Brincos de matriz de LEDs
(mitxela.com)- Para colocar o máximo possível de LEDs 0201 na parte frontal do brinco, foi mantido o suporte metálico de bateria de brincos de LED tipo stud prontos, e a pedra decorativa e o LED único foram substituídos por uma placa de circuito própria
- O circuito e o firmware de um badge anterior baseado no CH32V003 foram reduzidos em 3 vezes, implementando uma matriz 8x8 com pitch de 1 mm com 52 LEDs dentro de um círculo de 9 mm de diâmetro
- Em vez de uma placa HDI cara, foi feito um sanduíche de placas artesanal, colando duas placas de 2 camadas uma à outra, com a intenção de manter o custo total abaixo de US$ 50
- Embora os componentes 0201 estivessem fora das especificações da máquina de pick-and-place, com correção da posição de coleta na fita e alinhamento após o reflow, a maioria acabou assentada em uma grade consistente
- Duas pequenas baterias LR521 não conseguiam lidar com o consumo inicial de corrente, então, com capacitores adicionais, redução do clock e um duty cycle de cerca de 0,25%, a corrente total foi reduzida para cerca de 8 mA
Transformando brincos prontos em uma matriz de 52 LEDs
- O ponto de partida era colocar o maior número possível de LEDs 0201 na frente de um brinco tipo stud
- Brincos de LED tipo stud prontos são muito baratos e têm um pequeno suporte usinado de bateria para duas células LR521
- A pedra plástica e o LED único foram removidos, e a estrutura metálica foi reutilizada como conexão de alimentação do novo circuito
- Eletricamente, o circuito e o firmware são iguais aos do badge baseado em CH32V003 feito anteriormente
- A maior dificuldade foi reduzir o badge com pitch de LED de 3 mm para um pitch de 1 mm, diminuindo a área para 1/9, e ainda projetá-lo sem uma borda grossa ao redor da placa
Estrutura artesanal com vias cegas e enterradas no lugar de HDI
- Placas multicamadas com vias cegas ou enterradas poderiam oferecer a precisão necessária, mas até pequenos painéis de placas HDI começam na casa das centenas de dólares
- Para manter o custo total do projeto abaixo de US$ 50, foi escolhida uma abordagem de soldar duas placas de 2 camadas uma contra a outra por meio de uma matriz de pads de solda
- A maioria dos pads foi posicionada no perímetro para permitir verificar as conexões, mas, na prática, há a limitação de ser necessário separar a placa do painel para essa verificação
- O diâmetro dos furos de via é de 0,25 mm, menor que o mínimo típico de 0,3 mm nas opções de PCB mais baratas, entrando na segunda faixa de preço
- Quando o espaçamento entre LEDs cai para 1 mm, até a irregularidade na espessura do cobre ao redor dos furos metalizados se torna um problema perceptível
Montagem da matriz 8x8 com pitch de 1 mm
- O display principal é uma matriz 8x8 com pitch de 1 mm; os cantos foram cortados para se ajustar ao formato circular, colocando 52 LEDs dentro de um círculo de 9 mm de diâmetro
- A largura superior e inferior do painel é de 5 mm, e o tamanho total do painel é de 23 mm × 28,5 mm
- Em uma placa, a pasta de solda foi aplicada com stencil, e a outra placa, sem pasta, foi colocada por cima para formar a estrutura em sanduíche
- A espessura de cada placa é 0,6 mm, portanto, após o sanduíche, a espessura total fica um pouco acima de 1,2 mm
- Usar uma solda de temperatura mais alta poderia reduzir o risco de as juntas se soltarem depois, mas, devido aos pads de 0,5 mm de diâmetro e às limitações da pasta de solda disponível, o processo seguiu o método comum
Tentativas e erros com stencil e posicionamento de componentes 0201
- Vários projetos foram incluídos juntos no stencil de aço, e o custo era baixo o suficiente para que até encomendar um stencil para uma única placa fosse viável
- O primeiro erro foi não incluir fiducials no stencil
- Na primeira placa, foi possível verificar o alinhamento pelos pads QFN
- Depois de cortar uma placa do painel, o alinhamento da segunda placa ficou muito difícil
- O segundo erro pode ter sido fazer as aberturas para os pads 0201 pequenas demais
- Se fossem um pouco maiores, o trabalho com o stencil talvez fosse menos trabalhoso
- Na primeira tentativa, a maioria dos pads saiu bem, mas alguns ficaram com pouca pasta; só com a pressão e a velocidade corretas do rodo seria possível obter um resultado de alta qualidade
- Depois do primeiro brinco, o stencil não foi limpo suficientemente, e os resíduos remanescentes secaram, tornando o trabalho no segundo brinco mais complicado
Colocando LEDs 0201 com uma máquina de pick-and-place
- Posicionar manualmente os 52 LEDs 0201 não era impossível, mas o objetivo era verificar se isso poderia ser feito com uma máquina de pick-and-place
- Embora os componentes 0201 estivessem fora das especificações declaradas da máquina, o menor bico de vácuo não teve grandes problemas para pegar os componentes
- O problema inicial estava mais na alimentação pela fita do que na precisão de posicionamento
- Se a mesa tremesse durante a operação da máquina, os LEDs 0201 tendiam a saltar da fita onde o filme protetor já havia sido removido
- Os furos da fita têm pitch de 4 mm, mas os componentes 0402 e 0201 têm espaçamento menor que isso
- Em fitas com espaçamento de 2 mm, a máquina precisa avançar em meios passos, não em passos inteiros
- Para uma coleta estável, foi aplicado um offset à posição em que o componente é pego na fita
- A posição padrão ficava quase 4 mm distante da área onde o filme havia sido removido, deixando muito espaço para o componente saltar
- O primeiro resultado de posicionamento tinha um erro sistemático geral, ficando um pouco deslocado para baixo, mas a consistência entre os componentes foi boa
- Alguns LEDs ficaram inclinados, mas puderam ser corrigidos empurrando-os manualmente; após o reflow, quase todos ficaram alinhados em uma grade precisa
Conexão de alimentação do brinco e solução dos problemas de energia
- O circuito original do brinco, sob a pedra plástica, tinha uma pequena placa e dois componentes
- O compartimento da bateria é o polo positivo, e o fio fino no centro do pino é o polo negativo; portanto, o novo circuito só precisava se conectar a esses dois pontos
- No início, o circuito foi soldado e montado sem testes completos, mas logo precisou ser aberto novamente para correções
- O consumo de energia do firmware original era alto demais para a bateria pequena fornecer a corrente necessária, e a queda de tensão fazia o brownout detector do CH32V003 resetar o chip
- Mesmo montado, ainda era possível reprogramar, mas era bastante incômodo
- Um jacaré era conectado ao polo positivo
- Um fio era encostado na ponta para formar o negativo, e outro fio era encostado na parte interna para tocar o pino de debug
- Para estabilizar a alimentação, foram adicionados capacitores de 22 uF e 0,1 uF em paralelo
- Capacitores cerâmicos de alta capacitância fisicamente pequenos podem ter resistência interna alta, então combinar vários valores em paralelo pode ajudar
- O clock do chip foi reduzido de 48 MHz para 1,5 MHz
- Essa alteração também afeta a conexão com o debugger
- Em geral, é possível recuperar com um utilitário que se conecta logo após um ciclo de energia, mas, nessa estrutura de brinco, é difícil controlar a alimentação via debug
- No estado final, o duty cycle é de cerca de 0,25%, e o consumo total de corrente é de cerca de 8 mA
Produto final e código-fonte
- Depois de concluído, o segundo brinco foi fabricado da mesma forma, com a dificuldade adicional de que o equipamento de filmagem atrapalhava o espaço de trabalho
- Com fotos usando o brinco, foi testada uma imagem combinando longa exposição e flash para deixar rastros dos LEDs
- O código-fonte do projeto é o mesmo do badge e está em git.mitxela.com e no GitHub
- Depois disso, um LED morto no centro de um dos brincos foi substituído, e, em vez de uma página de projeto separada, foi publicado um vídeo do reparo
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Em termos de design, gostei mais da versão mais industrial, parecia mais cyberpunk. Ainda assim, esta também é muito bem-acabada.
O impressionante é que existe um LED RGB de 0,65×0,65 mm, que tem o mesmo tamanho que o quadrado do lado maior do LED mencionado no texto. A espessura também é de apenas 0,25 mm, algo como algumas folhas de papel. Se colar isso no rosto e integrar naturalmente com maquiagem, dá para criar um visual bem cyberpunk. A fiação também pode ser obtida quase tão fina quanto você quiser.
Não sei como funcionavam eletricamente, mas os modelos mais sofisticados pareciam ter LEDs controláveis individualmente ao longo da pálpebra superior, e eram bem legais.
Dizer “é um projeto de eletrônica impressionante, mas quem realmente iria querer usar esses brincos?” só pode ser piada. Acho que muitas mulheres de STEM pagariam um bom dinheiro por um conjunto desses.
O industrial[0] é um pouco enigmático demais, e a led-ring variant[1] é meio sem graça, mas uma matriz de LEDs completa é realmente impactante.
[0]: https://mitxela.com/projects/scaffold
[1]: https://mitxela.com/projects/charliestar
É realmente incrível, e conheço muita gente que compraria e usaria isso. Se virar produto, for recarregável e facilitar a programação dos LEDs, acho que venderia com certeza.
Se meu site algum dia ficar parecido com a página https://mitxela.com/projects do autor, poderei declarar que venci na vida.
Com base nisso, rascunhei algumas ideias como pingente, display OLED e um suporte de bateria separado que fica preso à orelha [1].
Um design parecido também ficaria ótimo em earbuds ou IEMs, especialmente se fosse possível sincronizar as luzes com a música. Falando sério, todo mundo deveria aprender a rascunhar os designs que tem na cabeça. Não precisa desenhar bem; basta conseguir comunicar a ideia.
Não sei se é viável nesse tamanho, mas uma versão que fizesse animações ou efeitos pulsantes seletivamente de acordo com som ou música faria muito sucesso em casas noturnas.
Achei bem legal ver a PCB empilhada como um sanduíche de camadas 2×2. Em baixa escala, deve ser mais barato do que uma PCB 1-2-1, e a Apple também usa o mesmo método.
Se o vídeo menciona Mike Harrison como inspiração, já tendo a ver com bons olhos. https://electricstuff.co.uk/
Fico curioso para saber qual é o menor display OLED circular existente. Também há LEDs 01005, um tamanho abaixo dos 0201 usados aqui, mas nesse ponto ele fica praticamente parecido com um display OLED.
A esta altura, a maior limitação para reduzir o tamanho parece não ser o LED em si, mas as vias. Se o LED tiver 3 pads e os 2 externos estiverem conectados entre si, daria para criar uma matriz em uma placa de face única sem vias.