Dupin - сверхдешевый портативный многоволновой источник света: 11 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Названный в честь Огюста Дюпена, который считается первым вымышленным детективом, этот портативный источник света работает от любого зарядного устройства USB на 5 В для телефона или блока питания. Каждая светодиодная головка закрепляется на магнитах. В этом устройстве используются недорогие светодиоды в виде звезды мощностью 3 Вт, активно охлаждаемые небольшим вентилятором, что делает его компактным, но обеспечивает широкий диапазон длин волн высокой интенсивности. Конечно, он также поддерживает белые светодиоды для полноцветной подсветки.

На изображениях показан выходной сигнал при 415 нм, 460 нм, 490 нм, 525 нм, 560 нм и 605 нм.

Однако используемые светодиоды: 365 нм, 380 нм, 415 нм, 440 нм, 460 нм, 490 нм, 500 нм, 525 нм, 560 нм, 570 нм, 590 нм, 605 нм, 630 нм, 660 нм и 740 нм. Также показаны «белый дневной свет» светодиод и светодиод полного спектра PAR, излучающий розовый свет без зеленой составляющей, предназначенный в первую очередь для садоводства.

Питание от источника постоянного тока с малым падением напряжения, устройство предлагает 100 настроек яркости с помощью поворотного энкодера и сохраняет последнюю настройку яркости при выключении питания, тем самым автоматически возвращаясь к последней настройке яркости при повторном включении.

Устройство не использует ШИМ для управления яркостью, поэтому нет мерцания, что облегчает его использование в ситуациях, когда вы хотите фотографировать или видеоизображения без артефактов.

Источник постоянного тока оснащен широкополосным усилителем и выходным каскадом, допускающим линейную или импульсную модуляцию до нескольких сотен килогерц или даже для импульсной модуляции почти до одного мегагерца. Это полезно для измерения флуоресценции или для экспериментов с передачей световых данных и т. Д.

Вы также можете использовать источник постоянного тока для управления несколькими светодиодами. Например, используя источник питания 24 В, вы можете управлять 10 красными светодиодами с падением напряжения 2,2 В на каждый светодиод.

Обратите внимание, что в этом сценарии вы по-прежнему запитываете основную цепь управления напряжением 5 В, но подключаете коллектор силового транзистора к более высокому напряжению. Для получения дополнительной информации см. Последний шаг в этом руководстве.

Приложения включают в себя судебную экспертизу, микроскопию, экспертизу документов, коллекционирование марок, энтомологию, флуоресценцию минералов, УФ, ИК и визуальную фотографию, колориметрию и светографию.

Запасы

Практически во всех случаях это поставщики, которых я действительно использовал, за исключением случайного продавца, который больше не продает этот товар или больше не находится на eBay / Amazon.

Этот список охватывает большинство необходимых вам предметов, за исключением провода, вилки вилки 2,5 мм и крепежных винтов.

Радиаторы 20мм для светодиодов

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

Большинство светодиодов мощностью 3 Вт поставляются

futureeden.co.uk/

FutureEden также поставляет светодиодные линзы с различными углами наклона, включая 15, 45 и 90 градусов. В прототипе я использовал линзы под углом 15 градусов.

Светодиоды 560нм и 570нм

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

490нм светодиоды

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

365нм светодиоды

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

Транзистор силовой Д44Х11

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

Штифты для полок 5 мм

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

Вентилятор и радиатор

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

Печатные платы

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

Магнитные соединители

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

Гнездо питания 2,5 мм

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

BAT43 диод Шоттки

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

Комплект малосигнальных транзисторов (включая BC327 / 337, используемый в этом проекте)

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

Поворотный энкодер (продавца, которого я использовал, больше нет на eBay, но это тот же блок)

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

X9C104P (это от другого продавца)

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

TLV2770

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

Монитор тока USB (опционально)

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

Шаг 1: Сборка корпуса

Корпус основного блока и светодиодная головка напечатаны на 3D-принтере. Маленькая плоская задняя панель прикрепляется к задней части корпуса для поддержки кодировщика. Питание осуществляется через стандартную розетку 2,5 мм. Стандартный USB-кабель перерезается, чтобы сделать шнур питания.

Все товары печатаются из PLA со 100% заполнением и толщиной слоя 0,2 мм. Файлы STL включены в качестве вложений.

Распечатайте корпус в сборе вертикально так, чтобы задняя часть корпуса находилась на опорной плите. Никаких опор не требуется.

Шаг 2: сборка светодиодной головки

Каждая сборка светодиодной головки состоит из двух частей, напечатанных на 3D-принтере, верхней части головки и задней крепежной пластины. Распечатайте их в PLA со 100% заполнением и высотой слоя 0,2 мм. Никаких опор не требуется. На задней крепежной пластине должна быть нанесена печать так, чтобы плоская задняя поверхность касалась опорной пластины.

Обратите внимание, что на показанных ранее stl-изображениях задняя панель ориентирована на 180 градусов наружу - плоская сторона является внешней поверхностью задней панели, когда вы соединяете элементы вместе.

Каждая головка в сборе имеет радиатор размером 20 мм x 10 мм с прикрепленным к нему светодиодом, вставленным в верхний узел. На фотографиях показано, как его собрать. Начните с отделения бумаги от клейкой площадки и приклейте светодиод, следя за тем, чтобы светодиодный радиатор полностью находился в пределах 20-миллиметрового контура радиатора.

Затем припаяйте два провода к светодиоду, а затем вставьте радиатор в узел верхней головки, следя за тем, чтобы ребра радиатора были ориентированы, как показано на фотографиях. Это необходимо для максимального увеличения воздушного потока для охлаждения.

После установки радиатора протяните провода и отрежьте их, как показано на фотографии, оставив около 3/4 дюйма провода. Зачистите и залудите концы проводов.

Светодиодная головка соединяется с корпусом двумя штырями, которые сделаны из никелированных стальных штырей полок. Они идеально подходят для работы, поскольку у них есть фланец, который позволяет нам зафиксировать их на месте.

Используя зубило паяльника большего диаметра, залудите верхнюю часть каждого штифта. Удерживайте штифты в тисках или, в идеале, в одном из тех маленьких рабочих столов, как показано на рисунке - они также очень удобны для изготовления кабелей.

Затем прикрепите провода к контактам, убедившись, что провода направлены прямо вверх, как показано. Дайте остыть.

Когда штифты остынут, прикрепите заднюю крепежную пластину с помощью 2 крепежных винтов M2 12 мм и гаек. Перед тем, как сделать это, убедитесь, что монтажные отверстия на задней пластине очищены спиральным сверлом или конической разверткой. Стальные штифты должны слегка раскачиваться. Это важно для обеспечения надежности магнитных контактов.

Примечание. Я использовал нейлоновые винты и гайки для одних устройств, а для других - стальные. Стальные, вероятно, нуждаются в стопорных шайбах, так как в противном случае они со временем откручиваются; нейлоновые винты имеют тенденцию к большему трению, и это не проблема.

При желании прикрепите линзу к светодиоду, если вы хотите коллимировать луч, который в остальном довольно широкий.

Шаг 3: основная печатная плата

Основная печатная плата построена с использованием матричной платы 30 x 70 мм. Это широко доступные высококачественные плиты из стекловолокна со сквозными отверстиями толщиной 0,1 дюйма.

Для двухточечной проводки используется так называемый «карандашный провод», который представляет собой эмалированный медный провод толщиной примерно 0,2 мм. Изоляция плавится обычным наконечником паяльника.

Поворотный энкодер припаян прямо к торцу платы. Обратите внимание, что контакты энкодера подключены к нижней части платы.

В приведенных ниже шагах вы создадите отдельные части всей схемы и протестируете их, прежде чем продолжить. Это гарантирует правильную работу готовой печатной платы.

На фотографиях показана плата в процессе сборки. На обратной стороне видна проволока для карандашей, соединяющая большинство компонентов. Более толстый провод используется там, где задействованы более высокие токи. Некоторые обрезанные выводы компонентов используются для создания шины питания и заземления вверху и внизу платы.

Примечание: места мало. Установите резисторы вертикально, чтобы сэкономить место. Компоновка здесь «эволюционировала» по мере сборки платы, и я был немного оптимистичен в отношении необходимого места и должен был установить все резисторы вертикально, а не горизонтально, как показано.

Соединения выполняются с использованием «веропинов», но вы также можете использовать петлю из компонентного провода с расширенными концами снизу; однако для этого требуется два отверстия на соединение, а не одно со штифтом.

Шаг 4: Схема энкодера

Я нарисовал схему в виде нескольких отдельных схем. Это сделано для того, чтобы вы могли ясно видеть, что делает каждая часть. Вы должны построить схему поэтапно, проверяя правильность работы каждой части, прежде чем добавлять следующую. Это гарантирует, что все это будет работать правильно без утомительного поиска и устранения неисправностей.

Прежде чем начать, пару слов о пайке. Я использую этилированный припой, а не неэтилированный. Это связано с тем, что с неэтилированным припоем труднее работать в сценариях ручной пайки. Жестянка плохо и просто вообще мучительно. Свинцовый припой достаточно безопасен, и при работе с ним вы не подвергнетесь воздействию каких-либо опасных паров. Просто руководствуйтесь здравым смыслом и мойте руки после пайки, а также перед едой, питьем или курением. Amazon продает качественные рулоны тонкого свинцового припоя.

Интерфейс кодировщика

Это очень просто. Энкодер имеет три контакта: A, B и C (общие). Как видите, мы заземляем вывод C, а выводы A и B подтягиваем через резисторы 10 кОм. Затем мы добавляем конденсаторы 10 нФ на землю, чтобы сгладить дребезг контактов, который может вызвать неустойчивую работу.

Затем контакты A и B подключаются к контактам INC и U / D на микросхеме цифрового потенциометра. (X9C104). Подключите эту цепь и подключите контакты питания и заземления X9C104. Добавьте также развязывающие конденсаторы емкостью 470 мкФ и 0,1 мкФ.

Контакты энкодера должны быть припаяны к нижней части печатной платы; отверстие в задней пластине совместится с валом энкодера.

Временно подключите вывод CS на X9C104P к + 5В. Позже мы подключим это к другой части схемы.

Теперь подключите 5 В к цепи и с помощью измерителя убедитесь, что сопротивление между выводами H и W на X9C104P плавно изменяется от почти 0 Ом до 100 кОм при вращении энкодера.

Шаг 5: Схема источника постоянного тока

Как только вы убедитесь, что схема кодировщика работает, самое время построить блок питания постоянного тока. Подключите питание и заземление операционного усилителя TLV2770, а затем подключите, как показано, к контактам H, W и L X9C104P.

Убедитесь, что вы подключили резистор измерения тока 0,1 Ом непосредственно к контакту заземления TLV2770, а затем подключили «звездой» остальные заземленные компоненты к этой точке (катод 1N4148, резистор 10 кОм, конденсатор 0,1 мкФ). Затем подключите эту точку заземления к шине заземления на печатной плате. Это гарантирует, что небольшие сопротивления между шиной заземления и резистором, чувствительным к току, не будут восприниматься операционным усилителем как ошибочное считывание напряжения. Помните, что при 750 мА напряжение на резисторе 0,1 Ом составляет всего 75 мВ.

Временно подключите линию SHDN к + 5В. Мы подключим это к другой части схемы позже.

Используемый нами охлаждающий вентилятор предназначен для Raspberry Pi. Он поставляется с набором радиаторов, один из которых мы будем использовать для основного силового транзистора.

Силовой транзистор D44H11 следует устанавливать под прямым углом к плате, прикрепляя к самому большому радиатору, который поставляется с комплектом вентиляторов Raspberry Pi.

Резистор 680 кОм может нуждаться в регулировке, чтобы гарантировать, что максимальный ток через светодиоды не превышает 750 мА.

Подключите снова + 5V и светодиод питания, установленный на радиаторе. Теперь убедитесь, что вы можете плавно изменять ток через светодиод, вращая энкодер. Минимальный ток выбран равным примерно 30 мА, что должно быть достаточно, чтобы гарантировать, что большинство 5-вольтовых блоков питания мобильных телефонов не отключатся автоматически при минимальной яркости.

Дополнительный USB-монитор тока является здесь полезным аксессуаром, но если вы его используете, вам, очевидно, сначала придется сделать шнур питания, как обсуждается в следующем разделе.

Примечание: светодиоды с более короткой длиной волны сильно нагреваются при высоком токе, поскольку мы еще не охлаждаем радиатор вентиляторами, поэтому во время тестирования время работы должно быть достаточно коротким (несколько минут).

Как это работает: напряжение на резисторе измерения тока сравнивается с опорным напряжением. Операционный усилитель регулирует свой выход, чтобы гарантировать, что два входа имеют одинаковое напряжение (игнорируя входное напряжение смещения операционного усилителя). Конденсатор 0,1 мкФ на цифровом потенциометре служит двум целям; он отфильтровывает шум накачки заряда 85 кГц от устройства X9C104, а также гарантирует, что при включении потребляемый ток равен нулю. Как только операционный усилитель и обратная связь стабилизируются, напряжение на конденсаторе повысится до требуемого напряжения. Это предотвращает скачки тока включения через нагрузку.

Транзистор D44H11 был выбран потому, что он имеет адекватный номинальный ток и высокое минимальное усиление не менее 60, что хорошо для силового транзистора. Он также имеет высокую частоту среза, которая при необходимости обеспечивает высокоскоростную модуляцию источника тока.

Шаг 6: Схема управления питанием

Схема управления питанием в первую очередь превращает переключатель мгновенного действия на поворотном энкодере в переключатель питания.

Транзисторы BC327 и BC337 используются, потому что они имеют довольно высокое усиление и максимальный ток коллектора 800 мА, что удобно для переключателя вентилятора, когда вентилятор потребляет около 100 мА. Я купил дешевый набор различных транзисторов малой мощности, который включает в себя широкий спектр полезных устройств. Обратите внимание, что в прототипе эти транзисторы имеют суффикс -40, указывающий на самый высокий коэффициент усиления. Хотя я сомневаюсь, что это имеет большое значение, и вы должны получить аналогичные устройства, если приобретете тот же комплект, просто помните об этом.

Питание регулируется переключением вывода SHDN на операционном усилителе TLV2770. Когда на выводе SHDN низкий уровень, операционный усилитель отключен, а когда он высокий, операционный усилитель работает нормально.

Схема управления питанием также управляет линией CS на цифровом потенциометре X9C104. Когда питание отключается, линия CS переходит в высокий уровень, гарантируя, что текущая настройка потенциометра будет записана обратно в его энергонезависимую флэш-память.

Как это работает: изначально соединение резистора 100 кОм и конденсатора 1 мкФ находится на + 5 В. При нажатии переключателя мгновенного действия высокое напряжение передается через конденсатор 10 нФ на базу Q1, которая включается. При этом он понижает уровень коллектора, что также приводит к включению Q2. Затем схема фиксируется через резистор обратной связи 270 кОм, гарантируя, что Q1 и Q2 остаются включенными, а на выходе SHDN высокий уровень.

В этот момент соединение резистора 100 кОм и конденсатора 1 мкФ теперь замыкается транзистором Q1. Таким образом, когда переключатель мгновенного действия нажимается снова, база Q1 опускается на низкий уровень, выключая его. Коллектор поднимается до +5 В при выключении Q2, и на выходе SHDN теперь низкий уровень. На этом этапе схема вернулась в исходное состояние.

Соберите схему управления питанием и подключите к ней переключатель без фиксации на кодировщике. Убедитесь, что SHDN переключается каждый раз, когда вы нажимаете переключатель, и что когда SHDN низкий, CS высокий и наоборот.

Временно подключите охлаждающий вентилятор к коллектору Q3 и шине + 5V (которая является положительным выводом вентилятора) и убедитесь, что при высоком уровне SHDN вентилятор включается.

Затем подключите схему управления питанием к источнику постоянного тока и подключите CS к цифровому потенциометру X9C104P, удалив временное заземление. Подключите SHDN к TLV2770, а также удалите временную ссылку на этот контакт.

Теперь вы должны быть в состоянии подтвердить, что схема правильно включается и включается и выключается при нажатии переключателя энкодера.

Шаг 7: Схема защиты от сбоев

Как и в случае с большинством источников питания постоянного тока, возникает проблема, если нагрузка отключается, а затем снова подключается. Когда нагрузка отключена, Q4 насыщается, поскольку операционный усилитель пытается пропустить ток через нагрузку. При повторном подключении нагрузки, поскольку Q4 полностью включен, через него в течение нескольких микросекунд может протекать высокий переходный ток. Хотя эти светодиоды мощностью 3 Вт достаточно устойчивы к переходным процессам, они все же превышают номинальные значения, указанные в таблице данных (1 А для 1 мс), и если бы нагрузкой был чувствительный лазерный диод, он мог бы легко выйти из строя.

Схема защиты от короткого замыкания контролирует базовый ток через Q4. Когда нагрузка отключена, это возрастает примерно до 30 мА, в результате чего напряжение на резисторе 27 Ом поднимается достаточно, чтобы включить Q5, а это, в свою очередь, вызывает включение Q6, а затем его коллектор падает почти до земли. Диод Шоттки (выбран потому, что его прямое напряжение 0,4 В меньше 0,7 В, требуемого для включения транзистора), затем подтягивает линию FLT к низкому уровню, отключая Q1 и Q2 и, таким образом, отключая питание.

Это гарантирует, что нагрузка никогда не будет подключена при включенном питании, что позволяет избежать потенциально опасных переходных процессов.

Шаг 8: Сборка

Припаяйте магнитные муфты к короткому отрезку достаточно толстого провода (около 6 дюймов в длину), убедившись, что провод пройдет через отверстия в корпусе.

Убедитесь, что отверстия в корпусе чистые - используйте спиральное сверло, чтобы убедиться в этом, и сверло меньшего размера, чтобы отверстия для проволоки сзади были чистыми.

Теперь, используя светодиодную головку, закрепите соединители на штифтах головки и вставьте в корпус. Светодиодная головка должна соответствовать так, чтобы, когда вы смотрите на шпоночную канавку, был крошечный зазор между шпоночной канавкой и корпусом. Убедившись, что соединители подходят правильно, нанесите небольшую каплю эпоксидной смолы на заднюю часть каждой, вставьте вместе со светодиодной головкой и поместите ее где-нибудь в стороне, пока клей не затвердеет. Я подключил свои светодиодные головки так, чтобы задняя пластина головки была обращена к вам, а шпоночный паз был направлен вверх, а положительное соединение находилось на вашей правой стороне.

Как только клей затвердеет, снимите головку, а затем установите вентилятор так, чтобы этикетка была видна, то есть воздушный поток выталкивает воздух через радиатор головки. Я использовал два крепежных винта M2 X 19 мм и гайковерт для крепления вентилятора, это неудобно, но вставьте его с задней стороны корпуса, и тогда вы сможете все выровнять и закрепить.

Теперь вы можете установить разъем питания 2,5 мм и подключить все провода к печатной плате, оставив достаточно свободного места, чтобы вы могли легко подключить его, а затем вставить в корпус на направляющих, напечатанных на корпусе.

Задняя пластина в сборе крепится четырьмя маленькими саморезами. Обратите внимание, что положение вала энкодера не совсем отцентрировано на пластине, поэтому убедитесь, что вы поворачиваете его, пока отверстия для винтов не совпадут.

Шаг 9: USB-кабель питания

Кабель питания сделан из дешевого USB-кабеля. Отрежьте кабель примерно на расстоянии 1 дюйма от USB-разъема большего размера и зачистите его. Красный и черный провода - это питание и земля. Подключите к ним какой-нибудь более толстый кабель с цифрой 8, используя термоусадочную пленку для изоляции, а затем на другом конце припаяйте стандартную вилку питания 2,5 мм.

Мы обрезаем USB-кабель, потому что провода слишком тонкие, чтобы пропускать ток, и в противном случае напряжение упадет слишком сильно.

Шаг 10: Вариант модуляции и оптоволоконная связь

Для модуляции источника тока отключите конденсатор 0,1 мкФ и вывод W от неинвертирующего входа операционного усилителя и подключите этот вход к земле через резистор на 68 Ом. Затем подключите резистор на 390 Ом к неинвертирующему входу. Другой конец резистора является входом модуляции, при этом 5 В выводят светодиод на полный ток. Вы можете установить на плату пару перемычек, чтобы облегчить переключение с энкодера на внешнюю модуляцию.

Вы можете использовать STL из проекта Angstrom для 3-миллиметровых оптоволоконных соединителей, если вы хотите подключить светодиоды к оптоволокну, например, для микроскопии и т. Д.

Шаг 11: включение нескольких светодиодов

Вы можете использовать драйвер постоянного тока для управления несколькими светодиодами. Светодиоды нельзя подключать параллельно, так как один светодиод потребляет большую часть тока. Поэтому вы подключаете светодиоды последовательно, а затем подключаете анод верхнего светодиода к соответствующему источнику питания, оставляя основную цепь управления по-прежнему работающей на 5 В.

В большинстве случаев проще использовать отдельный источник питания для светодиодов, а все остальное оставить на стандартном зарядном устройстве для телефона.

Чтобы рассчитать напряжение, возьмите количество светодиодов и умножьте их на падение напряжения для каждого светодиода. Затем оставьте запас около 1,5 В. Например, для 10 светодиодов с падением напряжения 2,2 В каждый требует 22 В, поэтому источник питания 24 В будет работать нормально.

Вам нужно убедиться, что напряжение на силовом транзисторе не слишком высокое, иначе он станет слишком горячим - в соответствии с здесь разработкой оно упадет почти на 3 В в худшем случае (управление инфракрасным светодиодом с низким прямым напряжением), так что это максимум, к которому вы должны стремиться, если не хотите использовать радиатор большего размера. В любом случае я бы держал напряжение ниже 10 В, потому что вы начинаете попадать в ограничения по току, основанные на безопасной рабочей области транзистора.

Обратите внимание, что излучатели с более короткой длиной волны имеют более высокое прямое напряжение, а светодиоды с длиной волны 365 нм теряют почти 4 В. При последовательном подключении 10 из них упадет 40 В, а для стандартного источника питания 48 В потребуется радиатор большего размера на силовом транзисторе. В качестве альтернативы вы можете использовать несколько диодов на 1 А, последовательно соединенных со светодиодами, чтобы понизить дополнительное напряжение на 0,7 В на диод, скажем, 8, чтобы упасть 5,6 В, и тогда на силовом транзисторе останется только 2,4 В.

Я бы опасался использовать более высокое напряжение, чем это. Вы начинаете сталкиваться с проблемами безопасности, если вступаете в контакт с источником питания. Убедитесь, что вы установили соответствующий предохранитель последовательно со светодиодами; Как здесь разработано, источник питания 5 В имеет безопасное ограничение тока, и оно нам не нужно, но в этом сценарии нам, безусловно, нужна защита от короткого замыкания. Обратите внимание, что замыкание такой цепочки светодиодов, вероятно, приведет к довольно впечатляющему расплавлению силового транзистора, так что будьте осторожны! Если вы хотите запитать больше светодиодов, вам, вероятно, понадобится параллельный набор источников тока. Вы можете использовать несколько копий драйвера постоянного тока (вместе со своей собственной схемой защиты от сбоев) и совместно использовать общий кодировщик, схему управления мощностью и опорное напряжение между ними, каждая копия будет иметь свой собственный силовой транзистор и управлять, скажем, 10 светодиодами.. Вся схема может быть подключена параллельно, потому что каждый драйвер постоянного тока обрабатывает одну цепочку светодиодов в этом сценарии.