Cam PCB'lerde 4x4x4 DotStar LED Küp: 10 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:20

Bu projenin ilham kaynağı, HariFun's ve nqtronix'inki gibi diğer küçük LED küplerinden geldi. Bu projelerin her ikisi de gerçekten küçük boyutlu bir küp oluşturmak için SMD LED'leri kullanıyor, ancak ayrı LED'ler kablolarla birbirine bağlı. Benim fikrim, LED'leri yüzeye montaj parçaları için tasarlandığı gibi bir PCB üzerine monte etmekti. Bu aynı zamanda, kablolarla bağlanırken genellikle zor olabilen aynı mesafelere sahip bir matris içinde LED'leri düzgün bir şekilde düzenleme sorununu da çözecektir. PCB'lerle ilgili bariz sorun, opak olmaları ve bu nedenle tek tek katmanların birbirinin arkasına gizlenmesidir. Bunu akılda tutarak internette gezinirken, CNLohr'un şeffaf cam PCB'lerin nasıl yapılacağına ilişkin talimatlarına rastladım. Cam PCB'lere monte edilmiş SMD LED'lerden küçük bir küp yapma fikri bu şekilde ortaya çıktı. Dünyanın en küçük LED küpü olmasa da (bu başlık muhtemelen hala nqtronix'e aittir), cam PCB'lerin halihazırda mevcut olan çok çeşitli LED küplerine hoş bir yeni dokunuş kattığını düşünüyorum.

Adım 1: Malzeme Listesi

LED küp, aşağıda listelendiği gibi sadece birkaç malzemeden oluşur.

• mikroskop lamları (25.4 x 76,2 x 1 mm), örn. amazon.de
• bakır bant (0.035 x 30 mm), ör. ebay.de
• DotStar Mikro LED'ler (APA102-2020), ör. ada meyvesi veya aliexpress
• prototip PCB kartı (50 x 70 mm), ör. amazon.de
• arduino nano, ör. amazon.de
• PCB ara parçaları, örn. amazon.de veya aliexpress

Mikroskop slaytları, PCB'ler için substrat görevi görecektir. Onları 25,4 x 25,4 mm boyutunda kare parçalar halinde kesmeye karar verdim. Bakır folyo aşındırma için yeterince ince olmalıdır, 1 mil (0.025 mm) genellikle PCB'ler için standarttır, 0.035 mm kalınlık iyi çalışır. Elbette bakır bandın genişliği, cam alt tabakayı kaplamak için 25,4 mm'den büyük olmalıdır. DotStar LED'leri mevcut daha küçük 2020 paketinde kullanmaya karar verdim. Bu LED'ler, tüm LED'leri tek bir veri hattıyla adreslemenize izin veren yerleşik bir denetleyiciye sahiptir, yani kaydırma yazmaçlarına veya charlieplexing'e gerek yoktur. Görünüşe göre DotStar LED'leri için iki farklı ped düzeni var (yukarıya bakın). Tasarladığım PCB düzeni solda gösterilen için. Küp için 64 LED'e ihtiyacınız olacak, gelecekteki projeler için de kullanılabilecek bazı yedekleri olması için 100 adet sipariş ettim. Her şey, arduino nano'nun üzerine sığması için yeterince büyük olması gereken bir prototip PCB kartına monte edilecek. 50 x 70 mm çift taraflı tahtadan daha küçük bir parça kestim (tek taraflı da işe yarar). PCB ara parçaları, taban için kaide görevi görecektir. Ayrıca prototip PCB'deki bağlantıları yapmak için bazı ince kablolara ve test için belki de bazı "Dupont kablolarına" ihtiyacınız olacak.

Küpü yapmak için aşağıdaki kimyasallara da ihtiyacınız olacak

• demir klorür çözeltisi
• aseton
• epoksi yapıştırıcı, örn. Norland NO81 veya NO61
• lehim pastası
• akı
• genel amaçlı yapıştırıcı, örn. UHU Hart

Bakırı cam alt tabakalardan aşındırmak için yerel bir elektronik mağazasından %40'lık bir demir klorür çözeltisi aldım. Ben ucuz ve kolay bulunabildiği için ferrik klorür kullandım, ancak bazı dezavantajları da var ve sodyum persülfat gibi diğer aşındırıcıları da göz önünde bulundurmalısınız. Farklı dağlayıcılara ve bunların yukarı ve aşağı yönlerine genel bir bakış burada bulunabilir. PCB'leri toner transfer yöntemini kullanarak yaptım ve aşındırma işleminden sonra toneri çıkarmak için aseton kullandım. Bakır folyoyu cam alt tabakaya yapıştırmak için sıcaklığa dayanıklı (lehim nedeniyle) ve ideal olarak asetona da dayanıklı şeffaf bir epoksi yapıştırıcı almalısınız. Özellikle ikincisini bulmanın zor olduğunu buldum, ancak çoğu epoksi, sadece yüzeyi silmek zorunda olduğumuz için amacımız için yeterli olan asetona karşı hafif dirençlidir. UV kürlemeli epoksi Norland NO81'i kullanmaya karar verdim, çünkü esas olarak malzeme satan bir şirkette çalışıyorum. Sonunda, epoksi, özellikle metali cama yapıştırmak için tasarlanmış olmasına rağmen, cam alt tabakaya çok iyi yapışmadığından çok mutlu olmadım. CNLohr, eğitiminde alternatif olarak düşünmek isteyebileceğiniz bu epoksiyi kullanır. LED'leri PCB'ye lehimlemek için lehim pastasına ihtiyacınız olacak, LED'ler ve epoksi için stresi azaltmak için düşük erime noktasına sahip birini tavsiye ederim. Ayrıca lehim köprülerini sabitlemek için biraz akı almalısınız. Sonunda, cam PCB'leri tabana yapıştırmak için biraz yapıştırıcıya ihtiyacımız olacak. Genel amaçlı yapıştırıcı UHU Hart kullandım ama daha iyi seçenekler olabilir.

Ek olarak, bu yapı için aşağıdaki araçlara ihtiyacınız olacak.

• lazer yazıcı
• laminatör
• cam kesici
• sıcak hava lehimleme istasyonu
• küçük uçlu havya

Toner aktarma yöntemi için lazer yazıcı gereklidir, burada mürekkep püskürtmeli yazıcı çalışmayacaktır. Toneri bakıra aktarmak için bir laminatör kullandım. Bunu bir ütü ile yapmak da mümkün olsa da, laminatörün daha iyi sonuçlar verdiğini gördüm. Sıcak hava lehimleme istasyonu, SMD LED'leri lehimlemek içindir, bunu bir sıcak plaka veya reflü fırın ile yapmak da mümkündür (ve belki daha uygun), ancak yeniden işleme için yine de bir sıcak hava lehim istasyonuna ihtiyacınız olabilir. Ek olarak, lehim köprülerini sabitlemek ve temel PCB üzerindeki bağlantıları yapmak için küçük uçlu bir havya önerilir. Mikroskop slaytlarını kare parçalar halinde kesmek için bir cam kesiciye de ihtiyacınız olacak.

Adım 2: PCB Düzenini Yazdırma

DotStar LED'leri, her biri bir dizi 4x4 LED içeren 4 özdeş PCB üzerine monte edilecektir. Eagle ile PCB'lerin düzenini yaptım ve bir pdf dosyasına aktardım. Daha sonra mizanpajı yansıttım, birkaçını tek bir sayfada düzenledim ve daha sonra bunları kesmek için bazı işaretler ekledim. Bu pdf dosyası aşağıdan indirilebilir. Pano düzeninde herhangi bir değişiklik yapmak istemeniz durumunda Eagle dosyalarını da ekledim. Ek olarak, aynı bakır folyodan kazınabilen bir lehim kalıbı için bir düzen yaptım. Şablon isteğe bağlıdır ancak lehim pastasının PCB üzerine yayılmasını kolaylaştırır. Daha önce de belirtildiği gibi, düzen bir lazer yazıcı ile yazdırılmalıdır. Normal kağıt kullanamazsınız, bunun yerine bir tür parlak kağıt kullanmalısınız. Özel bir tür toner transfer kağıdı vardır (örneğin buraya bakın), ancak birçok kişi yalnızca dergilerdeki kağıtları (örneğin IKEA kataloğu) kullanır. Toner transfer kağıdının avantajı, transferden sonra kağıdı bakırdan çıkarmanın daha kolay olmasıdır. Bu toner transfer kağıdını ve ayrıca bazı dergi sayfalarını denedim ve dergi sayfalarının daha da iyi çalıştığını gördüm. Toner transfer kağıdımdaki sorun, tonerin bazen daha önce bulaşmasıydı, örn. Bireysel düzenleri keserken, başka bir marka kullanmanızı tavsiye ederim. CNLohr tarafından daha önce bahsedilen eğitimde, daha iyi çalışabilecek bu markayı kullanıyor. PCB'ler ve lehim şablonu için düzenleri yazdırdıktan sonra, bunları bir exacto bıçağıyla kesin. Prensipte sadece dört PCB düzenine ve bir şablona ihtiyacınız var, ancak tüm transferlerin işe yaramayacağından en az iki katı olması kesinlikle yararlıdır.

Adım 3: Cam Üzerine Bakır Kaplama Yapılması

İlk önce mikroskop lamlarını bir cam kesici kullanarak kare parçalara ayırmanız gerekir. Kolayca youtube'da hemen hemen her şey için bir eğitim bulabilirsiniz. "Mikroskop slayt kesme" araması yaparak size nasıl yapıldığını gösteren bu öğreticiyi buldum. Bunun güzel bir şekilde çalışmasını sağlamak biraz zor ve çok fazla mikroskop lamı harcadım ama benim yaptığım gibi 100 adet sipariş ettiyseniz, fazlasıyla yeterli olacaktır. Yine, muhtemelen yol boyunca bazı hatalar yapacağınız için, gerekenin en az iki katı (yaklaşık 8-10) alt tabaka yapmanızı tavsiye ederim. Bundan sonra, bakır bandı kare cam alt tabakalardan biraz daha büyük olan parçalar halinde kesin. Hem alt tabakayı hem de bakır folyoyu alkol veya asetonla temizleyin ve ardından birbirine yapıştırın. Tutkalın içinde hava kabarcığı kalmadığından emin olun. Daha önce de belirttiğim gibi, metali cama yapıştırmak için önerilen hızlı UV kürleme yapıştırıcısı olan Norland NO81'i kullandım. Ayrıca CNLohr'un talimatlarını takip ettim ve cama daha iyi yapışması için bakır folyonun bir tarafını pürüzlendirdim. Geriye dönüp baktığımda, muhtemelen bunu pürüzlendirmeden yapardım çünkü bu, PCB'lerden ışığın geçişini biraz dağıtırdı ve daha net görünmelerini tercih ederdim. Ek olarak, yapıştırıcının cama ne kadar iyi yapıştığından çok memnun değildim ve bazen kenarların soyulduğunu gördüm. Bunun yanlış kürleşmeden mi yoksa yapıştırıcının kendisinden mi kaynaklandığından emin değilim. Gelecekte kesinlikle başka markaları denerdim. Sertleştirme için, doğru dalga boyunda (365 nm) emisyon zirvesine tesadüfen sahip olan banknotları kontrol etmek için bir UV lambası kullandım. Sertleştikten sonra üst üste gelen bakırı bir exacto bıçağıyla kestim. Lehim şablonu için ayrıca bazı ekstra bakır folyo parçalarını bir alt tabakaya yapıştırmadan kestim.

Adım 4: PCB Düzenini Aktarma

Şimdi lazer baskıdan çıkan toner, ısı ve basınçla yapılan bakıra aktarılmalıdır. İlk başta bunu bir ütüyle denedim ama daha sonra bir laminatör kullandım. Yukarıdaki resim, PCB düzeninin önceki bir versiyonuyla her iki tekniğin bir karşılaştırmasını göstermektedir. Görüldüğü gibi laminatör çok daha iyi sonuçlar verdi. Çoğu insan, daha yüksek sıcaklıklara ısıtılabilen modifiye edilmiş bir laminatör kullanır. CNLohr, eğitiminde önce bir laminatör kullanır ve daha sonra onu bir ütüyle de ısıtır. Sadece standart bir laminatör kullandım ve gayet iyi çalışan demir yoktu. Transfer için lazer baskıyı yüzü aşağı bakacak şekilde bakırın üzerine yerleştirdim ve küçük bir yapışkan bant parçasıyla sabitledim. Sonra küçük bir kağıt parçasına katladım ve her çalıştırmadan sonra ters çevirerek laminatörden yaklaşık 8-10 kez geçirdim. Bundan sonra lazer baskılı alt tabakayı bir kase suya koydum ve birkaç dakika suda beklettikten sonra kağıdı dikkatlice soydum. Toner transfer kağıdı kullanırsanız, kağıt genellikle herhangi bir kalıntı bırakmadan kolayca çıkar. Dergi kağıdı için kalan kağıdın bir kısmını baş parmağımla hafifçe ovalamak zorunda kaldım. Aktarım işe yaramadıysa, bakırdan asetonla toneri çıkarıp tekrar deneyebilirsiniz. Lehim şablon düzeni aynı şekilde çıplak bakır folyoya aktarıldı.

Adım 5: Bakırın Dağlanması

Şimdi bakırı aşındırma zamanı. Bu işlem sırasında bakır, toner tarafından korunduğu bölgeler dışında alt tabakadan çıkarılacaktır. Bakır folyonun arka tarafını lehimli şablon düzeni ile korumak için kalıcı kalemle boyayabilirsiniz. Demir klorür gibi bir aşındırıcı ile çalışırken elbette bazı koruyucu önlemler almanız gerektiğini belirtmeliyim. Ferrik klorür cildinizi yakmasa da, en azından kötü sarı-kahverengi lekeler üretecektir, bu nedenle eldiven kesinlikle tavsiye edilir. Ayrıca asidin gözlerinize zararlı olmasına şaşırmayacaksınız, bu nedenle koruyucu gözlük takmalısınız. Anladığım kadarıyla dağlama sırasında gaz üretimi olmuyor ama yine de bunu iyi havalandırılmış bir alanda yapmak isteyebilirsiniz çünkü temiz hava her zaman sizin için iyidir;-) Ferrik klorür çözeltisini küçük bir kaba doldurun (koruyabilirsiniz) Bunu daha sonra daha büyük bir kaba yerleştirerek çalışma alanınızı kazara dökülmeye karşı koruyun). PCB'leri yerleştirirken, CNLohr'un talimatlarını tekrar takip ettim ve alt tabakaları yüzleri aşağı bakacak şekilde sıvının içine koydum, böylece üstte yüzer halde kalırlar. Bu çok kullanışlıdır, çünkü aşındırma sırasında daha da koyulaşacak olan kahverengi solüsyonda aksi halde göremeyeceğiniz aşındırma işleminin ne zaman bittiğini tam olarak bileceksiniz. Ek olarak, alt tabakaların altında bir miktar konveksiyonu da tutar. Benim için dağlama işlemi yaklaşık 20 dakika sürdü. Tüm istenmeyen bakır kazındıktan sonra PCB'leri suyla durulayın ve kurutun. Bazı güzel şeffaf cam PCB'lerle kalmalısınız. Yapılacak son şey, bakır izlerinden aseton ile toneri çıkarmaktır. Aseton yapıştırıcıya da zarar vereceğinden yüzeyi nazikçe silin. Çevreye zararlı olduğundan (ve muhtemelen borularınızı da aşındıracağından) lütfen kullanılmış ferrik klorürü kanalizasyona YIKAMAYIN. Her şeyi bir kapta toplayın ve uygun şekilde atın.

Adım 6: LED'leri Lehimleme

Ekipmanınıza ve SMD lehimleme becerilerinize bağlı olarak bir sonraki kısım oldukça zaman alıcı olabilir. Öncelikle PCB üzerindeki LED'lerin bağlanacağı pedlerin üzerine lehim pastasını almalısınız. Bir lehim şablonunu kazıdıysanız, bunu yapışkan bantla PCB'ye bağlayabilir ve ardından macunu cömertçe dağıtabilirsiniz. Alternatif olarak, her bir pede az miktarda lehim pastası koymak için bir kürdan kullanabilirsiniz. Bundan sonra yapılacak olağan şey, LED'leri yerleştirmek ve ardından her şeyi yeniden akışlı bir fırına (= birçok elektronik hobisi için ekmek kızartma makinesi fırını) veya bir sıcak plaka üzerine koymaktır. Bununla birlikte, bunun genellikle LED'lerin altındaki pedlere erişemeyeceğiniz için daha sonra çıkarılması çok zor olan bazı lehim köprüleri üreteceğini buldum. Bu nedenle önce lehimi sıcak hava istasyonumla erittim, ardından fazla lehimi çıkarmak için lehimleme havyası ve lehim sökme örgüsü kullanarak tüm lehim köprülerini bir havya ile sabitledim. Daha sonra ledleri tek tek sıcak hava ile lehimledim. Tabii ki daha hızlı yöntem, bir sıcak plaka veya fırın kullanmak olacaktır, ancak benim yöntemimin avantajı, her adımdan sonra PCB'yi test edebilmenizdir. Ayrıca benim için lehimlemenin neredeyse meditatif bir havası var;-). LED'leri yukarıdaki şemada gösterildiği gibi doğru yönde lehimlemeye dikkat edin. Test için adafruit DotStar kitaplığından "strandtest" örneğini kullandım ve SDI, CKI ve GND kablolarını yukarıda gösterildiği gibi bağladım. LED'lerin yanması için VCC bağlantısına gerek olmadığı ortaya çıktı ama ilk LED'in kırmızı ve mavi renginin her zaman aynı anda yandığını gözlemledim. VCC de bağlıyken durum böyle değildi, ancak yalnızca normal miktarda eliniz varsa dört kabloyu da bağlamak zordur;-).

Adım 7: Temel PCB'yi hazırlayın

LED'ler takılı tüm cam PCB'leri bitirdikten sonra, monte edilecekleri alt PCB'yi hazırlamanın zamanı geldi. Tüm bileşenleri monte etmek ve gerekli tüm bağlantıları yapmak için yeterli alan sağlayan ve ayrıca PCB ara parçalarının takılabileceği kenarlarında dört delik açılmış bir prototip PCB'den 18x19 deliklerle bir parça kestim. Bir arduino nano yerine bir arduino mikro kullanarak ve daha küçük çaplı ara parçalar seçerek PCB'yi daha da küçültebilirsiniz. PCB'nin şeması yukarıda gösterilmiştir. İlk başta arduino'nun pinlerini arduino'ya bağlamadan PCB'ye lehimlemelisiniz çünkü bazı tellerin arduino'nun altına inmesi gerekiyor (tabii ki bunu ilk defa yanlış yaptım). Ayrıca pinlerin uzun tarafının PCB için uzağa baktığından emin olun (yani arduino daha uzun tarafa eklenecektir). Ardından bağlantıları şematikte gösterildiği gibi yapmak için bir miktar ince tel kullanın. Tüm teller PCB'nin altında çalışır ancak üstte lehimlenmiştir. Ayrıca arduino pinleri ile VCC, GND, SDI ve CKI bağlantılarını yapmak için dört lehim köprüsü oluşturmanız gerektiğini unutmayın. VCC, arduino 5 V pinine, GND'den GND'ye, SDI'dan D10'a ve CKI'den D9'a bağlanacaktır. Her şeyi mümkün olan en az sayıda bağlantı yapmanızı sağlayacak şekilde düzenlemeye çalışmama rağmen, kablolama düşündüğümden biraz daha karışık çıktı.

Adım 8: Cam PCB'leri Takın

Son olarak, montajın son adımını, yani cam alt tabakaları tabana tutturmayı yapabilirsiniz. Arduino'ya daha yakın olan tabanın yanında bulunan ön katmanla başladım. Bu şekilde, sinyal önden arkaya doğru ilerlerken, monte edildikten sonra her katmanı test edebilirsiniz. Ancak lehim pedleri öne baktığı için diğer katmanların lehimlenmesi biraz karmaşık hale gelir çünkü aralarına havya ile ulaşmak zorunda kalırsınız. PCB'yi takmak için, cam PCB'lerin alt kenarına (pedlerin bulunduğu yere) az miktarda yapıştırıcı (UHU Hart) sürdüm ve ardından tabana sıkıca bastırdım ve oldukça iyi bir şekilde yapışana kadar bekledim. Daha sonra PCB'nin arka tarafında (lehim pedlerinin karşısında) tabana biraz daha yapıştırıcı ekledim. Dürüst olmak gerekirse, PCB'leri tam olarak dikey olarak monte edemediğim için sonuçtan %100 memnun değilim. Yapıştırıcı tamamen kuruyana kadar katmanların dikey kalmasını sağlamak için bir tür jig yapmak daha iyi olabilir. Her katmanı monte ettikten sonra, alt PCB'deki ilgili lehim noktalarına bağlanmaları için alttaki altı pedlere bol miktarda lehim pastası uygulayarak lehim bağlantılarını yaptım. Lehimleme için sıcak hava değil normal havyamı kullandım. Son katman için yalnızca dört ped bağlamanız gerektiğini unutmayın. Her katmanı monte ettikten sonra küpü "strandtest" örnek koduyla test ettim. Her katmanı önceden test etmeme rağmen bazı kötü bağlantılar olduğu ve iki LED'i yeniden lehimlemem gerektiği ortaya çıktı. Bu özellikle can sıkıcıydı çünkü biri ikinci katmandaydı ve aralarına ısı tabancamla ulaşmak zorunda kaldım. Her şeyi çalıştırdıktan sonra yapı tamamlandı. Tebrikler!

9. Adım: Kodu Yükleme

Yukarıdaki videoda gösterilen birkaç animasyonla basit bir örnek çizim yaptım. Kod, FastLED kitaplığını kullanır ve DemoReel100 örneğini temel alır. Bu kitaplığı gerçekten seviyorum çünkü zaten harika görünen animasyonlar oluşturmayı kolaylaştıran solma renk ve parlaklık işlevleri sağlıyor. Buradaki fikir, biraz daha animasyon yapmanız ve belki de kodunuzu yorumlar bölümünde paylaşmanızdır. Örnek çizimde, iki nedenden dolayı genel parlaklığı daha düşük bir değere ayarladım. İlk olarak, tam parlaklıkta LED'ler rahatsız edici derecede parlaktır. İkincisi, 64 LED'in tümü tam parlaklıkta potansiyel olarak arduino 5 V pininin güvenli bir şekilde kaynak yapabileceğinden (200 mA) çok daha fazla akım çekebilir.

Adım 10: Görünüm

Bu bulid üzerinde geliştirilebilecek birkaç şey var, bunların çoğundan daha önce bahsetmiştim. Değiştirmek istediğim en önemli şey, taban için profesyonel bir PCB yapmak. Bu, tabanın daha küçük olmasına ve daha güzel görünmesine ve ayrıca her şeyi elle kablolamanın can sıkıcı sürecinden kaçınmasına olanak tanır. Ayrıca cam PCB tasarımının tüm küpün daha da minyatürleştirilmesine izin vereceğine inanıyorum. nqtronix, (muhtemelen) dünyanın en küçük LED küpü talimatında, başlangıçta 0404 boyutunda dünyanın en küçük RGB LED'lerini kullanmayı planladığını ancak bunlara tel lehimlemeyi başaramadığını yazıyor. Cam PCB'leri kullanarak, dünyanın en küçük LED küpüne gerçekten gidilebilir. Bu durumda muhtemelen her şeyi nqtronix'in küpüne benzer şekilde epoksi reçinesine dökerdim.