GlassCube - Cub LED 4x4x4 sobre PCB de vidre: 11 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

La meva primera instrucció en aquest lloc web va ser un cub LED 4x4x4 amb PCB de vidre. Normalment, no m'agrada fer el mateix projecte dues vegades, però recentment em vaig trobar amb aquest vídeo del fabricant francès Heliox que em va inspirar a fer una versió més gran del meu cub original. Al seu vídeo, Heliox presenta un procés molt més senzill per fabricar PCB de vidre que no implica gravat, sinó que utilitza un traçador per tallar les traces d’un paper de coure autoadhesiu que després es transfereix a un substrat de vidre. Com que els conspiradors no són tan cars i també poden ser útils per a altres projectes, només en tinc un per provar el procés per mi mateix.

A part de ser una versió més gran del meu cub original, aquesta versió també utilitza un PCB personalitzat basat en un microcontrolador SAMD21 i una carcassa feta amb acrílic de lasercut. El cub es pot programar amb l’IDE Arduino i també és compatible amb CircuitPython.

El kit GlassCube ara també està disponible a Tindie.

En cas que hàgiu comprat el kit, només heu de soldar els LED (pas 5), muntar la carcassa (pas 8) i interconnectar les capes (pas 9)

Subministraments

• 64 unitats - LED SMD WS2812B 5050 (per exemple, aliexpress)
• 4 unitats: placa de vidre de 100 x 100 x 2 mm (he trobat aquest proveïdor alemany molt barat que només cobra 0,20 EUR / pc)
• 2 unitats: fulls A4 de làmina de coure autoadhesiva (per exemple, amazon)
• 1 rotlle: paper de transferència de traçador (per exemple, amazon)
• 1 joc - lasercut acrílic (veure més avall)
• 1 PCB personalitzat (vegeu més avall)
• 4 cargols M2x8 + femelles

Els costos totals de tots els materials, inclòs el servei de tall amb làser i la fabricació de PCB, són d’uns 100 euros.

Eines

• Plotter Silhouette Portrait 2 (p. Ex., Amazon)
• tallador de làser o servei de tall en línia (utilitzo snijlab.nl)
• soldador
• placa de calor o forn de reflux per soldar SMD (o habilitats avançades de soldadura manual)

Pas 1: disseny CAD

Les dimensions de la carcassa i del PCB de GlassCube es van dissenyar a Fusion360, he adjuntat el disseny a continuació.

Les columnes de la vora i la placa superior estan fabricades en acrílic transparent de 3 mm de gruix. Les capes amb els LED estan fetes de vidre flotat de 2 mm de gruix. La placa inferior és un PCB a mida.

Pas 2: disseny de PCB LED

Vaig utilitzar Eagle per dissenyar la disposició dels PCB de vidre. Com que tallar les traces amb un traçador no és tan precís com gravar-les amb el mètode de transferència de tòner, l’amplada mínima de traça és limitada. Vaig provar diferents amplades de traça i vaig trobar que la mida mínima que podia utilitzar era de 32 mil, ja que sovint es traça traça més fina durant el traçat.

Per tal de poder tallar les traces de la làmina de coure, es va haver de convertir el disseny del tauler a dxf. Em vaig trigar una estona a esbrinar com fer-ho correctament, així que deixeu-me seguir els passos amb detall

1. disseny de tauler obert a Eagle
2. amaga totes les capes excepte la capa superior
3. feu clic a Fitxer-> Imprimeix i seleccioneu Imprimeix a fitxer (pdf)
4. obriu pdf a Inkscape
5. utilitzeu l'eina de selecció de camins per marcar una sola traça i feu clic a E dit-> Selecciona el mateix-> Estil de traç, això hauria de marcar totes les traces (però no els coixinets)
6. feu clic a P ath-> Traç a ruta: això converteix els contorns del camí a nous camins
7. marqueu tots els camins (inclosos els blocs) seleccionant l'eina de selecció de camins i, a continuació, premeu ctrl + a
8. feu clic a P ath-> Unió: hauria de combinar tots els camins i eliminar les línies de tall de les àrees "plenes"
9. feu clic a Fitxer-> Desa com a i seleccioneu *.dxf com a format de fitxer

El fitxer dxf es pot trobar aquí al meu GitHub.

Pas 3: tall de la làmina de coure

El fitxer dxf es va tallar a partir de fulls A4 de làmina de coure autoadhesiva amb un traçador Silhouette Portrait 2. Les làmines de coure es van unir primer a la catifa de tall autoadhesiva inclosa. La configuració del programari que he utilitzat per tallar es pot veure a la imatge adjunta.

Després de tallar l'excés de paper d'alumini s'ha d'eliminar amb cura. Per tal de no danyar la làmina tallada, vaig deixar tot el full A4 a la catifa de tall durant els passos següents.

Pas 4: transferir la làmina de coure

La làmina tallada es va transferir a la placa de vidre mitjançant paper de transferència que és només una altra làmina autoadhesiva. El paper de transferència s’adjunta a la làmina de coure i després es desprèn lentament perquè la làmina de coure continuï enganxant-se a la làmina de transferència. A continuació, s’adhereix al substrat de vidre i es retira lentament el paper de transferència, de manera que aquesta vegada el paper de coure s’enganxa a la placa de vidre.

El disseny del tauler té dos retoladors a les cantonades superior esquerra i dreta que ajuden a alinear correctament la làmina sobre la placa de vidre. Després de fixar els marcadors, es poden tornar a treure de la placa de vidre.

Pas 5: soldar els LED

Els LED SMD es van soldar a la placa de vidre a mà. També vaig intentar fixar-los fent servir una placa de calefacció (en realitat la meva estufa), però, tal com mostra la imatge, no va ser una bona idea. Si teniu un forn de reflux adequat, val la pena provar-ho, però en funció del tipus de vidre que s’utilitzi hi ha un risc greu que es trenqui durant la calefacció.

Pel que fa a l'orientació dels LED, hi ha dos dissenys diferents. Per a la primera i tercera capa del cub, l’orientació serà diferent que per a la segona i quarta capa. D’aquesta manera és més fàcil interconnectar les capes més endavant.

Pas 6: PCB del microcontrolador

En lloc de confiar en una placa de desenvolupament comercial com l’Arduino Nano, vaig dissenyar un PCB personalitzat a Eagle per controlar els LED. L’avantatge és que podria donar forma al tauler perquè s’adapti bé al cub. La placa es basa en un microcontrolador ATSAMD21E18 que és el mateix que s’utilitza al Trinklet M0 d’Adafruit. He seleccionat aquesta MCU perquè té USB natiu i no requereix un xip FTDI per programar. Adafruit també proporciona carregadors d'arrencada que són compatibles amb l'IDE Arduino i amb CircuitPython.

Una nota sobre la placa és que funciona amb una lògica de 3,3 V mentre que el WS2812B s’hauria d’utilitzar amb 5 V, però, molta gent ha demostrat que també és possible operar amb 3,3 V.

Tinc els meus PCBs de PCBWay.com, els fitxers Gerber i BoM es poden trobar al meu compte de GitHub.

Amb algunes habilitats, els components SMD d'aquest PCB es poden soldar a mà, tot i que, per descomptat, una placa de calor o un forn de reflux funcionaran millor.

Pas 7: Intermitent del carregador d'arrencada

He utilitzat el carregador d’arrencada UF2 proporcionat per Adafruit per a les seves plaques Trinket M0. La MCU es va llançar amb l'ajut d'una eina J-Link. Podeu trobar instruccions detallades sobre com fer flaixar el carregador d’arrencada al lloc web d’Adafruit. El millor del gestor d’arrencada d’Adafruits UF2-SAMD és que després de la primera instal·lació, l’MCU apareix com una unitat flash i només podeu arrossegar un fitxer UF2 a la unitat extraïble per tornar-lo a llampar. Això fa que sigui molt fàcil, per exemple, canvieu entre l'IDE Arduino i CircuitPython.

Pas 8: habitatge Lasercut

La carcassa del cub es va tallar en acrílic transparent de 3 mm de gruix. He utilitzat un servei de tall per làser en línia (snijlab.nl). Els fitxers dxf corresponents també es poden trobar al meu compte de GitHub. La carcassa consta de 4 pals i una placa superior. Els pals s’uneixen al PCB principal de la part inferior mitjançant 4 unitats de cargols i femelles M2x8.

Pas 9: connectar les capes

Després de muntar la carcassa, vaig connectar les capes soldant cables als coixinets dels PCB de vidre. Va resultar ser un procediment força delicat i hi ha el risc de cremar l’acrílic o d’esquinçar les coixinetes de coure. Tingueu en compte que els pins GND i VCC canvien de posició a cada capa, de manera que cal creuar els cables. Per evitar que els cables arrancessin els coixinets de coure, els vaig arreglar amb una petita gota de cola calenta després de soldar-los. La primera capa es va connectar al PCB inferior amb un connector Dupont, però els cables també es poden soldar directament al PCB.

Pas 10: càrrega del codi

He utilitzat CircuitPython (versió 4.x) per programar el cub. Un cop hàgiu instal·lat el carregador d’arrencada CircuitPython, només podeu executar codi desant-lo directament a la unitat flash MCU. No hi ha cap compilació necessària, també podeu, per exemple, torneu a obrir el codi i editeu-lo.

Fins ara acabo de crear algunes animacions bàsiques, però hauria de ser relativament fàcil per a qualsevol persona ampliar el codi. El codi es pot trobar al meu GitHub, per executar-lo necessiteu les biblioteques Adafruit Neopixel i fancyLED que trobareu aquí.

Pas 11: Cub acabat

Estic molt content de l'aspecte del cub, els PCB de vidre i la carcassa acrílica funcionen molt bé junts. També va ser divertit crear la meva pròpia placa MCU per primera vegada i em sorprèn gaire que hagi funcionat al primer intent. Com que tinc alguns recanvis de PCB i peces acríliques, m'agradaria que aquest cub estigués disponible com a kit de bricolatge a Tindie. Així que si esteu interessats, continueu buscant-ho o simplement escriviu-me un missatge privat.

A més, si us agrada aquest instructiu, si us plau voteu-me al Concurs Make It Glow.

Accèssit al concurs Make it Glow