Dupin-en bærbar multi-bølgelængde lyskilde med meget lav pris: 11 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Opkaldt efter Auguste Dupin, der betragtes som den første fiktive detektiv, kører denne bærbare lyskilde enhver 5V USB -telefonoplader eller strømforsyning. Hvert LED -hoved klikker magnetisk på. Ved hjælp af billige 3W stjerne lysdioder, aktivt afkølet af en lille blæser, er enheden kompakt, men tilbyder en bred vifte af højintensitetsbølgelængder. Selvfølgelig understøtter det også hvide lysdioder til fuld farvebelysning.

Billederne her viser output ved 415nm, 460nm, 490nm, 525nm, 560nm og 605nm.

De anvendte lysdioder er dog 365nm, 380nm, 415nm, 440nm, 460nm, 490nm, 500nm, 525nm, 560nm, 570nm, 590nm, 605nm, 630nm, 660nm og 740nm. Der er også vist en 'dagslys hvid' LED og en PAR fuld-spektrum LED, der producerer et lyserødt lys uden grøn komponent, primært beregnet til gartneri.

Enheden er drevet af en konstant strømkilde med lav udfaldsspænding og tilbyder 100 lysstyrkeindstillinger via en roterende encoder og gemmer den sidste lysstyrkeindstilling, når den slukkes, og vender dermed automatisk tilbage til den sidste lysstyrkeindstilling, når den tændes igen.

Enheden bruger ikke PWM til at styre lysstyrken, så der ikke er flimmer, hvilket letter brugen i situationer, hvor du vil fotografere eller videobilleder uden artefakter.

Den konstante strømkilde har en bred båndbreddeforstærker og udgangstrin, der tillader lineær eller pulsmodulation op til flere hundrede kilohertz eller endda til pulsmodulation op til næsten et megahertz. Dette er nyttigt til fluorescensmåling eller til at eksperimentere med let datakommunikation osv.

Du kan også bruge konstantstrømskilden til at drive flere lysdioder. For eksempel kan du ved hjælp af en 24V strømforsyning køre 10 røde lysdioder med et spændingsfald på 2,2V pr. LED.

Bemærk, at du stadig driver hovedkontrolkredsløbet med 5V i dette scenario, men tilslutter kollektoren af effekttransistoren til en højere spænding. For mere information se det sidste trin i denne instruktionsbog

Ansøgninger omfatter retsmedicin, mikroskopi, dokumentundersøgelse, frimærkeopsamling, entomologi, mineralsk fluorescens, UV, IR og visuel fotografering, kolorimetri og lysmaleri.

Forbrugsvarer

I næsten alle tilfælde er det de leverandører, jeg faktisk brugte, bortset fra den ulige sælger, der ikke længere lagerfører den vare eller ikke længere er på eBay/Amazon.

Denne liste dækker de fleste af de ting, du har brug for, eksklusive ledning, 2,5 mm hanstik og maskinskruer.

20 mm køleplader til lysdioderne

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

De fleste 3W LED'er leveres af

futureeden.co.uk/

FutureEden leverer også LED -linser, der fås i en række vinkler, herunder 15, 45 og 90 grader. Jeg brugte 15 graders linser i prototypen.

560nm og 570nm LED'er

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 hyldebolte

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

Ventilator og kølelegeme

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

PCB'er

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

Magnetiske stik

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

2,5 mm hunstik

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 signaltransistorsæt (inkl. BC327/337 brugt i dette projekt)

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

Rotary encoder (sælgeren jeg brugte er ikke længere på eBay, men dette er den samme enhed)

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

X9C104P (dette er fra en anden sælger)

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

TLV2770

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

USB -strømmonitor (valgfri)

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

Trin 1: Kassemontering

Hovedenhedskassen og LED -hovedet er 3D -printet. En lille flad bagplade fastgøres på bagsiden af kabinettet for at understøtte indkoderen. Strøm leveres via en standard 2,5 mm stikkontakt. Et standard USB -kabel er skåret op for at lave strømledningen.

Alle varer er trykt i PLA med 100% udfyldning og en laghøjde på 0,2 mm. STL -filerne er inkluderet som vedhæftede filer.

Udskriv kabinettet lodret med bagsiden af kabinettet på bundpladen. Der kræves ingen understøttelse.

Trin 2: LED -hovedmontering

Hver LED -hovedenhed består af to 3D -trykte dele, den øverste hovedenhed og den bageste fastgørelsesplade. Udskriv disse i PLA ved 100% udfyldning og 0,2 mm laghøjde. Der kræves ingen understøttelse. Den bageste låseplade skal udskrives med den flade bageste overflade, der berører bundpladen.

Bemærk, at de viste stl -billeder har bagpladen orienteret 180 grader ud - den flade side er bagpladens ydre overflade, når du bolter tingene sammen.

Hver hovedenhed har derefter en 20 mm x 10 mm køleplade med LED -monteret presse monteret i den øvre samling. Fotografierne viser, hvordan man samler det. Start med at skrælle papiret af den selvklæbende pude, og sæt lysdioden på, og sørg for at holde LED -kølepladen helt inden for 20 mm kølepladens omrids.

Lod derefter to ledninger til LED'en, og skub derefter kølelegemet ind i den øverste hovedenhed, og sørg for, at køleribberne er orienteret som vist på billederne. Dette er for at maksimere luftstrømmen til køling.

Når du har kølepladen monteret, skal du trække ledningerne igennem og afskære som vist på billedet og efterlade ca. 3/4 tommer ledning. Striml og slut enderne på ledningerne.

LED -hovedet tilsluttes sagen via to ben, der er fremstillet af forniklet stålhylde. Disse er perfekte til jobbet, da de har en flange, der lader os låse dem på plads.

Brug en mejsel loddejernspids med en større diameter og form toppen af hver stift. Hold stifterne i en skruestik eller ideelt set en af de små arbejdsbænk gadgets som vist - de er også meget praktiske til fremstilling af kabler.

Fastgør derefter ledningerne til stifterne, og sørg for, at ledningen peger lige op, som vist. Lad afkøle.

Når stifterne er afkølet, fastgøres baglåsepladen ved hjælp af 2 X M2 12 mm maskinskruer og møtrikker. Sørg for, før du gør dette, at bagpladens monteringshuller er blevet rengjort med en snoremaskine eller tilspidser. Ståltappene skal kunne svinge lidt. Dette er vigtigt for at sikre, at de magnetiske kontakter er pålidelige.

Bemærk: Jeg brugte nylonskruer og møtrikker til nogle enheder og derefter stål til de andre. Stålene har sandsynligvis brug for låseskiver så godt som de ellers har en tendens til at komme skruet over tid; nylonskruer har en tendens til at have mere friktion, og det er mindre et problem.

Klip eventuelt et objektiv til LED'en, hvis du vil samle strålen, som ellers er ret bred.

Trin 3: Hovedprint

Hovedkortet er konstrueret ved hjælp af et 30 x 70 mm matrix bord. Disse er bredt tilgængelige glasfiberplader af høj kvalitet med en 0,1 tommer matrix af gennembelagte huller.

Punkt-til-punkt-ledningerne bruger såkaldt 'blyantstråd', som er cirka 0,2 mm emaljeret kobbertråd. Isoleringen smelter med en normal loddejernspids.

Den roterende encoder loddes direkte til enden af brættet. Bemærk, at encoderboltene er forbundet til bunden af kortet.

I trinene herunder vil du bygge individuelle dele af hele kredsløbet og teste dem, inden du fortsætter. Dette sikrer, at det færdige printkort fungerer korrekt.

Fotografierne viser tavlen under samling. Blyanttråden kan ses på bagsiden, der forbinder de fleste komponenter. Tykkere ledning bruges, hvor der er større strømme. Nogle afskårne komponentledninger bruges til at lave en strøm- og jordskinne øverst og nederst på brættet.

Bemærk: pladsen er trang. Monter modstande lodret for at spare plads. Layoutet her 'udviklede sig', da brættet blev samlet, og jeg var lidt optimistisk omkring det krævede rum og skulle have monteret alle modstande lodret og ikke vandret som vist.

Tilslutninger foretages ved hjælp af 'veropins', men du kan også bruge en sløjfe af komponenttråd, med enderne spredt nedenunder; dette tager dog to huller pr. forbindelse i stedet for et med en nål.

Trin 4: Encoder Circuit

Jeg har tegnet kredsløbet som flere separate skemaer. Dette er, så du tydeligt kan se, hvad hver del gør. Du bør konstruere kredsløbet i trin og teste, at hver del fungerer korrekt, før du tilføjer den næste del. Dette sikrer, at det hele fungerer korrekt uden en masse kedelig fejlfinding.

Inden jeg starter, et ord om lodning. Jeg bruger blyet lodde, ikke blyfri. Dette skyldes, at blyfri lodning er meget sværere at arbejde med i håndlodningsscenarier. Det tinder dårligt og er bare generelt en smerte. Bly loddetin er ganske sikkert, og du vil ikke blive udsat for farlige dampe, mens du arbejder med det. Brug bare sund fornuft og vask dine hænder efter lodning og før du spiser, drikker eller ryger. Amazon sælger ruller af fin kvalitet blyholdigt loddemateriale af god kvalitet.

Koderinterfacet

Dette er ganske enkelt. Koderen har tre ben, A, B og C (fælles). Som du kan se, jordede vi C -stiften, og vi trækker A- og B -benene op via 10K modstande. Derefter tilføjer vi 10nF kondensatorer til jorden for at udjævne kontaktpresning, hvilket kan forårsage uregelmæssig drift.

A- og B -stifterne forbindes derefter til INC- og U/D -benene på den digitale pot IC. (X9C104). Tilslut dette kredsløb og tilslut også X9C104 strøm- og jordstifter. Tilføj også 470uF og 0.1uF strømafkoblingskondensatorerne på dette tidspunkt.

Koderstifterne skal loddes til bunden af printkortet; hullet i bagpladen kommer derefter i linje med encoderakslen.

Tilslut midlertidigt CS -stiften på X9C104P til +5V. Vi forbinder dette senere med en anden del af kredsløbet.

Tilslut nu 5V til kredsløbet og brug en måler for at kontrollere, at modstanden mellem H- og W -benene på X9C104P ændres jævnt mellem næsten 0 ohm og 100K ohm, mens du roterer encoderen.

Trin 5: Strømforsyningskredsløb med konstant strøm

Når du er sikker på, at encoder-kredsløbet fungerer, er det tid til at opbygge sektionen med konstant strømforsyning. Tilslut TLV2770 op-amp strøm og jord og derefter ledning som vist, tilslutning til H, W og L benene på X9C104P.

Sørg for, at du tilslutter 0,1 ohm strømfølermodstanden direkte til jordstiftet på TLV2770 og derefter 'stjerne' tilslutter de resterende jordforbundne komponenter til dette punkt (1N4148 katode, 10K modstand, 0.1uF kondensator). Tilslut derefter dette jordpunkt til jordskinnen på printkortet. Dette sikrer, at små modstande mellem jordskinnen og den aktuelle sansemodstand ikke ses af opampen som fejlagtige sansespændinger. Husk at ved 750mA er spændingen over 0,1 ohm modstanden kun 75mV.

Tilslut midlertidigt SHDN -linjen til +5V. Vi forbinder dette senere med en anden del af kredsløbet.

Køleventilatoren, vi bruger, er beregnet til en Raspberry Pi. Den leveres bekvemt med et sæt køleplader, hvoraf den ene vil vi bruge til hovedtransistoren.

D44H11 effekttransistoren skal monteres vinkelret på brættet, fastgjort til den største køleplade, der følger med Raspberry Pi blæsersættet.

Modstanden på 680K skal muligvis justeres for at sikre, at den maksimale strøm gennem LED'erne ikke er mere end 750mA.

Tilslut +5V igen og en strøm -LED, monteret på en kølelegeme. Kontroller nu, at du let kan ændre strømmen gennem LED'en ved at dreje encoderen. Minimumstrømmen vælges til at være cirka 30mA, hvilket burde være tilstrækkeligt til at sikre, at de fleste 5V mobiltelefonens strømforsyninger ikke automatisk lukker ned ved minimum lysstyrke.

Den valgfrie USB -strømmonitor er et nyttigt tilbehør her, men hvis du bruger den, skal du naturligvis først lave strømledningen, som diskuteret i afsnittet senere.

Bemærk: Lysdioderne med kortere bølgelængde bliver ret varme ved høj strøm, da vi endnu ikke har kølet kølelegemet, så hold tiden temmelig kort (et par minutter) under testen.

Sådan fungerer det: spændingen over den aktuelle følende modstand sammenlignes med referencespændingen. Opampen justerer sin udgang for at sikre, at de to indgange har samme spænding (ignorerer opampens indgangsforskydningsspænding). 0.1uF kondensatoren på tværs af det digitale potentiometer tjener to formål; det filtrerer 85KHz -ladningspumpestøjen fra X9C104 -enheden, og det sikrer også, at efterspændingsstrømmen er nul ved opstart. Når opamp og feedback er stabiliseret, stiger spændingen over kondensatoren til efterspørgslen. Dette forhindrer tændstrømspidser gennem belastningen.

D44H11 -transistoren blev valgt, fordi den har tilstrækkelige strømværdier og en høj minimumsforstærkning på mindst 60, hvilket er godt for en effekttransistor. Det har også en høj afbrydelsesfrekvens, som muliggør højhastighedsmodulation af den aktuelle kilde, hvis det er nødvendigt.

Trin 6: Strømstyringskredsløb

Strømstyringskredsløbet forvandler primært den momentane handlingskontakt på den roterende encoder til en skiftende afbryder.

BC327 og BC337 transistorer bruges, fordi de har en ret høj forstærkning og en maksimal kollektorstrøm på 800mA, hvilket er praktisk til ventilatoromskifteren, hvor blæseren trækker omkring 100mA. Jeg købte et billigt kit med diverse små signaltransistorer, som indeholder en lang række nyttige enheder. Bemærk, at i prototypen har disse transistorer suffikset -40, der angiver den højeste forstærkningsbeholder. Selvom jeg tvivler på, at dette betyder meget, og du bør få lignende enheder, hvis du køber det samme kit, skal du bare være opmærksom på dette.

Strømmen styres ved at skifte SHDN -stiften på TLV2770 opamp. Når SHDN -stiften er lav, deaktiveres opampen, og når den er høj, fungerer opampen normalt.

Strømstyringskredsløbet styrer også CS -linjen på det digitale potentiometer X9C104. Når der slukkes for strømmen, går CS-linjen højt, hvilket sikrer, at den aktuelle indstilling af potten skrives tilbage til dens ikke-flygtige flash-hukommelse.

Sådan fungerer det: i første omgang er krydset mellem 100K -modstanden og 1uF -kondensatoren ved +5V. Når der trykkes på den midlertidige kontakt, overføres højspændingen via 10nF kondensatoren til basen af Q1, som tændes. Ved at gøre det så trækker kollektoren lavt, og dette bevirker, at Q2 også tændes. Kredsløbet låser derefter til via 270K feedback -modstanden, hvilket sikrer, at Q1 og Q2 begge forbliver tændt, og SHDN -udgangen er høj.

På dette tidspunkt er krydset mellem 100K -modstanden og 1uF -hætten nu trukket lavt med Q1. Når der trykkes på den midlertidige kontakt igen derfor, trækkes bunden af Q1 lavt og slukker den. Samleren stiger til +5V ved at slukke for Q2, og SHDN -udgangen går nu lavt. På dette tidspunkt er kredsløbet tilbage til sin oprindelige tilstand.

Saml strømstyringskredsløbet og tilslut den momentane switch på encoderen til den. Kontroller, at SHDN skifter hver gang du trykker på kontakten, og at når SHDN er lav, er CS høj og omvendt.

Tilslut midlertidigt køleventilatoren til kollektoren i Q3 og +5V skinnen (hvilket er den positive ledning fra blæseren) og kontroller, at når SHDN er høj, tændes blæseren.

Tilslut derefter strømstyringskredsløbet til strømforsyningen med konstant strøm, og tilslut CS til det digitale potentiometer X9C104P, fjern det midlertidige jordforbindelse. Tilslut SHDN til TLV2770, og fjern også det midlertidige link til denne pin.

Du skal nu kunne bekræfte, at kredsløbet tændes korrekt og tænder og slukker, når der trykkes på encoderkontakten.

Trin 7: Fejlbeskyttelseskredsløb

Ligesom de fleste strømforsyninger med konstant strøm er der et problem, hvis belastningen afbrydes og derefter tilsluttes igen. Når belastningen er afbrudt, mætter Q4, da opamp forsøger at drive strøm gennem belastningen. Når belastningen tilsluttes igen, fordi Q4 er fuldt tændt, kan en høj forbigående strøm strømme igennem den i flere mikrosekunder. Selvom disse 3W lysdioder er temmelig tolerante over for transienter, overstiger de stadig databladets ratings (1A for 1ms), og hvis belastningen var en følsom laserdiode, kunne den let blive ødelagt.

Fejlbeskyttelseskredsløbet overvåger basisstrømmen gennem Q4. Når belastningen er afbrudt, stiger dette til cirka 30mA, hvilket får spændingen over 27 ohm modstanden til at stige tilstrækkeligt til at tænde Q5, og dette får igen Q6 til at tænde, og dens kollektor falder derefter til næsten jorden. Schottky -dioden (valgt fordi dens 0,4V fremspænding er mindre end den 0,7V, der kræves for at tænde en transistor), trækker derefter FLT -linjen lavt, slukker Q1 og Q2 og stopper dermed strømmen.

Dette sikrer, at belastningen aldrig kan tilsluttes med strøm til, hvilket undgår potentielt skadelige transienter.

Trin 8: Montering

Lod de magnetiske koblinger til en kort længde af en rimelig kraftig tråd (ca. 6 tommer lang), og sørg for, at tråden passer gennem hullerne i kabinettet.

Sørg for, at hullerne i kabinettet er rene - brug et snorbor til at sikre dette, og et mindre bor for at sikre, at trådhullerne på bagsiden også er rene.

Brug nu et LED -hoved til at klemme koblerne til hovedstifterne og indsætte i kassen. LED -hovedet skal passe, så når du ser på kilesporet, er der et lille mellemrum mellem kilesporet og sagen. Når du er sikker på, at koblingerne sidder korrekt, skal du placere en lille dråbe epoxy på bagsiden af hver enkelt og indsætte med LED -hovedet og placere det et sted ude af vejen, mens limen hærder. Jeg tilsluttede mine LED -hovedenheder, så med hovedpladen på hovedmodulet vendt mod dig og nøglen pegende opad, er den positive forbindelse på din højre side.

Når limen er hærdet, fjernes hovedet og derefter monteres blæseren, med etiketten synlig, dvs. luftstrømmen skubber luft over hovedets kølelegeme. Jeg brugte to M2 X 19mm maskinskruer og en møtrik til at montere blæseren, det er besværligt, men skub det ind fra bagkassen, og så skulle du kunne få alt opstillet og fastgjort.

Nu kan du montere 2,5 mm stikkontakten og tilslutte alle ledninger til printkortet, så der er nok slap, så du let kan tilslutte det og derefter skubbe det ind i kabinettet på skinnerne, der er trykt ind i kassen.

Den bageste pladesamling er fastgjort med fire små selvskærende skruer. Bemærk, at encoderakslens position ikke er helt centreret på pladen, så sørg for at rotere den, indtil skruehullerne flugter.

Trin 9: USB -strømkabel

Strømkablet er lavet af et billigt USB -kabel. Skær kablet cirka 1 tomme væk fra det større USB -stik, og fjern det. De røde og sorte ledninger er strøm og jord. Tilslut noget tykkere figur 8 -kabel til disse ved hjælp af varmekrymp til at isolere, og derefter i den anden ende loddet et standardstik på 2,5 mm.

Vi afbryder USB -kablet, fordi ledningerne er for tynde til at bære strømmen og vil falde for meget spænding ellers.

Trin 10: Moduleringsmulighed og fiberkobling

For at modulere den nuværende kilde skal du afbryde 0.1uF kondensatoren og W-stiften fra den ikke-inverterende indgang på opampen og tilslutte denne indgang til jorden via en 68 ohm modstand. Tilslut derefter en 390 ohm modstand til den ikke-inverterende indgang. Den anden ende af modstanden er derefter modulationsindgangen, hvor 5V driver LED'en til fuld strøm. Du kan montere et par jumpere på tavlen for at lette skiftet fra encoder til ekstern modulering.

Du kan bruge STL fra Angstrom -projektet til 3 mm fiberkoblerne, hvis du vil tilslutte lysdioderne til fiber, f.eks. Til mikroskopi osv.

Trin 11: Tænd for flere lysdioder

Du kan bruge konstantstrømdriveren til at køre flere lysdioder. Lysdioder kan ikke tilsluttes parallelt, da en LED ville tage det meste af strømmen. Derfor tilslutter du LED'erne i serie og derefter tilslutter anoden på den øverste LED til en passende strømkilde, så hovedkontrolkredsløbet stadig kører på 5V.

Det er lettere i de fleste tilfælde bare at bruge en separat strømforsyning til lysdioderne og lade alt andet køre fra en standard telefonoplader.

For at beregne spændingen skal du tage antallet af LED'er og multiplicere med spændingsfaldet for hver LED. Tillad derefter omkring 1,5V margin. For eksempel kræver 10 lysdioder med et spændingsfald på 2,2V hver 22V, så en 24V forsyning ville fungere godt.

Du skal sørge for, at spændingen over effekttransistoren ikke er for høj, da den ellers bliver for varm - som designet her falder den næsten 3V i værste fald (kører en infrarød LED med en lav fremspænding), så dette er det maksimum, du skal sigte efter, medmindre du vil bruge en større køleplade. Under alle omstændigheder ville jeg holde spændingen mindre end 10V, fordi du begynder at komme ind i nuværende begrænsninger baseret på transistorens sikre driftsområde.

Bemærk, at de kortere bølgelængdeemittere har højere fremspændinger, hvor 365nm lysdioderne falder næsten 4V. Tilslutning af 10 af disse i serie ville falde 40V, og en standard 48V strømforsyning ville kræve en større køleplade på effekttransistoren. Alternativt kan du bruge flere 1A -dioder i serie med lysdioderne til at tabe den ekstra spænding til 0,7V pr. Diode, sige 8 til at falde 5,6V, og derefter efterlader dette kun 2,4V på tværs af effekttransistoren.

Jeg ville være forsigtig med at bruge højere spændinger end dette. Du begynder at komme i sikkerhedsspørgsmål, hvis du kommer i kontakt med strømforsyningen. Sørg for at passe en passende sikring i serie med lysdioderne; som designet her har 5V strømforsyningen en sikker strømbegrænsning, og vi har ikke brug for en, men i dette scenario vil vi helt sikkert have beskyttelse mod kortslutning. Bemærk, at kortslutning af en række LED'er som dette sandsynligvis vil resultere i en temmelig spektakulær nedsmeltning af effekttransistoren, så vær forsigtig !. Hvis du vil forsyne flere lysdioder, har du sandsynligvis brug for et parallelt sæt strømkilder. Du kan bruge flere kopier af konstantstrømdriveren (sammen med sit eget fejlbeskyttelseskredsløb) og dele en fælles encoder, strømstyringskredsløb og spændingsreference mellem dem, hver kopi vil have sin egen effekttransistor og drive, siger 10 lysdioder. Hele kredsløbet kan paralleliseres, fordi konstantstrømdriverne hver håndterer en streng af lysdioder i dette scenario.