4x4x4 DotStar Cube ya LED kwenye PCB za Kioo: Hatua 10 (na Picha)

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:54

Msukumo wa mradi huu ulitoka kwa cubes zingine ndogo za LED kama HariFun na ile ya nqtronix. Miradi hii yote hutumia LED za SMD kujenga mchemraba na vipimo vidogo sana, hata hivyo, LED za kibinafsi zinaunganishwa na waya. Wazo langu lilikuwa badala ya kuweka LED kwenye PCB, kama ilivyokusudiwa kwa sehemu za mlima wa uso. Hii pia ingeweza kutatua shida ya kupanga LEDs vizuri kwenye tumbo na umbali sawa ambao unaweza kuwa gumu wakati wa kuziunganisha na waya. Shida iliyo wazi na PCB ni kwamba zina macho na kwa hivyo tabaka za kibinafsi zingefichwa nyuma ya kila mmoja. Nikivinjari wavuti na hii akilini, nilijikwaa kwa maagizo ya CNLohr juu ya jinsi ya kutengeneza PCB za glasi wazi. Hivi ndivyo nilivyopata wazo la kutengeneza mchemraba mdogo kutoka kwa LED za SMD zilizowekwa kwenye PCB za glasi. Ingawa sio mchemraba mdogo kabisa wa LED ulimwenguni (kichwa hiki labda bado ni cha nqtronix), nadhani PCB za glasi zinaongeza kugusa mpya kwa anuwai kubwa ya cubes zilizopo za LED.

Hatua ya 1: Muswada wa Vifaa

Mchemraba wa LED una vifaa vichache tu kama ilivyoorodheshwa hapa chini

• slaidi za darubini (25.4 x 76.2 x 1 mm), n.k. amazon.de
• mkanda wa shaba (0.035 x 30 mm), k.m. ebay.de
• DotStar Micro LEDs (APA102-2020), k.m. matunda au aliexpress
• mfano bodi ya PCB (50 x 70 mm), k.v. amazon.de
• arduino nano, mf. amazon.de
• Spacers za PCB, k.m. amazon.de au aliexpress

Slides za darubini zitatumika kama substrate kwa PCBs. Niliamua kuzikata vipande vya mraba vyenye ukubwa wa 25.4 x 25.4 mm. Jalada la shaba linapaswa kuwa nyembamba kwa kutosha kuchoma, wakati mil 1 (0.025 mm) kawaida ni kiwango cha PCB, unene wa 0.035 mm hufanya kazi vizuri. Kwa kweli upana wa mkanda wa shaba unapaswa kuwa mkubwa kuliko 25.4 mm kufunika substrate ya glasi. Niliamua kutumia DotStar LEDs katika kifurushi kidogo kinachopatikana cha 2020. Taa hizi zina mtawala wa kujengwa ambao hukuruhusu kushughulikia LED zote na laini moja ya data, i.e. hakuna haja ya rejista za mabadiliko au uchangiaji wa densi. Inavyoonekana kuna aina mbili tofauti za mipangilio ya pedi za DotStar LEDs (tazama hapo juu). Mpangilio wa PCB niliyounda ni ule ulioonyeshwa kushoto. Utahitaji LEDs 64 kwa mchemraba, niliamuru vipande 100 kuwa na vipuri ambavyo vinaweza pia kutumika kwa miradi ya baadaye. Kila kitu kitawekwa kwenye bodi ya mfano ya PCB ambayo inapaswa kuwa kubwa vya kutosha ili nano ya arduino itoshe juu yake. Nilikata kipande kidogo kutoka bodi ya pande mbili ya 50 x 70 mm (upande mmoja pia utafanya kazi). Spacers za PCB zitatumika kama msingi wa msingi. Utahitaji pia waya mwembamba kwa kutengeneza unganisho kwenye mfano wa PCB na labda "nyaya za Dupont" za kupimwa.

Kwa kutengeneza mchemraba utahitaji pia kemikali zifuatazo

• suluhisho la kloridi ya feri
• asetoni
• gundi ya epoxy, k.m. Norland NO81 au NO61
• kuweka soldering
• mtiririko
• wambiso wa kusudi la jumla, n.k. UHU Hart

Ili kuchoma shaba kwenye sehemu ndogo za glasi nilipata suluhisho la kloridi yenye feri ya 40% kutoka duka la elektroniki la hapa. Nilitumia kloridi ya feri kwa kuwa ni ya bei rahisi na inapatikana kwa urahisi, hata hivyo, kuna kasoro kadhaa na unapaswa pia kuzingatia etchants zingine kama sodiamu ya sulphate. Muhtasari wa etchants tofauti na up-and downsides zao zinaweza kupatikana hapa. Nilitengeneza PCB kwa kutumia njia ya kuhamisha toner na nikitumia acetone kuondoa toner baada ya kuchoma. Ili gundi karatasi ya shaba kwenye sehemu ndogo ya glasi unapaswa kupata gundi ya epoxy ya uwazi ambayo ni sugu ya joto (kwa sababu ya kutengenezea) na kwa kweli pia inapinga kwa asetoni. Niligundua kuwa haswa hii ni ngumu kupata, hata hivyo, epoxies nyingi hupingana na asetoni ambayo inatosha kwa kusudi letu kwani lazima tu tuifute uso nayo. Niliamua kutumia UV kuponya epoxy Norland NO81, haswa kwa sababu ninafanya kazi katika kampuni ambayo inauza vitu. Mwishowe sikuwa na furaha sana kwani epoxy haikushikamana vizuri na sehemu ndogo ya glasi ingawa imeundwa haswa kwa kuunganisha chuma na glasi. Katika mafunzo yake CNLohr hutumia epoxy hii ambayo unaweza kutaka kuzingatia vinginevyo. Kwa kuuza LED kwenye PCB utahitaji kuweka soldering, ninapendekeza moja na kiwango kidogo cha kiwango kupunguza mkazo kwa LED na epoxy. Unapaswa pia kupata mtiririko wa kurekebisha madaraja ya solder. Mwishowe tutahitaji wambiso kwa gluing PCB za glasi kwa msingi. Nilitumia wambiso wa jumla UHU Hart lakini kunaweza kuwa na chaguzi bora.

Kwa kuongeza, utahitaji zana zifuatazo za ujenzi huu.

• printa ya laser
• laminator
• mkata glasi
• kituo cha kuuza hewa ya moto
• chuma cha kutengeneza na ncha ndogo

Printa ya laser inahitajika kwa njia ya kuhamisha toner, printa ya inkjet haitafanya kazi hapa. Nilitumia laminator kuhamisha toner kwa shaba. Ingawa inawezekana kufanya hivyo kwa chuma, niligundua kuwa laminator inatoa matokeo bora. Kituo cha kuuza hewa moto ni kwa kutengenezea LED za SMD, inawezekana pia (na labda inafaa zaidi) kufanya hivyo kwa sahani ya moto au oveni ya reflux lakini bado unaweza kuhitaji kituo cha kuuza hewa moto ili kufanya upya. Kwa kuongeza, chuma cha kutengeneza na ncha ndogo inapendekezwa kwa kurekebisha madaraja ya solder na kutengeneza unganisho kwenye PCB ya msingi. Utahitaji pia mkataji wa glasi kwa kukata slaidi za darubini vipande vipande vya mraba.

Hatua ya 2: Kuchapa Mpangilio wa PCB

LED za DotStar zitawekwa kwenye PCB 4 zinazofanana, kila moja ikijumuisha safu ya 4x4 za LED. Nilifanya mpangilio wa PCB na Eagle na kuipeleka kwenye faili ya pdf. Kisha nikaangazia mpangilio, nikapanga kadhaa kwenye ukurasa mmoja na pia nikaongeza alama kadhaa za kuzikata baadaye. Faili hii ya pdf inaweza kupakuliwa hapa chini. Nimeambatanisha pia faili za Tai ikiwa ungependa kufanya mabadiliko yoyote kwa mpangilio wa bodi. Kwa kuongezea, nilitengeneza mpangilio wa stencil ya solder ambayo inaweza kuchorwa kutoka kwa karatasi moja ya shaba. Stencil ni ya hiari lakini inafanya iwe rahisi kueneza kuweka kwa solder kwenye PCB. Kama ilivyoelezwa tayari mpangilio unapaswa kuchapishwa na printa ya laser. Huwezi kutumia karatasi ya kawaida lakini unapaswa kutumia aina fulani ya karatasi ya kung'aa badala yake. Kuna aina maalum ya karatasi ya kuhamisha toner (tazama k.v. hapa) lakini watu wengi hutumia tu karatasi kutoka kwa majarida (kwa mfano katalogi ya IKEA). Faida ya karatasi ya kuhamisha toner ni kwamba ni rahisi kuondoa karatasi kutoka kwa shaba baada ya kuhamishwa. Nilijaribu karatasi hii ya kuhamisha toner na pia kurasa zingine za jarida na nikagundua kuwa kurasa za jarida zilifanya kazi vizuri zaidi. Shida na karatasi yangu ya kuhamisha toner ilikuwa kwamba wakati mwingine toner ilisugua hapo awali, n.k. wakati wa kukata mipangilio ya mtu binafsi kwa hivyo ninapendekeza kutumia chapa nyingine. Katika mafunzo yaliyotajwa tayari na CNLohr hutumia chapa hii ambayo inaweza kufanya kazi vizuri. Baada ya kuchapisha mipangilio ya PCB na stencil ya solder, kata kwa kisu halisi. Kimsingi unahitaji tu mipangilio minne ya PCB na stencil moja lakini kwa kweli ni muhimu kuwa na angalau mara mbili ya vile inavyowezekana kuwa uhamishaji wote utafanya kazi.

Hatua ya 3: Kutengeneza Shaba iliyofungwa kwenye Glasi

Mara ya kwanza lazima ukate darubini kwenye vipande vya mraba kwa kutumia mkataji wa glasi. Kwa urahisi unaweza kupata mafunzo kwa karibu kila kitu kwenye youtube. Kwa kutafuta "microscope slides kukata" nilipata mafunzo haya ambayo inakuonyesha jinsi imefanywa. Ni ngumu sana kufanya hii ifanye kazi vizuri na nikapoteza slaidi nyingi za darubini lakini ikiwa uliamuru vipande 100 kama nilivyofanya, unapaswa kuwa na njia ya kutosha. Tena, ninapendekeza utengeneze angalau substrates mara mbili zaidi kama inahitajika (kama 8-10) kama utakavyofanya makosa njiani. Baada ya hapo kata mkanda wa shaba vipande vipande ambavyo ni kubwa kidogo kuliko sehemu ndogo za glasi za mraba. Safisha sehemu ndogo na karatasi ya shaba na pombe au asetoni na kisha uwaunganishe pamoja. Hakikisha kuwa hakuna mapovu ya hewa yaliyonaswa ndani ya gundi. Kama nilivyosema tayari nilitumia Norland NO81 ambayo ni wambiso wa haraka wa kuponya UV ambao unapendekezwa kwa kuunganisha chuma na glasi. Nilifuata pia maagizo kutoka kwa CNLohr na nikaunganisha upande mmoja wa karatasi ya shaba ili kuifanya ibaki vizuri kwenye glasi. Kwa kurudia nyuma, ningefanya bila kufanya roughening kwani hii ilifanya usafirishaji wa nuru kupitia PCBs kuenea kidogo na ningependelea kuwafanya waonekane wazi zaidi. Kwa kuongezea, sikufurahi sana na jinsi gundi ilivyoshikilia glasi na kugundua kuwa kingo wakati mwingine huondoa. Sina hakika ikiwa hii ilitokana na uponyaji usiofaa au kwa sababu ya gundi yenyewe. Katika siku zijazo ningejaribu bidhaa zingine. Kwa kuponya nilitumia taa ya UV kwa kukagua noti ambazo kwa bahati mbaya zilikuwa na kilele cha chafu kwa urefu sahihi wa urefu (365 nm). Baada ya kuponya nilikata shaba inayoingiliana na kisu halisi. Kwa stencil ya solder pia nilikata vipande vya ziada vya karatasi ya shaba bila kuviunganisha kwenye substrate.

Hatua ya 4: Kuhamisha Mpangilio wa PCB

Sasa toner kutoka kwa uchapishaji wa laser inapaswa kuhamishiwa kwa shaba ambayo hufanywa na joto na shinikizo. Mwanzoni nilijaribu hii kwa chuma lakini baadaye nikatumia laminator. Picha hapo juu inaonyesha kulinganisha kwa mbinu zote mbili na toleo la mapema la mpangilio wa PCB. Kama inavyoonekana laminator ilitoa matokeo bora zaidi. Watu wengi hutumia laminator iliyosafishwa ambayo inaweza kuwa moto kwa joto la juu. Katika mafunzo yake CNLohr kwanza hutumia laminator na baadaye pia huipasha moto kwa chuma. Nilitumia laminator ya kawaida na hakuna chuma ambayo ilifanya kazi vizuri. Kwa uhamisho niliweka alama ya laser kwenye uso wa shaba na kuirekebisha na kipande kidogo cha mkanda wa kunata. Kisha nikaikunja ndani ya kipande kidogo cha karatasi na kuitembea karibu mara 8-10 kupitia laminator huku nikikigeuza kichwa chini kila baada ya kukimbia. Baada ya hapo niliweka substrate na alama ya laser kwenye bakuli la maji na kuiacha ikiloweka kwa dakika chache, kisha nikachambua karatasi hiyo kwa uangalifu. Ikiwa unatumia karatasi ya kuhamisha toner, kawaida karatasi hutoka kwa urahisi bila kuacha mabaki yoyote. Kwa karatasi ya jarida ilibidi nipake kwa upole karatasi iliyobaki na kidole gumba. Ikiwa uhamisho haukufanya kazi unaweza kuondoa tu toner kutoka kwa shaba na asetoni na ujaribu tena. Mpangilio wa stencil ya solder ulihamishiwa kwenye karatasi ya shaba iliyo wazi kwa njia ile ile.

Hatua ya 5: Kuchora Shaba

Sasa ni wakati wa kuchoma shaba. Wakati wa mchakato huu shaba itaondolewa kwenye sehemu ndogo isipokuwa kwa mikoa ambayo inalindwa na toner. Ili kulinda upande wa nyuma wa karatasi ya shaba na mpangilio wa stencil ya solder, unaweza kuipaka rangi na alama ya kudumu. Ikumbukwe kwamba bila shaka unapaswa kuchukua hatua za kinga wakati unafanya kazi na etchant kama kloridi ya feri. Ingawa kloridi feri haichomi kupitia ngozi yako angalau itatoa madoa mabaya ya hudhurungi, kwa hivyo kinga hupendekezwa. Pia labda hautashangazwa na ukweli kwamba asidi ni hatari kwa macho yako kwa hivyo unapaswa kuvaa miwani ya kinga. Kwa kadiri ninavyoelewa, hakuna gesi inayozalishwa wakati wa kuchoma lakini bado unaweza kutaka kufanya hivyo katika eneo lenye hewa ya kutosha kwani hewa safi kila wakati ni nzuri kwako;-) Jaza suluhisho la kloridi ya feri kwenye chombo kidogo (unaweza kulinda nafasi yako ya kazi kutoka kwa kumwagika kwa bahati mbaya kwa kuweka hii basi kwenye kontena kubwa). Wakati wa kuweka PCB, nilifuata tena maagizo ya CNLohr na kuweka sehemu ndogo chini kwenye kioevu ili zikae juu. Hii ni rahisi sana kwani utajua wakati kuchoma kumalizika ambayo hauwezi kuona katika suluhisho la hudhurungi ambalo litapata giza wakati wa kuwaka. Kwa kuongezea, pia inaweka mikusanyiko kadhaa kwenda chini ya sehemu ndogo. Kwangu mchakato wa kuchora ulichukua kama dakika 20. Baada ya shaba isiyotakikana kuchapwa, suuza PCB hizo kwa maji na uziuke. Unapaswa kushoto na PCB nzuri za glasi nzuri. Jambo la mwisho kufanya ni kuondoa toner kutoka kwa athari za shaba na asetoni. Futa uso kwa upole kwani asetoni pia itashambulia gundi. Tafadhali USICHOLEE kloridi feri iliyotumiwa chini ya mfereji kwani ni hatari kwa mazingira (na labda pia itaharibu mabomba yako). Kukusanya kila kitu kwenye chombo na utupe vizuri.

Hatua ya 6: Kuunganisha taa za LED

Kulingana na vifaa vyako na ustadi wa uuzaji wa SMD sehemu inayofuata inaweza kuchukua muda mwingi. Kwanza unapaswa kupata kuweka kwa soldering kwenye pedi kwenye PCB ambapo LED zitaunganishwa. Ikiwa umepiga stencil ya solder unaweza kuambatisha kwenye PCB na mkanda wa kunata na kisha ueneze kuweka kwa ukarimu. Vinginevyo, unaweza kutumia dawa ya meno kuweka kiwango kidogo cha kuweka kwenye kila pedi. Baada ya hapo jambo la kawaida kufanya itakuwa kuweka taa za taa na kisha kuweka kila kitu kwenye oveni inayowaka tena Walakini, nimegundua kuwa hii kwa ujumla itazalisha madaraja ya solder ambayo ni ngumu sana kuondoa baadaye kwani huwezi kupata pedi zilizo chini ya LEDs. Kwa sababu hii, mimi kwanza niliyeyusha solder na kituo changu cha hewa moto na baadaye nikarekebisha madaraja yote ya chuma na chuma cha kutengeneza kwa kutumia mtiririko na suka inayoshuka ili kuondoa solder iliyozidi. Kisha nikauza LEDs moja kwa moja na hewa ya moto. Kwa kweli njia ya haraka itakuwa kutumia sahani moto au oveni lakini faida ya njia yangu ni kwamba unaweza kujaribu PCB kila baada ya kila hatua. Pia kwangu soldering karibu ina hali ya kutafakari kwake;-). Jihadharini kutengenezea LED katika mwelekeo sahihi kama inavyoonyeshwa kwenye skimu hapo juu. Kwa kupima nilitumia mfano wa "strandtest" kutoka kwa maktaba ya DafStar ya adafruit na kuunganisha waya za SDI, CKI na GND kama ilivyoonyeshwa hapo juu. Inageuka kuwa muunganisho wa VCC hauhitajiki ili taa ziangaze lakini niliona kuwa rangi nyekundu na hudhurungi ya LED ya kwanza kila wakati inaangaza wakati huo huo. Hii haikuwa hivyo wakati VCC pia imeunganishwa, hata hivyo, ni ngumu kuunganisha waya zote nne ikiwa una mikono ya kawaida tu;-).

Hatua ya 7: Andaa Base ya PCB

Mara tu unapomaliza PCB zote za glasi na LED zilizoambatanishwa ni wakati wa kuandaa PCB ya chini ambapo itawekwa. Nilikata kipande na 18x19 kupitia mashimo kutoka kwa mfano wa PCB ambayo hutoa nafasi ya kutosha ya kuweka vifaa vyote na kufanya unganisho lote muhimu na pia kuwa na mashimo manne yaliyopigwa pembeni ambapo spacers za PCB zinaweza kushikamana. Mtu anaweza kufanya PCB kuwa ndogo hata kwa kutumia micro arduino badala ya nano ya arduino na kuchagua spacers na kipenyo kidogo. Mpangilio wa PCB umeonyeshwa hapo juu. Mwanzoni unapaswa kuziba pini za arduino kwa PCB bila kuziunganisha kwa arduino kwa sababu waya zingine zinapaswa kwenda chini ya arduino (kwa kweli nilikosea mara ya kwanza). Pia hakikisha kwamba upande mrefu wa pini umeangalia mbali kwa PCB (i.e. arduino itaambatanishwa na upande mrefu). Kisha tumia waya mwembamba kufanya unganisho kama inavyoonekana katika skimu. Waya zote zinaendesha chini ya PCB lakini zinauzwa juu. Kumbuka kuwa lazima pia utengeneze madaraja manne ya kuuza ili kufanya unganisho la VCC, GND, SDI na CKI na pini za arduino. VCC itaunganishwa na pini ya arduino 5 V, GND hadi GND, SDI hadi D10 na CKI hadi D9. Wiring ilibadilika kuwa fujo kidogo kuliko vile nilifikiri ingawa nilijaribu kupanga kila kitu ili lazima ufanye unganisho mchache iwezekanavyo.

Hatua ya 8: Ambatisha PCB za Kioo

Mwishowe unaweza kufanya hatua ya mwisho ya kusanyiko, i.e.kuunganisha sehemu ndogo za glasi kwenye msingi. Nilianza na safu ya mbele ambayo iko kando ya msingi iliyo karibu na arduino. Kwa njia hii unaweza kujaribu kila safu baada ya kuwekwa kama ishara inavyotembea kutoka mbele kwenda nyuma. Walakini, kama vile vidonge vya solder vinaelekeza mbele hufanya kutengenezea kwa tabaka zingine ngumu kidogo kwani lazima ufikie kati yao na chuma chako cha kutengeneza. Ili kushikamana na PCB, nilitia adhesive kiasi kidogo (UHU Hart) kwa makali ya chini ya PCB za glasi (ambapo pedi ziko) na kisha nikaisukuma kwa nguvu kwenye msingi na kungojea hadi iwekane vizuri. Baadaye, niliongeza gundi zaidi chini upande wa nyuma wa PCB (kinyume na pedi za solder). Kusema kweli sina furaha 100% na matokeo kwani sikuweza kuweka PCBs wima haswa. Inaweza kuwa bora kutengeneza aina fulani ya jig kuhakikisha kuwa tabaka zinakaa wima hadi gundi ikauke kabisa. Baada ya kuweka kila safu nilifanya unganisho la solder kwa kutumia kiwango cha ukarimu cha kuweka kwa vidonge sita chini ili viunganishwe na sehemu zinazofanana za solder kwenye PCB ya chini. Kwa kulehemu sikutumia hewa moto bali chuma yangu ya kawaida ya kutengeneza. Kumbuka kuwa kwa safu ya mwisho lazima unganisha pedi nne tu. Baada ya kuweka kila safu nilijaribu mchemraba na nambari ya mfano "strandtest". Ilibadilika kuwa, ingawa nilijaribu kila safu kabla, kulikuwa na unganisho mbaya na ilibidi nisawazishe tena taa mbili za taa. Hii ilikasirisha haswa kwani mmoja wao alikuwa kwenye tabaka la pili na ilibidi nifikie kati na bunduki yangu ya joto. Mara tu unapofanya kila kitu kufanya kazi ujenzi umekamilika. Hongera!

Hatua ya 9: Kupakia Nambari

Nilifanya tu mfano rahisi wa michoro na michoro chache ambazo zinaonyeshwa kwenye video hapo juu. Nambari hutumia maktaba ya FastLED na inategemea mfano wa DemoReel100. Ninapenda sana maktaba hii kwani tayari inatoa kazi za kufifia rangi na mwangaza ambayo inafanya iwe rahisi kutoa michoro nzuri. Wazo ni wewe kuendelea kufanya michoro zaidi na labda ushiriki nambari yako katika sehemu ya maoni. Katika mchoro wa mfano niliweka mwangaza kwa jumla kwa thamani ya chini kwa sababu mbili. Kwanza, kwa mwangaza kamili taa za taa zinaangaza kwa kuudhi. Pili, taa zote za 64 zilizo na mwangaza kamili zinaweza kuteka zaidi ya sasa kuliko pini ya arduino 5 V inaweza kutoa salama (200 mA).

Hatua ya 10: Mtazamo

Kuna mambo machache ambayo yanaweza kuboreshwa kwenye bulid hii, ambayo mengi nimeyataja tayari. Jambo kuu ambalo ningependa kubadilisha ni kutengeneza PCB ya kitaalam kwa msingi. Hii inaruhusu kufanya msingi uwe mdogo na uonekane mzuri na pia epuka mchakato wa kukasirisha wa wiring kila kitu kwa mkono. Ninaamini pia kwamba muundo wa glasi ya PCB itaruhusu miniaturization zaidi ya mchemraba wote. Katika kitabu chake kinachofahamika (labda) cha mchemraba mwembamba zaidi ulimwenguni, nqtronix anaandika kwamba hapo awali alipanga kutumia walimwengu wadogo wa RGB za LED zilizo na ukubwa wa 0404 lakini kwamba hakuweza kuziunganisha waya. Kwa kutumia PCB za glasi mtu anaweza kwenda kwa mchemraba mdogo kabisa wa LED. Katika kesi hii labda nitatupa kila kitu kwenye resini ya epoxy sawa na mchemraba na nqtronix.