Angstrom - настройваем LED източник на светлина: 15 стъпки (със снимки)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2025-01-23 14:36

Angstrom е 12 -канален настройваем LED източник на светлина, който може да бъде изграден за под 100 паунда. Той разполага с 12 PWM контролирани LED канала, обхващащи 390nm-780nm и предлага както възможност за смесване на множество канали към един 6 мм изход, свързан с влакна, така и възможност за извеждане на всеки или всички канали едновременно към отделни 3 мм влакнести изходи.

Приложенията включват микроскопия, съдебна медицина, колориметрия, сканиране на документи и др. Можете лесно да симулирате спектъра на различни източници на светлина, като компактни флуоресцентни лампи (CFL).

Освен това източниците на светлина могат да се използват за интересни театрални светлинни ефекти. Захранващите канали са повече от способни да обработват допълнителни светодиоди с по -високо номинално захранване, а множеството дължини на вълните създават красив и уникален многоцветен ефект на сянка, който нормалните бели или RGB LED източници не могат да дублират. Това е цяла дъга в кутия !.

Стъпка 1: Необходими части - Основна платка, захранване, контролер и LED монтаж

Основа: Устройството е сглобено върху дървена основа, приблизително 600 мм х 200 мм х 20 мм. Освен това, за подравняване на оптичните влакна се използва дървен блок за облекчаване на напрежението 180 mm X 60 mm X 20 mm.

5V 60W захранване е свързано към захранването чрез предпазител IEC, снабден с предпазител 700mA, а малък превключвател с номинал най -малко 1A 240V се използва като главен превключвател на захранването.

Основната платка е конструирана от стандартна фенолна медно облицована лента, стъпка 0.1 инча. В прототипа тази платка е с размери приблизително 130 мм х 100 мм. В прототипа е монтирана допълнителна втора платка, с размери около 100 мм х 100 мм, но тя е подходяща само за допълнителни схеми, като логика за обработка на сигнали за спектроскопия и т.н., и не се изисква за базовата единица.

Основният светодиоден модул представлява 12 3W звездни светодиода, всеки с различна дължина на вълната. Те са обсъдени по -подробно в раздела за LED модула по -долу.

Светодиодите са монтирани на два алуминиеви радиатора, които в прототипа са с дълбочина 85 мм х 50 мм х 35 мм.

За управление на устройството се използва Raspberry Pi Zero W. Той е снабден със заглавка и се включва в съответстващ 40 -пинов контакт на основната платка.

Стъпка 2: Необходими части: Светодиоди

12 -те светодиода имат следните централни дължини на вълните. Те са 3W звездни светодиоди с 20 мм основа на радиатор.

390nm410nm 440nm460nm500nm520nm560nm580nm590nm630nm660nm780nm

Всички с изключение на 560nm модула са доставени от FutureEden. Устройството от 560 nm е доставено от eBay, тъй като FutureEden нямат устройство, покриващо тази дължина на вълната. Имайте предвид, че това устройство ще се доставя от Китай, така че оставете време за доставка.

Светодиодите са прикрепени към радиатора с помощта на термолента Akasa. Изрежете квадратчета от 20 мм и след това просто залепете едната страна към светодиода, а другата към радиатора, като се уверите, че следвате инструкциите на производителя коя страна на лентата отива към LED радиатора.

Стъпка 3: Необходими части: LED управляваща верига

Всеки LED канал се управлява от GPIO щифт на Raspberry Pi. PWM се използва за контрол на интензитета на светодиода. Захранващ MOSFET (Infineon IPD060N03LG) задвижва всеки светодиод чрез 2W захранващ резистор за ограничаване на светодиодния ток.

Стойностите на R4 за всяко устройство и измереният ток са показани по -долу. Стойността на резистора се променя, тъй като спадът на напрежението в светодиодите с по -къса дължина на вълната е по -висок, отколкото при светодиодите с по -голяма дължина на вълната. R4 е 2W резистор. Той ще се затопли доста по време на работа, така че не забравяйте да монтирате резисторите далеч от платката на контролера, като държите проводниците достатъчно дълго, така че тялото на резистора да е на поне 5 мм разстояние от платката.

Устройствата Infineon се предлагат евтино в eBay и също се предлагат от доставчици като Mouser. Те са оценени на 30V 50A, което е огромен марж, но са евтини и лесни за работа, тъй като са DPAK устройства и следователно лесно се запояват на ръка. Ако искате да замените устройства, не забравяйте да изберете такова с подходящи текущи граници и с праг на порта, така че при 2-2.5V устройството да е напълно включено, тъй като това съответства на логическите нива (максимум 3.3V), достъпни от Pi GPIO щифтове. Капацитетът на порта/източник е 1700pf за тези устройства и всяка подмяна трябва да има приблизително сходен капацитет.

Снубберната мрежа в MOSFET (10nF кондензатор и 10 ома 1/4W резистор) трябва да контролира времената на покачване и спускане. Без тези компоненти и резистора на порта 330 ома имаше данни за звънене и превишаване на изхода, което би могло да доведе до нежелани електромагнитни смущения (EMI).

Таблица на стойностите на резисторите за R4, мощният резистор 2W

385nm 2.2 ohm 560mA415nm 2.7 ohm 520mA440nm 2.7 ohm 550mA 460nm 2.7 ohm 540mA 500nm 2.7 ohm 590mA 525nm 3.3 ohm 545mA 560nm 3.3 ohm 550mA 590nm 3.9 ohm 570mA 610nm 330 ohm 3.30 ohm 3.30 ohm

Стъпка 4: Необходими части: Оптична оптика и Комбинатор

Светодиодите са свързани към оптичен комбинатор чрез 3 мм пластмасово влакно. Това се предлага от редица доставчици, но по -евтините продукти могат да имат прекомерно затихване при къси дължини на вълните. Купих някои влакна в eBay, които бяха отлични, но някои по -евтини влакна в Amazon, които имаха значително затихване на около 420 nm и по -ниско. Влакната, които закупих от eBay, бяха от този източник. 10 метра трябва да са достатъчни. Нуждаете се само от 4 метра, за да свържете светодиодите, приемащи дължини 12 X 300 мм, но една от опциите при изграждането на това устройство е също да свържете отделни дължини на вълните до 3 мм изходно влакно, така че е удобно да имате допълнителни за тази опция.

www.ebay.co.uk/itm/Fibre-Optic-Cable-0-25-…

Изходното влакно е гъвкаво 6 мм влакно, обвито в здрава пластмасова външна обвивка. Предлага се от тук. В повечето случаи дължината от 1 метър вероятно ще бъде достатъчна.

www.starscape.co.uk/optical-fibre.php

Оптичният комбинатор е конусен пластмасов световод, който е направен от парче квадратна пръчка 15 х 15 мм, нарязано на приблизително 73 мм и шлифовано, така че изходният край на водача да е 6 мм х 6 мм.

Отново имайте предвид, че някои марки акрил могат да имат прекомерно затихване при къси дължини на вълните. За съжаление е трудно да се определи какво ще получите, но пръчката от този източник работи добре

www.ebay.co.uk/itm/SQUARE-CLEAR-ACRYLIC-RO…

Въпреки това пръчката от този източник имаше прекомерно затихване и беше почти напълно непрозрачна за 390 nm UV светлина.

www.ebay.co.uk/itm/Acrylic-Clear-Solid-Squ…

Стъпка 5: Необходими части: 3D отпечатани части

Някои части са отпечатани 3D. Те са

Адаптерите за LED влакна

Монтажната плоча от влакна

(По избор) изходен адаптер за влакна (за отделни изходи). Това е само печатната плоча за монтаж на влакна.

Монтажната плоча на оптичния съединител

Всички части са отпечатани в стандартен PLA, с изключение на адаптерите за влакна. Препоръчвам PETG за тях, тъй като PLA омекотява твърде много; светодиодите се затоплят доста.

Всички STL за тези части са включени в приложените файлове за проекта. Вижте стъпката за конфигуриране на Raspberry Pi за zip файла, който съдържа всички активи на проекта.

Отпечатайте адаптерите за влакна за светодиодите със 100% пълнене. Другите могат да бъдат отпечатани с 20% пълнеж.

Всички части са отпечатани на височина на слоя 0,15 мм, използвайки стандартна дюза 0,4 мм при 60 мм/сек на Creality Ender 3, а също и Biqu Magician. Всеки евтин 3D принтер трябва да свърши работа.

Всички части трябва да бъдат отпечатани вертикално с отвори нагоре - това дава най -добрата точност. Можете да пропуснете опорите за тях; това ще направи основната монтажна планка на съединителя да изглежда леко дрипава на задния ръб, но това е само козметично; докосване на шкурка ще го подреди.

Важно: Отпечатайте монтажната плоча на влакното (и опционалното второ копие от нея за отделния изходен адаптер за влакна) в мащаб 1.05, т.е. 5% уголемен. Това гарантира, че отворите за влакното имат достатъчно разстояние.

Стъпка 6: Сглобяване на главния контролен борд

Контролната платка е изработена от стандартен меден лент (понякога известен като veroboard). Не включвам подробно оформление, защото дизайнът на дъската, с който се озовах, стана малко разхвърлян поради необходимостта от добавяне на компоненти като мрежата на snubber, която първоначално не бях планирал. Горната част на дъската, показана по -горе частично изградена, има силовите резистори и гнездото за Raspberry Pi. Използвах правоъгълна заглавка за Pi, така че тя седи под прав ъгъл спрямо основната платка, но ако използвате нормална права заглавка, тя просто ще седи успоредно на дъската. По този начин ще заема малко повече място, така че планирайте съответно.

Веропините бяха използвани за свързване на проводници към платката. За изрязване на коловози е полезна малка бормашина. За гнездото Pi използвайте остър занаятчийски нож, за да изрежете коловозите, тъй като нямате резервен отвор между двата комплекта гнезда.

Обърнете внимание на двойния ред от 1 мм медна жица. Това трябва да осигури път с нисък импеданс за почти 7 ампера ток, които светодиодите консумират с пълна мощност. Тези проводници отиват към изходните клеми на захранващите MOSFET и оттам към земята.

На тази платка има само малък 5V проводник, захранващ Pi. Това е така, защото основното захранване от 5V отива към анодите на светодиодите, които са свързани чрез стандартен PC IDE дисков кабел на втора платка в моя прототип. Не е нужно обаче да правите това и можете просто да ги свържете директно към гнездо на първата платка. В този случай ще използвате дублиран набор от медни проводници по протежение на анодната страна, за да се справите с тока от страната +5V. В прототипа тези проводници бяха на втората платка.

Стъпка 7: Мощните MOSFET

MOSFET -тата бяха монтирани от медната страна на платката. Те са DPAK устройства и затова раздела трябва да бъде запоен директно към платката. За да направите това, използвайте подходящ голям накрайник върху поялника и бързо калайдисайте леко езичето. Калайдисайте медните релси, където ще закачите устройството. Поставете го върху дъската и отново загрейте езичето. Припоят ще се стопи и устройството ще бъде прикрепено. Опитайте се да направите това разумно бързо, за да не прегреете устройството; толерира няколко секунди топлина, така че не се паникьосвайте. След като лепенката (дренажът) е запоена, можете да запоявате портата и източниците към дъската. Не забравяйте първо да изрежете следите за портата и източниците, за да не се късат в канала за източване !. Не можете да видите от снимката, но разрезите са под кабелите към тялото на устройството.

Читателите с орлови очи ще отбележат само 11 MOSFET. Това е така, защото 12 -ият беше добавен по -късно, когато получих 560nm светодиоди. Той не се побира на дъската поради ширината, затова е поставен на друго място.

Стъпка 8: Светодиоди и радиатори

Ето снимка на светодиодите и радиаторите отблизо. Окабеляването на платката на контролера беше от по -ранна версия на прототипа, преди да премина към използване на IDE кабел за свързване на светодиодите към контролера.

Както бе споменато по -рано, светодиодите са прикрепени с помощта на квадрати от термолента Akasa. Това има предимството, че ако светодиодът се повреди, е лесно да го премахнете с остър нож, за да прорежете лентата.

Докато радиаторът е достатъчно голям, няма нищо, което да ви попречи да монтирате всички светодиоди на един радиатор. На показаните радиатори при пълна мощност температурата на радиатора достига 50 градуса C и затова тези радиатори вероятно са малко по -малки от оптималните. Като се обърне назад, вероятно също би било добра идея да се поставят три от светодиодите с по -голяма дължина на вълната на всеки радиатор, вместо да се поставят всичките шест от излъчвателите с по -къси дължини на едната и излъчвателите с по -голяма дължина на вълната от другата. Това е така, защото за даден ток напред излъчвателите с къса дължина на вълната разсейват повече мощност поради по -големия си спад на напрежението напред и следователно се затоплят.

Разбира се, можете да добавите охлаждане на вентилатора. Ако планирате да затворите напълно LED модула, това би било разумно.

Стъпка 9: LED окабеляване

Светодиодите са свързани към платката на контролера чрез стандартен 40 -пинов IDE кабел. Не се използват всички двойки кабели, което дава възможност за разширяване.

Схемите за свързване по -горе показват окабеляването на конектора IDE, а също и окабеляването към самия Raspberry Pi.

Светодиодите се означават с техните цветове (UV = ултравиолетово, V = виолетово, RB = кралско синьо, B = синьо, C = циан, G = зелено, YG = жълто-зелено, Y = жълто, A = кехлибарено, R = ярко червено, DR = наситено червено, IR = инфрачервено), т.е. чрез възходяща дължина на вълната.

Забележка: не забравяйте да се уверите, че страната на свързване +5V на гнездото за кабели има проводници с дебелина 2 x 1 mm, които преминават успоредно по лентата, за да осигурят висок токов път. По същия начин връзките на източника към MOSFET, които са заземени, трябва да имат подобни проводници, за да осигурят пътя на високия ток към земята.

Стъпка 10: Тестване на контролната платка

Без да включвате Raspberry Pi в платката, можете да проверите дали вашите LED драйвери работят правилно, като свържете GPIO щифтовете чрез щипка към +5V шина. Подходящият светодиод трябва да светне.

Никога не свързвайте GPIO щифтовете към +5V, когато Pi е включен. Ще повредите устройството, то работи вътрешно на 3.3V.

След като сте сигурни, че драйверите за захранване и светодиодите работят правилно, можете да продължите към следващата стъпка, която е да конфигурирате Raspberry Pi.

Не гледайте директно в края на оптичните влакна, когато светодиодите работят с пълна мощност. Те са изключително ярки.

Стъпка 11: Свързване на светодиодите с оптични влакна

Всеки светодиод е свързан чрез 3 мм оптично влакно. 3D адаптерът от печатни влакна прилепва плътно върху LED модула и насочва влакното. Блокът за облекчаване на напрежението е монтиран приблизително на 65 мм пред LED радиаторите.

Това осигурява достатъчно място, за да вкарате пръстите си и да натиснете адаптерите за влакна върху светодиодите и след това да поставите влакното.

Пробийте 4 мм отвори през блока за облекчаване на напрежението в съответствие със светодиодите.

Всяка дължина на влакното е с дължина приблизително 250 мм. Тъй като всяко влакно поема по различен път, действителната монтирана дължина ще варира. Най -лесният начин да направите това правилно е да отрежете влакна с дължина 300 мм. След това трябва да изправите влакното или ще бъде невъзможно да се управлява. Това е като 3 мм дебел пръстен от перспекс и е много по -твърд, отколкото си представяте.

За изправяне на влакното използвах 300 мм дължина (приблизително) от 4 мм OD месингов прът. Вътрешният диаметър на пръта е достатъчен, за да може влакното да се плъзне гладко в пръта. Уверете се, че двата края на пръта са гладки, така че да не надраскате влакното, докато го плъзгате навътре и извън него.

Натиснете влакното в пръта, така че да е изравнено в единия край и с малка дължина, стърчаща от другия, или докрай, ако пръчката е по -дълга от влакното. След това потопете пръчката в дълбока тенджера, пълна с вряла вода, за около 15 секунди. Извадете пръта и преместете влакното, ако е необходимо, така че другият край да е изравнен с края на пръта, след което да го загреете по същия начин.

Сега трябва да имате идеално право парче влакна. Извадете, като избутате друго парче влакна, докато можете да хванете и отстранете изправеното влакно.

Когато изправите всичките дванадесет парчета влакна, изрежете още дванадесет парчета с дължина около 70 мм. Те ще се използват за насочване на влакната през свързващата плоча. След това, когато строителството приключи, те ще бъдат използвани за запълване на отделния влакнест съединител, така че да не се губят.

Изправете тези нарязани парчета по същия начин. След това ги поставете към плочата на съединителя. Можете да видите как трябва да изглеждат на снимката по -горе. Разположеното разположение е да минимизира площта, заемана от влакната (минимална сферична плътност на опаковане). Това гарантира, че комбиниращият влакно може да работи възможно най -ефективно.

Вземете всяко парче пълна дължина нарязани влакна и изпесъчете в единия край, като работите до 800 и след това шкурка от 1500 песъчинки. След това полирайте с метален или пластмасов лак - тук е удобен малък въртящ се инструмент с полираща подложка.

Сега извадете ЕДНО нарязано влакно и плъзнете влакното с пълна дължина в съединителната плоча. След това го поставете обратно през облекчението на напрежението, така че полираният край да докосва предната част на LED обектива чрез съединителя за LED влакна. Повторете за всяко влакно. Съхраняването на късите парчета влакна в отворите гарантира, че всяко дълго влакно е лесно да се постави на точното място.

ЗАБЕЛЕЖКА: Не натискайте прекалено силно на виолетовите и ултравиолетовите светодиоди. Те са капсулирани с мек полимерен материал за разлика от другите светодиоди, които са капсулирани с епоксидна смола. Лесно е да се деформира лещата и да се скъсат свързващите проводници. Повярвайте ми, научих това по трудния начин. Затова бъдете внимателни, когато монтирате влакната към тези два светодиода.

Няма голямо значение какъв ред препращате влакната през съединителя, но се опитайте да наслоите влакната, така че да не се пресичат една върху друга. В моя дизайн долните шест светодиода бяха насочени към най -долните три отвора за левите три светодиода и след това следващите три отвора за десните три светодиода и така нататък.

Когато всички влакна са направени през съединителя, поставете го върху основната платка и пробийте два монтажни отвора, след което го завийте.

След това, с помощта на много остри двойки диагонални фрези, изрежете всяко парче влакна възможно най -близо до лицето на съединителя. След това издърпайте всяко парче, шлайфайте и полирайте отрязания край и го сменете, преди да преминете към следващото влакно.

Не се притеснявайте, ако всички влакна не са точно изравнени с лицето на съединителя. Най -добре е да сгрешите отстрани, като ги поставите леко вдлъбнати, вместо да стърчат, но разликата в милиметър или два няма да има значение.

Стъпка 12: Конфигуриране на Raspberry Pi

Процесът на конфигуриране на Raspberry Pi е документиран в прикачения rtf документ, който е част от прикачения файл zip. Не се нуждаете от допълнителен хардуер, за да конфигурирате Pi, освен резервен USB порт на компютър, за да го включите, подходящ USB кабел и четец на SD карти, за да създадете изображение на MicroSD картата. Имате нужда и от MicroSD карта; 8G е повече от достатъчно голям.

Когато сте конфигурирали Pi и сте го включили в основната платка на контролера, той трябва да се появи като точка за достъп до WiFi. Когато свържете вашия компютър към тази точка за достъп и прегледате https://raspberrypi.local или https://172.24.1.1, трябва да видите горната страница. Просто плъзнете плъзгачите, за да настроите интензитета и дължината на вълната на светлината, която искате да видите.

Обърнете внимание, че минималният интензитет е 2; това е особеност на библиотеката Pi PWM.

Втората снимка показва устройството, емулиращо спектъра на CFL лампа, с емисии при приблизително 420nm, 490nm и 590nm (виолетово, тюркоазено и кехлибарено), съответстващи на типичните три лампи с фосфорно покритие.

Стъпка 13: Комбинаторът от влакна

Комбинаторът от влакнести лъч е направен от квадратна акрилна пръчка с размери 15 х 15 мм. Имайте предвид, че някои акрилни пластмаси имат прекомерна абсорбция в спектъра от 420 nm и по -ниски; за да проверите това, преди да започнете, осветете UV светодиода през пръта и се уверете, че той не отслабва прекомерно лъча (използвайте парче бяла хартия, за да можете да видите синия блясък от оптичните избелители в хартията).

Можете да отпечатате 3D принт за печат за шлайфане на пръта или да създадете свой собствен от подходящ пластмасов лист. Нарежете пръта на приблизително 73 мм и шлайфайте и полирайте двата края. След това фиксирайте джига към две противоположни страни на пръта с помощта на двустранна лепяща лента. Шлайфайте с хартия от 40 песъчинки, докато сте на 0,5 мм или повече от линиите на приспособление, след това постепенно увеличавайте до 80, 160, 400, 800, 1500, 3000, 5000 и накрая 7000 хартия, за да получите заострена полирана повърхност. След това извадете джига и го поставете отново, за да шлайфате другите две страни. Сега трябва да имате заострена пирамида, подходяща за монтаж в плочата на комбиниращия влакно. Тесният край е 6 мм х 6 мм, за да съответства на излитането на влакната.

Забележка: в моя случай не съм шлифовал съвсем до 6 мм х 6 мм, така че комбинаторът стърчи малко от монтажната плоча. Това няма значение, тъй като 6 -милиметровото влакно е подходящо за преса и ще се сблъска с тесния край на комбайнера, ако се натисне достатъчно далеч.

Отделете около 1 инч от външната обвивка от 6 мм влакно, като внимавате да не повредите самото влакно. След това, ако външната обвивка на влакното не е достатъчно плътно прилепнала към съединителната плоча, просто увийте около нея парче лента. След това трябва да може да се натиска и плътно да легне с комбиниращата пирамида. Монтирайте целия комплект към основната плоча в съответствие с изходите от влакна.

Имайте предвид, че губите малко светлина при комбинирането. Можете да видите причината от оптичните следи по -горе, защото концентрирането на светлината надолу също води до увеличаване на ъгъла на лъча и ние губим малко светлина в процеса. За максимален интензитет при една дължина на вълната, използвайте опционалната пластина за свързване на влакна, за да извадите светодиод или светодиоди директно към 3 мм влакно.

Стъпка 14: Отделната плоча на съединителя за изход от влакна

Това е само втори отпечатък на основното ръководство за влакна. Отново не забравяйте да отпечатвате в мащаб 105%, за да позволите просвет за влакната през отворите. Просто завинтвате тази плоча надолу в съответствие с основния водач на влакната, развийте комбайнерния модул и го заменете с тази плоча. Не забравяйте да го поставите правилно, дупките се подреждат само в една посока !.

Сега поставете тези 12 парчета влакна, които сте отрязали, в дупките в чинията. За да изберете една или повече дължини на вълната, просто отстранете едно парче влакно и поставете по -голяма дължина в отвора. Можете да изберете всички 12 дължини на вълната едновременно, ако желаете.

Стъпка 15: Повече мощност !. Повече дължини на вълните

Pi може да управлява повече канали, ако желаете. Наличието на светодиоди на други дължини на вълните обаче вероятно ще бъде предизвикателство. Можете да получите 365 nm UV светодиоди евтино, но гъвкавият 6 мм кабел от влакна започва да абсорбира силно дори при 390 nm. Въпреки това открих, че отделните влакна ще работят с тази дължина на вълната, така че ако искате, можете да добавите или замените светодиод, за да получите по -къса дължина на UV вълната.

Друга възможност е да увеличите яркостта чрез удвояване на светодиодите. Можете например да проектирате и отпечатате 5 X 5 влакнест съединител (или 4 X 6) и да имате 2 светодиода на канал. Имайте предвид, че ще ви трябва много по -голямо захранване, тъй като ще черпите почти 20 ампера. Всеки светодиод се нуждае от собствен падащ резистор; не успоредявайте светодиодите директно. MOSFET -тата имат повече от достатъчен капацитет, за да управляват два или дори няколко светодиода на канал.

Не можете наистина да използвате светодиоди с по -голяма мощност, защото те не излъчват светлина от малка площ като 3W светодиодите и затова не можете ефективно да ги свържете. Потърсете „консервация на etendue“, за да разберете защо това е така.

Загубата на светлина през комбинатора е доста голяма. Това за съжаление е следствие от законите на физиката. Намалявайки радиуса на лъча, ние също увеличаваме ъгъла му на отклонение и така част от светлината избягва, тъй като световодът и влакното имат само ъгъл на приемане около 45 градуса. Имайте предвид, че изходната мощност от отделните изходи на влакна е значително по -висока от комбинирания разклонител за дължина на вълната.