LED kostka 4x4x4 DotStar na skleněných deskách plošných spojů: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Inspirace pro tento projekt pochází z jiných malých LED kostek, jako jsou HariFun a nqtronix. Oba tyto projekty používají LED diody SMD ke stavbě krychle s opravdu malými rozměry, nicméně jednotlivé LED diody jsou propojeny vodiči. Moje myšlenka byla místo toho namontovat LED diody na desku plošných spojů, jak jsou určeny pro součásti pro povrchovou montáž. To by také vyřešilo problém s úhledným uspořádáním LED v matici se stejnými vzdálenostmi, což může být často složité při jejich propojování vodiči. Zjevným problémem desek plošných spojů je, že jsou neprůhledné, a proto by byly jednotlivé vrstvy skryty za sebou. Při procházení webu s touto myšlenkou jsem narazil na pokyny společnosti CNLohr o tom, jak vyrobit PCB z čirého skla. Tak jsem přišel s nápadem vyrobit malou kostku ze SMD LED namontovaných na skleněných deskách plošných spojů. Ačkoli to není nejmenší LED kostka na světě (tento titul pravděpodobně stále patří nqtronix), myslím, že skleněné desky plošných spojů dodávají velké rozmanitosti již existujících LED kostek pěkný nový nádech.

Krok 1: Kusovník

LED kostka se skládá pouze z několika níže uvedených materiálů

• mikroskopická sklíčka (25,4 x 76,2 x 1 mm), např. amazon.de
• měděná páska (0,035 x 30 mm), např. ebay.de
• Micro LED diody DotStar (APA102-2020), např. adafruit nebo aliexpress
• prototyp desky plošných spojů (50 x 70 mm), např. amazon.de
• arduino nano, např. amazon.de
• Distanční podložky na desky plošných spojů, např. amazon.de nebo aliexpress

Mikroskopická sklíčka budou sloužit jako substrát pro PCB. Rozhodl jsem se je rozřezat na čtvercové kusy o rozměrech 25,4 x 25,4 mm. Měděná fólie by měla být pro leptání dostatečně tenká, zatímco pro PCB je obvykle standardem 1 mil (0,025 mm), tloušťka 0,035 mm funguje dobře. Šířka měděné pásky by samozřejmě měla být větší než 25,4 mm, aby pokryla skleněný substrát. Rozhodl jsem se použít LED diody DotStar v menším dostupném balíčku 2020. Tyto diody LED mají vestavěný řadič, který vám umožňuje oslovit všechny diody LED pomocí jediné datové linky, tzn. Není třeba používat posuvné registry ani charlieplexing. Zjevně existují dva různé druhy rozložení padů pro LED diody DotStar (viz výše). Rozvržení desky plošných spojů, které jsem navrhl, je pro to zobrazené vlevo. Na kostku budete potřebovat 64 LED, objednal jsem 100 kusů, abych měl nějaké náhradní, které lze také použít pro budoucí projekty. Vše bude namontováno na prototypové desce plošných spojů, která by měla být dostatečně velká, aby se na ni arduino nano vešlo. Vyřezal jsem menší kus z oboustranné desky 50 x 70 mm (jednostranná bude také fungovat). Distanční podložky plošných spojů budou sloužit jako podstavce pro základnu. Budete také potřebovat několik tenkých vodičů pro připojení na prototypu DPS a možná nějaké „kabely Dupont“pro testování.

K výrobě kostky budete také potřebovat následující chemikálie

• roztok chloridu železitého
• aceton
• epoxidové lepidlo, např. Norland NO81 nebo NO61
• pájecí pasta
• tok
• univerzální lepidlo, např. UHU Hart

Na leptání mědi ze skleněných substrátů jsem dostal 40% roztok chloridu železitého z místního obchodu s elektronikou. Použil jsem chlorid železitý, protože je levný a snadno dostupný, ale existují určité nevýhody a měli byste také zvážit další leptadla, jako je persíran sodný. Přehled různých leptů a jejich kladných a záporných stránek najdete zde. PCB jsem vyrobil metodou přenosu toneru a po leptání jsem toner odstranil acetonem. K nalepení měděné fólie na skleněný substrát byste měli získat transparentní epoxidové lepidlo, které je odolné vůči teplotě (kvůli pájení) a ideálně také odolné vůči acetonu. Zjistil jsem, že zvláště ten druhý je těžké najít, nicméně většina epoxidů je mírně odolná vůči acetonu, což je pro náš účel dost, protože s ním musíme pouze otřít povrch. Rozhodl jsem se použít epoxid vytvrzující UV zářením Norland NO81, hlavně proto, že pracuji ve společnosti, která věci prodává. Nakonec jsem nebyl příliš šťastný, protože epoxid nelepil příliš dobře na skleněný substrát, i když je speciálně navržen pro lepení kovu na sklo. Ve svém tutoriálu CNLohr používá tento epoxid, který byste mohli chtít zvážit alternativně. Pro pájení LED na desku plošných spojů budete potřebovat pájecí pastu, doporučuji pastu s nízkým bodem tání, aby se snížilo napětí pro LED a epoxid. Měli byste také získat nějaký tok pro upevnění pájecích můstků. Nakonec budeme potřebovat nějaké lepidlo pro lepení skleněných desek plošných spojů na základnu. Použil jsem univerzální lepidlo UHU Hart, ale mohou existovat lepší možnosti.

Kromě toho budete pro toto sestavení potřebovat následující nástroje.

• laserová tiskárna
• laminátor
• řezačka na sklo
• horkovzdušná pájecí stanice
• páječka s malým hrotem

Pro způsob přenosu toneru je potřeba laserová tiskárna, inkoustová tiskárna zde nebude fungovat. K přenosu toneru na měď jsem použil laminátor. I když je to také možné pomocí žehličky, zjistil jsem, že laminátor poskytuje lepší výsledky. Pájecí stanice s horkým vzduchem je pro pájení LED diod SMD, je také možné (a možná i pohodlnější) to udělat s horkou deskou nebo refluxní pecí, ale k přepracování můžete stále potřebovat horkovzdušnou pájecí stanici. Kromě toho se doporučuje páječka s malým hrotem pro upevnění pájecích můstků a pro připojení na základní desce plošných spojů. Budete také potřebovat skleněnou řezačku na řezání mikroskopických sklíček na čtvercové kusy.

Krok 2: Tisk rozvržení desky plošných spojů

LED diody DotStar budou namontovány na 4 stejné desky plošných spojů, z nichž každá bude obsahovat řadu LED 4x4. Uspořádal jsem PCB s Eaglem a exportoval do souboru pdf. Potom jsem zrcadlil rozvržení, uspořádal několik na jednu stránku a také přidal nějaké značky pro jejich pozdější vyříznutí. Tento soubor pdf si můžete stáhnout níže. Také jsem připojil soubory Eagle pro případ, že byste chtěli provést nějaké změny v rozložení desky. Kromě toho jsem vytvořil rozvržení pro pájecí šablonu, kterou lze vyleptat ze stejné měděné fólie. Šablona je volitelná, ale usnadňuje roztírání pájecí pasty na desku plošných spojů. Jak již bylo zmíněno, rozvržení by mělo být vytištěno laserovou tiskárnou. Nemůžete použít normální papír, ale místo toho byste měli použít nějaký lesklý papír. Existuje speciální druh papíru pro přenos toneru (viz např. Zde), ale mnoho lidí používá papír z časopisů (např. Katalog IKEA). Výhodou papíru pro přenos toneru je, že je snadnější po přenosu papír z mědi odstranit. Zkoušel jsem tento tonerový přenosový papír a také některé stránky časopisu a zjistil jsem, že stránky časopisu fungují ještě lépe. Problém s mým papírem na přenos toneru byl ten, že se toner někdy dříve setřel, např. při vyřezávání jednotlivých rozvržení doporučuji použít jinou značku. V již zmíněném tutoriálu od CNLohr používá tuto značku, která může fungovat lépe. Po vytištění rozvržení desek plošných spojů a pájky je vystřihněte přesným nožem. V zásadě potřebujete pouze čtyři rozvržení desek plošných spojů a jednu šablonu, ale určitě je užitečné mít alespoň dvakrát tolik, protože je nepravděpodobné, že budou všechny převody fungovat.

Krok 3: Výroba mědi plátované na skle

Nejprve musíte mikroskopická sklíčka rozřezat na hranaté kusy pomocí řezačky skla. Na youtube pohodlně najdete návod téměř ke všemu. Hledáním „řezání mikroskopických preparátů“jsem našel tento návod, který vám ukáže, jak se to dělá. Je to trochu ošemetné, aby to fungovalo dobře, a promrhal jsem spoustu mikroskopických preparátů, ale pokud jste si objednali 100 kusů jako já, měli byste mít mnohem víc než dost. Opět doporučuji udělat alespoň dvakrát tolik substrátů, kolik je potřeba (asi 8–10), než pravděpodobně cestou uděláte nějaké chyby. Poté rozřízněte měděnou pásku na kousky, které jsou o něco větší než hranaté skleněné substráty. Podklad i měděnou fólii očistěte alkoholem nebo acetonem a poté je slepte dohromady. Ujistěte se, že uvnitř lepidla nejsou žádné vzduchové bubliny. Jak již bylo zmíněno, použil jsem Norland NO81, což je rychle vytvrzující lepidlo UV, které se doporučuje pro lepení kovu na sklo. Také jsem postupoval podle pokynů CNLohra a jednu stranu měděné fólie zdrsnil, aby lépe přilnula ke sklu. Zpětně bych to pravděpodobně udělal bez zdrsnění, protože přenos světla skrz desky plošných spojů se mírně rozptýlil a byl bych raději, kdyby vypadaly jasněji. Navíc jsem nebyl moc spokojený s tím, jak dobře lepidlo přilnulo ke sklu, a zjistil jsem, že se hrany někdy odlepují. Nejsem si jistý, zda to bylo kvůli nesprávnému vytvrzování nebo kvůli samotnému lepidlu. V budoucnu bych určitě vyzkoušel některé další značky. K vytvrzení jsem použil ultrafialovou lampu ke kontrole bankovek, které shodou okolností měly emisní vrchol na správné vlnové délce (365 nm). Po vytvrzení jsem přesahující měď odřízl přesným nožem. Pro pájecí šablonu jsem také nařezal několik kusů měděné fólie, aniž bych je nalepil na substrát.

Krok 4: Přenos rozvržení desky plošných spojů

Nyní musí být toner z laserového tisku přenesen na měď, což se provádí teplem a tlakem. Nejprve jsem to zkoušel žehličkou, ale později jsem použil laminátor. Výše uvedený obrázek ukazuje srovnání obou technik se starší verzí rozvržení DPS. Jak je vidět, laminátor dosahoval mnohem lepších výsledků. Většina lidí používá upravený laminátor, který lze ohřát na vyšší teploty. Ve svém tutoriálu CNLohr nejprve používá laminátor a poté jej také ohřívá žehličkou. Právě jsem použil standardní laminátor a žádnou žehličku, která fungovala dobře. Pro přenos jsem položil laserový tisk lícem dolů na měď a zafixoval ho malým kouskem lepicí pásky. Pak jsem to složil na malý kousek papíru a po každém běhu jsem to asi 8–10krát prošel laminátorem a obrátil dnem vzhůru. Poté jsem substrát s laserovým otiskem vložil do misky s vodou a nechal jsem ho několik minut promáčet, pak jsem opatrně odlepil papír. Pokud používáte papír pro přenos toneru, papír se obvykle snadno odlepuje, aniž by zanechal zbytky. Pro časopisový papír jsem musel palcem jemně setřít část zbývajícího papíru. Pokud přenos nefungoval, můžete jednoduše odstranit toner z mědi acetonem a zkusit to znovu. Rozložení pájecí šablony bylo přeneseno stejným způsobem do holé měděné fólie.

Krok 5: Leptání mědi

Nyní je čas na leptání mědi. Během tohoto procesu bude měď odstraněna ze substrátu s výjimkou oblastí, kde je chráněna tonerem. Aby byla zadní strana měděné fólie chráněna rozložením pájecí šablony, stačí ji natřít permanentním fixem. Měl bych zmínit, že při práci s leptadlem, jako je chlorid železitý, byste samozřejmě měli přijmout některá ochranná opatření. Ačkoli chlorid železitý nepálí přes vaši kůži, bude přinejmenším vytvářet ošklivé žluto-hnědé skvrny, proto se rozhodně doporučují rukavice. Také vás pravděpodobně nepřekvapí skutečnost, že kyselina je škodlivá pro vaše oči, takže byste měli nosit ochranné brýle. Pokud chápu, při leptání se nevytváří žádný plyn, ale možná to budete chtít udělat v dobře větraném prostoru, protože čerstvý vzduch je pro vás vždy dobrý;-) Naplňte roztok chloridu železitého do malé nádoby (můžete chránit váš pracovní prostor před náhodným rozlitím umístěním do větší nádoby). Při vkládání desek plošných spojů jsem se opět řídil pokyny CNLohra a substráty jsem lícem dolů vložil do kapaliny, aby zůstaly plovoucí nahoře. To je velmi výhodné, protože budete přesně vědět, kdy je leptání dokončeno, což jinak nevidíte v hnědém roztoku, který během leptání ještě ztmavne. Kromě toho také udržuje určité proudění pod substráty. Proces leptání pro mě trval asi 20 minut. Poté, co se veškerá nežádoucí měď vyleptá, opláchněte PCB vodou a osušte je. Měli byste mít nějaké pěkné průhledné skleněné desky plošných spojů. Poslední věc, kterou musíte udělat, je odstranit toner z měděných stop acetonem. Stačí s ním jemně otřít povrch, protože aceton také zaútočí na lepidlo. NEPOUŽÍVEJTE použitý chlorid železitý do odpadu, protože je škodlivý pro životní prostředí (a pravděpodobně také zkoroduje vaše potrubí). Sbírejte vše v kontejneru a řádně jej zlikvidujte.

Krok 6: Pájení LED diod

V závislosti na vašem vybavení a schopnostech pájení SMD může být další část docela časově náročná. Nejprve musíte dostat pájecí pastu na podložky na desce plošných spojů, kde budou připojeny LED diody. Pokud jste vyleptali pájecí šablonu, můžete ji přichytit na desku plošných spojů lepicí páskou a poté pastu velkoryse rozetřít. Alternativně můžete použít párátko k nanesení malého množství pájecí pasty na každou podložku. Poté by obvyklé bylo umístit LED diody a poté vše dát do reflow pece (= toustovací trouba pro mnoho elektronických fandů) nebo na plotýnku. Zjistil jsem však, že to obecně vytvoří některé pájecí můstky, které je poté velmi obtížné odstranit, protože nemáte přístup k podložkám pod diodami LED. Z tohoto důvodu jsem nejprve roztavil pájku pomocí své horkovzdušné stanice a poté poté všechny pájecí můstky fixoval páječkou pomocí tavidla a odpájecího opletu, abych odstranil přebytečnou pájku. Poté jsem LEDky po jedné pájel horkým vzduchem. Samozřejmě rychlejší by bylo použít plotýnku nebo troubu, ale výhodou mé metody je, že můžete PCB vyzkoušet po každém kroku. Také pro mě má pájení téměř meditativní atmosféru;-). Dbejte na pájení LED diod ve správné orientaci, jak je znázorněno na schématu výše. Pro testování jsem použil příklad „strandtest“z knihovny adafruit DotStar a připojil jsem vodiče SDI, CKI a GND, jak je uvedeno výše. Ukazuje se, že připojení VCC není nutné k rozsvícení LED, ale pozoroval jsem, že červená a modrá barva první LED vždy svítila současně. To nebyl případ, když je připojen také VCC, ale je těžké připojit všechny čtyři vodiče, pokud máte k dispozici pouze normální množství rukou;-).

Krok 7: Připravte základní desku plošných spojů

Jakmile dokončíte všechny skleněné desky plošných spojů s připojenými diodami LED, je čas připravit spodní desku plošných spojů, kde budou namontovány. Vyřezal jsem kus s otvory 18x19 z prototypu desky plošných spojů, který poskytuje dostatek prostoru pro montáž všech komponent a provedení všech potřebných připojení a také má čtyři otvory vyvrtané na okrajích, kde lze připevnit distanční prvky desek plošných spojů. DPS by bylo možné ještě zmenšit použitím arduino micro místo arduino nano a výběrem mezerníků s menším průměrem. Schéma DPS je uvedeno výše. Nejprve byste měli připájet kolíky pro arduino k desce plošných spojů, aniž byste je připojovali k arduinu, protože některé vodiče musí jít pod arduino (samozřejmě jsem to poprvé udělal špatně). Rovněž se ujistěte, že delší strana kolíků směřuje pryč pro PCB (tj. Arduino bude připojeno k delší straně). Poté pomocí tenkého drátu proveďte připojení podle schématu. Všechny vodiče jsou vedeny na spodní straně desky plošných spojů, ale jsou pájeny nahoře. Všimněte si také, že musíte také vytvořit čtyři pájecí můstky, abyste vytvořili spojení pro VCC, GND, SDI a CKI s arduino piny. VCC bude připojeno k arduino 5 V pin, GND na GND, SDI na D10 a CKI na D9. Zapojení se ukázalo trochu chaotičtější, než jsem si myslel, přestože jsem se snažil vše uspořádat tak, abyste museli vytvořit co nejméně spojení.

Krok 8: Připojte skleněné desky plošných spojů

Nakonec můžete provést poslední krok montáže, tj. Připevnění skleněných substrátů k základně. Začal jsem s přední vrstvou, která se nachází na straně základny, která je blíže k arduinu. Tímto způsobem můžete testovat každou vrstvu poté, co byla namontována, jak signál běží zepředu dozadu. Vzhledem k tomu, že pájecí podložky směřují dopředu, je pájení ostatních vrstev trochu komplikované, protože mezi nimi musíte dosáhnout páječkou. Pro připevnění DPS jsem nanesl malé množství lepidla (UHU Hart) na spodní okraj skleněných DPS (kde jsou umístěny podložky) a poté jej pevně přitlačil na základnu a čekal, dokud se přiměřeně dobře nepřilepí. Poté jsem na dno na zadní straně desky plošných spojů přidal ještě trochu lepidla (naproti pájecím podložkám). Abych byl upřímný, nejsem s výsledkem 100% spokojen, protože se mi nepodařilo namontovat desky plošných spojů přesně svisle. Mohlo by být lepší vytvořit nějaký přípravek, který zajistí, že vrstvy zůstanou svislé, dokud lepidlo úplně nevyschne. Po montáži každé vrstvy jsem provedl pájení spojením nanesením velkého množství pájecí pasty na šest podložek ve spodní části, aby se spojily s odpovídajícími pájkovými body na spodní desce plošných spojů. K pájení jsem nepoužil horký vzduch, ale svoji normální páječku. Všimněte si, že pro poslední vrstvu musíte připojit pouze čtyři pady. Po namontování každé vrstvy jsem krychli otestoval pomocí ukázkového kódu „strandtest“. Ukázalo se, že ačkoliv jsem předem testoval každou vrstvu, došlo k nějakým špatným spojením a musel jsem přeložit dvě LED diody. To bylo obzvláště nepříjemné, protože jeden z nich se nacházel ve druhé vrstvě a já jsem musel dosáhnout mezi nimi pomocí své horkovzdušné pistole. Jakmile máte vše funkční, je stavba dokončena. Gratulujeme!

Krok 9: Nahrání kódu

Právě jsem vytvořil jednoduchý příklad skici s několika animacemi, které jsou uvedeny ve videu výše. Kód používá knihovnu FastLED a je založen na příkladu DemoReel100. Tuto knihovnu mám opravdu rád, protože již poskytuje funkce pro vyblednutí barev a jasu, což usnadňuje vytváření skvěle vypadajících animací. Cílem je, abyste pokračovali v vytváření dalších animací a případně sdíleli svůj kód v sekci komentáře. V příkladu skici jsem nastavil celkový jas na nějakou nižší hodnotu ze dvou důvodů. Za prvé, při plném jasu jsou diody LED nepříjemně jasné. Za druhé, všech 64 LED diod při plném jasu může potenciálně odebírat mnohem více proudu, než je arduino 5 V pin schopen bezpečně napájet (200 mA).

Krok 10: Výhled

Existuje několik věcí, které by bylo možné na tomto bulid zlepšit, o většině z nich jsem se již zmínil. Hlavní věc, kterou bych chtěl změnit, je výroba profesionální desky plošných spojů pro základnu. To by umožnilo zmenšit a vypadat hezčí základnu a také se vyhnout nepříjemnému procesu ručního zapojení všeho. Také se domnívám, že skleněný design DPS by umožnil další miniaturizaci celé krychle. Ve své instrukci (možná) nejmenší LED kostky na světě nqtronix píše, že původně plánoval použít nejmenší RGB LED diody na světě o velikosti 0404, ale že se mu nepodařilo k nim pájet dráty. Použitím skleněných desek plošných spojů by se opravdu dalo jít na nejmenší LED kostku na světě. V tomto případě bych pravděpodobně také odlil vše do epoxidové pryskyřice podobné kostce od nqtronix.