4x4x4 DotStar LED kocka üveglapokon: 10 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

A projekt inspirációját más apró LED -kockák adták, mint például a HariFun és az nqtronix. Mindkét projekt SMD LED -eket használ egy igazán kis méretű kocka felépítéséhez, azonban az egyes LED -eket vezetékek kötik össze. Az ötletem az volt, hogy a LED -eket egy NYÁK -ra szereltem, a felületre szerelhető alkatrészekhez rendelt módon. Ez megoldaná azt a problémát is, hogy a LED -eket rendezetten egy azonos távolságú mátrixba rendezzék, ami gyakran bonyolult lehet, ha vezetékekkel csatlakoztatják őket. A NYÁK -ok nyilvánvaló problémája az, hogy átlátszatlanok, és ezért az egyes rétegek egymás mögött rejtőznek. Ennek tudatában böngészve a weben bukkantam rá a CNLohr utasításaira, hogy hogyan készítsünk átlátszó üveg PCB -ket. Így merült fel bennem az ötlet, hogy az üveglapokra szerelt SMD LED -ekből készítsek egy kis kockát. Bár nem a világ legkisebb LED -kockája (ez a cím valószínűleg még mindig az nqtronix -hoz tartozik), úgy gondolom, hogy az üveg PCB -k szép új tapintást kölcsönöznek a már létező LED -kockák nagy választékának.

1. lépés: Anyagjegyzék

A LED -kocka csak néhány anyagból áll, az alábbiakban felsorolva

• mikroszkóp tárgylemezek (25,4 x 76,2 x 1 mm), pl. amazon.de
• rézszalag (0,035 x 30 mm), pl. ebay.de
• DotStar Micro LED-ek (APA102-2020), pl. adafruit vagy aliexpress
• NYÁK prototípus (50 x 70 mm), pl. amazon.de
• arduino nano, pl. amazon.de
• NYÁK -távtartók, pl. amazon.de vagy aliexpress

A mikroszkóp tárgylemezek a PCB -k szubsztrátjaként szolgálnak. Úgy döntöttem, hogy 25,4 x 25,4 mm méretű négyzet alakú darabokra vágom őket. A rézfóliának elég vékonynak kell lennie a maratáshoz, míg 1 mill (0,025 mm) általában a PCB szabvány, a 0,035 mm vastagság jól működik. Természetesen a rézszalag szélességének nagyobbnak kell lennie, mint 25,4 mm, hogy elfedje az üveg hordozót. Úgy döntöttem, hogy a DotStar LED -eket használom a 2020 -as kisebb csomagban. Ezek a LED-ek beépített vezérlővel rendelkeznek, amely lehetővé teszi, hogy az összes LED-et egyetlen adatvonallal címezze, azaz nincs szükség műszakregiszterekre vagy charlieplexelésre. Nyilvánvalóan két különböző típusú elrendezés létezik a DotStar LED -ekhez (lásd fent). Az általam tervezett NYÁK -elrendezés a bal oldalon látható. Szüksége lesz 64 LED -re a kocka számára, 100 darabot rendeltem, hogy legyen néhány tartalék, amelyeket a jövőbeni projektekhez is fel lehet használni. Mindent egy prototípus NYÁK lapra kell felszerelni, amelynek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy az arduino nano elférjen rajta. 50 x 70 mm-es kétoldalas táblából vágtam egy kisebb darabot (az egyoldalas is működik). A NYÁK távtartók az alap talapzataként szolgálnak. Szükséged lesz néhány vékony vezetékre is a prototípus NYÁK csatlakoztatásához, és esetleg néhány "Dupont kábelre" a teszteléshez.

A kocka elkészítéséhez a következő vegyszerekre is szüksége lesz

• vas -klorid oldat
• aceton
• epoxi ragasztó, pl. Norland NO81 vagy NO61
• forrasztópaszta
• fényáram
• általános célú ragasztó, pl. UHU Hart

A réz maratásához az üvegfelületekről 40% -os vas -klorid oldatot kaptam egy helyi elektronikai üzletből. Én vas (III) -kloridot használtam, mivel olcsó és könnyen beszerezhető, azonban vannak hátrányai, és figyelembe kell vennie más maratókat is, például a nátrium -perszulfátot. A különböző etanerek áttekintése és azok előnye és hátránya itt található. A PCB -ket festékátviteli módszerrel készítettem, és aceton segítségével távolítottam el a festéket a maratás után. A rézfólia ragasztásához az üveglapra átlátszó epoxi ragasztót kell kapnia, amely hőálló (a forrasztás miatt) és ideális esetben acetonnal szemben is ellenálló. Azt tapasztaltam, hogy különösen az utóbbit nehéz megtalálni, azonban a legtöbb epoxid enyhén ellenáll az acetonnak, ami elegendő a célunkhoz, mivel csak a felületet kell vele törölni. Úgy döntöttem, hogy a Norland NO81 UV -kötésű epoxidot használom, főleg azért, mert egy olyan cégnél dolgozom, amely értékesíti a cuccokat. Végül nem voltam túl boldog, mivel az epoxi nem nagyon tapadt az üveg aljzathoz, bár kifejezetten a fém üveghez való ragasztására készült. Oktatóanyagában a CNLohr ezt az epoxit használja, amelyet érdemes megfontolni. A LED -ek forrasztásához a PCB -hez forrasztópasztára lesz szüksége, javaslom az alacsony olvadáspontú típust, hogy csökkentse a LED -ek és az epoxi feszültségét. A forrasztóhidak rögzítéséhez folyamot is kell kapnia. Végül szükségünk lesz valamilyen ragasztóra az üveglapok ragasztásához az alaphoz. Az UHU Hart általános célú ragasztót használtam, de lehet, hogy vannak jobb lehetőségek.

Ezen felül a következő eszközökre lesz szüksége ehhez az összeállításhoz.

• lézeres nyomtató
• laminátor
• üveg vágó
• forrólevegős forrasztóállomás
• forrasztópáka kis heggyel

A lézernyomtatóra szükség van a festékátviteli módszerhez, a tintasugaras nyomtató itt nem fog működni. Laminálót használtam a festék rézre való átviteléhez. Bár ezt vasalóval is meg lehet tenni, azt tapasztaltam, hogy a laminálógép jobb eredményeket ad. A forrólevegős forrasztóállomás az SMD LED -ek forrasztására szolgál, de lehetséges (és talán kényelmesebb is) ezt főzőlappal vagy reflux sütővel megtenni, de szükség lehet még forrólevegős forrasztóállomásra az átdolgozáshoz. Ezenkívül ajánlott egy kis hegyes forrasztópáka a forrasztóhidak rögzítéséhez és az alap NYÁK -on történő csatlakoztatáshoz. Szüksége lesz egy üvegvágóra is, hogy a mikroszkóp tárgylemezeit négyzet alakú darabokra vágja.

2. lépés: A NYÁK -elrendezés nyomtatása

A DotStar LED -eket 4 azonos PCB -re szerelik fel, mindegyik 4x4 LED -es tömböt tartalmaz. Az Eagle -vel elkészítettem a NYÁK -ok elrendezését, és exportáltam egy pdf -fájlba. Ezután tükröztem az elrendezést, elrendeztem néhányat egyetlen oldalon, és hozzáadtam néhány jelet a későbbi kivágáshoz. Ez a pdf fájl letölthető az alábbiakban. Csatoltam az Eagle fájlokat is arra az esetre, ha változtatni szeretne a tábla elrendezésén. Ezenkívül elkészítettem egy forrasztási sablon elrendezését, amely ugyanabból a rézfóliából maratható. A sablon opcionális, de megkönnyíti a forrasztópaszta szétterítését a NYÁK -on. Mint már említettük, az elrendezést lézernyomtatóval kell kinyomtatni. Nem használhat normál papírt, hanem használjon valamilyen fényes papírt. Van egy speciális típusú festékátviteli papír (lásd pl. Itt), de sokan csak a magazinok papírját használják (pl. IKEA katalógus). A festékátviteli papír előnye, hogy az átvitel után könnyebben eltávolítható a papír a rézből. Kipróbáltam ezt a festékátviteli papírt és néhány magazin oldalt is, és azt tapasztaltam, hogy a folyóirat oldalai még jobban működnek. A festékátviteli papírommal az volt a probléma, hogy a festék néha lekopott korábban, pl. az egyes elrendezések kivágásakor, ezért azt javaslom, hogy használjon más márkát. A CNLohr már említett bemutatójában ezt a márkát használja, amely jobban működhet. Miután kinyomtatta a nyomtatott áramköri lapok elrendezését és a forrasztószalagot, vágja ki őket egy precíz késsel. Elvileg csak négy NYÁK -elrendezésre és egy sablonra van szüksége, de mindenképpen hasznos, ha legalább kétszer annyi van, mint valószínűtlen, hogy minden átvitel működni fog.

3. lépés: Üvegre borított réz készítése

Először a mikroszkóp tárgylemezeit négyszögletes darabokra kell vágni egy üvegvágóval. A youtube -on kényelmesen megtalálható egy oktatóanyag szinte mindenhez. A "mikroszkóp diák vágása" kifejezésre keresve megtaláltam ezt az oktatóanyagot, amely bemutatja, hogyan történik. Kicsit bonyolult, hogy ez szépen működjön, és sok mikroszkóp -diát elpazaroltam, de ha 100 darabot rendeltél, mint én, akkor több mint elegendő kell. Ismét azt javaslom, hogy készítsen legalább kétszer annyi hordozót, mint amennyire szükség van (kb. 8-10), mivel valószínűleg hibákat fog elkövetni az út során. Ezután vágja a rézszalagot darabokra, amelyek valamivel nagyobbak, mint a négyzet alakú üvegfelületek. Tisztítsa meg mind az aljzatot, mind a rézfóliát alkohollal vagy acetonnal, majd ragasztja össze őket. Győződjön meg arról, hogy a ragasztó belsejében nincsenek légbuborékok. Amint már említettük, a Norland NO81 -et használtam, amely egy gyorsan UV -kötő ragasztó, amelyet fémek üveghez való ragasztására ajánlunk. Követtem a CNLohr utasításait is, és érdesítettem a rézfólia egyik oldalát, hogy jobban tapadjon az üveghez. Utólag valószínűleg érdesítés nélkül csinálnám, mivel így a fény átvitele a PCB -ken kissé szórt volt, és jobban szerettem volna, ha világosabban néznek ki. Ezenkívül nem voltam nagyon elégedett azzal, hogy a ragasztó mennyire tapadt az üveghez, és megállapítottam, hogy a szélei néha leválnak. Nem vagyok biztos benne, hogy ez a nem megfelelő kikeményedésnek vagy a ragasztónak volt köszönhető. A jövőben mindenképpen kipróbálok más márkákat is. A kikeményedéshez UV lámpát használtam a bankjegyek ellenőrzésére, amelyek véletlenszerűen a megfelelő hullámhosszon (365 nm) kapták a kibocsátási csúcsot. Keményedés után precíz késsel levágtam az átfedő rezet. A forrasztó sablonhoz néhány extra rézfólia darabot is levágtam anélkül, hogy az aljzatra ragasztanám.

4. lépés: A NYÁK -elrendezés átvitele

Most a lézernyomtatóból származó festéket át kell vinni a rézre, ami hő és nyomás hatására történik. Először vasalóval próbáltam, de később laminálót használtam. A fenti kép a két technika összehasonlítását mutatja a NYÁK -elrendezés korábbi verziójával. Mint látható, a lamináló sokkal jobb eredményeket hozott. A legtöbb ember módosított laminálót használ, amely magasabb hőmérsékletre melegíthető. Oktatóanyagában a CNLohr először laminálógépet használ, majd vasalóval is felmelegíti. Csak egy szabványos laminálót használtam, és nem vasaltam, ami jól működött. Az átvitelhez a lézernyomtatót lefelé fordítva helyeztem a rézre, és egy kis ragasztószalaggal rögzítettem. Ezután egy kis papírlapra hajtottam, és körülbelül 8-10-szer végigfuttattam a laminálón, miközben minden egyes futtatás után fejjel lefelé fordítottam. Ezt követően az aljzatot a lézernyomattal egy tál vízbe tettem, és néhány percig áztatni hagytam, majd óvatosan lehúztam a papírt. Ha festékátviteli papírt használ, a papír általában könnyen leválik anélkül, hogy maradékot hagyna. A folyóiratpapírhoz óvatosan le kellett dörzsölnöm a maradék papír egy részét hüvelykujjammal. Ha az átvitel nem sikerült, akkor csak távolítsa el a festéket a rézből acetonnal, és próbálja újra. A forrasztó sablon elrendezését ugyanígy átvitték a csupasz rézfóliára.

5. lépés: A réz maratása

Most itt az ideje a réz maratásának. Ennek során a réz eltávolításra kerül az aljzatról, kivéve azokat a területeket, ahol a festék védi. Annak érdekében, hogy megvédje a rézfólia hátoldalát a forrasztó sablon elrendezésével, egyszerűen festheti állandó jelölővel. Meg kell említenem, hogy természetesen meg kell tennie néhány védőintézkedést, ha maróval, például vas -kloriddal dolgozik. Bár a vas-klorid nem ég át a bőrön, legalább csúnya sárgásbarna foltokat fog okozni, ezért mindenképpen ajánlott kesztyű. Emellett valószínűleg nem fog meglepődni azon a tényen, hogy a sav káros a szemére, ezért viseljen védőszemüveget. Ha jól értem, a maratás során nem keletkezik gáz, de érdemes ezt jól szellőző helyen csinálni, mivel a friss levegő mindig jót tesz az Ön számára;-) Töltse a vas (III) -klorid oldatot egy kis tartályba (védheti a munkaterületet a véletlen kiömléstől, ha ezt egy nagyobb tartályba helyezi.) A NYÁK -ok behelyezésekor ismét követtem a CNLohr utasításait, és az aljzatokat képpel lefelé tettem a folyadékba, hogy a tetejükön lebegjenek. Ez nagyon kényelmes, mivel pontosan tudni fogja, mikor fejeződött be a maratás, amit egyébként nem láthat a barna oldatban, amely még sötétebb lesz a maratás során. Ezenkívül bizonyos konvekciót is tart az aljzatok alatt. Számomra a maratási folyamat körülbelül 20 percet vett igénybe. Miután a nem kívánt réz el lett maratva, öblítse le a PCB -ket vízzel és szárítsa meg. Hagyni kell néhány szép átlátszó üveg PCB -t. Az utolsó dolog, hogy acetonnal távolítsa el a festéket a réznyomokból. Csak óvatosan törölje le vele a felületet, mivel az aceton is megtámadja a ragasztót. Kérjük, NE öblítse le a használt vas -kloridot a csatornába, mert káros a környezetre (és valószínűleg korrodálja is a csöveket). Gyűjtsön mindent egy edénybe, és megfelelően dobja ki.

6. lépés: A LED -ek forrasztása

A felszereléstől és az SMD forrasztási készségeitől függően a következő rész meglehetősen időigényes lehet. Először a forrasztópasztát kell felvinni a nyomtatott áramköri lapokra, ahol a LED -ek csatlakoztatva lesznek. Ha maratott egy forrasztószalagot, ragasztószalaggal rögzítheti a NYÁK -ra, majd nagyvonalúan szétterítheti a pasztát. Alternatív megoldásként használhat fogpiszkálót is, hogy kis mennyiségű forrasztópasztát tegyen az egyes betétekre. Ezt követően a szokásos dolog az, hogy elhelyezzük a LED -eket, majd mindent visszatöltő kemencébe (= sok elektronikus hobbi kenyérpirítóba) vagy főzőlapra teszünk. Azonban azt tapasztaltam, hogy ez általában forrasztóhidakat eredményez, amelyeket utólag nagyon nehéz eltávolítani, mivel nem férhet hozzá a LED -ek alatti párnákhoz. Ezért először forrólevegő -állomással megolvasztottam a forrasztót, majd ezt követően az összes forrasztóhidat forrasztópáka segítségével rögzítettem fluxus és forrasztófonat segítségével, hogy eltávolítsam a felesleges forrasztást. Aztán forrasztottam a LED -eket egyenként forró levegővel. Természetesen a gyorsabb módszer egy főzőlap vagy sütő használata lenne, de módszerem előnye, hogy minden lépés után tesztelheti a PCB -t. Szintén számomra a forrasztásnak szinte meditatív hangulata van;-). Ügyeljen arra, hogy a LED -eket a megfelelő irányban forrasztja, amint azt a fenti vázlat mutatja. A teszteléshez az adafruit DotStar könyvtár "strandtest" példáját használtam, és az SDI, CKI és GND vezetékeket a fentiek szerint csatlakoztattam. Kiderült, hogy a VCC kapcsolat nem szükséges a LED -ek kigyulladásához, de azt figyeltem, hogy az első LED piros és kék színe mindig egyidejűleg világít. Nem ez volt a helyzet, ha a VCC is csatlakoztatva van, azonban nehéz csatlakoztatni mind a négy vezetéket, ha csak a normál mennyiségű kéz áll rendelkezésre;-).

7. lépés: Készítse elő az alap NYÁK -t

Miután befejezte az összes üveg NYÁK -ot és a hozzájuk tartozó LED -eket, itt az ideje előkészíteni az alsó NYÁK -t, ahová szerelik. Vágtam egy darabot 18x19 -es lyukakkal egy prototípus NYÁK -ból, amely elegendő helyet biztosít az összes alkatrész felszereléséhez és az összes szükséges csatlakozáshoz, és négy lyukat is fúrtak a széleken, ahol a NYÁK -távtartókat rögzíteni lehet. A PCB -t még kisebbre lehetne csökkenteni, ha arduino nano helyett arduino mikro -t használunk, és kisebb átmérőjű távtartókat választunk. A NYÁK vázlata fent látható. Először az arduino csapjait kell forrasztani a PCB -hez anélkül, hogy az arduinohoz rögzítené őket, mert néhány vezetéknek az arduino alá kell mennie (persze ezt először rosszul csináltam). Győződjön meg arról is, hogy a csapok hosszabb oldala kifelé néz a NYÁK számára (azaz az arduino a hosszabb oldalhoz lesz rögzítve). Ezután használjon vékony huzalt a csatlakozások létrehozásához, ahogyan az az ábrán látható. Minden vezeték a NYÁK alján fut, de felül van forrasztva. Vegye figyelembe, hogy négy forrasztóhidat is létre kell hoznia ahhoz, hogy a VCC, GND, SDI és CKI csatlakozásokat az arduino csapokkal hozza létre. A VCC az arduino 5 V -os csatlakozóhoz lesz csatlakoztatva, a GND a GND -hez, az SDI a D10 -hez és a CKI a D9 -hez. A huzalozás kissé zavarosabbra sikerült, mint gondoltam, bár mindent úgy próbáltam elrendezni, hogy a lehető legkevesebb kapcsolatot kelljen létrehoznia.

8. lépés: Csatlakoztassa az üveg PCB -ket

Végül elvégezheti az összeszerelés utolsó lépését, azaz rögzítheti az üveg aljzatokat az alaphoz. Az első réteggel kezdtem, amely az alapnak az arduinohoz közelebb eső oldalán található. Ily módon minden réteget tesztelhet a szerelés után, miközben a jel elölről hátra fut. Mivel azonban a forrasztópárnák előre néznek, a többi réteg forrasztása kissé bonyolulttá válik, mivel a forrasztópáka közé kell nyúlnia. A NYÁK rögzítéséhez kis mennyiségű ragasztót (UHU Hart) kentem fel az üveglapok alsó szélére (ahol a párnák találhatók), majd erősen rányomtam az alapra, és megvártam, amíg ésszerűen jól tapad. Ezt követően még néhány ragasztót adtam a nyomtatott áramköri lap hátsó oldalán lévő aljához (a forrasztópárnákkal szemben). Hogy őszinte legyek, nem vagyok 100% -ban elégedett az eredménnyel, mivel nem tudtam pontosan függőlegesen felszerelni a NYÁK -okat. Lehet, hogy jobb, ha valamilyen szúrót készítünk, hogy a rétegek függőlegesek maradjanak, amíg a ragasztó teljesen megszárad. Az egyes rétegek felszerelése után a forrasztócsatlakozásokat úgy készítettem el, hogy nagy mennyiségű forrasztópasztát vittem fel a hat alátétre úgy, hogy azok a megfelelő forrasztási pontokhoz kapcsolódjanak az alsó NYÁK -on. A forrasztáshoz nem forró levegőt, hanem a normál forrasztópákamat használtam. Vegye figyelembe, hogy az utolsó réteghez csak négy párnát kell csatlakoztatnia. Minden réteg felszerelése után teszteltem a kockát a "strandtest" példakóddal. Kiderült, hogy bár előtte minden réteget teszteltem, néhány rossz csatlakozás történt, és két LED -et fel kellett oldanom. Ez különösen bosszantó volt, mivel az egyik a második rétegben helyezkedett el, és közbe kellett nyúlnom a hőpisztolyommal. Miután mindent elvégeztünk, az építés befejeződött. Gratulálunk!

9. lépés: A kód feltöltése

Most készítettem egy egyszerű példavázlatot néhány animációval, amelyet a fenti videó mutat be. A kód a FastLED könyvtárat használja, és a DemoReel100 példán alapul. Nagyon szeretem ezt a könyvtárat, mivel már tartalmaz funkciókat a színek és a fényerő elhalványítására, ami megkönnyíti a nagyszerű animációk létrehozását. Az ötlet az, hogy készítsen további animációkat, és esetleg ossza meg kódját a megjegyzések részben. A példavázlatban két okból állítottam be az általános fényerőt valamilyen alacsonyabb értékre. Először is, teljes fényerő mellett a LED -ek bosszantóan világosak. Másodszor, mind a 64 LED teljes fényerővel potenciálisan sokkal nagyobb áramot tud felvenni, mint amennyit az arduino 5 V -os tű biztonságosan tud (200 mA).

10. lépés: Outlook

Van néhány dolog, amit ezen a bulidon lehet javítani, a legtöbbet már említettem. A legfontosabb dolog, amin változtatni szeretnék, az egy professzionális NYÁK készítése az alaphoz. Ez lehetővé tenné az alap kisebb és szebb megjelenését, és elkerülheti azt a bosszantó folyamatot is, amikor mindent kézzel kötnek be. Azt is hiszem, hogy az üveg NYÁK kialakítás lehetővé tenné az egész kocka további miniatürizálását. Az (esetleg) a világ legapróbb LED -kockáiról szóló utasításában az nqtronix azt írja, hogy eredetileg a világ legkisebb 0404 -es méretű RGB LED -eit tervezte használni, de nem sikerült hozzájuk forrasztani a vezetékeket. Üveg -PCB -k használatával valóban a világ legapróbb LED -kockáit választhatnánk. Ebben az esetben valószínűleg én is mindent epoxigyantaba öntök, mint az nqtronix kocka.