Dupin-en ultra-låg kostnad bärbar multi-våglängd ljuskälla: 11 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Uppkallad efter Auguste Dupin, som anses vara den första fiktiva detektiven, driver den här bärbara ljuskällan alla 5V USB -telefonladdare eller elpaket. Varje LED -huvud kläms fast magnetiskt. Med hjälp av lågpris 3W stjärnled, aktivt kylt av en liten fläkt, är enheten kompakt men erbjuder ett brett spektrum av högintensiva våglängder. Naturligtvis stöder den också vita lysdioder för fullfärgsbelysning.

Bilderna här visar utmatning vid 415nm, 460nm, 490nm, 525nm, 560nm och 605nm.

Lysdioderna som används är dock 365nm, 380nm, 415nm, 440nm, 460nm, 490nm, 500nm, 525nm, 560nm, 570nm, 590nm, 605nm, 630nm, 660nm och 740nm. Dessutom visas en "dagsljusvit" LED och en PAR-fullspektrum-LED som ger ett rosa ljus utan grön komponent, främst avsedd för trädgårdsapplikationer.

Drivs av en konstant strömkälla med låg avbrottsspänning, erbjuder enheten 100 ljusinställningar via en roterande kodare och sparar den senaste ljusinställningen när den stängs av och återgår automatiskt till den sista ljusstyrkan när den slås på igen.

Enheten använder inte PWM för att hantera ljusstyrkan så det finns inget flimmer, vilket underlättar användningen i situationer där du vill fotografera eller videobilder utan artefakter.

Den konstanta strömkällan har en bred bandbreddsförstärkare och utgångssteg, vilket möjliggör linjär eller pulsmodulering upp till flera hundra kilohertz eller till och med för pulsmodulering upp till nästan en megahertz. Detta är användbart för fluorescensmätning eller för att experimentera med lätt datakommunikation etc.

Du kan också använda konstantströmkällan för att driva flera lysdioder. Till exempel, med en 24V strömförsörjning kan du driva 10 röda lysdioder med ett spänningsfall på 2,2V per LED.

Observera att du fortfarande driver huvudkontrollkretsen med 5V i detta scenario, men ansluter effekttransistorns kollektor till en högre spänning. För mer information, se det sista steget i denna instruktionsbok

Ansökningarna inkluderar kriminalteknik, mikroskopi, dokumentundersökning, frimärksinsamling, entomologi, mineralfluorescens, UV-, IR- och visuell fotografering, kolorimetri och ljusmålning.

Tillbehör

I nästan alla fall är det de leverantörer jag faktiskt använde, förutom den udda säljaren som inte längre lagrar den varan eller inte längre finns på eBay/Amazon.

Den här listan täcker de flesta saker du behöver, exklusive tråd, 2,5 mm hankontakt och maskinskruvar.

20 mm kylflänsar för lysdioderna

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

De flesta 3W -lysdioderna levereras av

futureeden.co.uk/

FutureEden levererar även LED -objektiv som finns i olika vinklar, inklusive 15, 45 och 90 grader. Jag använde 15 graders linser i prototypen.

560nm och 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 hyllnålar

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

Fläkt och kylfläns

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

PCB

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

Magnetiska kontakter

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

2,5 mm honuttag

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

BAT43 Schottky -diod

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

Litet signaltransistorsats (inkl BC327/337 används i detta projekt)

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

Rotary encoder (säljaren jag använde finns inte längre på eBay men det här är samma enhet)

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

X9C104P (detta är från en annan säljare)

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

TLV2770

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

USB -strömmonitor (tillval)

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

Steg 1: Fodralmontering

Huvudenhetens fodral och LED -huvudet är 3D -tryckta. En liten platt bakplatta fästs på baksidan av fodralet för att stödja pulsgivaren. Strömförsörjning sker via ett standarduttag på 2,5 mm. En vanlig USB -kabel skärs upp för att göra strömkabeln.

Alla föremål är tryckta i PLA med 100% fyllning och en lagerhöjd på 0,2 mm. STL -filerna ingår som bilagor.

Skriv ut höljet vertikalt med baksidan av höljet på bottenplattan. Inga stöd krävs.

Steg 2: LED -huvudmontering

Varje LED -huvudenhet består av två 3D -tryckta delar, den övre huvudenheten och den bakre fästplattan. Skriv ut dessa i PLA med 100% fyllning och 0,2 mm lagerhöjd. Inga stöd krävs. Den bakre fästplattan ska tryckas med den plana bakre ytan vidrör basplattan.

Observera att stl -bilderna som visas tidigare har bakplattan orienterad 180 grader ut - den platta sidan är bakplattans yttre yta när du skruvar ihop saker.

Varje huvsenhet har sedan en 20 mm x 10 mm kylfläns med LED -pressen monterad i den övre enheten. Fotografierna visar hur man monterar det. Börja med att skala bort papperet från den självhäftande dynan och sätt på lysdioden, var noga med att hålla LED -kylflänsen helt inom 20 mm kylflänsens kontur.

Löd sedan två ledningar till lysdioden och skjut sedan in kylflänsen i den övre huvudenheten, var noga med att se till att kylflänsarna är orienterade som visas på bilderna. Detta för att maximera luftflödet för kylning.

När du har monterat kylflänsen drar du igenom ledningarna och skär av som visas på bilden och lämnar cirka 3/4 tum tråd. Ta av och tina trådarnas ändar.

LED -huvudet ansluts till höljet via två stift som är tillverkade av förnicklade stålhylsor. Dessa är perfekta för jobbet eftersom de har en fläns som låter oss låsa dem på plats.

Använd en mejsel av lödkolvspets med en större diameter och forma toppen av varje stift. Håll stiften i en skruvstång eller helst en av de där små arbetsbänkprylarna som visas - de är också mycket praktiska för att göra kablar.

Fäst sedan trådarna på stiften och se till att ledningen pekar rakt upp, som visas. Låt svalna.

När stiften har svalnat, fäst den bakre fästplattan med 2 X M2 12 mm maskinskruvar och muttrar. Kontrollera innan du gör detta att bakplåtens monteringshål har rengjorts med en borrmaskin eller konisk brödare. Stålnålarna ska kunna vingla något. Detta är viktigt för att säkerställa att de magnetiska kontakterna är tillförlitliga.

Obs: Jag använde nylonskruvar och muttrar för vissa enheter och sedan stål för de andra. Stålen behöver förmodligen såväl låsbrickor som annars har de en tendens att komma skruvade över tiden; nylonskruvar tenderar att ha mer friktion och detta är mindre problem.

Alternativt kan du fästa ett objektiv till lysdioden om du vill kollimera strålen, som annars är ganska bred.

Steg 3: Huvudkort

Huvudkretsen är konstruerad med ett 30 x 70 mm matriskort. Dessa är allmänt tillgängliga glasfiberskivor av hög kvalitet med en 0,1 tums matris av genompläterade hål.

Punkt-till-punkt-ledningarna använder så kallad "blyertstråd" som är ungefär 0,2 mm emaljerad koppartråd. Isoleringen smälter med en vanlig lödkantsspets.

Den roterande givaren löds direkt till slutet av brädet. Observera att pinnarna är anslutna till kortets botten.

I stegen nedan kommer du att bygga enskilda delar av hela kretsen och testa dem innan du fortsätter. Detta säkerställer att det färdiga kretskortet fungerar korrekt.

Fotografierna visar tavlan under montering. Penntråden kan ses på baksidan och förbinder de flesta komponenterna. Tjockare tråd används där högre strömmar är inblandade. Några avskurna komponentledningar används för att göra en kraft- och markskena längst upp och ned på brädet.

Obs: utrymmet är trångt. Montera motstånd vertikalt för att spara utrymme. Layouten här "utvecklades" när brädan monterades och jag var lite optimistisk om det nödvändiga utrymmet och borde ha monterat alla motstånd vertikalt och inte horisontellt som visas.

Anslutningar görs med hjälp av 'veropins' men du kan också använda en loop av komponenttråd, med ändarna utspridda under; detta tar dock två hål per anslutning snarare än ett med en stift.

Steg 4: Kodarkrets

Jag har ritat ut kretsen som flera separata scheman. Detta för att du tydligt ska kunna se vad varje del gör. Du bör konstruera kretsen i steg och testa att varje del fungerar korrekt innan du lägger till nästa del. Detta säkerställer att det hela fungerar korrekt utan mycket tråkig felsökning.

Innan jag börjar, ett ord om lödning. Jag använder blyad lödning, inte blyfri. Detta beror på att blyfri lödning är mycket svårare att arbeta med i handlödningsscenarier. Det tennas dåligt och är bara generellt en smärta. Blyat lod är ganska säkert och du kommer inte att utsättas för några farliga ångor när du arbetar med det. Använd bara sunt förnuft och tvätta händerna efter lödning och innan du äter, dricker eller röker. Amazon säljer rullar av finmätat bly av hög kvalitet.

Kodarens gränssnitt

Detta är ganska enkelt. Kodaren har tre stift, A, B och C (vanlig). Som du kan se, jordar vi C -stiftet och vi drar upp A- och B -stiften via 10K -motstånd. Sedan lägger vi till 10nF kondensatorer till marken för att släta ut kontaktstopp, vilket kan orsaka oregelbunden drift.

A- och B -stiften ansluts sedan till INC- och U/D -stiften på den digitala potten IC. (X9C104). Anslut denna krets och anslut även X9C104 -ström- och jordstiftet. Lägg till 470uF och 0.1uF effektavkopplingskondensatorer vid denna tidpunkt också.

Kodarens stift ska lödas till botten av kretskortet; hålet i bakplattan kommer sedan i linje med pulsgivaraxeln.

Anslut CS -stiftet tillfälligt till X9C104P till +5V. Vi kommer att ansluta detta till en annan del av kretsen senare.

Anslut nu 5V till kretsen och använd en mätare för att kontrollera att motståndet mellan H- och W -stiften på X9C104P ändras smidigt mellan nästan 0 ohm och 100K ohm när du roterar pulsgivaren.

Steg 5: Strömförsörjningskrets med konstant ström

När du är säker på att givarkretsarna fungerar är det dags att bygga sektionen med konstant strömförsörjning. Anslut TLV2770 op-amp-ström och jord och anslut sedan kabeln enligt bilden, anslut upp till H, W och L-stiften på X9C104P.

Se till att du ansluter 0.1 ohm strömavkänningsmotståndet direkt till jordstiftet på TLV2770 och sedan "stjärna" ansluta de återstående jordade komponenterna till denna punkt (1N4148 katod, 10K motstånd, 0.1uF kondensator). Anslut sedan denna jordpunkt till jordskenan på kretskortet. Detta säkerställer att små motstånd mellan jordskenan och det nuvarande avkänningsmotståndet inte ses av opampen som felaktiga avkänningsspänningar. Kom ihåg att vid 750mA är spänningen över 0,1 ohm -motståndet endast 75mV.

Anslut tillfälligt SHDN -linjen till +5V. Vi kommer att ansluta detta till en annan del av kretsen senare.

Kylfläkten vi använder är avsedd för en Raspberry Pi. Den kommer bekvämt med en uppsättning kylflänsar, varav en kommer vi att använda för huvudtransistorn.

Strömtransistorn D44H11 ska monteras i rät vinkel mot kortet, fast vid den största kylflänsen som levereras med Raspberry Pi -fläktkitet.

Motståndet på 680K kan behöva justeras för att säkerställa att den maximala strömmen genom lysdioderna inte är mer än 750mA.

Anslut +5V igen och en ström -LED, monterad på en kylfläns. Kontrollera nu att du smidigt kan ändra strömmen genom lysdioden genom att vrida pulsgivaren. Minimiströmmen väljs till cirka 30mA, vilket borde vara tillräckligt för att säkerställa att de flesta 5V -mobiltelefonpaket inte stängs av automatiskt vid minsta ljusstyrka.

Den valfria USB -strömmonitorn är ett användbart tillbehör här, men om du använder den måste du självklart göra strömkabeln först, som diskuteras i avsnittet senare.

Obs! Lysdioderna med kortare våglängd blir ganska heta vid hög ström eftersom vi ännu inte fläktkyler kylflänsen, så håll körtiden ganska kort (några minuter) under testet.

Hur det fungerar: spänningen över det aktuella avkänningsmotståndet jämförs med referensspänningen. Opampen justerar sin utgång för att säkerställa att de två ingångarna har samma spänning (ignorerar ingångens offset -spänning för opampen). 0.1uF kondensatorn över den digitala potentiometern tjänar två syften; det filtrerar bort 85KHz laddningspumpbrus från X9C104 -enheten och det säkerställer också att efterströmmen är noll. När opampen och återkopplingen har stabiliserats kommer spänningen över kondensatorn att stiga till efterfrågespänningen. Detta förhindrar att strömspikar startas genom lasten.

D44H11 -transistorn valdes eftersom den har tillräckliga strömvärden och en hög minsta förstärkning på minst 60, vilket är bra för en effekttransistor. Den har också en hög gränsfrekvens som underlättar höghastighetsmodulering av strömkällan om det behövs.

Steg 6: Strömhanteringskrets

Strömhanteringskretsen förvandlar i första hand den momentana åtgärdsknappen på den roterande givaren till en växelströmbrytare.

BC327 och BC337 transistorer används eftersom de har ganska hög förstärkning och en maximal kollektorström på 800mA vilket är praktiskt för fläktomkopplaren där fläkten drar runt 100mA. Jag köpte ett billigt kit med diverse små signaltransistorer som innehåller ett stort antal användbara enheter. Observera att i prototypen har dessa transistorer suffixet -40 som anger det högsta förstärkningsfacket. Även om jag tvivlar på att det här spelar stor roll, och du borde skaffa liknande enheter om du köper samma kit, var bara medveten om detta.

Strömmen styrs genom att växla SHDN -stiftet på TLV2770 opamp. När SHDN -stiftet är lågt stängs opampen av och när den är hög fungerar opampen normalt.

Strömhanteringskretsen styr också CS -linjen på den digitala potentiometern X9C104. När strömmen stängs av går CS-linjen högt och ser till att den aktuella inställningen för potten skrivs tillbaka till dess icke-flyktiga flashminne.

Så fungerar det: initialt är övergången mellan 100K -motståndet och 1uF -kondensatorn vid +5V. När den momentana omkopplaren trycks in överförs högspänningen via 10nF -kondensatorn till basen på Q1, som slås på. Genom att göra det så drar kollektorn lågt och detta gör att Q2 också slås på. Kretsen spärras sedan via 270K återkopplingsmotstånd, vilket säkerställer att Q1 och Q2 båda förblir på och SHDN -utgången är hög.

Vid denna punkt dras övergången mellan 100K -motståndet och 1uF -locket nu lågt med Q1. När den tillfälliga omkopplaren trycks in igen därför dras basen på Q1 lågt och stängs av. Samlaren stiger till +5V när Q2 stängs av och SHDN -utgången går nu lågt. Vid denna tidpunkt är kretsen tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd.

Sätt ihop strömhanteringskretsen och anslut den momentana omkopplaren på givaren till den. Kontrollera att SHDN växlar varje gång du trycker på reglaget och att när SHDN är låg är CS hög och vice versa.

Anslut kylfläkten tillfälligt till kollektorn på Q3 och +5V -skenan (vilket är den positiva ledningen från fläkten) och kontrollera att när SHDN är hög slås fläkten på.

Anslut sedan strömhanteringskretsen till strömförsörjningen med konstant ström och anslut CS till den digitala potentiometern X9C104P, ta bort den tillfälliga jordlänken. Anslut SHDN till TLV2770 och ta också bort den tillfälliga länken till den stiftet.

Du bör nu kunna bekräfta att kretsen startar korrekt och slås på och av när givarknappen trycks in.

Steg 7: Felskyddskrets

Liksom de flesta strömkällor med konstant ström finns det ett problem om lasten kopplas bort och sedan återansluts. När lasten kopplas bort, mättas Q4 när opampen försöker driva ström genom lasten. När lasten återansluts, eftersom Q4 är helt på, kan en hög övergående ström flöda genom den i flera mikrosekunder. Även om dessa 3W -lysdioder är ganska toleranta mot transienter, överskrider de fortfarande databladets betyg (1A för 1ms) och om belastningen var en känslig laserdiod kan den lätt förstöras.

Felskyddskretsen övervakar basströmmen genom Q4. När lasten kopplas bort stiger detta till ungefär 30mA, vilket gör att spänningen över 27 ohm motståndet stiger tillräckligt för att sätta på Q5 och detta i sin tur får Q6 att slås på och dess kollektor sjunker sedan till nästan mark. Schottky -dioden (vald eftersom dess 0,4V framspänning är mindre än 0,7V som krävs för att slå på en transistor) drar sedan FLT -linjen lågt, stänger av Q1 och Q2 och stänger därmed av strömmen.

Detta säkerställer att lasten aldrig kan anslutas med ström på, vilket undviker potentiellt skadliga transienter.

Steg 8: Montering

Löd de magnetiska kopplingarna till en kort längd av en lagom kraftig tråd (cirka 6 tum lång), så att tråden passar genom hålen i höljet.

Se till att hålen är rena - använd en vridborr för att säkerställa detta och en mindre borr för att säkerställa att trådhålen på baksidan också är rena.

Använd nu ett LED -huvud, fäst kopplingarna på huvudstiften och sätt in dem i höljet. LED -huvudet ska passa så att när du tittar på kilspåret finns det ett litet gap mellan kilspåret och fodralet. När du är säker på att kopplingarna sitter korrekt placerar du en liten droppe epoxi på baksidan av var och en och sätter in med LED -huvudet och placerar det någonstans ur vägen medan limmet stelnar. Jag kopplade ihop mina LED -huvudenheter så att med huvudplattan på huvudenheten vänd mot dig och nyckeln pekar uppåt, är den positiva anslutningen på din högra sida.

När limmet har stelnat, ta bort huvudet och montera sedan fläkten, med etiketten synlig, dvs luftflödet trycker luft över huvudets kylfläns. Jag använde två M2 X 19 mm maskinskruvar och en mutterdragare för att montera fläkten, det är rörigt men skjut in det från fodralets baksida och då ska du kunna få allt att ställas upp och fästas.

Nu kan du montera 2,5 mm -eluttaget och ansluta alla ledningar till kretskortet, vilket ger tillräckligt med slack så att du enkelt kan dra upp det och sedan skjuta in det i höljet på skenorna som skrivs ut i fodralet.

Den bakre plattan monteras med fyra små självgängande skruvar. Observera att givaraxelns läge inte är helt centrerat på plattan, så se till att du vrider den tills skruvhålen är i linje.

Steg 9: USB -strömkabel

Strömkabeln är tillverkad av en billig USB -kabel. Klipp bort kabeln cirka 1 tum från den större USB -kontakten och ta bort den. De röda och svarta trådarna är kraft och jord. Anslut en tjockare figur 8 -kabel till dessa med hjälp av värmekrymp för att isolera och sedan i andra änden en vanlig 2,5 mm strömkontakt.

Vi klippte USB -kabeln kort eftersom ledningarna är för tunna för att bära strömmen och kommer att tappa för mycket spänning annars.

Steg 10: Moduleringsalternativ och fiberkoppling

För att modulera strömkällan, koppla bort 0.1uF kondensatorn och W-stiftet från den icke-inverterande ingången på opampen och anslut den ingången till jord via ett 68 ohm motstånd. Anslut sedan ett 390 ohm motstånd till den icke-inverterande ingången. Den andra änden av motståndet är då moduleringsingången, med 5V som driver LED: n till full ström. Du kan passa ett par hoppare på brädet för att underlätta byte från kodaren till extern modulering.

Du kan använda STL från Angstrom -projektet för 3 mm fiberkopplingar om du vill ansluta lysdioderna till fiber, t.ex. för mikroskopi etc.

Steg 11: Driva flera lysdioder

Du kan använda konstantströmdrivrutinen för att driva flera lysdioder. Lysdioder kan inte anslutas parallellt eftersom en lysdiod skulle ta det mesta av strömmen. Därför ansluter du lysdioderna i serie och ansluter sedan anoden på den översta lysdioden till en lämplig strömkälla, så att huvudkontrollkretsen fortfarande körs på 5V.

Det är lättare i de flesta fall att bara använda en separat strömförsörjning för lysdioderna och låta allt annat gå från en vanlig telefonladdare.

För att beräkna spänningen, ta antalet lysdioder och multiplicera med spänningsfallet för varje lysdiod. Tillåt sedan cirka 1,5 V marginal. Till exempel kräver 10 lysdioder med ett spänningsfall på 2,2V var och en 22V så att en 24V -strömförsörjning skulle fungera bra.

Du måste se till att spänningen över effekttransistorn inte är för hög eftersom den annars blir för varm - som designad här sjunker den nästan 3V i värsta fall (kör en infraröd LED med låg framspänning) så detta är det maximala du bör sikta på om du inte vill använda en större kylfläns. Under alla omständigheter skulle jag hålla spänningen mindre än 10V eftersom du börjar komma in i strömbegränsningar baserat på transistorns säkra arbetsområde.

Observera att de kortare våglängdssändarna har högre framspänningar, med 365nm lysdioder som tappar nästan 4V. Att ansluta 10 av dessa i serie skulle tappa 40V och en vanlig 48V -strömförsörjning skulle kräva en större kylfläns på effekttransistorn. Alternativt kan du använda flera 1A -dioder i serie med lysdioderna för att sänka den extra spänningen till 0,7V per diod, säg 8 för att släppa 5,6V och då lämnar detta bara 2,4V över effekttransistorn.

Jag skulle vara försiktig med att använda högre spänningar än detta. Du börjar stöta på säkerhetsproblem om du kommer i kontakt med strömförsörjningen. Se till att du passar en lämplig säkring i serie med lysdioderna; som utformat här har 5V strömförsörjning en säker strömbegränsning och vi behöver inte en, men i det här scenariot skulle vi säkert vilja ha skydd mot kortslutning. Observera att kortslutning av en rad lysdioder som detta förmodligen kommer att resultera i en ganska spektakulär nedsmältning av effekttransistorn, så var försiktig !. Om du vill driva fler lysdioder behöver du förmodligen en parallell uppsättning strömkällor. Du kan använda flera kopior av konstantströmdrivrutinen (tillsammans med sin egen felskyddskrets) och dela en gemensam kodare, effektstyrkrets och spänningsreferens mellan dem, varje kopia har sin egen effekttransistor och driver, säg 10 lysdioder. Hela kretsen kan parallelliseras eftersom drivarna med konstant ström var och en hanterar en sträng lysdioder i det scenariot.