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

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Inspirasi untuk proyek ini berasal dari kubus LED kecil lainnya seperti HariFun dan nqtronix. Kedua proyek ini menggunakan LED SMD untuk membangun kubus dengan dimensi yang sangat kecil, namun masing-masing LED dihubungkan dengan kabel. Ide saya adalah memasang LED pada PCB, sebagaimana dimaksudkan untuk bagian pemasangan permukaan. Ini juga akan memecahkan masalah mengatur LED dengan rapi dalam matriks dengan jarak yang sama yang sering kali menyulitkan saat menghubungkannya dengan kabel. Masalah yang jelas dengan PCB adalah bahwa mereka buram dan oleh karena itu lapisan individu akan tersembunyi di belakang satu sama lain. Menjelajah web dengan pemikiran ini, saya menemukan instruksi CNLohr tentang cara membuat PCB kaca bening. Beginilah cara saya mendapatkan ide untuk membuat kubus kecil dari LED SMD yang dipasang pada PCB kaca. Meskipun ini bukan kubus LED terkecil di dunia (judul ini mungkin masih milik nqtronix), saya pikir PCB kaca menambahkan sentuhan baru yang bagus ke berbagai macam kubus LED yang sudah ada.

Langkah 1: Daftar Bahan

Kubus LED hanya terdiri dari beberapa bahan seperti yang tercantum di bawah ini:

• slide mikroskop (25,4 x 76,2 x 1 mm), mis. amazon.de
• pita tembaga (0,035 x 30 mm), mis. ebay.de
• LED Mikro DotStar (APA102-2020), mis. adafruit atau aliexpress
• prototipe papan PCB (50 x 70 mm), mis. amazon.de
• arduino nano, mis. amazon.de
• Spacer PCB, mis. amazon.de atau aliexpress

Slide mikroskop akan berfungsi sebagai substrat untuk PCB. Saya memutuskan untuk memotongnya menjadi potongan-potongan persegi berukuran 25,4 x 25,4 mm. Foil tembaga harus cukup tipis untuk etsa, sementara 1 mil (0,025 mm) biasanya merupakan standar untuk PCB, ketebalan 0,035 mm berfungsi dengan baik. Tentu saja lebar pita tembaga harus lebih besar dari 25,4 mm untuk menutupi substrat kaca. Saya memutuskan untuk menggunakan LED DotStar dalam paket 2020 yang lebih kecil yang tersedia. LED ini memiliki pengontrol bawaan yang memungkinkan Anda untuk menangani semua LED dengan satu jalur data, yaitu tidak perlu register geser atau charlieplexing. Rupanya ada dua jenis tata letak pad yang berbeda untuk LED DotStar (lihat di atas). Tata letak PCB yang saya rancang adalah untuk yang ditunjukkan di sebelah kiri. Anda akan membutuhkan 64 LED untuk kubus, saya memesan 100 buah untuk memiliki beberapa yang cadangan yang juga dapat digunakan untuk proyek mendatang. Semuanya akan dipasang pada papan PCB prototipe yang harus cukup besar sehingga arduino nano muat di atasnya. Saya memotong bagian yang lebih kecil dari papan dua sisi 50 x 70 mm (satu sisi juga bisa digunakan). Spacer PCB akan berfungsi sebagai alas untuk alas. Anda juga memerlukan beberapa kabel tipis untuk membuat sambungan pada PCB prototipe dan mungkin beberapa "kabel Dupont" untuk pengujian.

Untuk membuat kubus, Anda juga membutuhkan bahan kimia berikut:

• larutan besi klorida
• aseton
• lem epoksi, mis. Norland NO81 atau NO61
• pasta solder
• aliran
• perekat tujuan umum, mis. UHU Hart

Untuk mengetsa tembaga dari substrat kaca, saya mendapat larutan besi klorida 40% dari toko elektronik lokal. Saya menggunakan besi klorida karena murah dan mudah didapat, namun, ada beberapa kelemahan dan Anda juga harus mempertimbangkan etsa lain seperti natrium persulfat. Ikhtisar etsa yang berbeda dan kelebihan dan kekurangannya dapat ditemukan di sini. Saya membuat PCB menggunakan metode transfer toner dan menggunakan aseton untuk menghilangkan toner setelah etsa. Untuk merekatkan foil tembaga ke substrat kaca Anda harus mendapatkan lem epoksi transparan yang tahan suhu (karena penyolderan) dan idealnya juga tahan terhadap aseton. Saya menemukan bahwa terutama yang terakhir sulit ditemukan, namun, kebanyakan epoksi agak tahan terhadap aseton yang cukup untuk tujuan kita karena kita hanya perlu menyeka permukaannya dengan itu. Saya memutuskan untuk menggunakan epoksi UV curing Norland NO81, terutama karena saya bekerja di sebuah perusahaan yang menjual barang-barang tersebut. Pada akhirnya saya tidak terlalu senang karena epoksi tidak menempel dengan baik pada substrat kaca meskipun epoksi dirancang khusus untuk merekatkan logam ke kaca. Dalam tutorialnya CNLohr menggunakan epoksi ini yang mungkin ingin Anda pertimbangkan sebagai alternatif. Untuk menyolder LED ke PCB, Anda memerlukan pasta solder, saya sarankan pasta dengan titik leleh rendah untuk mengurangi tekanan pada LED dan epoksi. Anda juga harus mendapatkan fluks untuk memperbaiki jembatan solder. Akhirnya kita akan membutuhkan beberapa perekat untuk merekatkan PCB kaca ke alasnya. Saya menggunakan perekat serba guna UHU Hart tetapi mungkin ada pilihan yang lebih baik.

Selain itu, Anda akan memerlukan alat berikut untuk membangun ini.

• printer laser
• mesin laminating
• pemotong kaca
• stasiun solder udara panas
• besi solder dengan ujung kecil

Printer laser diperlukan untuk metode transfer toner, printer inkjet tidak akan berfungsi di sini. Saya menggunakan laminator untuk mentransfer toner ke tembaga. Meskipun juga memungkinkan untuk melakukan ini dengan setrika, saya menemukan bahwa laminator memberikan hasil yang lebih baik. Stasiun solder udara panas adalah untuk menyolder LED SMD, juga mungkin (dan mungkin lebih nyaman) untuk melakukan ini dengan hot plate atau oven refluks tetapi Anda mungkin masih memerlukan stasiun solder udara panas untuk pengerjaan ulang. Selain itu, besi solder dengan ujung kecil direkomendasikan untuk memperbaiki jembatan solder dan untuk membuat sambungan pada PCB dasar. Anda juga memerlukan pemotong kaca untuk memotong slide mikroskop menjadi potongan-potongan persegi.

Langkah 2: Mencetak Tata Letak PCB

LED DotStar akan dipasang pada 4 PCB identik, masing-masing berisi rangkaian LED 4x4. Saya melakukan tata letak untuk PCB dengan Eagle dan mengekspornya ke file pdf. Saya kemudian mencerminkan tata letak, mengatur beberapa pada satu halaman dan juga menambahkan beberapa tanda untuk memotongnya sesudahnya. File pdf ini dapat diunduh di bawah ini. Saya juga telah melampirkan file Eagle jika Anda ingin membuat perubahan pada tata letak papan. Selain itu, saya membuat tata letak untuk stensil solder yang dapat diukir dari kertas tembaga yang sama. Stensil bersifat opsional tetapi membuatnya lebih mudah untuk menyebarkan pasta solder ke PCB. Seperti yang telah disebutkan tata letak harus dicetak dengan printer laser. Anda tidak dapat menggunakan kertas biasa tetapi sebaiknya menggunakan semacam kertas glossy. Ada jenis kertas transfer toner khusus (lihat misalnya di sini) tetapi banyak orang hanya menggunakan kertas dari majalah (misalnya katalog IKEA). Keuntungan dari kertas transfer toner adalah lebih mudah untuk mengeluarkan kertas dari tembaga setelah transfer. Saya mencoba kertas transfer toner ini dan juga beberapa halaman majalah dan menemukan bahwa halaman majalah bekerja lebih baik. Masalah dengan kertas transfer toner saya adalah bahwa toner terkadang mengelupas sebelumnya, mis. saat memotong tata letak individu jadi saya merekomendasikan untuk menggunakan beberapa merek lain. Dalam tutorial yang telah disebutkan oleh CNLohr dia menggunakan merek ini yang mungkin berfungsi lebih baik. Setelah mencetak tata letak untuk PCB dan stensil solder, potonglah dengan pisau eksak. Pada prinsipnya Anda hanya membutuhkan empat tata letak PCB dan satu stensil tetapi pasti berguna untuk memiliki setidaknya dua kali lebih banyak karena tidak mungkin semua transfer akan berhasil.

Langkah 3: Membuat Tembaga Dilapisi Kaca

Mula-mula Anda harus memotong slide mikroskop menjadi potongan-potongan persegi menggunakan pemotong kaca. Dengan mudah Anda dapat menemukan tutorial untuk hampir semua hal di youtube. Dengan mencari "pemotongan slide mikroskop" saya menemukan tutorial ini yang menunjukkan cara melakukannya. Agak sulit untuk membuatnya bekerja dengan baik dan saya menyia-nyiakan banyak slide mikroskop tetapi jika Anda memesan 100 buah seperti yang saya lakukan, Anda seharusnya memiliki lebih dari cukup. Sekali lagi, saya sarankan untuk membuat setidaknya dua kali lebih banyak substrat yang diperlukan (sekitar 8-10) karena Anda mungkin akan membuat beberapa kesalahan di sepanjang jalan. Setelah itu potong pita tembaga menjadi potongan-potongan yang sedikit lebih besar dari substrat kaca persegi. Bersihkan substrat dan foil tembaga dengan alkohol atau aseton, lalu rekatkan. Pastikan tidak ada gelembung udara yang terperangkap di dalam lem. Seperti yang telah disebutkan, saya menggunakan Norland NO81 yang merupakan perekat pengawet UV cepat yang direkomendasikan untuk merekatkan logam ke kaca. Saya juga mengikuti instruksi dari CNLohr dan membuat kasar satu sisi foil tembaga agar menempel lebih baik pada kaca. Dalam retrospeksi, saya mungkin akan melakukannya tanpa pengerasan karena ini membuat transmisi cahaya melalui PCB sedikit menyebar dan saya lebih suka mereka terlihat lebih jelas. Selain itu, saya tidak terlalu senang dengan seberapa baik lem menempel pada kaca dan menemukan bahwa ujung-ujungnya terkadang terkelupas. Saya tidak yakin apakah ini karena perawatan yang tidak tepat atau karena lem itu sendiri. Di masa depan saya pasti akan mencoba beberapa merek lain. Untuk pengawetan saya menggunakan lampu UV untuk memeriksa uang kertas yang kebetulan memiliki puncak emisi pada panjang gelombang yang benar (365 nm). Setelah menyembuhkan, saya memotong tembaga yang tumpang tindih dengan pisau eksak. Untuk stensil solder, saya juga memotong beberapa potongan foil tembaga tanpa menempelkannya ke substrat.

Langkah 4: Mentransfer Tata Letak PCB

Sekarang toner dari cetak laser harus ditransfer ke tembaga yang dilakukan oleh panas dan tekanan. Awalnya saya mencoba ini dengan setrika tetapi kemudian menggunakan laminator. Gambar di atas menunjukkan perbandingan kedua teknik dengan layout PCB versi sebelumnya. Seperti yang dapat dilihat, laminator menghasilkan hasil yang jauh lebih baik. Kebanyakan orang menggunakan laminator yang dimodifikasi yang dapat dipanaskan ke suhu yang lebih tinggi. Dalam tutorialnya CNLohr pertama menggunakan laminator dan setelah itu juga memanaskannya dengan setrika. Saya hanya menggunakan laminator standar dan tidak ada setrika yang berfungsi dengan baik. Untuk transfer saya menempatkan laserprint menghadap ke bawah ke tembaga dan memperbaikinya dengan sepotong kecil selotip. Kemudian saya melipatnya menjadi selembar kertas kecil dan menjalankannya sekitar 8-10 kali melalui laminator sambil membalikkannya setiap kali selesai. Setelah itu, saya memasukkan substrat dengan laserprint ke dalam mangkuk berisi air dan membiarkannya terendam selama beberapa menit, lalu dengan hati-hati saya melepaskan kertasnya. Jika Anda menggunakan kertas transfer toner, kertas biasanya mudah lepas tanpa meninggalkan residu. Untuk kertas majalah saya harus dengan lembut menggosok beberapa kertas yang tersisa dengan ibu jari saya. Jika transfer tidak berhasil, Anda dapat menghapus toner dari tembaga dengan aseton dan coba lagi. Tata letak stensil solder dipindahkan ke foil tembaga telanjang dengan cara yang sama.

Langkah 5: Mengukir Tembaga

Sekarang saatnya untuk mengetsa tembaga. Selama proses ini, tembaga akan dikeluarkan dari substrat kecuali untuk daerah yang dilindungi oleh toner. Untuk melindungi bagian belakang foil tembaga dengan tata letak stensil solder, Anda bisa mengecatnya dengan spidol permanen. Saya harus menyebutkan bahwa Anda tentu saja harus mengambil beberapa tindakan perlindungan saat bekerja dengan etsa seperti besi klorida. Meskipun besi klorida tidak membakar kulit Anda, setidaknya akan menghasilkan noda kuning-cokelat yang tidak menyenangkan, jadi sarung tangan sangat disarankan. Anda juga mungkin tidak akan terkejut dengan fakta bahwa asam berbahaya bagi mata Anda sehingga Anda harus memakai kacamata pelindung. Sejauh yang saya mengerti, tidak ada gas yang dihasilkan selama etsa tetapi Anda mungkin masih ingin melakukan ini di area yang berventilasi baik karena udara segar selalu baik untuk Anda;-) Isi larutan besi klorida ke dalam wadah kecil (Anda dapat melindungi ruang kerja Anda dari tumpahan yang tidak disengaja dengan menempatkan ini kemudian di wadah yang lebih besar). Saat memasang PCB, saya kembali mengikuti instruksi CNLohr dan meletakkan substrat menghadap ke bawah ke dalam cairan sehingga tetap mengambang di atas. Ini sangat nyaman karena Anda akan tahu persis kapan etsa selesai yang tidak dapat Anda lihat dalam larutan cokelat yang akan menjadi lebih gelap selama etsa. Selain itu, itu juga membuat beberapa konveksi terjadi di bawah substrat. Bagi saya proses etsa memakan waktu sekitar 20 menit. Setelah semua tembaga yang tidak diinginkan tergores, bilas PCB dengan air dan keringkan. Anda harus dibiarkan dengan beberapa PCB kaca transparan yang bagus. Hal terakhir yang harus dilakukan adalah menghilangkan toner dari jejak tembaga dengan aseton. Cukup usap permukaannya dengan lembut karena aseton juga akan menyerang lem. Harap JANGAN menyiram besi klorida bekas ke saluran pembuangan karena berbahaya bagi lingkungan (dan mungkin juga akan menimbulkan korosi pada pipa Anda). Kumpulkan semuanya dalam wadah dan buang dengan benar.

Langkah 6: Menyolder LED

Bergantung pada peralatan dan keterampilan menyolder SMD Anda, bagian selanjutnya mungkin cukup memakan waktu. Pertama Anda harus mendapatkan pasta solder ke bantalan pada PCB di mana LED akan terhubung. Jika Anda telah mengukir stensil solder, Anda dapat menempelkannya ke PCB dengan selotip dan kemudian menyebarkan pasta dengan murah hati. Atau, Anda dapat menggunakan tusuk gigi untuk memasukkan sedikit pasta solder ke setiap bantalan. Setelah itu hal yang biasa dilakukan adalah menempatkan LED dan kemudian memasukkan semuanya ke dalam oven reflow (= oven pemanggang roti untuk banyak penggemar elektronik) atau ke piring panas. Namun, saya telah menemukan bahwa ini umumnya akan menghasilkan beberapa jembatan solder yang sangat sulit untuk dilepas setelahnya karena Anda tidak dapat mengakses bantalan di bawah LED. Untuk alasan ini, pertama-tama saya melelehkan solder dengan stasiun udara panas saya dan kemudian memperbaiki semua jembatan solder dengan besi solder menggunakan fluks dan jalinan pematrian untuk menghilangkan kelebihan solder. Kemudian saya menyolder LED satu per satu dengan udara panas. Tentu saja metode yang lebih cepat adalah menggunakan hot plate atau oven tetapi keuntungan dari metode saya adalah Anda dapat menguji PCB setelah setiap langkah. Juga bagi saya menyolder hampir memiliki getaran meditatif;-). Berhati-hatilah untuk menyolder LED dalam orientasi yang benar seperti yang ditunjukkan pada skema di atas. Untuk pengujian saya menggunakan contoh "strandtest" dari perpustakaan adafruit DotStar dan menghubungkan kabel SDI, CKI dan GND seperti yang ditunjukkan di atas. Ternyata koneksi VCC tidak diperlukan untuk menyalakan LED tetapi saya mengamati bahwa warna merah dan biru dari LED pertama selalu menyala secara bersamaan. Ini tidak terjadi ketika VCC juga terhubung, namun, sulit untuk menghubungkan keempat kabel jika Anda hanya memiliki jumlah tangan normal yang tersedia;-).

Langkah 7: Siapkan PCB Dasar

Setelah Anda menyelesaikan semua PCB kaca dengan LED terpasang, sekarang saatnya untuk menyiapkan PCB bawah tempat mereka akan dipasang. Saya memotong sepotong dengan 18x19 melalui lubang dari prototipe PCB yang menyediakan ruang yang cukup untuk memasang semua komponen dan membuat semua koneksi yang diperlukan dan juga memiliki empat lubang yang dibor di tepi tempat spacer PCB dapat dipasang. Seseorang dapat membuat PCB lebih kecil dengan menggunakan mikro arduino daripada nano arduino dan memilih spacer dengan diameter lebih kecil. Skema PCB ditunjukkan di atas. Pada awalnya Anda harus menyolder pin arduino ke PCB tanpa memasangnya ke arduino karena beberapa kabel harus berada di bawah arduino (tentu saja saya melakukan kesalahan ini pertama kali). Juga pastikan bahwa sisi pin yang lebih panjang menghadap ke arah PCB (yaitu arduino akan dipasang ke sisi yang lebih panjang). Kemudian gunakan beberapa kawat tipis untuk membuat sambungan seperti yang ditunjukkan pada skema. Semua kabel berjalan di bagian bawah PCB tetapi disolder di bagian atas. Perhatikan bahwa Anda juga harus membuat empat jembatan solder untuk membuat sambungan untuk VCC, GND, SDI dan CKI dengan pin arduino. VCC akan terhubung ke pin arduino 5 V, GND ke GND, SDI ke D10 dan CKI ke D9. Pengkabelan ternyata sedikit lebih berantakan daripada yang saya kira meskipun saya mencoba mengatur semuanya sehingga Anda harus membuat koneksi sesedikit mungkin.

Langkah 8: Pasang PCB Kaca

Akhirnya Anda dapat melakukan langkah terakhir perakitan, yaitu menempelkan substrat kaca ke alasnya. Saya memang mulai dengan lapisan depan yang terletak di sisi pangkalan yang lebih dekat ke arduino. Dengan cara ini Anda dapat menguji setiap lapisan setelah dipasang saat sinyal berjalan dari depan ke belakang. Namun, karena bantalan solder menghadap ke depan, hal itu membuat penyolderan lapisan lain sedikit rumit karena Anda harus menjangkau di antara mereka dengan besi solder Anda. Untuk menempelkan PCB, saya mengoleskan sedikit perekat (UHU Hart) ke tepi bawah kaca PCB (tempat bantalan berada) dan kemudian menekannya dengan kuat ke alas dan menunggu sampai menempel dengan baik. Setelah itu, saya menambahkan lem lagi ke bagian bawah di sisi belakang PCB (berlawanan dengan bantalan solder). Sejujurnya saya tidak 100% senang dengan hasilnya karena saya tidak dapat memasang PCB secara vertikal. Mungkin lebih baik membuat semacam jig untuk memastikan lapisan tetap vertikal sampai lem benar-benar kering. Setelah memasang setiap lapisan saya membuat sambungan solder dengan menerapkan sejumlah besar pasta solder ke enam bantalan di bagian bawah sehingga mereka bisa terhubung ke titik solder yang sesuai di bagian bawah PCB. Untuk menyolder saya tidak menggunakan udara panas tetapi solder biasa saya. Perhatikan bahwa untuk lapisan terakhir Anda hanya perlu menghubungkan empat bantalan. Setelah memasang setiap lapisan, saya menguji kubus dengan kode contoh "teraneh". Ternyata, meskipun saya menguji setiap lapisan sebelumnya, ada beberapa koneksi yang buruk dan saya harus menyolder ulang dua LED. Ini sangat menjengkelkan karena salah satunya terletak di lapisan kedua dan saya harus menjangkau di antaranya dengan senapan panas saya. Setelah Anda menyelesaikan semuanya, build selesai. Selamat!

Langkah 9: Mengunggah Kode

Saya baru saja membuat sketsa contoh sederhana dengan beberapa animasi yang ditunjukkan dalam video di atas. Kode menggunakan perpustakaan FastLED dan didasarkan pada contoh DemoReel100. Saya sangat menyukai perpustakaan ini karena sudah menyediakan fungsi untuk memudarkan warna dan kecerahan yang membuatnya mudah untuk menghasilkan animasi yang tampak hebat. Idenya adalah agar Anda terus membuat lebih banyak animasi dan mungkin membagikan kode Anda di bagian komentar. Dalam contoh sketsa saya mengatur kecerahan keseluruhan ke nilai yang lebih rendah karena dua alasan. Pertama, pada kecerahan penuh, LED sangat terang. Kedua, semua 64 LED pada kecerahan penuh berpotensi menarik lebih banyak arus daripada pin arduino 5 V yang dapat disuplai dengan aman (200 mA).

Langkah 10: Pandangan

Ada beberapa hal yang dapat diperbaiki pada bulid ini, sebagian besar telah saya sebutkan. Hal utama yang ingin saya ubah adalah membuat PCB profesional untuk dasarnya. Ini akan memungkinkan untuk membuat alasnya lebih kecil dan terlihat lebih bagus dan juga menghindari proses pengkabelan yang mengganggu dengan tangan. Saya juga percaya bahwa desain PCB kaca akan memungkinkan miniaturisasi lebih lanjut dari seluruh kubus. Dalam instruksinya tentang (mungkin) kubus LED terkecil di dunia, nqtronix menulis bahwa dia awalnya berencana untuk menggunakan LED RGB terkecil di dunia dengan ukuran 0404 tetapi dia tidak berhasil menyolder kabelnya. Dengan menggunakan PCB kaca, seseorang benar-benar dapat memilih kubus LED terkecil di dunia. Dalam hal ini saya mungkin juga akan memasukkan semuanya ke dalam resin epoksi yang mirip dengan kubus oleh nqtronix.