GlassCube - LED kostka 4x4x4 na skleněných deskách plošných spojů: 11 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Můj vůbec první instruktáž na tomto webu byla LED kostka 4x4x4 pomocí skleněných desek plošných spojů. Normálně nerad dělám stejný projekt dvakrát, ale nedávno jsem narazil na toto video francouzského výrobce Heliox, které mě inspirovalo k vytvoření větší verze mé původní kostky. Ve svém videu Heliox přichází s mnohem jednodušším procesem výroby skleněných desek plošných spojů, který nezahrnuje leptání, ale místo toho pomocí plotru vyřízne stopy ze samolepicí měděné fólie, která se poté přenese na skleněný substrát. Vzhledem k tomu, že plotry nejsou tak drahé a mohly by se hodit i pro jiné projekty, dostal jsem jeden, abych si proces vyzkoušel sám.

Kromě toho, že tato verze je větší verzí mé původní krychle, používá také vlastní desku plošných spojů založenou na mikrokontroléru SAMD21 a pouzdru vyrobeném z laserem řezaného akrylátu. Kostku lze naprogramovat pomocí Arduino IDE a je také kompatibilní s CircuitPython.

Sada GlassCube je nyní k dispozici také na Tindie.

V případě, že jste si zakoupili sadu, musíte pouze pájet LED (krok 5), sestavit kryt (krok 8) a propojit vrstvy (krok 9)

Zásoby

• 64 ks - WS2812B 5050 SMD LED (např. Aliexpress)
• 4 ks - skleněná deska 100 x 100 x 2 mm (našel jsem tohoto opravdu levného německého dodavatele, který účtuje pouze 0,20 EUR/ks)
• 2 ks - archy samolepicí měděné fólie formátu A4 (např. Amazon)
• 1 role - přenosový papír plotru (např. Amazon)
• 1 sada - laserový akryl (viz níže)
• 1 vlastní PCB (viz níže)
• 4 ks šroubů M2x8 + matice

Celkové náklady na veškerý materiál včetně služby laserového řezání a výroby DPS jsou přibližně 100 EUR.

Nástroje

• Silhouette Portrait 2 plotter (např. Amazon)
• laserová řezačka nebo online služba laserového řezání (používám snijlab.nl)
• páječka
• ohřívací deska nebo přetavovací pec pro pájení SMD (nebo pokročilé ruční pájení

Krok 1: CAD design

Rozměry skříně a desky plošných spojů GlassCube byly navrženy ve Fusion360, níže jsem připojil návrh.

Okrajové sloupky a horní deska jsou vyrobeny z průhledného akrylátu o tloušťce 3 mm. Vrstvy s LED jsou vyrobeny z plaveného skla o tloušťce 2 mm. Spodní deska je PCB na zakázku.

Krok 2: Návrh PCB LED

Použil jsem Eagle k návrhu rozložení skleněných desek plošných spojů. Protože řezání stop pomocí plotru není tak přesné jako leptání metodou přenosu toneru, je minimální šířka stopy omezena. Zkoušel jsem různé šířky stop a zjistil jsem, že minimální velikost, kterou jsem mohl použít, byla 32 mil. Při vykreslování se často odlupovaly tenčí stopy.

Aby bylo možné řezat stopy z měděné fólie, muselo být rozložení desky převedeno na dxf. Chvíli mi trvalo, než jsem přišel na to, jak to udělat správně, takže mě nechám projít kroky podrobně

1. rozložení otevřené desky v Eagle
2. skrýt všechny vrstvy kromě horní vrstvy
3. klikněte na Soubor-> Tisk a poté vyberte Tisk do souboru (pdf)
4. otevřít pdf v Inkscape
5. pomocí nástroje pro výběr cesty označte jednu stopu a poté klikněte na E dit-> Select Same-> Stroke Style to by mělo označit všechny stopy (ale ne pady)
6. kliknutím P Ath-> Tah na cestu to převede obrysy cesty na nové cesty
7. označte všechny cesty (včetně padů) výběrem nástroje pro výběr cesty a poté stiskněte ctrl+a
8. klikněte na P ath-> Union to by mělo spojit všechny cesty a odstranit všechny řezy uvnitř "vyplněných" oblastí
9. klikněte na Soubor-> Uložit jako a vyberte *.dxf jako formát souboru

Soubor dxf najdete zde na mém GitHubu.

Krok 3: Řezání měděné fólie

Soubor dxf byl vyřezán z listů samolepicí měděné fólie formátu A4 plotrem Silhouette Portrait 2. Měděné plechy byly nejprve připevněny k přiložené samolepicí řezací podložce. Nastavení softwaru, které jsem použil pro řezání, je vidět na přiloženém obrázku.

Po řezání je nutné opatrně odstranit přebytečnou fólii. Abych nepoškodil nařezanou fólii, nechal jsem pro následující kroky na řezací podložce celý list formátu A4.

Krok 4: Přenos měděné fólie

Nařezaná fólie byla přenesena na skleněnou desku pomocí přenosového papíru, což je jen další samolepicí fólie. Přenosový papír je připevněn na měděnou fólii a poté se pomalu odlepuje, aby se měděná fólie stále lepila na přenosový list. Poté se přichytí na skleněný substrát a přenosový papír se pomalu odlepuje, takže se tentokrát měděná fólie přilepí na skleněnou desku.

Rozložení desky má v levém a pravém horním rohu dvě značky, které pomáhají správně zarovnat fólii na skleněnou desku. Po připevnění lze značky opět vyjmout ze skleněné desky.

Krok 5: Pájení LED diod

LED diody SMD byly připájeny na skleněnou desku ručně. Také jsem se je pokusil připojit pomocí vyhřívací desky (vlastně mé kamny), ale jak ukazuje obrázek, ukázalo se, že to nebyl dobrý nápad. Pokud máte správnou reflow troubu, může to stát za vyzkoušení, ale v závislosti na typu použitého skla existuje vážné riziko, že se během ohřevu rozbije.

Pokud jde o orientaci LED, existují dvě různá uspořádání. U první a třetí vrstvy krychle bude orientace odlišná než u druhé a čtvrté vrstvy. Tímto způsobem je snazší propojit vrstvy později.

Krok 6: Mikrokontrolér PCB

Místo toho, abych se spoléhal na komerční vývojovou desku, jako je Arduino Nano, jsem navrhl vlastní PCB v Eagle pro ovládání LED. Výhodou je, že jsem mohl desku vytvarovat tak, aby hezky zapadla do krychle. Deska je založena na mikrokontroléru ATSAMD21E18, který je stejný jako ten použitý v Adafruit's Trinklet M0. Vybral jsem tento MCU, protože má nativní USB a pro programování nevyžaduje čip FTDI. Adafruit také poskytuje zavaděče, které jsou kompatibilní s Arduino IDE a CircuitPython.

Jedna poznámka k desce je, že pracuje s logikou 3,3 V, zatímco WS2812B by měl být používán s 5 V, ale mnoho lidí ukázalo, že je možné pracovat i s 3,3 V.

PCB jsem získal z PCBWay.com, Gerber Files a BoM lze nalézt na mém účtu GitHub.

S určitými dovednostmi lze součásti SMD na této desce plošných spojů pájet ručně, i když tepelná deska nebo přetavovací pec bude samozřejmě fungovat lépe.

Krok 7: Flashování bootloaderu

Pro jejich desky Trinket M0 jsem použil bootloader UF2 poskytovaný společností Adafruit. MCU byl flashován pomocí nástroje J-Link. Podrobný návod, jak flashovat bootloader, najdete na webu Adafruit. Skvělá věc na bootloaderu Adafruits UF2-SAMD je, že po první instalaci se MCU jeví jako flash disk a stačí přetáhnout soubor UF2 na vyměnitelnou jednotku a znovu jej flashovat. Díky tomu je velmi snadné např. přepínat mezi Arduino IDE a CircuitPython.

Krok 8: Pouzdro Lasercut

Pouzdro kostky bylo vyřezáno z průhledného akrylátu o tloušťce 3 mm. Použil jsem online službu řezání laserem (snijlab.nl). Odpovídající soubory dxf lze také najít na mém účtu GitHub. Pouzdro se skládá ze 4 sloupků a horní desky. Sloupky jsou připevněny k hlavní DPS na spodní straně pomocí 4 ks šroubů a matic M2x8.

Krok 9: Připojení vrstev

Po sestavení pouzdra jsem vrstvy spojil pájením vodičů na podložky na skleněných deskách plošných spojů. Ukázalo se, že to byl docela delikátní postup a existuje riziko spálení akrylu nebo roztržení měděných podložek. Piny GND a VCC přepínají polohy na každé vrstvě, takže dráty musí být překříženy. Aby se zabránilo tomu, že dráty odtrhnou měděné podložky, po pájení jsem je zafixoval malou kapkou horkého lepidla. První vrstva byla připojena ke spodní desce plošných spojů konektorem Dupont, ale vodiče lze také pájet přímo na desku plošných spojů.

Krok 10: Nahrání kódu

K programování krychle jsem použil CircuitPython (verze 4.x). Jakmile si nainstalujete bootloader CircuitPython, můžete kód spustit pouze jeho uložením přímo na flash disk MCU. Není nutné kompilovat, můžete také např. znovu otevřete kód a upravte jej.

Zatím jsem jen vytvořil několik základních animací, ale pro každého by mělo být relativně snadné rozšířit kód. Kód lze nalézt na mém GitHubu, ke spuštění potřebuje zde nalezené knihovny Adafruit Neopixel a fancyLED.

Krok 11: Hotová kostka

Jsem docela spokojený se vzhledem krychle, skleněné DPS a akrylové pouzdro fungují pěkně dohromady. Bylo také zábavné poprvé vytvořit vlastní desku MCU a jsem téměř překvapen, že to vyšlo na první pokus. Protože mám nějaké náhradní PCB a akrylové díly, chtěl bych tuto kostku zpřístupnit jako DIY kit na Tindie. Pokud vás to tedy zajímá, pokračujte v hledání nebo mi napište soukromou zprávu.

Pokud se vám tento návod líbí, hlasujte pro mě v soutěži Make It Glow.

Runner Up in the Make it Glow Contest