Cubo de LED DIY: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

El LED Cube no es más que una matriz tridimensional de LED para iluminarse en diferentes formas y patrones. Es un proyecto interesante para aprender o mejorar sus habilidades de soldadura, diseño de circuitos, impresión 3D y programación. Aunque me gustaría construir un cubo RGB, creo que primero comenzaré con un simple cubo LED de un color para ganar experiencia.

Quedé muy impresionado e inspirado por el proyecto de Char de Instructables, deberías echarle un vistazo si tienes tiempo.

Voy a construir un cubo de LED de 8x8x8, que no es más que 8 filas, 8 columnas y 8 capas de LED. Son 512 LED en total. Ahora, el elemento más importante es el LED, elija el tamaño más pequeño para que el cubo sea compacto. Además, es mejor colocar los LED difusos sobre los translúcidos porque los translúcidos dispersan la luz y no son muy atractivos.

Paso 1: componentes necesarios

LED - 512 piezas

Resistencias 1k, 220E - pocas

Interruptor táctil - 1 pieza

Interruptor de empuje para ENCENDIDO - 1 ud.

Encabezados M / F - Pocos

Arduino Pro Mini - 1 pieza

Condensadores 0.1uF - 9pc

Tablero perfilado (15 cm x 15 cm) - 2 piezas

LED - 1 pieza

74HC594 - 8 piezas

Transistor 2N2222 - 16 piezas

74LS138D - 1 pieza

Zócalos IC 20 pines - 9 piezas

Zócalos IC 16 pines - 1 pieza

Cables de cinta - 5 metros

Programador UART

RPS

Acceso a impresora 3D

Paso 2: Montaje de la estructura del LED Cube

He recogido un paquete de 1000 LED difusos de los cuales usaré 512. Ahora, tenemos que poder controlar cada uno de los LED de forma independiente, solo entonces podemos hacer patrones interesantes.

Voy a usar una placa Arduino Pro Mini para controlar los LED, pero esta placa tiene solo 21 pines para controlar los LED. Pero puedo usar un multiplexor para manejar todos los 512 LED a través de los 21 pines.

Antes de adentrarnos en el diseño del circuito del controlador, construyamos la estructura del cubo LED. Es muy importante que obtengamos la simetría correcta para que el cubo se vea bien, así que primero preparemos un concierto que nos ayudará a mantener la simetría.

Voy a imprimir en 3D una base de 120x120x2 mm para construir el cubo. Voy a usar esto para crear cada capa de LED, que serán aproximadamente 64 LED por capa. Ahora, necesito espaciar los LED de manera uniforme en todos los ámbitos. Dado que el cátodo mide aproximadamente 17 mm, dejando 2 mm para soldar, voy a espaciar los orificios a 15 mm. Empecemos con la impresión 3D.

Primero estoy colocando los LED en una fila y cortocircuitando el cátodo. Del mismo modo, voy a organizar 8 filas de LED con sus cátodos en corto. Una vez hecho esto, tengo 1 clavija de cátodo y 64 clavijas de ánodo, esto forma 1 capa.

Colocar 8 capas de este tipo una encima de la otra lo hará inestable y la estructura se deformará. Así que le voy a dar un apoyo adicional. Hay bastantes formas de hacerlo y una de ellas es usar alambre de cobre plateado, pero como no tengo esto conmigo, voy a probar un método burdo. Estirar el alambre de soldadura lo endurece, así que lo usaré como soporte. Aplique un poco de soldadura en los pines del cátodo antes de usar el cable para dar soporte. Con suerte, usarlo en el centro y los lados debería darle al cubo la fuerza que necesita. Necesitaremos unos 16 cables y es muy importante que hagamos bien esta pieza.

Voy a enderezar los pines del ánodo para hacerlos simétricos.

Los LED pueden dañarse a veces debido al calor de la soldadura, por lo que es mejor revisarlos después de construir cada capa. Una vez hecho esto, las capas se pueden ensamblar una encima de la otra y esta vez se pueden soldar los pines del ánodo. Al final, debe tener 64 pines de ánodo y un pasador de cátodo por capa. Entonces, con estos 64 + 8 = 72 pines, deberíamos poder controlar cada uno de los LED en este cubo.

Ahora, necesitamos una estructura de soporte para ensamblar las capas una encima de la otra.

Cometí un error. Estaba un poco demasiado entusiasmado y no verifiqué si los pines del ánodo estaban alineados entre sí. Debería haber doblado los pines del ánodo 2 mm para que cada capa se pueda soldar entre sí y se pueda formar una línea recta. Como no hice esto, tendré que doblar manualmente todos los pines que he soldado y esto podría afectar mi simetría al final. Pero cuando lo construya, tenga cuidado de no cometer el mismo error. Ahora que la construcción está completa, tendremos que trabajar en el circuito del conductor.

Paso 3: Circuito del controlador - Reducir el número de pines

Como mencioné al principio, necesitaremos 72 pines IO del controlador, pero ese es un lujo que no podemos permitirnos. Así que construyamos un circuito de multiplexación y reduzcamos la cantidad de pines. Veamos un ejemplo, tomemos un circuito integrado flip-flop. Este es un flip-flop tipo D, no nos preocupemos por los tecnicismos en este punto. El trabajo fundamental del IC es recordar los 8 pines, de los cuales 2 son para la fuente de alimentación, D0 - D7 son los pines de entrada para recibir los datos y Q0 - Q7 son los pines de salida para enviar los datos procesados. El pin de habilitación de salida es un pin bajo activo, es decir, solo cuando lo ponemos en 0 aparecerán los datos de entrada en los pines de salida. También hay un pin de reloj, veamos por qué lo necesitamos.

Ahora, fijé el IC en una placa de pruebas y establecí los valores de entrada en 10101010 con 8 LED conectados a la salida. Ahora, los LED están encendidos o apagados según la entrada. Déjeme cambiar la entrada a 10101011 y verifique la salida. No veo ningún cambio con los LED. Pero cuando envío un pulso de bajo a alto a través del pin del reloj, la salida cambia según la nueva entrada.

Usaremos este concepto para desarrollar nuestra placa de circuito de controlador. Pero nuestro IC solo puede recordar datos de 8 pines de entrada, por lo que vamos a utilizar un total de 8 de estos IC para admitir 64 entradas.

Paso 4: Diseño del circuito del controlador

Empiezo por multiplexar todos los pines de entrada del IC a los 8 pines de datos del microcontrolador. El truco aquí es dividir los datos de 64 bits de los 8 pines en 8 bits de datos.

Ahora, cuando paso los 8 bits de datos al primer IC seguido de una señal de pulso de bajo a alto en el pin del reloj, veré que los datos de entrada se reflejan en los pines de salida. De manera similar, al enviar 8 bits de datos al resto de los circuitos integrados y controlar los pines del reloj, puedo enviar 64 bits de datos a todos los circuitos integrados. Ahora, el otro problema es la escasez de pines de reloj en el controlador. Así que voy a usar un decodificador IC de 3 a 8 líneas para multiplexar los controles de los pines del reloj. Usando los 3 pines de dirección en el decodificador en combinación con el microcontrolador puedo controlar los 8 pines de salida del decodificador. Estos 8 pines de salida deben conectarse a los pines del reloj en los circuitos integrados. Ahora tenemos que acortar todos los pines de habilitación de salida y conectarlos a un pin en el microcontrolador, con esto deberíamos poder encender o apagar todos los LED.

Lo que hemos hecho hasta ahora es solo para una capa, ahora necesitamos extender la funcionalidad a otras capas a través de la programación. Un LED consume aproximadamente 15 mA de corriente, por lo que, siguiendo ese número, necesitaremos aproximadamente 1 amperio de corriente para una sola capa. Ahora, la mini placa Arduino pro solo puede generar o absorber hasta 200 mA de corriente. Dado que nuestra corriente de conmutación es demasiado, tendremos que usar un BJT o MOSFET para controlar la capa de LED. No tengo muchos MOSFET, pero tengo algunos transistores NPN y PNP. En teoría, es posible que tengamos que cambiar hasta 1 amperio de corriente por capa. De los transistores que obtuve, el más alto solo puede cambiar alrededor de 800 mA de corriente, el transistor 2N22222.

Así que tomemos 2 transistores y aumentemos su capacidad actual conectándolos en paralelo. Mucha gente cuando adopta este método usa solo la resistencia de límite de base, pero el problema aquí es que a medida que cambia la temperatura, la corriente a través de los transistores se desequilibra y causa problemas de estabilidad. Para mitigar el problema, podemos usar 2 resistencias similares en el emisor también para regular la corriente incluso cuando cambia la temperatura. Este concepto se llama degeneración del emisor. La resistencia del emisor proporciona una especie de retroalimentación para estabilizar la ganancia del transistor.

Solo voy a usar resistencias solo en la base. Esto puede causar problemas en el futuro, pero como esto es solo un prototipo, lo manejaré más adelante.

Paso 5: Soldar los componentes

Ahora, montemos el circuito en una placa de perforación. Comencemos con los circuitos integrados flip-flop y usemos un soporte de circuito integrado para este propósito. Siempre comience con el primer y último pines, verifique la estabilidad y luego suelde el resto de los pines. Usemos también un encabezado macho para conectar y usar las resistencias limitadoras de corriente y para la conectividad al cubo. Ahora conecte los condensadores de desacoplamiento del IC cerca de los pines de la fuente de alimentación del IC.

A continuación, trabajemos en el microcontrolador. Para hacerlo plug and play, usemos un soporte y conectemos los pines hembra primero, luego coloquemos el microcontrolador.

Es hora de trabajar en los transistores. Se requieren 16 resistencias de 1K ohmios para conectarse a la base de los transistores. Para mantener los pines del cátodo común del LED Cube en un estado lógico predeterminado, voy a usar una resistencia zip de 8 K ohmios, que contiene 8 resistencias. Finalmente, trabajemos en el decodificador de direcciones IC. Ahora el circuito está listo de manera similar al diseño del circuito.

Paso 6: Impresión 3D

Necesitamos una caja para albergar la placa de circuito y el cubo LED, así que usemos una impresa en 3D. Voy a dividirlo en 3 partes para facilitar el montaje.

Primero, una placa base para sujetar la estructura led. En segundo lugar, un cuerpo central para la electrónica. En tercer lugar, una tapa para cerrar la carcasa.

Paso 7: ¡Terminando

Empecemos por montar la estructura led. Puede empujar los pines a través de los orificios y soldarlos directamente a la placa de circuito, pero en aras de la estabilidad, primero usaré una placa de perforación y luego la soldaré al circuito. Estoy usando un cable plano para soldar a los LED, luego conecto el otro extremo a los respectivos pines de salida de los circuitos integrados flip-flop.

Para conectar entre el transistor y las capas del cubo de LED, necesitamos tener pines independientes para conectar a los pines del cátodo. Antes de encenderlo, es importante verificar la continuidad y el voltaje entre los puntos. Una vez que todo esté bien, los circuitos integrados se pueden conectar y luego encender. Nuevamente, es bueno verificar si todos los LED brillan conectándolos directamente a la alimentación antes de conectarlos a través del circuito. Si todo está bien, entonces los cables LED se pueden conectar a los respectivos puntos de flip-flop.

Hagamos un trabajo de limpieza: desconectemos el cable de programación del microcontrolador, corte los pines que sobresalen, etc. Ahora conectemos el cable de programación al cuerpo de la carcasa, arreglemos un LED de estado, un interruptor de encendido y finalmente un interruptor de reinicio. Estamos cerca de terminarlo, así que juntemos las 3 partes. Comience con la base del LED al cuerpo, luego, una vez que los cables estén bien colocados, cierre la tapa en la parte inferior.

Descarga el código al Arduino Pro Mini y ¡listo!

Gracias a Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ por su excelente Instructable y Code.