Angstrom - en avstämbar LED -ljuskälla: 15 steg (med bilder)

2025 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2025-01-13 06:58

Angstrom är en 12 -kanals avstämbar LED -ljuskälla som kan byggas för under £ 100. Den har 12 PWM-kontrollerade LED-kanaler som spänner över 390nm-780nm och erbjuder både möjligheten att blanda flera kanaler till en enda 6 mm fiberkopplad utgång samt möjligheten att mata ut alla eller alla kanaler samtidigt till individuella 3 mm fiberutgångar.

Applikationerna inkluderar mikroskopi, kriminalteknik, kolorimetri, dokumentskanning etc. Du kan enkelt simulera spektrumet för olika ljuskällor som kompaktlysrör (CFL).

Dessutom kan ljuskällorna användas för intressanta teatereffekter. Effektkanalerna är mer än kapabla att hantera ytterligare lysdioder med högre strömförsörjning, och de flera våglängderna skapar en vacker och unik mångfärgad skuggeffekt som vanliga vita eller RGB LED -källor inte kan kopieras. Det är en hel regnbåge i en låda !.

Steg 1: Delar som krävs - Baseboard, Power, Controller och LED -montering

Baseboard: Enheten monteras på en träfot, cirka 600 mm x 200 mm x 20 mm. Dessutom används ett spänningsavlastande träblock 180 mm X 60 mm X 20 mm för att rikta in de optiska fibrerna.

En 5V 60W strömförsörjning är ansluten till elnätet via en säkrad IEC -kontakt, utrustad med en 700mA säkring, och en liten vippströmbrytare med minst 1A 240V används som huvudströmbrytare.

Huvudkretskortet är konstruerat av standard fenolisk kopparklädd bandplatta, 0,1 tum stigning. I prototypen mäter denna bräda cirka 130 mm x 100 mm. Ett valfritt andra kort, cirka 100 mm x 100 mm, monterades på prototypen, men detta är endast för att passa ytterligare kretsar, såsom signalbehandlingslogik för spektroskopi etc och krävs inte för basenheten.

Den huvudsakliga LED -enheten består av 12 3W stjärniga lysdioder, var och en med en annan våglängd. Dessa diskuteras mer detaljerat i avsnittet om LED -enheten nedan.

Lysdioderna är monterade på två kylflänsar i aluminium som i prototypen var 85 mm x 50 mm x 35 mm djupa.

En Raspberry Pi Zero W används för att styra enheten. Den är utrustad med en rubrik och ansluts till ett matchande 40 -poligt uttag på huvudkortet.

Steg 2: Delar som krävs: lysdioder

De 12 lysdioderna har följande mittvåglängder. De är 3W stjärniga lysdioder med en 20 mm kylflänsbas.

390nm410nm 440nm460nm500nm520nm560nm580nm590nm630nm660nm780nm

Alla utom 560nm -enheten kom från FutureEden. Enheten på 560 nm kommer från eBay eftersom FutureEden inte har en enhet som täcker denna våglängd. Observera att denna enhet kommer att skickas från Kina, så tillåt tid för leverans.

Lysdioderna är fästa på kylflänsen med hjälp av Akasa termotape. Klipp 20 mm fyrkanter och håll sedan fast ena sidan på lysdioden och den andra på kylflänsen, så att du följer tillverkarens instruktioner om vilken sida av tejpen som går till LED -kylflänsen.

Steg 3: Delar som krävs: LED -styrkretsar

Varje LED -kanal styrs från en GPIO -pin på Raspberry Pi. PWM används för att styra LED -intensiteten. En effekt MOSFET (Infineon IPD060N03LG) driver varje lysdiod via ett 2W effektmotstånd för att begränsa LED -strömmen.

Värden på R4 för varje enhet och uppmätt ström visas nedan. Motståndsvärdet ändras eftersom spänningsfallet över lysdioderna med kortare våglängd är högre än för de längre våglängds -lysdioderna. R4 är ett 2W motstånd. Det kommer att bli ganska varmt under drift så var noga med att montera motstånden från styrkortet så att ledningarna hålls tillräckligt långa så att motståndskroppen är minst 5 mm fritt från kortet.

Infineon -enheterna finns billigt på eBay och lagras också av leverantörer som Mouser. De är rankade till 30V 50A vilket är en enorm marginal men de är billiga och enkla att arbeta med, eftersom de är DPAK-enheter och därför lätt handlödbara. Om du vill byta ut enheter, var noga med att välja en med lämpliga strömmarginaler och med en gränströskel så att enheten vid 2-2,5V är helt på, eftersom den matchar de logiska nivåer (3,3V max) som är tillgängliga från Pi GPIO stift. Port/källkapacitans är 1700pf för dessa enheter och alla ersättare bör ha ungefär samma kapacitans.

Snubbernätet över MOSFET (10nF kondensator och 10 ohm 1/4W motstånd) ska styra stig- och falltider. Utan dessa komponenter och 330 ohm -grindmotståndet fanns det tecken på ringning och överskridande på utgången som kunde ha lett till oönskad elektromagnetisk störning (EMI).

Tabell över motståndsvärden för R4, 2W effektmotstånd

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 3,3 ohm 630m 680m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m 630m

Steg 4: Obligatoriska delar: Fiberoptik och kombinerare

Lysdioderna är kopplade till en optisk kombinerare via 3 mm plastfiber. Detta är tillgängligt från ett antal leverantörer men de billigare produkterna kan ha överdriven dämpning vid korta våglängder. Jag köpte lite fiber på eBay vilket var utmärkt men lite billigare fiber på amazon som hade betydande dämpning på cirka 420 nm och lägre. Fibern jag köpte från eBay var från denna källa. 10 meter borde vara gott. Du behöver bara 4 meter för att koppla ihop lysdioderna med 12 X 300 mm längder, men ett av alternativen när du bygger den här enheten är att koppla ihop individuella våglängder till 3 mm utgångsfibrer så det är praktiskt att ha extra för detta alternativ.

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

Utmatningsfibern är flexibel 6 mm fiber innesluten i ett tufft ytterhölje av plast. Den är tillgänglig härifrån. En längd på 1 meter kommer nog att räcka i de flesta fall.

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

Den optiska kombinatorn är en avsmalnande ljusleder av plast som är gjord av en bit på 15 x 15 mm fyrkantig stång, skuren till cirka 73 mm och slipad så att styrändens utmatningsände är 6 mm x 6 mm.

Notera igen att vissa kvaliteter av akryl kan ha överdriven dämpning vid korta våglängder. Tyvärr är det svårt att avgöra vad du ska få, men stång från denna källa fungerade bra

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

Staven från denna källa hade dock överdriven dämpning och var nästan helt ogenomskinlig för 390 nm UV -ljus.

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

Steg 5: Delar som krävs: 3D -tryckta delar

Vissa delar är 3d -tryckta. Dom är

LED -fiberadaptrar

Fibermonteringsplattan

Den (tillval) fiberutgångsadaptern (för individuella outs). Detta är bara fibermonteringsplattan som tryckts om.

Den optiska kopplingsplattan

Alla delar är tryckta i standard PLA utom fiberadaptrarna. Jag rekommenderar PETG för dessa eftersom PLA mjuknar för mycket; lysdioderna blir ganska varma.

Alla STL för dessa delar ingår i de bifogade filerna för projektet. Se steget för att konfigurera Raspberry Pi för zip -filen som innehåller alla projekttillgångar.

Skriv ut fiberadaptrarna för lysdioderna med 100% fyllning. Övriga kan skrivas ut med 20% fyllning.

Alla delar trycktes på en lagerhöjd av 0,15 mm med ett standardmunstycke på 0,4 mm vid 60 mm/sek på en Creality Ender 3 och även en Biqu Magician. Alla billiga 3D-skrivare bör göra jobbet.

Delarna ska alla skrivas ut vertikalt med hålen pekade uppåt - detta ger bästa precision. Du kan hoppa över stöd för dem; det kommer att få huvudkopplingsmonteringsplattan att se lite trasig ut på bakkanten men det här är bara kosmetiskt; en touch av sandpapper kommer att städa upp det.

Viktigt: Skriv ut fibermonteringsplattan (och valfri andra kopia av den för den enskilda fiberutmatningsadaptern) i en skala på 1,05, dvs 5% förstorat. Detta säkerställer att hålen för fibern har tillräckligt med spelrum.

Steg 6: Montering av huvudstyrkortet

Styrkortet är tillverkat av standard kopparband (ibland kallat veroboard). Jag inkluderar inte en detaljerad layout eftersom bräddesignen som jag slutade med blev lite orolig på grund av att behöva lägga till komponenter som snubbernätverket som jag inte ursprungligen hade planerat. Överst på brädet, visat ovan delvis byggt, har kraftmotstånden och uttaget för Raspberry Pi. Jag använde en rätvinklig rubrik för Pi så den sitter i rät vinkel mot huvudkortet men om du använder en vanlig rak rubrik så sitter den helt enkelt parallellt med brädet istället. Det kommer att uppta lite mer utrymme på det sättet så planera därefter.

Veropins användes för att ansluta ledningar till kortet. För att skära spår är en liten vridborr användbar. För Pi -sockeln använder du en vass hantverkskniv för att skära spåren eftersom du inte har ett ledigt hål mellan de två uppsättningarna sockelstift.

Notera den dubbla raden med 1 mm koppartråd. Detta för att ge en låg impedansväg för de nästan 7 ampere ström som lysdioderna förbrukar vid full effekt. Dessa ledningar går till källterminalerna för MOSFET -strömmen och därifrån till jord.

Det finns bara en liten 5V -kabel på detta kort som levererar ström till Pi. Detta beror på att 5V huvudströmförsörjning går till anoderna på lysdioderna, som är anslutna via en standard PC IDE -diskkabel på ett andra kort i min prototyp. Men du behöver inte göra detta och kan bara koppla upp dem direkt till ett uttag på det första kortet. I så fall kommer du att köra en dubbel uppsättning koppartrådar längs anodsidan för att hantera strömmen på +5V -sidan. I prototypen fanns dessa trådar på det andra kortet.

Steg 7: Power MOSFET: erna

MOSFET: erna monterades på kopparsidan av brädet. De är DPAK -enheter och så måste fliken lödas direkt på kortet. För att göra detta, använd en lagom stor spets på lödkolven och tenn snabbt på fliken. Tind kopparspåren där du ska fästa enheten. Lägg den på brädet och värm upp fliken igen. Lödet smälter och enheten fästs. Försök att göra detta ganska snabbt för att inte överhettas. det kommer att tåla flera sekunder av värme så inte få panik. När fliken (avloppet) är lödd kan du sedan löda grinden och källkablarna till brädet. Glöm inte att klippa spåren först för grinden och källkablarna så att de inte kortas ut till avtappningsfliken !. Du kan inte se på bilden men snittet ligger under ledningarna mot enhetens kropp.

Eagle-eyed läsare kommer bara att notera 11 MOSFET. Detta beror på att den 12: e tillkom senare när jag fick 560nm lysdioder. Det passar inte på brädan på grund av bredden, så placerades någon annanstans.

Steg 8: Lysdioder och kylflänsar

Här är en närbild på lysdioderna och kylflänsarna. Styrkortets ledningar var från en tidigare version av prototypen innan jag bytte till att använda en IDE -kabel för att ansluta lysdioderna till styrenheten.

Som nämnts tidigare fästs lysdioderna med rutor av Akasa termotape. Detta har fördelen att om en lysdiod misslyckas är det enkelt att ta bort den med en skarp kniv för att skära igenom tejpen.

Så länge kylflänsen är tillräckligt stor finns det inget som hindrar dig från att montera alla lysdioder på en enda kylfläns. På kylflänsarna som visas, vid full effekt, når kylflänsens temperatur 50 grader C och därför är dessa kylflänsar förmodligen något mindre än optimala. I efterhand hade det förmodligen också varit en bra idé att sätta tre av de längre våglängds -lysdioderna på varje kylfläns i stället för att sätta alla sex av de kortare våglängdssändarna på ena och de längre våglängdssändarna på den andra. Detta beror på att för en given framström, avger de korta våglängdssändarna mer effekt på grund av deras högre spänningsfall framåt och blir därmed varmare.

Du kan naturligtvis lägga till fläktkylning. Om du planerar att helt omsluta LED -enheten är detta klokt.

Steg 9: LED -kablar

Lysdioderna är anslutna till styrkortet via en standard 40 -polig IDE -kabel. Alla kabelpar används inte, vilket ger utrymme för expansion.

Kopplingsscheman ovan visar ledningarna för IDE -kontakten och även kablarna till själva Raspberry Pi.

Lysdioderna markeras med sina färger (UV = ultraviolett, V = violett, RB = kungsblått, B = blått, C = cyan, G = grönt, YG = gulgrönt, Y = gult, A = gult, R = ljust röd, DR = djupröd, IR = infraröd), dvs genom stigande våglängd.

Obs! Glöm inte att se till att +5V anslutningssidan på kabeluttaget har 2 x 1 mm tjocka ledningar som går parallellt längs bandet för att ge en hög strömväg. På samma sätt bör källanslutningarna till MOSFET, som är jordade, ha liknande trådar för att ge den höga strömvägen till marken.

Steg 10: Testa styrkortet

Utan att ansluta Raspberry Pi till kortet kan du testa att dina LED -drivrutiner fungerar korrekt genom att ansluta GPIO -stiften via en klämma till +5V -skenan. Lämplig lysdiod ska lysa.

Anslut aldrig GPIO -stiften till +5V när Pi är inkopplad. Du skadar enheten, den körs internt på 3,3V.

När du är säker på att drivrutinerna och lysdioderna fungerar korrekt kan du fortsätta med nästa steg, det vill säga att konfigurera Raspberry Pi.

Titta inte direkt in i änden av de optiska fibrerna med lysdioderna som går med full effekt. De är extremt ljusa.

Steg 11: Fiberoptik Koppling av lysdioderna

Varje LED är kopplad via 3 mm optisk fiber. Den 3d -tryckta fiberadaptern passar tätt över LED -enheten och styr fibern. Dragavlastningsblocket är monterat cirka 65 mm framför LED -kylflänsarna.

Detta ger tillräckligt med utrymme för att få in fingrarna och skjuta fiberadaptrarna på lysdioderna och sedan passa på fibern.

Borra 4 mm hål genom dragavlastningsblocket i linje med lysdioderna.

Varje fiberlängd är cirka 250 mm lång, men eftersom varje fiber tar en annan väg kommer den faktiska monterade längden att variera. Det enklaste sättet att göra detta rätt är att klippa fiberlängder på 300 mm. Du måste sedan räta ut fibern annars blir det omöjligt att hantera. Det är som 3 mm tjockt perspexstång och är mycket styvare än du föreställer dig.

För att räta ut fibern använde jag en 300 mm längd (ca) 4 mm OD mässingsstång. Stångens innerdiameter är tillräcklig för att fibern ska glida mjukt in i stången. Se till att båda ändarna på stången är släta, så att du inte repar fibern medan du skjuter in den och ut ur stången.

Skjut in fibern i stången så att den är jämn i ena änden och med lite längd som sticker ut den andra, eller hela vägen in om stången är längre än fibern. Doppa sedan staven i en djup kastrull fylld med kokande vatten i cirka 15 sekunder. Ta bort stången och placera om nödvändigt fibern så att den andra änden är i linje med stångänden, värm sedan den änden på samma sätt.

Du bör nu ha en helt rak fiberbit. Ta bort genom att trycka igenom en annan fiberbit tills du kan greppa och ta bort den rätade fibern.

När du har rättat ut alla tolv fiberstycken skär du ytterligare tolv bitar ca 70 mm långa. Dessa kommer att användas för att leda fibrerna genom kopplingsplattan. När konstruktionen är klar kommer de att användas för att fylla den enskilda fiberutkopplingen, så att de inte går till spillo.

Räta ut dessa skurna bitar på samma sätt. Montera dem sedan på kopplingsplattan. Du kan se hur de ska se ut på bilden ovan. Den förskjutna layouten är att minimera det område som fibrerna upptar (minimal sfärisk packningstäthet). Detta säkerställer att fiberkombinatorn kan fungera så effektivt som möjligt.

Ta varje bit klippt fiber i full längd och slipa ena änden platt, arbeta upp till 800 och sedan 1500 sandpapper. Polera sedan med metall- eller plastlack - ett litet roterande verktyg med en polerskiva är praktiskt här.

Ta nu bort EN klippt fiber och skjut in hela längden i kopplingsplattan. Montera sedan tillbaka den genom dragavlastningen så att den polerade änden vidrör LED -objektivets framsida via LED -fiberkopplingen. Upprepa för varje fiber. Att hålla de korta fiberbitarna i hålen gör att varje lång fiber är lätt att få på exakt rätt plats.

OBS: Tryck inte för hårt på de violetta och ultravioletta lysdioderna De är inkapslade med ett mjukt polymermaterial till skillnad från de andra lysdioderna, som är epoxikapslade. Det är lätt att deformera linsen och få bindningstrådarna att gå sönder. Lita på mig, jag lärde mig detta på det hårda sättet. Så var försiktig när du monterar fibrerna på dessa två lysdioder.

Det spelar ingen roll vilken ordning du leder fibrerna genom kopplingen, men försök att lagra fibrerna så att de inte korsar varandra. I min design dirigerades de nedre sex lysdioderna till de tre lägsta hålen för de tre vänstra lysdioderna och sedan de tre nästa hålen för de tre högra lysdioderna och så vidare.

När du har dragit alla fibrer genom kopplingen, placera den på basplattan och borra två monteringshål och skruva sedan ner den.

Skär sedan varje fiberbit så nära kopplingsytan som möjligt med ett mycket skarpt par diagonala skär. Dra sedan ut varje bit, slipa och polera den skurna änden och byt ut den innan du går vidare till nästa fiber.

Oroa dig inte om fibrerna inte är helt i linje med kopplingsytan. Det är bäst att ta fel på sidan om att ha dem något infällda istället för att skjuta ut, men en millimeter eller två skillnad spelar egentligen ingen roll.

Steg 12: Konfigurera Raspberry Pi

Raspberry Pi -konfigurationsprocessen dokumenteras i det bifogade rtf -dokumentet som är en del av zip -filbilagan. Du behöver ingen extra hårdvara för att konfigurera Pi än en extra USB -port på en dator för att ansluta den, en lämplig USB -kabel och en SD -kortläsare för att skapa MicroSD -kortbilden. Du behöver också ett MicroSD -kort; 8G är mer än tillräckligt stor.

När du har konfigurerat Pi och anslutit den till huvudkontrollkortet bör den komma upp som en WiFi -åtkomstpunkt. När du ansluter din dator till detta AP och bläddrar till https://raspberrypi.local eller https://172.24.1.1 bör du se ovanstående sida. Skjut bara reglagen för att ställa in intensiteten och våglängderna för ljuset du vill se.

Observera att minsta intensitet är 2; detta är en särdrag hos Pi PWM -biblioteket.

Den andra bilden visar enheten som efterliknar spektrumet för en CFL -lampa, med utsläpp på cirka 420 nm, 490 nm och 590 nm (violett, turkost och gult) motsvarande de typiska tre fosforbeläggningslamporna.

Steg 13: Fiber Combiner

Fiberbalkombineraren är tillverkad av en 15 x 15 mm fyrkantig akrylstav. Observera att vissa akrylplaster har överdriven absorption i spektrumet från 420 nm och under; för att kontrollera detta innan du börjar, lyser UV -lysdioden genom staven och verifiera att den inte dämpar strålen för mycket (använd ett vitt papper så att du kan se det blåa skenet från de optiska vitarna i papperet).

Du kan skriva ut den 3D -skrivbara jiggen för att slipa ner stången eller bygga din egen av ett lämpligt plastark. Skär staven till cirka 73 mm och slipa och polera båda ändarna. Fäst sedan jiggen på två motsatta sidor av stången med dubbelhäftande tejp. Slipa med 40 kornpapper tills du befinner dig inom 0,5 mm från jiglinjerna, öka sedan successivt till 80, 160, 400, 800, 1500, 3000, 5000 och slutligen 7000 kornpapper för att få en avsmalnande polerad yta. Ta sedan bort jiggen och placera den igen för att slipa de andra två sidorna. Du bör nu ha en avsmalnande pyramid som är lämplig för montering i fiberkombineringsplattan. Den smala änden är 6 mm x 6 mm för att matcha fiberstart.

Obs: i mitt fall slipade jag inte ner till 6 mm x 6 mm så att kombinationsenheten sticker ut lite från monteringsplattan. Det här spelar ingen roll eftersom 6 mm fibern är en presspassning och kommer att stöta med den smala änden av kombineraren om den skjuts in tillräckligt långt.

Ta bort cirka 1 tum av yttermanteln från 6 mm fibern, var försiktig så att du inte skadar själva fibern. Om fiberns yttermantel inte passar tillräckligt bra i kopplingsplattan, lindar du bara en bit tejp runt den. Den ska då kunna skjutas in och ligga bekvämt med kombinationspyramiden. Montera hela enheten på basplattan i linje med fiberutgångarna.

Observera att du tappar lite ljus när du kombinerar. Du kan se orsaken från de optiska spåren ovan, eftersom koncentrering av ljuset också gör att strålvinkeln ökar och vi tappar lite ljus i processen. För maximal intensitet vid en enda våglängd, använd den valfria fiberkopplingsplattan för att plocka av en LED eller lysdioder direkt till 3 mm fiber.

Steg 14: Den individuella fiberutmatningsplattan

Detta är bara ett andra tryck av huvudfiberguiden. Återigen, kom ihåg att skriva ut i 105% skala för att tillåta fria fibrer genom hålen. Du skruvar helt enkelt ner den här plattan i linje med huvudfiberguiden, skruvar loss kombinationsenheten och ersätter den med denna platta. Glöm inte att montera den rätt, rundorna ligger bara i en riktning!

Lägg nu de 12 fiberbitarna du skar av i hålen i plattan. För att plocka bort en eller flera våglängder, ta bara bort en bit fiber och placera en längre längd i hålet. Du kan plocka bort alla 12 våglängder samtidigt om du vill.

Steg 15: Mer kraft !. Fler våglängder

Pi kan driva fler kanaler om du vill. Men tillgängligheten av lysdioder i andra våglängder är sannolikt en utmaning. Du kan få 365nm UV -lysdioder billigt men den flexibla fiber 6mm -kabeln börjar absorbera starkt även vid 390nm. Men jag fann att enskilda fibrer skulle fungera med den våglängden, så om du ville kan du lägga till eller byta ut en LED för att ge dig en kortare UV -våglängd.

En annan möjlighet är att öka ljusstyrkan genom att fördubbla lysdioderna. Du kan till exempel designa och skriva ut en 5 X 5 fiberkopplare (eller 4 X 6) och ha 2 lysdioder per kanal. Observera att du behöver en mycket större strömförsörjning eftersom du drar nästan 20 ampere. Varje lysdiod behöver sitt eget tappmotstånd; parallellera inte lysdioderna direkt. MOSFET: erna har mer än tillräckligt med kapacitet för att driva två eller till och med flera lysdioder per kanal.

Du kan inte riktigt använda lysdioder med högre effekt eftersom de inte avger ljus från ett litet område som 3W -lysdioderna och du kan därför inte effektivt koppla ihop dem med fiber. Slå upp "bevarande av etendue" för att förstå varför detta är.

Ljusförlusten genom kombineraren är ganska hög. Detta är tyvärr en konsekvens av fysikens lagar. Genom att minska strålradien ökar vi också dess divergensvinkel och så slipper lite ljus ut eftersom ljusledaren och fibern bara har en acceptationsvinkel runt 45 grader. Observera att effekten från enskilda fiberutgångar är betydligt högre än den kombinerade våglängdskopplaren.