Kiub LED 4x4x4 DotStar pada Kaca PCB: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Inspirasi untuk projek ini datang dari kiub LED kecil lain seperti HariFun dan nqtronix. Kedua-dua projek ini menggunakan LED SMD untuk membina kubus dengan dimensi yang sangat kecil, namun LED individu disambungkan dengan wayar. Idea saya adalah untuk memasang LED pada PCB, seperti yang dimaksudkan untuk bahagian pemasangan permukaan. Ini juga akan menyelesaikan masalah mengatur LED dengan kemas dalam matriks dengan jarak yang sama yang sering menjadi rumit ketika menyambungkannya dengan wayar. Masalah jelas dengan PCB adalah bahawa ia legap dan oleh itu lapisan individu akan tersembunyi di antara satu sama lain. Melayari laman web dengan mempertimbangkan perkara ini, saya tersandung pada arahan CNLohr tentang cara membuat PCB kaca jernih. Ini adalah bagaimana saya menghasilkan idea untuk membuat kubus kecil dari LED SMD yang dipasang pada PCB kaca. Walaupun bukan kubus LED terkecil di dunia (tajuk ini mungkin masih milik nqtronix), saya rasa PCB kaca menambah sentuhan baru yang bagus untuk pelbagai besar kubus LED yang sudah ada.

Langkah 1: Bil Bahan

Kubus LED terdiri daripada beberapa bahan seperti yang disenaraikan di bawah

• slaid mikroskop (25.4 x 76.2 x 1 mm), mis. amazon.de
• pita tembaga (0.035 x 30 mm), mis. ebay.de
• DotStar Micro LED (APA102-2020), mis. adafruit atau aliexpress
• papan PCB prototaip (50 x 70 mm), mis. amazon.de
• arduino nano, mis. amazon.de
• Spacer PCB, mis. amazon.de atau aliexpress

Slaid mikroskop akan berfungsi sebagai substrat untuk PCB. Saya memutuskan untuk memotongnya menjadi kepingan berukuran 25.4 x 25.4 mm. Kerajang tembaga harus cukup tipis untuk etsa, sementara 1 mil (0,025 mm) biasanya merupakan standard untuk PCB, ketebalan 0,035 mm berfungsi dengan baik. Sudah tentu lebar pita tembaga mestilah lebih besar daripada 25.4 mm untuk menutup substrat kaca. Saya memutuskan untuk menggunakan LED DotStar dalam pakej 2020 yang lebih kecil. LED ini mempunyai pengawal built-in yang membolehkan anda menangani semua LED dengan satu baris data, iaitu tidak perlu register shift atau charlieplexing. Nampaknya terdapat dua jenis susunan pad yang berbeza untuk LED DotStar (lihat di atas). Susun atur PCB yang saya reka adalah untuk yang ditunjukkan di sebelah kiri. Anda memerlukan 64 LED untuk kubus, saya memesan 100 keping untuk memiliki beberapa alat ganti yang juga boleh digunakan untuk projek masa depan. Semuanya akan dipasang pada papan prototaip PCB yang harus cukup besar sehingga arduino nano sesuai di atasnya. Saya memotong sekeping yang lebih kecil dari papan dua sisi 50 x 70 mm (satu sisi juga akan berfungsi). Spacer PCB akan berfungsi sebagai alas untuk pangkalan. Anda juga memerlukan beberapa wayar nipis untuk membuat sambungan pada prototaip PCB dan mungkin beberapa "kabel Dupont" untuk diuji.

Untuk membuat kiub, anda juga memerlukan bahan kimia berikut

• larutan ferik klorida
• aseton
• gam epoksi, mis. Norland NO81 atau NO61
• pes pematerian
• fluks
• pelekat tujuan umum, mis. UHU Hart

Untuk mengorek tembaga dari substrat kaca, saya mendapat larutan ferik klorida 40% dari sebuah kedai elektronik tempatan. Saya menggunakan ferrik klorida kerana harganya murah dan mudah didapati, namun, terdapat beberapa kelemahan dan anda juga harus mempertimbangkan bahan etsa lain seperti sodium persulfate. Gambaran keseluruhan ejen yang berbeza dan kelebihan dan kekurangannya boleh didapati di sini. Saya membuat PCB menggunakan kaedah pemindahan toner dan menggunakan aseton untuk menghilangkan toner setelah terukir. Untuk merekatkan kerajang tembaga ke substrat kaca, anda harus mendapatkan gam epoksi lutsinar yang tahan suhu (kerana pematerian) dan idealnya juga tahan terhadap aseton. Saya dapati bahawa yang terakhir sukar ditemui, namun, kebanyakan epoksi agak tahan terhadap aseton yang cukup untuk tujuan kita kerana kita hanya perlu mengelap permukaannya. Saya memutuskan untuk menggunakan epoksi penyembuhan UV Norland NO81, terutamanya kerana saya bekerja di sebuah syarikat yang menjual barang tersebut. Pada akhirnya saya tidak begitu gembira kerana epoksi tidak melekat pada substrat kaca walaupun ia direka khas untuk mengikat logam ke kaca. Dalam tutorialnya CNLohr menggunakan epoksi ini yang mungkin anda ingin pertimbangkan sebagai alternatif. Untuk menyolder LED ke PCB, anda memerlukan pes pematerian, saya cadangkan satu dengan titik lebur rendah untuk mengurangkan tekanan pada LED dan epoksi. Anda juga harus mendapatkan sedikit perubahan untuk memperbaiki jambatan solder. Akhirnya kita akan memerlukan pelekat untuk merekatkan PCB kaca ke pangkal. Saya menggunakan pelekat tujuan umum UHU Hart tetapi mungkin ada pilihan yang lebih baik.

Di samping itu, anda memerlukan alat berikut untuk binaan ini.

• mesin pencetak Laser
• lamina
• pemotong kaca
• stesen pematerian udara panas
• besi pematerian dengan hujung kecil

Pencetak laser diperlukan untuk kaedah pemindahan toner, pencetak inkjet tidak akan berfungsi di sini. Saya menggunakan laminator untuk memindahkan toner ke tembaga. Walaupun ada kemungkinan untuk melakukan ini dengan besi, saya mendapati bahawa laminator memberikan hasil yang lebih baik. Stesen pematerian udara panas adalah untuk menyolder LED SMD, juga mungkin (dan mungkin lebih mudah) untuk melakukan ini dengan plat panas atau oven refluks tetapi anda mungkin masih memerlukan stesen pematerian udara panas untuk kerja semula. Sebagai tambahan, besi pemateri dengan hujung kecil dianjurkan untuk memperbaiki jambatan solder dan untuk membuat sambungan pada PCB asas. Anda juga memerlukan pemotong kaca untuk memotong slaid mikroskop menjadi kepingan persegi.

Langkah 2: Mencetak Tata Letak PCB

LED DotStar akan dipasang pada 4 PCB yang sama, masing-masing terdiri daripada pelbagai LED 4x4. Saya membuat susun atur untuk PCB dengan Eagle dan mengeksportnya ke fail pdf. Saya kemudian mencerminkan susun atur, menyusun beberapa pada satu halaman dan juga menambahkan beberapa tanda untuk memotongnya selepas itu. Fail pdf ini boleh dimuat turun di bawah. Saya juga telah melampirkan fail Eagle sekiranya anda ingin membuat perubahan pada susun atur papan. Di samping itu, saya membuat susun atur untuk stensil solder yang boleh terukir dari kerajang tembaga yang sama. Stensil adalah pilihan tetapi menjadikannya lebih mudah untuk menyebarkan pasta pateri ke PCB. Seperti yang telah disebutkan, susun atur harus dicetak dengan pencetak laser. Anda tidak boleh menggunakan kertas biasa tetapi sebaliknya harus menggunakan beberapa jenis kertas berkilat. Terdapat jenis kertas pemindahan toner khas (lihat misalnya di sini) tetapi banyak orang hanya menggunakan kertas dari majalah (mis. Katalog IKEA). Kelebihan kertas pemindahan toner adalah lebih mudah mengeluarkan kertas dari tembaga setelah dipindahkan. Saya mencuba kertas pemindahan toner ini dan juga beberapa halaman majalah dan mendapati bahawa halaman majalah berfungsi lebih baik. Masalah dengan kertas pemindahan toner saya adalah bahawa toner kadang-kadang gosok sebelum ini, mis. semasa memotong susun atur individu, jadi saya mengesyorkan untuk menggunakan beberapa jenama lain. Dalam tutorial yang telah disebutkan oleh CNLohr dia menggunakan jenama ini yang mungkin berfungsi lebih baik. Setelah mencetak susun atur untuk PCB dan stensil pateri potong dengan pisau tepat. Pada prinsipnya, anda hanya memerlukan empat susun atur PCB dan satu stensil tetapi sangat berguna untuk memiliki sekurang-kurangnya dua kali lebih banyak kerana tidak mungkin semua pemindahan berfungsi.

Langkah 3: Membuat Tembaga yang Dilapisi Kaca

Pada mulanya anda harus memotong slaid mikroskop menjadi kepingan persegi menggunakan pemotong kaca. Dengan mudah anda dapat mencari tutorial untuk hampir semua perkara di youtube. Dengan mencari "pemotongan slaid mikroskop" saya dapati tutorial ini yang menunjukkan kepada anda bagaimana ia dilakukan. Agak sukar untuk menjadikannya berfungsi dengan baik dan saya membuang banyak slaid mikroskop tetapi jika anda memesan 100 keping seperti yang saya lakukan, anda semestinya mempunyai cara lebih dari cukup. Sekali lagi, saya mengesyorkan untuk membuat sekurang-kurangnya dua kali lebih banyak substrat yang diperlukan (kira-kira 8-10) kerana anda mungkin akan melakukan beberapa kesilapan sepanjang perjalanan. Selepas itu potong pita tembaga menjadi kepingan yang sedikit lebih besar daripada substrat kaca persegi. Bersihkan kedua-dua substrat dan kerajang tembaga dengan alkohol atau aseton dan kemudian lekatkan bersama. Pastikan tidak ada gelembung udara yang terperangkap di dalam gam. Seperti yang telah disebutkan, saya menggunakan Norland NO81 yang merupakan pelekat penyembuhan UV pantas yang disyorkan untuk mengikat logam ke kaca. Saya juga mengikuti arahan dari CNLohr dan mengerat satu sisi kerajang tembaga untuk menjadikannya lebih baik pada kaca. Dalam retrospeksi, saya mungkin akan melakukannya tanpa kekasaran kerana ini menjadikan penghantaran cahaya melalui PCB sedikit meresap dan saya lebih suka melihatnya lebih jelas. Di samping itu, saya tidak terlalu senang dengan seberapa baik gam melekat pada kaca dan mendapati bahagian tepi terkelupas. Saya tidak pasti sama ada ini disebabkan oleh penyembuhan yang tidak betul atau pelekat itu sendiri. Pada masa akan datang saya pasti akan mencuba beberapa jenama lain. Untuk menyembuhkan saya menggunakan lampu UV untuk memeriksa wang kertas yang secara kebetulan mempunyai puncak pelepasan pada panjang gelombang yang betul (365 nm). Setelah menyembuhkan saya memotong tembaga yang tumpang tindih dengan pisau tepat. Untuk stensil solder, saya juga memotong beberapa kepingan foil tembaga tambahan tanpa melekatkannya ke substrat.

Langkah 4: Memindahkan Susun atur PCB

Sekarang toner dari cetakan laser harus dipindahkan ke tembaga yang dilakukan oleh panas dan tekanan. Pada mulanya saya mencuba ini dengan besi tetapi kemudian menggunakan laminator. Gambar di atas menunjukkan perbandingan kedua-dua teknik dengan susun atur PCB versi sebelumnya. Seperti yang dapat dilihat, laminator menghasilkan hasil yang jauh lebih baik. Kebanyakan orang menggunakan laminator modif yang boleh dipanaskan hingga suhu yang lebih tinggi. Dalam tutorialnya CNLohr terlebih dahulu menggunakan laminator dan selepas itu juga memanaskannya dengan seterika. Saya hanya menggunakan laminator standard dan tidak ada besi yang berfungsi dengan baik. Untuk pemindahan, saya meletakkan cap laser menghadap ke bawah ke tembaga dan membetulkannya dengan sekeping kecil pita lekat. Kemudian saya melipatnya menjadi sehelai kertas kecil dan membawanya kira-kira 8-10 kali melalui lamina sambil membalikkannya selepas setiap larian. Selepas itu saya memasukkan substrat dengan cap laser ke dalam semangkuk air dan membiarkannya merendam selama beberapa minit, kemudian saya mengupas kertas dengan teliti. Sekiranya anda menggunakan kertas pemindahan toner, kertas itu biasanya mudah dikeluarkan tanpa meninggalkan sisa. Untuk kertas majalah, saya perlu mengusap sedikit kertas yang tinggal dengan ibu jari dengan lembut. Sekiranya pemindahan tidak berjaya, anda boleh mengeluarkan toner dari tembaga dengan aseton dan cuba lagi. Susun atur stensil pateri dipindahkan ke kerajang tembaga kosong dengan cara yang sama.

Langkah 5: Membentuk Tembaga

Sekarang masanya untuk mengukir tembaga. Semasa proses ini tembaga akan dikeluarkan dari substrat kecuali kawasan di mana ia dilindungi oleh toner. Untuk melindungi bahagian belakang kerajang tembaga dengan susunan stensil pateri, anda hanya boleh melukisnya dengan penanda kekal. Saya harus menyebutkan bahawa anda semestinya perlu mengambil langkah-langkah perlindungan ketika bekerja dengan alat pemikat seperti ferik klorida. Walaupun besi klorida tidak membakar kulit anda sekurang-kurangnya ia akan menghasilkan noda kuning-coklat yang tidak sedap, jadi sarung tangan pasti disarankan. Anda juga mungkin tidak akan terkejut dengan fakta bahawa asid berbahaya bagi mata anda, jadi anda harus memakai kacamata pelindung. Sejauh yang saya fahami, tidak ada gas yang dihasilkan semasa pengukiran tetapi anda mungkin masih mahu melakukan ini di kawasan yang berventilasi baik kerana udara segar selalu baik untuk anda;-) Isi larutan ferik klorida ke dalam bekas kecil (anda boleh melindungi ruang kerja anda dari tumpahan tidak sengaja dengan meletakkannya kemudian ke dalam bekas yang lebih besar). Semasa memasukkan PCB, saya sekali lagi mengikuti arahan CNLohr dan meletakkan substrat menghadap ke bawah ke dalam cairan sehingga mereka tetap melayang di atas. Ini sangat mudah kerana anda akan mengetahui dengan tepat ketika etsa selesai yang mana anda tidak dapat melihat dalam larutan coklat yang akan menjadi lebih gelap semasa etsa. Di samping itu, ia juga membuat beberapa perolakan berada di bawah substrat. Bagi saya proses pengukiran mengambil masa lebih kurang 20 minit. Setelah semua tembaga yang tidak diingini dibilas, bilas PCB dengan air dan keringkan. Anda mesti ditinggalkan dengan beberapa PCB kaca lutsinar yang bagus. Perkara terakhir yang perlu dilakukan ialah mengeluarkan toner dari jejak tembaga dengan aseton. Lap permukaan dengan lembut kerana aseton juga akan menyerang gam. Tolong JANGAN buangkan ferik klorida yang terpakai ke dalam longkang kerana berbahaya kepada alam sekitar (dan mungkin juga akan merosakkan paip anda). Kumpulkan semua barang di dalam bekas dan buangkan dengan betul.

Langkah 6: Memateri LED

Bergantung pada peralatan dan kemahiran pematerian SMD, bahagian seterusnya mungkin memakan masa yang lama. Mula-mula anda perlu memasukkan solder paste ke pad pada PCB di mana LED akan disambungkan. Sekiranya anda mengukir stensil pateri, anda boleh melekatkannya ke PCB dengan pita lekat dan kemudian menyebarkan pesnya dengan murah hati. Sebagai alternatif, anda boleh menggunakan tusuk gigi untuk meletakkan sejumlah kecil pes pematerian ke setiap pad. Selepas itu, perkara biasa yang perlu dilakukan ialah meletakkan LED dan kemudian memasukkan semuanya ke dalam oven reflow (= oven pemanggang roti untuk banyak penggemar elektronik) atau ke pinggan panas. Walau bagaimanapun, saya dapati bahawa ini biasanya akan menghasilkan beberapa jambatan solder yang sukar sekali dilepaskan selepas itu kerana anda tidak dapat mengakses pad di bawah LED. Atas sebab ini, saya mula-mula mencairkan solder dengan stesen udara panas saya dan kemudian membetulkan semua jambatan solder dengan besi pematerian menggunakan fluks dan tocang pemisah untuk mengeluarkan lebihan pateri. Kemudian saya menyolder LED satu persatu dengan udara panas. Sudah tentu kaedah yang lebih cepat adalah menggunakan piring atau ketuhar panas tetapi kelebihan kaedah saya ialah anda dapat menguji PCB selepas setiap langkah. Juga bagi saya pematerian hampir mempunyai getaran meditasi kepadanya;-). Berhati-hati untuk menyolder LED dalam orientasi yang betul seperti yang ditunjukkan dalam skema di atas. Untuk ujian, saya menggunakan contoh "strandtest" dari perpustakaan adotruit DotStar dan menghubungkan wayar SDI, CKI dan GND seperti yang ditunjukkan di atas. Ternyata sambungan VCC tidak diperlukan untuk menyalakan LED tetapi saya memerhatikan bahawa warna merah dan biru LED pertama selalu menyala secara serentak. Ini tidak berlaku ketika VCC juga disambungkan, bagaimanapun, sukar untuk menyambungkan keempat-empat wayar jika anda hanya mempunyai jumlah tangan yang normal;-).

Langkah 7: Sediakan PCB Asas

Setelah anda menyelesaikan semua PCB kaca dengan LED terpasang, inilah masanya untuk menyediakan PCB bawah di mana ia akan dipasang. Saya memotong sekeping dengan lubang 18x19 melalui prototaip PCB yang menyediakan ruang yang cukup untuk memasang semua komponen dan membuat semua sambungan yang diperlukan dan juga mempunyai empat lubang yang dibor di tepi tempat spacer PCB dapat dipasang. Seseorang boleh menjadikan PCB lebih kecil dengan menggunakan mikro arduino dan bukan arduino nano dan memilih spacer dengan diameter yang lebih kecil. Skema PCB ditunjukkan di atas. Mula-mula anda harus memasangkan pin untuk arduino ke PCB tanpa melampirkannya ke arduino kerana beberapa wayar harus berada di bawah arduino (tentu saja saya melakukan ini salah pada kali pertama). Pastikan juga sisi pin yang lebih panjang menghadap PCB (iaitu arduino akan dipasang pada sisi yang lebih panjang). Kemudian gunakan beberapa wayar nipis untuk membuat sambungan seperti yang ditunjukkan dalam skema. Semua wayar berjalan di bahagian bawah PCB tetapi disolder di bahagian atas. Perhatikan bahawa anda juga harus membuat empat jambatan solder untuk membuat sambungan untuk VCC, GND, SDI dan CKI dengan pin arduino. VCC akan disambungkan ke pin arduino 5 V, GND ke GND, SDI ke D10 dan CKI hingga D9. Pendawaiannya sedikit lebih buruk daripada yang saya sangka walaupun saya cuba mengatur semuanya supaya anda perlu membuat sesambungan sesedikit mungkin.

Langkah 8: Pasang PCB Kaca

Akhirnya anda boleh melakukan langkah terakhir pemasangan, iaitu memasang substrat kaca ke pangkal. Saya mulakan dengan lapisan depan yang terletak di sisi pangkalan yang lebih dekat dengan arduino. Dengan cara ini anda dapat menguji setiap lapisan setelah dipasang ketika isyarat berjalan dari depan ke belakang. Walau bagaimanapun, sebagai pad solder menghadap ke depan, penyolderan lapisan lain agak rumit kerana anda harus menjangkau antara mereka dengan besi pematerian anda. Untuk melekatkan PCB, saya melekatkan sebilangan kecil pelekat (UHU Hart) ke pinggir bawah PCB kaca (di mana pembalut berada) dan kemudian menekannya dengan kuat ke pangkal dan menunggu sehingga tersekat dengan baik. Selepas itu, saya menambahkan lagi gam di bahagian bawah bahagian belakang PCB (bertentangan dengan solder pad). Sejujurnya saya tidak 100% gembira dengan hasilnya kerana saya tidak dapat memasang PCB secara menegak. Mungkin lebih baik membuat semacam jig untuk memastikan lapisan tetap menegak sehingga lem kering sepenuhnya. Setelah memasang setiap lapisan, saya membuat sambungan solder dengan menggunakan sejumlah besar solder paste ke enam pad di bahagian bawah sehingga mereka bersambung ke titik solder yang sesuai di PCB bawah. Untuk pematerian saya tidak menggunakan udara panas tetapi besi pemateri biasa saya. Perhatikan bahawa untuk lapisan terakhir anda hanya perlu menyambungkan empat pad. Setelah memasang setiap lapisan, saya menguji kubus dengan kod contoh "strandtest". Ternyata, walaupun saya menguji setiap lapisan sebelumnya, ada beberapa sambungan yang buruk dan saya harus menyelesaikan dua LED. Ini sangat menjengkelkan kerana salah satu daripadanya terletak di lapisan kedua dan saya harus menghubungi di antara saya dengan senapang panas saya. Sebaik sahaja anda berjaya, binaannya selesai. Tahniah!

Langkah 9: Memuat naik Kod

Saya baru sahaja membuat lakaran contoh sederhana dengan beberapa animasi yang ditunjukkan dalam video di atas. Kod menggunakan perpustakaan FastLED dan berdasarkan contoh DemoReel100. Saya sangat menyukai perpustakaan ini kerana ia sudah menyediakan fungsi untuk warna dan kecerahan yang semakin pudar yang memudahkan untuk menghasilkan animasi yang hebat. Ideanya adalah untuk anda terus membuat lebih banyak animasi dan mungkin berkongsi kod anda di bahagian komen. Dalam lakaran contoh, saya menetapkan kecerahan keseluruhan kepada beberapa nilai yang lebih rendah kerana dua sebab. Pertama, pada kecerahan penuh, LED sangat terang. Kedua, semua 64 LED pada kecerahan penuh berpotensi menarik arus lebih banyak daripada pin arduino 5 V yang dapat sumbernya dengan selamat (200 mA).

Langkah 10: Tinjauan

Terdapat beberapa perkara yang boleh diperbaiki dalam bulid ini, yang kebanyakan saya telah sebutkan. Perkara utama yang ingin saya ubah ialah membuat PCB profesional untuk asas. Ini akan menjadikan pangkalan menjadi lebih kecil dan kelihatan lebih baik dan juga mengelakkan proses menjengkelkan semuanya dengan tangan. Saya juga percaya bahawa reka bentuk PCB kaca akan memungkinkan pengecilan keseluruhan kubus. Dalam petunjuknya mengenai (mungkin) kubus LED terkecil di dunia, nqtronix menulis bahawa dia pada awalnya merancang untuk menggunakan LED RGB terkecil di dunia dengan ukuran 0404 tetapi dia tidak berjaya memasang kabel kepada mereka. Dengan menggunakan PCB kaca, seseorang boleh menggunakan kiub LED terkecil di dunia. Dalam kes ini, saya mungkin juga membuang semuanya dalam resin epoksi yang serupa dengan kubus oleh nqtronix.