Dupin-портативен източник на светлина с много ниска цена на свръх ниски разходи: 11 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Кръстен на Огюст Дюпен, считан за първия измислен детектив, този преносим източник на светлина работи от всяко 5V USB зарядно устройство или захранващ блок. Всяка LED глава се захваща магнитно. Използвайки евтини 3W звездни светодиоди, активно охлаждани от малък вентилатор, устройството е компактно, но предлага широка гама от дължини на вълните с висока интензивност. Разбира се, той поддържа и бели светодиоди за пълноцветно осветяване.

Изображенията тук показват изход при 415nm, 460nm, 490nm, 525nm, 560nm и 605nm.

Използваните светодиоди обаче са 365nm, 380nm, 415nm, 440nm, 460nm, 490nm, 500nm, 525nm, 560nm, 570nm, 590nm, 605nm, 630nm, 660nm и 740nm. Показани са също така „бял светодиод за дневна светлина“и светодиод с пълен спектър PAR, който произвежда розова светлина без зелен компонент, предназначен предимно за градинарски приложения.

Захранван от прецизен източник на постоянен ток с ниско отпадащо напрежение, уредът предлага 100 настройки на яркостта чрез въртящ се енкодер и запазва последната настройка на яркостта при изключване, като по този начин се връща автоматично към последната настройка на яркост при повторно включване.

Устройството не използва ШИМ за управление на яркостта, така че няма трептене, което улеснява използването му в ситуации, в които искате да снимате или видео изображения без артефакти.

Източникът на постоянен ток разполага с широколентов усилвател и изходен етап, позволяващ линейна или импулсна модулация до няколкостотин килохерца или дори за импулсна модулация до близо един мегагерц. Това е полезно за измерване на флуоресценция или за експериментиране с комуникация със светлинни данни и др.

Можете също да използвате източник на постоянен ток, за да управлявате множество светодиоди. Например, като използвате 24V захранване, можете да управлявате 10 червени светодиода с спад на напрежението 2,2 V на светодиод.

Имайте предвид, че все още захранвате главната верига за управление с 5V в този сценарий, но свържете колектора на захранващия транзистор към по -високо напрежение. За повече информация вижте последната стъпка в тази инструкция

Приложенията включват съдебна медицина, микроскопия, разглеждане на документи, събиране на печати, ентомология, минерална флуоресценция, UV, IR и визуална фотография, колориметрия и боядисване със светлина.

Консумативи

В почти всички случаи това са доставчиците, които всъщност използвах, с изключение на странния продавач, който вече не складира този артикул или вече не е в eBay/Amazon.

Този списък обхваща повечето от елементите, от които се нуждаете, с изключение на проводник, 2,5 мм щепсел за захранване и винтове на машината.

20 мм радиатори за светодиодите

www.ebay.co.uk/itm/Aluminium-Heatsink-for-…

Повечето от 3W светодиоди се доставят от

futureeden.co.uk/

FutureEden също така доставя LED обективи, които се предлагат в различни ъгли, включително 15, 45 и 90 градуса. Използвах 15 градусови лещи в прототипа.

560nm и 570nm светодиоди

www.ebay.co.uk/itm/10pcs-3W-3-Watt-Green-5…

490nm светодиоди

www.ebay.co.uk/itm/New-10pcs-3W-Cyan-490nm…

365nm светодиоди

www.ebay.co.uk/itm/3W-365nm-UV-LED-ultravi…

Мощен транзистор D44H11

www.ebay.co.uk/itm/10-x-Fairchild-Semicond…

5 мм щифтове за рафтове

www.amazon.co.uk/gp/product/B06XFP1ZGK/ref…

Вентилатор и радиатор

www.amazon.co.uk/gp/product/B07J5C16B9/ref…

Печатни платки

www.amazon.co.uk/gp/product/B01M7R5YIB/ref…

Магнитни конектори

www.ebay.co.uk/itm/Pair-of-Magnetic-Electr…

2.5 мм женски контакт

www.ebay.co.uk/itm/2-5mm-x-5-5mm-METAL-PAN…

BAT43 диод Шотки

www.ebay.co.uk/itm/10-x-BAT43-Small-Signal…

Комплект транзистори с малък сигнал (вкл. BC327/337, използван в този проект)

www.ebay.co.uk/itm/200PCS-10-Value-PNP-NPN…

Ротационен енкодер (продавачът, който използвах, вече не е в eBay, но това е същото устройство)

www.ebay.co.uk/itm/Rotary-Encoder-5-pin-To…

X9C104P (това е от друг продавач)

www.ebay.co.uk/itm/X9C104P-DIP-8-Integrate…

TLV2770

www.mouser.co.uk/ProductDetail/texas-instr…

USB текущ монитор (по избор)

www.amazon.co.uk/gp/product/B01AW1MBNU/ref…

Стъпка 1: Сглобяване на корпуса

Калъфът на основното устройство и LED главата са 3D отпечатани. Малка плоска задна плоча се прикрепя към задната част на кутията, за да поддържа енкодера. Захранването се осъществява чрез стандартен 2.5 мм контакт. Стандартен USB кабел се изрязва, за да се направи захранващият кабел.

Всички артикули са отпечатани в PLA със 100% пълнене и височина на слоя 0,2 мм. STL файловете са включени като прикачени файлове.

Отпечатайте монтажа на кутията вертикално със задната част на кутията върху основната плоча. Не се изискват подпори.

Стъпка 2: Монтаж на LED глава

Всяка LED глава се състои от две 3D отпечатани части, горната част на главата и задната крепежна плоча. Отпечатайте ги в PLA при 100% пълнене и 0,2 мм височина на слоя. Не се изискват подпори. Планката за закрепване на гърба трябва да бъде отпечатана с плоската задна повърхност, докосваща основната плоча.

Обърнете внимание, че показаните по -рано stl изображения имат задната плоча ориентирана на 180 градуса - плоската страна е външната повърхност на задната плоча, когато свързвате нещата заедно.

След това всеки монтаж на глава има радиатор 20 мм x 10 мм с прикрепена LED преса, поставена в горния блок. Снимките показват как се сглобява. Започнете, като отлепите хартията от залепващата подложка и залепете светодиода, като внимавате LED радиаторът да остане напълно в рамките на очертанията на радиатора от 20 мм.

След това запойте два проводника към светодиода и след това натиснете радиатора в горната част на главата, като внимавате ребрата на радиатора да са ориентирани, както е показано на снимките. Това е за увеличаване на въздушния поток за охлаждане.

След като инсталирате радиатора, издърпайте проводниците и ги отрежете, както е показано на снимката, оставяйки около 3/4 инча жица. Отстранете и калайдайте краищата на проводниците.

LED главата се свързва с корпуса чрез два щифта, които са изработени от никелирани стоманени щифтове за рафтове. Те са идеални за работа, тъй като имат фланец, който ни позволява да ги заключим на място.

С помощта на накрайника за запояване с по -голям диаметър калайдисайте горната част на всеки щифт. Дръжте щифтовете в менгеме или в идеалния случай една от тези малки приспособления за работна маса, както е показано - те са много удобни и за изработване на кабели.

След това прикрепете проводниците към щифтовете, като се уверите, че проводниците са изправени нагоре, както е показано. Оставете да се охлади.

Когато щифтовете се охладят, прикрепете задната крепежна плоча с помощта на 2 X M2 12 мм машинни винтове и гайки. Преди да направите това, уверете се, че отворите за закрепване на задната плоча са почистени с усукваща бормашина или конусно разгъване. Стоманените щифтове трябва да могат да се люшкат леко. Това е важно, за да се гарантира, че магнитните контакти са надеждни.

Забележка: Използвах найлонови винтове и гайки за някои агрегати, а след това стоманени за другите. Стоманените вероятно се нуждаят от заключващи шайби, тъй като иначе имат склонност да се развиват с течение на времето; найлоновите винтове са склонни да имат повече триене и това е по -малък проблем.

По желание прикрепете обектив към светодиода, ако искате да колимирате лъча, който иначе е доста широк.

Стъпка 3: Основна печатна платка

Основната платка е конструирана с помощта на матрична платка 30 x 70 mm. Това са широко достъпни, висококачествени плоскости от фибростъкло с матрица от 0,1 инча с проходни отвори.

Окабеляването от точка до точка използва така наречената „моливана тел“, която е приблизително 0,2 мм емайлирана медна жица. Изолацията се топи с нормален накрайник за поялник.

Ротационният енкодер е запоен директно към края на платката. Обърнете внимание, че щифтовете на енкодера са свързани към долната част на платката.

В стъпките по -долу ще изградите отделни части от цялата верига и ще ги тествате, преди да продължите. Това гарантира, че готовата платка трябва да функционира правилно.

Снимките показват дъската по време на сглобяването. Проводникът на молива може да се види от задната страна, свързвайки повечето компоненти. По -дебел проводник се използва там, където се включват по -високи токове. Някои отрязани кабелни компоненти се използват за направа на захранваща и заземителна релса в горната и долната част на дъската.

Забележка: пространството е малко. Монтирайте резистори вертикално, за да спестите място. Оформлението тук се „разви“, когато платката беше сглобена и аз бях малко оптимистично настроен за необходимото пространство и трябваше да монтирам всички резистори вертикално, а не хоризонтално, както е показано.

Връзките се осъществяват с помощта на „veropins“, но можете да използвате и контур от компонентна жица, като краищата са изпънати отдолу; това обаче отнема два отвора за връзка, а не един с щифт.

Стъпка 4: Енкодерна верига

Начертах схемата като няколко отделни схеми. Това е така, че да можете ясно да видите какво прави всяка част. Трябва да изградите веригата на стъпки, като тествате дали всяка част работи правилно, преди да добавите следващата част. Това гарантира, че всичко ще функционира правилно, без много досадни отстраняване на неизправности.

Преди да започна, няколко думи за запояване. Използвам оловен спойка, а не безоловен. Това е така, защото с безоловен спойка е много по -трудно да се работи с сценарии за ръчно запояване. Калайдисва се лошо и просто като цяло е болка. Оловената спойка е доста безопасна и няма да бъдете изложени на никакви опасни изпарения, докато работите с нея. Просто използвайте здравия разум и измийте ръцете си след запояване и преди ядене, пиене или пушене. Amazon продава доброкачествени ролки от спойка с олово с фини размери.

Интерфейсът на енкодера

Това е съвсем просто. Енкодерът има три пина, A, B и C (общ). Както можете да видите, ние заземяваме C щифта и изтегляме A и B щифтовете чрез 10K резистори. След това добавяме 10nF кондензатори към земята, за да изгладим отскачането на контактите, което може да причини неправилна работа.

След това щифтовете A и B се свързват към INC и U/D пиновете на цифровата пота IC. (X9C104). Свържете тази верига и свържете кабелите за захранване и заземяване на X9C104. Добавете кондензаторите за отделяне на мощността 470uF и 0.1uF също по това време.

Щифтовете на енкодера трябва да бъдат запоени в долната част на платката; отворът в задната плоча след това ще се подравнява с вала на енкодера.

Временно свържете CS щифта на X9C104P към +5V. По -късно ще свържем това с друга част от веригата.

Сега свържете 5V към веригата и с помощта на измервателен уред проверете дали съпротивлението между H и W щифтовете на X9C104P се променя плавно между почти 0 ома и 100K ома, докато въртите енкодера.

Стъпка 5: Електрическа верига с постоянен ток

След като сте сигурни, че схемата на енкодера работи, е време да изградите секцията за захранване с постоянен ток. Свържете захранването на операционния усилвател TLV2770 и земята и след това проводника, както е показано, като свържете към H, W и L щифтовете на X9C104P.

Уверете се, че сте свързали 0,1 омовия резистор за ток директно към заземяващия щифт на TLV2770 и след това „звездата“свързва останалите заземени компоненти към тази точка (1N4148 катод, 10K резистор, 0,1uF кондензатор). След това свържете тази точка на заземяване към заземяващата шина на платката. Това гарантира, че малките съпротивления между заземителната релса и текущия чувствителен резистор няма да се видят от опампата като грешно напрежение. Не забравяйте, че при 750 mA напрежението на резистора от 0,1 ома е само 75 mV.

Временно свържете SHDN линията към +5V. По -късно ще свържем това с друга част от веригата.

Охлаждащият вентилатор, който използваме, е предназначен за Raspberry Pi. Той идва, удобно, с набор от радиатори, един от които ще използваме за основния захранващ транзистор.

Захранващият транзистор D44H11 трябва да бъде монтиран под прав ъгъл спрямо платката, залепен за най -големия радиатор, който се доставя с комплекта вентилатори на Raspberry Pi.

Резисторът 680K може да се нуждае от настройка, за да се гарантира, че максималният ток през светодиодите е не повече от 750mA.

Свържете отново +5V и светодиод за захранване, монтиран на радиатор. Сега проверете дали можете плавно да промените тока през светодиода, като завъртите енкодера. Минималният ток е избран да бъде приблизително 30 mA, което би трябвало да е достатъчно, за да се гарантира, че повечето 5V захранващи блокове за мобилни телефони няма да се изключат автоматично при минимална яркост.

Незадължителният USB текущ монитор е полезен аксесоар тук, но ако го използвате, очевидно ще трябва първо да включите захранването, както е обсъдено в раздела по -късно.

Забележка: светодиодите с по-къса дължина на вълната ще се нагреят доста при голям ток, тъй като все още не охлаждаме радиатора чрез вентилатор, така че поддържайте времето за работа доста кратко (няколко минути) по време на тестването.

Как работи: напрежението на токовия резистор се сравнява с референтното напрежение. Опампът регулира изхода си, за да гарантира, че двата входа са на едно и също напрежение (игнорирайки напрежението на компенсиране на входа на опампата). Кондензаторът 0.1uF в цифровия потенциометър служи за две цели; той филтрира шума от зареждащата помпа от 85 KHz от устройството X9C104 и също така гарантира, че при захранване токът на търсене е нулев. След като опампата и обратната връзка се стабилизират, напрежението в кондензатора ще се повиши до напрежението на търсене. Това предотвратява скокове на ток при включване през товара.

Транзисторът D44H11 е избран, защото има подходящи токови стойности и висока минимална печалба от поне 60, което е добре за захранващ транзистор. Той също така има висока гранична честота, която улеснява високоскоростната модулация на източника на ток, ако е необходимо.

Стъпка 6: Верига за управление на захранването

Веригата за управление на захранването превръща предимно превключвателя за моментни действия на въртящия се енкодер в превключващ превключвател на захранването.

Използват се транзистори BC327 и BC337, тъй като те имат доста висока печалба и максимален ток на колектора от 800 mA, което е удобно за превключвателя на вентилатора, където вентилаторът извлича около 100 mA. Купих евтин комплект от различни транзистори с малък сигнал, които включват широка гама от полезни устройства. Обърнете внимание, че в прототипа тези транзистори имат суфикс -40, указващ най -голямото усилване. Макар да се съмнявам, че това има голямо значение и трябва да получите подобни устройства, ако закупите същия комплект, просто имайте предвид това.

Захранването се контролира чрез превключване на щифта SHDN на опампата TLV2770. Когато щифтът на SHDN е нисък, opamp е деактивиран, а когато е висок, opamp работи нормално.

Веригата за управление на захранването също управлява линията CS на цифровия потенциометър X9C104. Когато захранването е изключено, CS линията се повишава, гарантирайки, че текущата настройка на пота се записва обратно в неговата енергонезависима флаш памет.

Как работи: първоначално кръстовището на 100K резистора и 1uF кондензатора е при +5V. Когато моментният превключвател е натиснат, напрежението на високо ниво се предава чрез 10nF кондензатор към основата на Q1, който се включва. По този начин след това дърпа колектора ниско и това води до включване на Q2. След това веригата се включва чрез резистор за обратна връзка 270K, като гарантира, че Q1 и Q2 остават включени, а изходът на SHDN е висок.

В този момент кръстовището на 100K резистора и 1uF капачката сега е изтеглено ниско от Q1. Следователно при повторно натискане на превключвателя, основата на Q1 се дърпа ниско, като го изключва. Колекторът се повишава до +5V, изключвайки Q2 и изходът на SHDN сега намалява. В този момент веригата се връща в първоначалното си състояние.

Сглобете веригата за управление на захранването и свържете към нея моментния превключвател на енкодера. Проверете дали SHDN превключва всеки път, когато натиснете превключвателя и че когато SHDN е ниско, CS е високо и обратно.

Временно свържете охлаждащия вентилатор към колектора на Q3 и релсата +5V (което е положителният проводник от вентилатора) и се уверете, че когато SHDN е високо, вентилаторът се включва.

След това свържете веригата за управление на захранването към захранването с постоянен ток и свържете CS към цифровия потенциометър X9C104P, като премахнете временната заземителна връзка. Свържете SHDN към TLV2770 и също премахнете временната връзка към този щифт.

Вече трябва да можете да потвърдите, че веригата се включва правилно и се включва и изключва, когато е натиснат превключвателят на енкодера.

Стъпка 7: Електрическа верига за защита

Подобно на повечето източници на захранване с постоянен ток, има проблем, ако товарът е изключен и след това отново включен. Когато товарът е изключен, Q4 се насища, когато опампата се опитва да прокара ток през товара. Когато товарът е свързан отново, тъй като Q4 е напълно включен, през него може да тече висок преходен ток за няколко микросекунди. Въпреки че тези 3W светодиоди са доста толерантни към преходните процеси, те все още надвишават стойностите на листа с данни (1A за 1ms) и ако натоварването е чувствителен лазерен диод, той лесно може да бъде унищожен.

Веригата за защита от грешки следи основния ток през Q4. Когато товарът е изключен, това се повишава до приблизително 30mA, което води до повишаване на напрежението в 27 омовия резистор достатъчно, за да включи Q5 и това от своя страна кара Q6 да се включи, а колекторът му пада почти до земята. Диодът на Шотки (избран, тъй като напрежението му от 0,4 V напред е по -малко от 0,7 V, необходимо за включване на транзистор), след това издърпва FLT линията ниско, като изключва Q1 и Q2 и по този начин изключва захранването.

Това гарантира, че товарът никога не може да бъде свързан с включено захранване, като се избягват потенциално увреждащи преходни процеси.

Стъпка 8: Монтаж

Запоявайте магнитните съединители към къса дължина от доста здрав проводник (дълъг около 6 инча), като гарантирате, че проводникът ще се побере през отворите в кутията.

Уверете се, че отворите на кутията са чисти - използвайте усукваща бормашина, за да се уверите в това, и по -малка бормашина, за да сте сигурни, че отворите за тел отзад също са чисти.

Сега, използвайки LED глава, прикрепете съединителите към щифтовете на главата и ги поставете в кутията. Светодиодната глава трябва да се побере така, че когато погледнете шпонковата канавка, има малка празнина между шпонката и кутията. След като сте сигурни, че съединителите се монтират правилно, поставете малка капка епоксидна смола в задната част на всяка от тях и я поставете с LED главата и я поставете настрани, докато лепилото се втвърди. Свързах моите светодиодни модули, така че със задната плоча на главата да е обърната към вас и с канала нагоре, положителната връзка е от дясната ви страна.

След като лепилото се втвърди, отстранете главата и след това поставете вентилатора, като етикетът се вижда, т.е. въздушният поток изтласква въздуха върху радиатора на главата. Използвах два винта за машина M2 X 19 мм и отвертка за монтиране на вентилатора, той е луд, но го плъзнете от задната част на кутията и тогава трябва да можете да подредите и закрепите всичко.

Сега можете да монтирате 2.5 мм захранващия контакт и да свържете всички проводници към печатната платка, оставяйки достатъчно хлабаво, за да можете лесно да го свържете, след което го плъзнете в кутията върху релсите, отпечатани в кутията.

Задната плоча е закрепена с четири малки самонарезни винта. Обърнете внимание, че позицията на вала на енкодера не е доста центрирана върху плочата, така че не забравяйте да я завъртите, докато отворите за винтове се подравнят.

Стъпка 9: USB захранващ кабел

Захранващият кабел е направен от евтин USB кабел. Нарежете кабела на около 1 инч от по -големия USB щепсел и го отстранете. Червените и черните проводници са захранвани и заземени. Свържете към тях по -дебел кабел от фигура 8, като използвате изолатор с радиатор, а след това в другия край запойте стандартен 2.5 мм щепсел.

Прекъсваме USB кабела, защото проводниците са твърде тънки, за да носят тока и в противен случай ще спаднат твърде много напрежение.

Стъпка 10: Опция за модулация и свързване на влакна

За да модулирате източника на ток, изключете 0.1uF кондензатора и W щифта от неинвертиращия вход на опампата и свържете този вход към земята чрез резистор от 68 ома. След това свържете резистор от 390 ома към неинвертиращия вход. Другият край на резистора е модулационният вход, като 5V задвижва светодиода до пълен ток. Можете да поставите няколко джъмпера към платката, за да улесните преминаването от енкодера към външна модулация.

Можете да използвате STL от проекта Angstrom за 3 мм влакнести съединители, ако искате да свържете светодиодите към влакно, например за микроскопия и др.

Стъпка 11: Захранване на множество светодиоди

Можете да използвате драйвера с постоянен ток, за да управлявате множество светодиоди. Светодиодите не могат да бъдат свързани паралелно, тъй като един светодиод би поел по -голямата част от тока. Затова свържете последователно светодиодите и след това свържете анода на горния светодиод към подходящ източник на захранване, оставяйки главната верига за управление все още да работи на 5V.

В повечето случаи е по -лесно просто да използвате отделно захранване за светодиодите и да оставите всичко останало да работи от стандартно зарядно устройство за телефон.

За да изчислите напрежението, вземете броя светодиоди и умножете по падането на напрежението за всеки светодиод. След това оставете около 1,5V марж. Например, 10 светодиода с спад на напрежението от 2.2V всеки изискват 22V, така че 24V захранването ще работи добре.

Трябва да се уверите, че напрежението на захранващия транзистор не е твърде високо, тъй като в противен случай ще стане твърде горещо - както е проектирано тук, то пада в близост до 3V в най -лошия сценарий (задвижване на инфрачервен светодиод с ниско напрежение напред), така че това е максимумът, към който трябва да се стремите, освен ако не искате да използвате по -голям радиатор. Във всеки случай бих запазил напрежението по -малко от 10V, защото започвате да навлизате в токови ограничения въз основа на безопасна зона на работа на транзисторите.

Имайте предвид, че излъчвателите с по -къса дължина на вълната имат по -високи напрежения напред, като 365nm светодиодите спадат близо 4V. Свързването на 10 от тях последователно ще намали 40V, а стандартното 48V захранване ще изисква по -голям радиатор на захранващия транзистор. Като алтернатива можете да използвате няколко 1A диода последователно със светодиодите, за да свалите допълнителното напрежение при 0.7V на диод, да речем 8, за да паднете 5.6V и след това остава само 2.4V през захранващия транзистор.

Бих се предпазил да използвам по -високи напрежения от това. Започвате да влизате в проблеми с безопасността, ако влезете в контакт със захранването. Уверете се, че сте поставили подходящ предпазител последователно със светодиодите; както е проектирано тук, 5V захранването има безопасно ограничаване на тока и нямаме нужда от такова, но при този сценарий със сигурност бихме искали защита срещу късо съединение. Имайте предвид, че късо съединение на такива светодиоди вероятно ще доведе до доста грандиозно стопяване на захранващия транзистор, така че бъдете внимателни !. Ако искате да захранвате повече светодиоди, вероятно се нуждаете от паралелен набор от източници на ток. Можете да използвате няколко копия на драйвера за постоянен ток (заедно със собствената си верига за защита срещу повреди) и да споделяте общ енкодер, верига за управление на мощността и справка за напрежението между тях, всяко копие ще има свой собствен транзистор и задвижване, да речем, 10 светодиода. Цялата верига може да бъде успоредна, тъй като драйверите на постоянен ток всеки обработва един низ от светодиоди в този сценарий.