroja (200 mA).

Krok 10: Outlook

Existuje niekoľko vecí, ktoré by bolo možné na tomto bulidi vylepšiť, pričom väčšinu z nich som už spomenul. Hlavná vec, ktorú by som chcel zmeniť, je výroba profesionálnej DPS pre základňu. To umožní zmenšiť a vyzerať krajší podstavec a tiež sa vyhnúť nepríjemnému procesu ručného zapojovania všetkého. Verím tiež, že sklenený dizajn DPS by umožnil ďalšiu miniaturizáciu celej kocky. Vo svojom návode na (možno) najmenšiu LED kocku na svete nqtronix píše, že pôvodne plánoval použiť najmenšie RGB LED diódy na svete s veľkosťou 0404, ale že sa mu nepodarilo k nim spájkovať drôty. Použitím sklenených PCB by ste skutočne mohli ísť na najmenšiu LED kocku na svete. V tomto prípade by som tiež pravdepodobne odlial všetko do epoxidovej živice podobnej kocke od nqtronix.