Aretes con matriz LED
(mitxela.com)- Para colocar la mayor cantidad posible de LED 0201 en el frente del arete, se conservó el portabaterías metálico de unos aretes tipo stud LED comerciales y se reemplazó el adorno tipo gema y el LED único por una placa de circuito propia
- Se redujeron 3 veces el circuito y el firmware de una insignia previa basada en CH32V003 para implementar una matriz 8x8 de paso de 1 mm con 52 LED dentro de un círculo de 9 mm de diámetro
- En lugar de una PCB HDI costosa, se hizo un sándwich de placas artesanal uniendo dos placas de 2 capas para mantener el costo total por debajo de 50 dólares
- Aunque los componentes 0201 estaban fuera de especificación para la máquina pick-and-place, con corrección de la posición de toma en la cinta y alineación tras el reflow, la mayoría quedó asentada en una cuadrícula uniforme
- Dos baterías LR521 pequeñas no podían soportar bien el consumo inicial, así que se añadieron capacitores, se redujo el reloj y, con un ciclo de trabajo de aprox. 0.25%, se bajó la corriente total a unos 8 mA
Convertir unos aretes comerciales en una matriz de 52 LED
- El punto de partida fue colocar la mayor cantidad posible de LED 0201 en el frente de unos aretes tipo stud
- Los aretes LED comerciales son muy baratos y cuentan con un pequeño portabaterías mecanizado para dos celdas LR521
- Se quitaron la gema plástica y el LED único, y la estructura metálica se reutilizó como conexión de alimentación para el nuevo circuito
- El circuito y el firmware son eléctricamente iguales a los de una insignia basada en CH32V003 hecha anteriormente
- La mayor dificultad fue reducir una insignia con paso de LED de 3 mm a un paso de 1 mm, dejando el área en 1/9, sin además usar un borde grueso alrededor de la placa
Estructura artesanal de vías ciegas y enterradas en lugar de HDI
- Una placa multicapa con vías ciegas o enterradas podía ofrecer la precisión necesaria, pero incluso un lote pequeño de PCB HDI arrancaba en varios cientos de dólares
- Para mantener el costo total del proyecto por debajo de 50 dólares, se eligió unir dos placas de 2 capas enfrentando sus arreglos de pads de soldadura
- La mayoría de los pads se colocaron en el perímetro para poder verificar las conexiones, aunque en la práctica había la limitación de tener que separar la placa del panel para comprobarlo
- El diámetro de perforación de las vías fue de 0.25 mm, menor al mínimo típico de 0.3 mm de la opción PCB más barata, así que entró en el segundo rango de precio
- Cuando la separación entre LED se reduce a 1 mm, la falta de uniformidad en el espesor del cobre alrededor de los agujeros metalizados se vuelve un problema visible
Ensamblaje de la matriz 8x8 de paso de 1 mm
- La pantalla principal es una matriz 8x8 de paso de 1 mm y, para ajustarse al formato circular, se recortaron las esquinas para meter 52 LED dentro de un círculo de 9 mm de diámetro
- El ancho superior e inferior del panel es de 5 mm, y el tamaño total del panel es de 23 mm × 28.5 mm
- Se aplicó pasta de soldar con stencil sobre una de las placas y luego se colocó encima la otra placa sin pasta para formar la estructura tipo sándwich
- Cada placa tiene un grosor de 0.6 mm, así que después del sándwich el grosor total queda apenas por encima de 1.2 mm
- Usar soldadura de mayor temperatura habría reducido el riesgo de que las uniones se soltaran después, pero por las limitaciones de los pads de 0.5 mm de diámetro y de la pasta de soldar disponible se siguió el método normal
Prueba y error con el stencil y la colocación de componentes 0201
- En el stencil de acero se incluyeron varios diseños, y era lo bastante barato como para que incluso pedir uno solo para una placa siguiera siendo viable en costo
- El primer error fue no incluir fiducials en el stencil
- En la primera placa se podía verificar la alineación usando los pads QFN
- Después de cortar una placa del panel, alinear la segunda placa se volvió muy difícil
- El segundo error pudo haber sido hacer demasiado pequeños los orificios para los pads 0201
- Si hubieran sido un poco más grandes, quizá el trabajo con el stencil habría sido menos problemático
- En el primer intento, la mayoría de los pads salió bien, pero a algunos les faltó pasta; para lograr un buen resultado había que ajustar con precisión la presión y la velocidad de la espátula
- Después del primer arete no se limpió suficientemente el stencil, los residuos restantes se secaron y el trabajo del segundo arete se volvió más complicado
Colocar LED 0201 con una máquina pick-and-place
- Colocar a mano los 52 LED 0201 no era imposible, pero el objetivo era comprobar si podía hacerse con una máquina pick-and-place
- Los componentes 0201 estaban fuera de la especificación declarada de la máquina, pero la boquilla de vacío más pequeña no mostró grandes problemas para recogerlos
- El problema inicial no estaba tanto en la precisión de colocación como en la alimentación desde la cinta
- Si la mesa se movía mientras la máquina trabajaba, era fácil que los LED 0201 saltaran fuera de la cinta con la película protectora retirada
- Los agujeros de la cinta tienen un paso de 4 mm, pero los componentes 0402 y 0201 tienen una separación menor entre piezas
- En una cinta con separación de 2 mm, la máquina tenía que avanzar medio paso en vez de un paso completo
- Para una toma estable, se aplicó un offset a la posición donde la máquina recogía el componente desde la cinta
- La posición por defecto quedaba casi 4 mm alejada de la zona donde se retiraba la película, así que había mucho margen para que el componente saliera disparado
- El primer resultado de colocación mostró un error sistemático, ligeramente desplazado hacia abajo en conjunto, pero la consistencia entre componentes fue buena
- Algunos LED quedaron inclinados, pero se podían empujar con la mano para corregirlos y, tras el reflow, casi todos quedaron en una alineación de cuadrícula precisa
Resolver la conexión de alimentación y los problemas de consumo
- Debajo de la gema plástica, el circuito original del arete tenía una pequeña placa y dos componentes
- La carcasa de la batería es el polo positivo, y el alambre fino en el centro del poste es el negativo, así que el nuevo circuito solo tenía que conectarse a esos dos puntos
- Al principio se soldó y montó todo sin probar por completo el circuito, pero pronto hubo que volver a abrirlo y corregirlo
- El consumo del firmware original era demasiado alto y las baterías pequeñas no podían manejar la corriente; la caída de voltaje hacía que el brownout detector de CH32V003 reiniciara el chip
- Incluso montado, todavía se podía reprogramar, pero era muy incómodo
- Se conectaba al positivo con una pinza caimán
- Un cable tocaba el extremo para hacer de negativo y otro tocaba la parte interior para contactar el pin de depuración
- Para estabilizar la alimentación, se añadieron en paralelo capacitores de 22uF y 0.1uF
- Los capacitores cerámicos físicamente pequeños y de gran capacidad pueden tener alta resistencia interna, así que combinar varios valores en paralelo puede ayudar
- El reloj del chip se bajó de 48MHz a 1.5MHz
- Este cambio también afectó la conexión con el depurador
- Normalmente se puede recuperar con una utilidad que conecta justo después de energizar, pero en la estructura de este arete era difícil controlar la alimentación para depuración
- El estado final quedó con un ciclo de trabajo de aprox. 0.25% y un consumo total de unos 8 mA
Pieza terminada y código fuente
- Tras terminar el primero, el segundo arete se fabricó de la misma manera, aunque hubo la dificultad adicional de que el equipo de grabación estorbaba en el espacio de trabajo
- Junto con fotos usándolo, se intentaron imágenes que dejaran trazos de luz LED combinando larga exposición y flash
- El código fuente del proyecto es el mismo que el de la insignia y está en git.mitxela.com y GitHub
- Después se reemplazó un LED muerto en el centro de uno de los aretes y, en lugar de una página de proyecto aparte, se publicó un video de reparación
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
En cuanto al diseño, me gustó más la versión más industrial, se veía más cyberpunk. Aun así, esta también está muy prolija.
Lo sorprendente es que existen LED RGB de 0.65×0.65 mm, que tienen el mismo tamaño que el cuadrado del lado más largo del LED mencionado en el artículo. Además, solo tienen 0.25 mm de grosor, como unas cuantas hojas de papel. Si te pegas algo así en la cara y lo integras de forma natural con maquillaje, podrías lograr un efecto bastante cyberpunk. El cableado también se puede conseguir casi tan delgado como uno quiera.
No sé cómo funcionaban eléctricamente, pero las versiones de gama alta parecían tener LED controlables individualmente a lo largo del párpado superior, y se veían bastante geniales.
Eso de “es un proyecto de electrónica impresionante, pero ¿quién querría usar realmente esos aretes?” parece una broma. Creo que muchas mujeres en STEM pagarían bastante por un par así.
industrial[0] es quizá un poco demasiado críptico, y la led-ring variant[1] es algo simple, pero una matriz LED completa es realmente impactante.
[0]: https://mitxela.com/projects/scaffold
[1]: https://mitxela.com/projects/charliestar
Es realmente genial, y conozco a mucha gente que compraría esto y lo usaría. Si lo convierten en producto, lo hacen recargable y facilitan la programación de los LED, seguro se vendería.
Si mi sitio web algún día se ve como la página https://mitxela.com/projects del autor, podré declarar que triunfé en la vida.
A partir de esto hice un boceto con ideas como un colgante, una pantalla OLED y un soporte de batería separado que se enganche en la oreja [1].
Un diseño parecido también se vería genial en earbuds o IEM, especialmente si las luces pudieran sincronizarse con la música. Hablando en serio, todos deberían aprender a bocetar los diseños que tienen en la cabeza. No hace falta dibujar bien; basta con que puedas comunicar la idea.
No sé si sea posible a este tamaño, pero una versión que pudiera generar animaciones o pulsaciones selectivas al ritmo del sonido o la música tendría mucho éxito en clubes nocturnos.
Se ve bastante genial cómo apilaron el PCB como un sándwich de capas 2×2. En producción de bajo volumen sería más barato que un PCB 1-2-1, y Apple usa el mismo método.
Si un video menciona a Mike Harrison como inspiración, ya me parece bien. https://electricstuff.co.uk/
Me pregunto qué tan pequeña es la pantalla OLED circular más chica. También existen LED 01005, un tamaño más pequeño que los 0201 usados aquí, pero a esas dimensiones ya son prácticamente comparables con una pantalla OLED.
A estas alturas, la mayor limitación para reducir el tamaño no parece ser el LED en sí, sino las vías. Si el LED tiene 3 pads y los 2 exteriores están conectados entre sí, podrías hacer una matriz sobre una placa de una sola cara sin vías.