Dupin-en ultra-lavpris bærbar lyskilde med flere bølgelengder: 11 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Denne bærbare lyskilden er oppkalt etter Auguste Dupin, ansett for å være den første fiktive detektiven, og driver alle 5V USB -telefonladere eller strømforsyninger. Hvert LED -hode klemmes på magnetisk. Ved å bruke rimelige 3W stjernelys, aktivt avkjølt av en liten vifte, er enheten kompakt, men tilbyr et bredt spekter av bølgelengder med høy intensitet. Selvfølgelig støtter den også hvite lysdioder for belysning i full farge.

Bildene her viser utgang på 415nm, 460nm, 490nm, 525nm, 560nm og 605nm.

LEDene som brukes er imidlertid 365nm, 380nm, 415nm, 440nm, 460nm, 490nm, 500nm, 525nm, 560nm, 570nm, 590nm, 605nm, 630nm, 660nm og 740nm. Det vises også en "dagslys hvit" LED og en PAR fullspektret LED som gir et rosa lys uten grønn komponent, først og fremst beregnet på hagebruk.

Drevet av en konstant strømkilde med lav frafallsspenning, tilbyr enheten 100 lysstyrkeinnstillinger via en roterende encoder og lagrer den siste lysstyrkeinnstillingen når den slås av, og går dermed automatisk tilbake til den siste lysstyrkeinnstillingen når den slås på igjen.

Enheten bruker ikke PWM til å styre lysstyrken, så det er ingen flimmer, noe som letter bruken i situasjoner der du vil fotografere eller videobilder uten artefakter.

Den konstante strømkilden har en bred båndbreddeforsterker og utgangstrinn, som tillater lineær eller pulsmodulering opp til flere hundre kilohertz eller til og med for pulsmodulering opp til nesten ett megahertz. Dette er nyttig for fluorescensmåling eller for eksperimentering med lett datakommunikasjon etc.

Du kan også bruke konstant strømkilde til å drive flere lysdioder. For eksempel, ved å bruke en 24V strømforsyning kan du drive 10 røde lysdioder med et spenningsfall på 2,2V per LED.

Vær oppmerksom på at du fortsatt driver hovedkontrollkretsen med 5V i dette scenariet, men koble kollektoren til effekttransistoren til en høyere spenning. For mer informasjon, se det siste trinnet i denne instruksjonsboken

Søknadene inkluderer rettsmedisin, mikroskopi, dokumentundersøkelse, frimerkeinnsamling, entomologi, mineralfluorescens, UV, IR og visuell fotografering, kolorimetri og lysmaling.

Rekvisita

I nesten alle tilfeller er dette leverandørene jeg faktisk brukte, bortsett fra den rare selgeren som ikke lenger lagerfører varen eller ikke lenger er på eBay/Amazon.

Denne listen dekker de fleste elementene du trenger, unntatt ledning, 2,5 mm hankontakt og maskinskruer.

20 mm kjøleribber for lysdiodene

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

De fleste 3W -LEDene leveres av

futureeden.co.uk/

FutureEden leverer også LED -objektiver som er tilgjengelige i en rekke vinkler, inkludert 15, 45 og 90 grader. Jeg brukte 15 graders objektiver i prototypen.

560nm og 570nm lysdioder

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

490nm lysdioder

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

365nm lysdioder

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

D44H11 effekttransistor

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

5 mm hyllepinner

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

Vifte og kjøleribbe

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

PCB

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

Magnetiske kontakter

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

2,5 mm hunkontakt

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

BAT43 Schottky -diode

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

Små signaltransistorsett (inkl BC327/337 brukt i dette prosjektet)

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

Rotary encoder (selgeren jeg brukte er ikke lenger på eBay, men dette er den samme enheten)

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

X9C104P (dette er fra en annen selger)

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

TLV2770

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

USB -strømmonitor (valgfritt)

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

Trinn 1: Kassemontering

Hovedenhetens etui og LED -hode er 3D -trykte. En liten flat bakplate festes på baksiden av saken for å støtte koderen. Strøm leveres via en standard 2,5 mm stikkontakt. En standard USB -kabel er kuttet for å lage strømledningen.

Alle elementene er trykt i PLA med 100% utfylling og en laghøyde på 0,2 mm. STL -filene er inkludert som vedlegg.

Skriv ut kabinettet forsiktig med baksiden av saken på bunnplaten. Ingen støtte er nødvendig.

Trinn 2: LED -hodemontering

Hver LED -hodemodul består av to 3D -trykte deler, den øvre hodemodulen og den bakre festeplaten. Skriv ut disse i PLA ved 100% utfylling og 0,2 mm laghøyde. Ingen støtte er nødvendig. Bakre festeplate skal skrives ut med den flate bakre overflaten som berører grunnplaten.

Vær oppmerksom på at stl -bildene som er vist tidligere har bakplaten orientert 180 grader ut - den flate siden er den ytre overflaten av bakplaten når du bolter ting sammen.

Hver hodemodul har deretter en 20 mm x 10 mm kjøleribbe med LED -festet press montert i den øvre enheten. Fotografiene viser hvordan du monterer det. Start med å skrelle papiret av den selvklebende puten og sett på LED -en, og sørg for å holde LED -kjøleribben helt innenfor omrisset på 20 mm.

Deretter loddes to ledninger til LED -en, og skyves deretter kjøleribben inn i den øvre hodemodulen, og passer på at kjøleribberne er orientert som vist på bildene. Dette er for å maksimere luftstrømmen for kjøling.

Når du har kjøleribben montert, trekker du ledningene gjennom og kutter som vist på bildet, og etterlater omtrent 3/4 tommer ledning. Strip og tinn endene på ledningene.

LED -hodet kobles til saken via to pinner som er laget av forniklet stålhylle. Disse er perfekte for jobben ettersom de har en flens som lar oss låse dem på plass.

Tinn toppen av hver tapp med en meisel loddetårn. Hold pinnene i en skruestikk eller ideelt sett en av de små arbeidsbenk -gadgetene som vist - de er også veldig nyttige for å lage kabler.

Fest deretter ledningene til pinnene, og sørg for at ledningen peker rett opp, som vist. La avkjøle.

Når pinnene er avkjølt, fest festeplaten på baksiden med 2 X M2 12 mm maskinskruer og muttere. Kontroller før du gjør dette at bakplatens monteringshull har blitt rengjort med et skruehull eller en konisk reamer. Stålpinnene skal kunne vingle litt. Dette er viktig for å sikre at de magnetiske kontaktene er pålitelige.

Merk: Jeg brukte nylonskruer og muttere for noen enheter og deretter stål for de andre. Stålene trenger sannsynligvis låseskiver i tillegg til at de ellers har en tendens til å komme skrudd over tid; nylonskruer har en tendens til å ha mer friksjon, og dette er mindre et problem.

Alternativt kan du feste et objektiv til LED -en hvis du vil samle strålen, som ellers er ganske bred.

Trinn 3: Hoved -PCB

Hovedkortet er konstruert ved hjelp av et 30 x 70 mm matrisekort. Disse er allment tilgjengelige glassfiberplater av høy kvalitet med en 0,1 tommers matrise med gjennomhullede hull.

Punkt-til-punkt-ledningene bruker såkalt 'blyanttråd', som er omtrent 0,2 mm emaljert kobbertråd. Isolasjonen smelter med en vanlig loddejernstuss.

Den roterende encoderen er loddet direkte til enden av brettet. Vær oppmerksom på at koderpinnene er koblet til bunnen av brettet.

I trinnene nedenfor vil du bygge individuelle deler av hele kretsen og teste dem før du fortsetter. Dette sikrer at det ferdige kretskortet skal fungere korrekt.

Fotografiene viser tavlen under montering. Blyanttråden kan sees på baksiden, som forbinder de fleste komponentene. Tykkere ledning brukes der høyere strøm er involvert. Noen avskårne komponentledninger brukes til å lage en kraft- og bakkeskinne øverst og nederst på brettet.

Merk: plassen er trang. Monter motstander vertikalt for å spare plass. Oppsettet her 'utviklet' seg da brettet ble satt sammen, og jeg var litt optimistisk om nødvendig plass og burde ha montert alle motstandene vertikalt og ikke horisontalt som vist.

Tilkoblinger gjøres ved hjelp av 'veropins', men du kan også bruke en sløyfe med komponenttråd, med endene spredt under; men dette tar to hull per tilkobling i stedet for et med en pinne.

Trinn 4: Koderkrets

Jeg har tegnet kretsen som flere separate skjemaer. Dette er slik at du tydelig kan se hva hver del gjør. Du bør konstruere kretsen i trinn og teste at hver del fungerer som den skal før du legger til den neste delen. Dette sikrer at det hele fungerer som det skal uten mye kjedelig feilsøking.

Før jeg begynner, et ord om lodding. Jeg bruker blyet loddetinn, ikke blyfritt. Dette er fordi blyfri lodding er mye vanskeligere å jobbe med i håndlodingsscenarier. Det tenner dårlig og er bare generelt vondt. Blyet loddetinn er ganske trygt, og du vil ikke bli utsatt for farlige røyk mens du arbeider med det. Bare bruk sunn fornuft og vask hendene etter lodding og før du spiser, drikker eller røyker. Amazon selger ruller av finmåler loddetinn av god kvalitet.

Kodergrensesnittet

Dette er ganske enkelt. Koderen har tre pinner, A, B og C (vanlig). Som du kan se, jordet vi C -pinnen, og vi trekker opp A- og B -pinnene via 10K motstander. Deretter legger vi til 10nF kondensatorer til bakken for å jevne ut kontaktstopp, noe som kan forårsake uregelmessig drift.

A- og B -pinnene kobles deretter til INC- og U/D -pinnene på den digitale potten IC. (X9C104). Koble til denne kretsen og koble til X9C104 strøm- og bakkepinner også. Legg til 470uF og 0.1uF effektfrakoblingskondensatorer på dette tidspunktet også.

Koderpinnene skal loddes til bunnen av kretskortet; hullet i bakplaten vil deretter være i tråd med encoder akselen.

Led CS -pinnen midlertidig på X9C104P til +5V. Vi vil koble dette opp til en annen del av kretsen senere.

Koble nå 5V til kretsen og bruk en måler til å kontrollere at motstanden mellom H- og W -pinnene på X9C104P endres jevnt mellom nesten 0 ohm og 100K ohm mens du roterer encoderen.

Trinn 5: Strømforsyningskrets med konstant strøm

Når du er sikker på at koderkretsene fungerer, er det på tide å bygge en konstant strømforsyningsseksjon. Koble TLV2770 op-amp-strøm og jord og deretter ledning som vist, og koble til H-, W- og L-pinnene på X9C104P.

Sørg for at du kobler den 0,1 ohm strømfølende motstanden direkte til jordpinnen på TLV2770 og deretter 'star' koble de gjenværende jordede komponentene til dette punktet (1N4148 katode, 10K motstand, 0.1uF kondensator). Koble deretter dette jordpunktet til jordskinnen på kretskortet. Dette sikrer at små motstander mellom jordskinnen og den nåværende sensormotstanden ikke blir sett av opampen som feilaktige spenninger. Husk at ved 750mA er spenningen over 0,1 ohm motstanden bare 75mV.

Koble SHDN -linjen midlertidig til +5V. Vi kobler dette til en annen del av kretsen senere.

Kjøleviften vi bruker er beregnet på en Raspberry Pi. Den kommer, praktisk, med et sett med kjøleribber, hvorav den ene vil vi bruke for hovedtransistoren.

D44H11 -effekttransistoren bør monteres i rett vinkel mot brettet, festet til den største kjøleribben som følger med Raspberry Pi -viftesettet.

680K -motstanden må kanskje justeres for å sikre at maksimal strøm gjennom lysdiodene ikke er mer enn 750mA.

Koble til +5V igjen og en strøm -LED, montert på en kjøleribbe. Kontroller nå at du enkelt kan endre strømmen gjennom lysdioden ved å rotere koderen. Minimumsstrømmen er valgt til å være omtrent 30mA, noe som bør være tilstrekkelig for å sikre at de fleste 5V mobiltelefonpakkene ikke slås av automatisk med minimum lysstyrke.

Den valgfrie USB -strømmonitoren er et nyttig tilbehør her, men hvis du bruker den, må du tydeligvis først lage strømledningen, som diskutert i delen senere.

Merk: Lysdiodene med kortere bølgelengde vil bli ganske varme med høy strøm, ettersom vi ikke kjøler kjøleribben enda, så hold kjøretiden ganske kort (et par minutter) under testing.

Slik fungerer det: spenningen over den nåværende sensormotstanden sammenlignes med referansespenningen. Opampen justerer utgangen for å sikre at de to inngangene har samme spenning (ignorerer inngangsspenningen til opampen). 0.1uF kondensatoren over det digitale potensiometeret tjener to formål; den filtrerer bort 85KHz ladepumpestøy fra X9C104 -enheten, og den sikrer også at etterspenningsstrømmen er null ved oppstart. Når opampen og tilbakemeldingen har stabilisert seg, vil spenningen over kondensatoren stige til behovsspenningen. Dette forhindrer oppstart av strømspenninger gjennom lasten.

D44H11 -transistoren ble valgt fordi den har tilstrekkelige strømverdier og en høy minimumsforsterkning på minst 60, noe som er bra for en effekttransistor. Den har også en høy cutoff-frekvens som muliggjør høyhastighets modulering av strømkilden om nødvendig.

Trinn 6: Strømstyringskrets

Strømstyringskretsen gjør først og fremst den momentane handlingsbryteren på dreiekoderen til en vekslende strømbryter.

BC327 og BC337 transistorer brukes fordi de har ganske høy forsterkning og en maksimal kollektorstrøm på 800mA, noe som er praktisk for viftebryteren der viften trekker rundt 100mA. Jeg kjøpte et billig sett med diverse små signaltransistorer som inkluderer et bredt spekter av nyttige enheter. Vær oppmerksom på at i prototypen har disse transistorene -40 -suffikset som indikerer den høyeste forsterkningsbeholderen. Selv om jeg tviler på at dette er så viktig, og du bør kjøpe lignende enheter hvis du kjøper det samme settet, må du bare være oppmerksom på dette.

Strømmen styres ved å bytte SHDN -pinne på TLV2770 opamp. Når SHDN -pinnen er lav, er opamp deaktivert, og når den er høy, fungerer opampen normalt.

Strømstyringskretsen styrer også CS -linjen på det digitale potensiometeret X9C104. Når strømmen er slått av, går CS-linjen høyt, og sikrer at gjeldende innstilling for potten skrives tilbake til det ikke-flyktige flashminnet.

Slik fungerer det: opprinnelig er krysset mellom 100K -motstanden og 1uF -kondensatoren på +5V. Når den midlertidige bryteren trykkes, overføres høyspenningen via 10nF kondensatoren til basen på Q1, som slås på. Når du gjør det, trekker du kollektoren lavt, og dette fører til at Q2 også slås på. Kretsen låses deretter på via 270K tilbakemeldingsmotstanden, og sikrer at Q1 og Q2 begge forblir på og SHDN -utgangen er høy.

På dette tidspunktet er krysset mellom 100K -motstanden og 1uF -hetten nå trukket lavt med Q1. Når den midlertidige bryteren trykkes på igjen, trekkes derfor basen til Q1 lavt og slår den av. Samleren stiger til +5V ved å slå av Q2 og SHDN -utgangen går nå lavt. På dette tidspunktet er kretsen tilbake til sin opprinnelige tilstand.

Sett sammen strømstyringskretsen og koble den momentane bryteren på koderen til den. Kontroller at SHDN veksler hver gang du trykker på bryteren, og at når SHDN er lav, er CS høy og omvendt.

Koble kjøleviften midlertidig til kollektoren til Q3 og +5V -skinnen (som er den positive ledningen fra viften) og kontroller at når SHDN er høy, viften slås på.

Koble deretter strømstyringskretsen til konstant strømforsyning og koble CS til det digitale potensiometeret X9C104P, og fjern den midlertidige jordforbindelsen. Koble SHDN til TLV2770 og fjern også den midlertidige lenken til den pinnen.

Du bør nå kunne bekrefte at kretsen slår seg på riktig måte og slår seg på og av når du trykker på omkoderbryteren.

Trinn 7: Feilbeskyttelseskrets

Som de fleste strømforsyninger med konstant strøm, er det et problem hvis lasten kobles fra og deretter kobles til igjen. Når lasten kobles fra, metnes Q4 når opampen prøver å drive strøm gjennom lasten. Når lasten kobles til igjen, fordi Q4 er helt på, kan en høy forbigående strøm strømme gjennom den i flere mikrosekunder. Selv om disse 3W -lysdiodene er ganske tolerante overfor transienter, overskrider de fortsatt databladets karakterer (1A for 1ms), og hvis belastningen var en sensitiv laserdiode, kunne den lett bli ødelagt.

Feilbeskyttelseskretsen overvåker basestrømmen gjennom Q4. Når lasten kobles fra, stiger dette til omtrent 30mA, noe som får spenningen over 27 ohm -motstanden til å stige tilstrekkelig til å slå Q5 på, og dette får igjen Q6 til å slå på og kollektoren faller deretter til nesten bakken. Schottky -dioden (valgt fordi dens 0,4V spenning fremover er mindre enn 0,7V som kreves for å slå på en transistor) trekker deretter FLT -linjen lavt, slår av Q1 og Q2 og slår dermed av strømmen.

Dette sikrer at lasten aldri kan kobles til med strøm på, og unngår potensielt skadelige transienter.

Trinn 8: Montering

Lodd de magnetiske koblingene til en kort lengde på en rimelig kraftig ledning (ca. 6 tommer lang), slik at ledningen passer gjennom hullene i saken.

Forsikre deg om at hullene på kassen er rene - bruk en vridbor for å sikre dette, og en mindre bore for å sikre at hullene på baksiden også er rene.

Når du bruker et LED -hode, klemmer du koblingene til hodestiftene og setter det inn i etuiet. LED -hodet skal passe slik at når du ser på kilesporet, er det et lite gap mellom kilesporet og saken. Når du er sikker på at koblingene sitter riktig, legger du en liten dråpe epoxy på baksiden av hver enkelt, og setter inn med LED -hodet og plasserer det et sted ute av veien mens limet stivner. Jeg koblet LED -hodene mine slik at bakplaten på hodemodulen vender mot deg og nøkkelen peker opp, den positive forbindelsen er på høyre side.

Når limet er herdet, fjerner du hodet og monterer deretter viften, med etiketten synlig, det vil si at luftstrømmen skyver luft over hodet kjøleribbe. Jeg brukte to M2 X 19 mm maskinskruer og en mutterskriver for å montere viften, det er vanskelig, men skyv det inn fra baksiden av saken og så skal du kunne få alt stilt opp og festet.

Nå kan du montere 2,5 mm stikkontakten og koble alle ledningene til kretskortet, slik at det er nok slakk slik at du enkelt kan koble den til og deretter skyve den inn i saken på skinnene som er trykt inn i saken.

Den bakre plateenheten er festet med fire små selvskruende skruer. Vær oppmerksom på at girakselens posisjon ikke er helt sentrert på platen, så sørg for at du roterer den til skruehullene står på linje.

Trinn 9: USB -strømkabel

Strømkabelen er laget av en billig USB -kabel. Kutt kabelen omtrent en tomme fra den større USB -kontakten og fjern den. De røde og svarte ledningene er strøm og jord. Koble en tykkere figur 8 -kabel til disse ved å bruke varmekrymp for å isolere, og deretter i den andre enden loddetinn en standard 2,5 mm strømplugg.

Vi kutter USB -kabelen kort fordi ledningene er for tynne til å bære strømmen og vil falle for mye spenning ellers.

Trinn 10: Moduleringsalternativ og fiberkobling

For å modulere den nåværende kilden, kobler du 0.1uF kondensatoren og W-pinnen fra den ikke-inverterende inngangen på opampen og kobler denne inngangen til bakken via en 68 ohm motstand. Koble deretter en 390 ohm motstand til den ikke-inverterende inngangen. Den andre enden av motstanden er deretter modulasjonsinngangen, med 5V som driver LED -en til full strøm. Du kan montere et par hoppere på brettet for å gjøre det lettere å bytte fra encoder til ekstern modulering.

Du kan bruke STL fra Angstrom -prosjektet for 3 mm fiberkoblinger hvis du vil koble lysdiodene til fiber, for eksempel for mikroskopi etc.

Trinn 11: Strømforsyning av flere lysdioder

Du kan bruke konstantstrømdriveren til å kjøre flere lysdioder. Lysdioder kan ikke kobles parallelt, da en lysdiode vil ta det meste av strømmen. Derfor kobler du lysdiodene i serie og kobler deretter anoden til den øverste lysdioden til en passende strømkilde, slik at hovedkontrollkretsen fortsatt kjører på 5V.

Det er lettere i de fleste tilfeller bare å bruke en separat strømforsyning for lysdiodene og la alt annet gå fra en vanlig telefonlader.

For å beregne spenningen, ta antall lysdioder og flere med spenningsfallet for hver LED. La deretter rundt 1,5V margin. For eksempel krever 10 lysdioder med et spenningsfall på 2,2V hver 22V, så en 24V -forsyning ville fungere bra.

Du må sørge for at spenningen over effekttransistoren ikke er for høy, for ellers blir den for varm - som den er designet her, faller den nesten 3V i verste fall (kjører en infrarød LED med lav spenning fremover), så dette er maksimum du bør sikte på med mindre du vil bruke en større kjøleribbe. Uansett vil jeg holde spenningen mindre enn 10V fordi du begynner å komme inn i nåværende begrensninger basert på transistorsikkert driftsområde.

Vær oppmerksom på at de kortere bølgelengdeavgivere har høyere fremspenning, med 365nm lysdioder som faller nesten 4V. Hvis du kobler til 10 av disse i serie, vil det slippe 40V og en standard 48V strømforsyning vil kreve en større kjøleribbe på effekttransistoren. Alternativt kan du bruke flere 1A -dioder i serie med lysdiodene for å slippe den ekstra spenningen med 0,7V per diode, si 8 for å slippe 5,6V, og dette etterlater bare 2,4V over effekttransistoren.

Jeg ville være forsiktig med å bruke høyere spenninger enn dette. Du begynner å komme i sikkerhetsproblemer hvis du kommer i kontakt med strømforsyningen. Sørg for at du har en passende sikring i serie med lysdiodene; som designet her, har 5V strømforsyning sikker strømbegrensning, og vi trenger ikke en, men i dette scenariet vil vi absolutt ønske beskyttelse mot kortslutning. Vær oppmerksom på at kortslutning av en rekke LED -er som dette sannsynligvis vil resultere i en ganske spektakulær nedsmeltning av effekttransistoren, så vær forsiktig! Hvis du vil drive flere lysdioder, trenger du sannsynligvis et parallelt sett med nåværende kilder. Du kan bruke flere kopier av konstantstrømdriveren (sammen med sin egen feilbeskyttelseskrets) og dele en felles koder, strømkontrollkrets og spenningsreferanse mellom dem, hver kopi vil ha sin egen effekttransistor og drive, si 10 lysdioder. Hele kretsen kan parallelliseres fordi konstantstrømdriverne hver håndterer en streng med lysdioder i det scenariet.