Khuyên tai ma trận LED
(mitxela.com)- Để đặt được nhiều LED 0201 nhất có thể lên mặt trước khuyên tai, phần giữ pin kim loại của khuyên tai đinh LED bán sẵn được giữ lại, còn phần đính đá và LED đơn được thay bằng bo mạch tự thiết kế
- Mạch và firmware của huy hiệu dùng CH32V003 trước đó được thu nhỏ xuống 3 lần, tạo ra ma trận 8x8 bước điểm ảnh 1mm với 52 LED bên trong vòng tròn đường kính 9mm
- Thay vì dùng PCB HDI đắt tiền, tác giả làm một bo mạch sandwich thủ công bằng cách ghép hai PCB 2 lớp với nhau để giữ tổng chi phí dưới 50 USD
- Linh kiện 0201 nằm ngoài thông số của máy pick-and-place, nhưng nhờ hiệu chỉnh vị trí gắp trên băng và tự căn chỉnh sau reflow, phần lớn vẫn vào được lưới đều đặn
- Hai pin LR521 nhỏ khó đáp ứng dòng tiêu thụ ban đầu, nên tác giả thêm tụ điện, giảm xung nhịp và hạ duty cycle xuống khoảng 0,25% để kéo tổng dòng về khoảng 8mA
Biến khuyên tai bán sẵn thành ma trận 52 LED
- Điểm khởi đầu là đặt được nhiều LED 0201 nhất có thể lên mặt trước của khuyên tai đinh
- Khuyên tai đinh LED bán sẵn rất rẻ, và có một giá đỡ pin gia công nhỏ chứa hai pin LR521
- Phần đá nhựa và LED đơn được tháo bỏ, còn kết cấu kim loại được tái sử dụng làm điểm cấp nguồn cho mạch mới
- Về điện, mạch và firmware giống hệt huy hiệu dùng CH32V003 đã làm trước đó
- Trở ngại lớn nhất là thu nhỏ huy hiệu có bước LED 3mm xuống bước 1mm, tức giảm diện tích còn 1/9, đồng thời vẫn không để viền dày quanh mép PCB
Cấu trúc via mù và via chôn làm thủ công thay cho HDI
- PCB nhiều lớp có via mù hoặc via chôn có thể đạt được độ chính xác cần thiết, nhưng ngay cả một lô PCB HDI nhỏ cũng có giá từ vài trăm USD
- Để giữ toàn bộ dự án dưới 50 USD, tác giả chọn cách ghép hai PCB 2 lớp lại với nhau bằng một dãy pad hàn
- Phần lớn pad được đặt quanh mép để có thể kiểm tra kết nối, nhưng trên thực tế vẫn bị hạn chế là phải tách PCB khỏi panel mới kiểm tra được
- Đường kính lỗ khoan via là 0.25mm, nhỏ hơn mức tối thiểu phổ biến 0.3mm của tùy chọn PCB rẻ nhất, nên rơi vào bậc giá thứ hai
- Khi khoảng cách LED giảm xuống 1mm, sự không đồng đều về độ dày đồng quanh lỗ mạ trở thành vấn đề dễ thấy
Lắp ráp ma trận 8x8 bước 1mm
- Màn hình chính là ma trận 8x8 bước 1mm, các góc được cắt theo dáng tròn để đặt 52 LED bên trong vòng tròn đường kính 9mm
- Phần trên và dưới của panel rộng 5mm, và toàn bộ panel có kích thước 23mm × 28.5mm
- Kem hàn được quét stencil lên một PCB, rồi PCB còn lại không bôi kem hàn được đặt lên trên để tạo cấu trúc sandwich
- Mỗi PCB dày 0.6mm, nên sau khi ghép sandwich tổng độ dày nhỉnh hơn 1.2mm
- Dùng chì hàn nhiệt độ cao hơn có thể giảm nguy cơ mối nối bung ra ở các bước sau, nhưng do pad đường kính 0.5mm và giới hạn của loại kem hàn đang có, tác giả vẫn làm theo cách thông thường
Thử và sai với stencil và việc đặt linh kiện 0201
- Trên stencil thép có nhiều thiết kế khác nhau, và giá đủ rẻ để ngay cả việc chỉ đặt stencil cho một PCB đơn lẻ cũng vẫn chấp nhận được
- Sai lầm đầu tiên là không đưa fiducial vào stencil
- Với PCB đầu tiên, vẫn có thể dùng pad QFN để kiểm tra căn chỉnh
- Sau khi cắt một PCB ra khỏi panel, việc căn chỉnh PCB thứ hai trở nên rất khó
- Sai lầm thứ hai có thể là làm lỗ trên stencil cho pad 0201 quá nhỏ
- Nếu làm lớn hơn một chút, có lẽ gánh nặng khi thao tác stencil đã giảm đi
- Ở lần thử đầu, phần lớn pad ra khá tốt nhưng một số pad bị thiếu kem hàn, và cần chỉnh rất chính xác áp lực cùng tốc độ của gạt mới có thể đạt kết quả đẹp
- Sau chiếc khuyên tai đầu tiên, stencil không được làm sạch đủ kỹ nên cặn còn lại bị khô, khiến việc làm chiếc thứ hai khó hơn
Đặt LED 0201 bằng máy pick-and-place
- Tự tay đặt 52 LED 0201 không phải là hoàn toàn bất khả thi, nhưng mục tiêu là xem máy pick-and-place có làm được hay không
- Linh kiện 0201 vượt ngoài thông số công bố của máy, nhưng đầu hút chân không nhỏ nhất vẫn không cho thấy vấn đề lớn khi gắp linh kiện
- Vấn đề ban đầu nằm ở cấp băng linh kiện hơn là độ chính xác khi đặt
- Nếu bàn bị rung khi máy chạy, LED 0201 rất dễ bật ra khỏi băng sau khi lớp phim bảo vệ bị bóc đi
- Lỗ trên băng có bước 4mm, nhưng linh kiện 0402 và 0201 lại có khoảng cách giữa các linh kiện nhỏ hơn thế
- Với băng bước 2mm, máy phải tiến nửa bước thay vì một bước
- Để gắp ổn định, tác giả áp dụng offset cho vị trí gắp linh kiện trên băng
- Vị trí mặc định cách vùng đã bóc phim gần 4mm, tạo nhiều cơ hội để linh kiện bật ra
- Kết quả đặt đầu tiên có sai số hệ thống hơi lệch xuống dưới, nhưng độ đồng đều giữa các linh kiện lại tốt
- Một vài LED bị nghiêng nhưng có thể đẩy lại bằng tay, và sau reflow gần như tất cả đều tự vào lưới căn chỉnh chính xác
Kết nối nguồn và xử lý vấn đề điện năng của khuyên tai
- Mạch gốc của khuyên tai dưới viên đá nhựa có một PCB nhỏ và hai linh kiện
- Hộp pin là cực dương, còn sợi dây mảnh ở giữa trụ là cực âm, nên mạch mới chỉ cần nối vào hai điểm đó
- Ban đầu mạch được hàn và lắp khi chưa kiểm thử hoàn toàn, nhưng nhanh chóng phải mở ra sửa lại
- Firmware gốc tiêu thụ điện quá lớn khiến pin nhỏ không cấp nổi dòng, và sụt áp làm brownout detector của CH32V003 reset chip
- Vẫn có thể nạp lại chương trình khi đã lắp vào, nhưng rất bất tiện
- Kẹp cá sấu được nối vào cực dương
- Một dây chạm vào đầu để tạo cực âm, còn dây khác chạm vào phía trong để tiếp xúc chân debug
- Để ổn định nguồn, tác giả thêm tụ 22uF và 0.1uF mắc song song
- Các tụ gốm dung lượng lớn nhưng kích thước nhỏ có thể có điện trở nội cao, nên ghép song song nhiều giá trị có thể hữu ích
- Xung nhịp chip được hạ từ 48MHz xuống 1.5MHz
- Thay đổi này cũng ảnh hưởng đến việc kết nối debugger
- Bình thường có thể khôi phục bằng tiện ích kết nối ngay sau khi cấp nguồn lại, nhưng với cấu trúc khuyên tai này thì việc điều khiển nguồn khi debug khá phiền
- Trạng thái cuối cùng là duty cycle khoảng 0.25%, tổng dòng tiêu thụ khoảng 8mA
Thành phẩm và mã nguồn
- Sau khi hoàn thành, chiếc khuyên tai thứ hai cũng được làm theo cách tương tự, với thêm khó khăn là thiết bị quay phim cản trở không gian làm việc
- Tác giả thử chụp ảnh lúc đeo, kết hợp phơi sáng dài và flash để tạo ảnh lưu lại quỹ đạo LED
- Mã nguồn dự án giống với huy hiệu, có tại git.mitxela.com và GitHub
- Sau đó tác giả đã thay LED chết ở giữa một bên khuyên tai, và đăng video sửa chữa thay vì làm trang dự án riêng
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Về mặt thiết kế, tôi thích phiên bản công nghiệp hơn, trông cyberpunk hơn. Dù vậy cái này cũng rất gọn gàng
Điều đáng kinh ngạc là có loại LED RGB 0,65×0,65mm, bằng với diện tích khi lấy cạnh dài của LED trong bài viết đem bình phương. Độ dày cũng chỉ 0,25mm, cỡ vài tờ giấy. Nếu gắn thứ như vậy lên mặt rồi dùng trang điểm để hòa vào một cách tự nhiên thì có lẽ tạo được hiệu ứng khá cyberpunk. Dây dẫn cũng có thể kiếm loại mỏng gần như tùy ý nếu muốn
Tôi không biết về mặt điện nó hoạt động thế nào, nhưng bản cao cấp trông như có các LED điều khiển riêng lẻ dọc theo mí mắt trên, và khá ngầu
Nói “đây là một dự án điện tử ấn tượng, nhưng thực tế ai lại muốn đeo đôi bông tai này?” nghe cứ như đùa. Tôi nghĩ khá nhiều phụ nữ STEM sẽ sẵn sàng trả nhiều tiền cho một bộ như vậy
industrial[0] thì hơi quá khó hiểu, led-ring variant[1] thì hơi nhạt, nhưng nếu là cả ma trận LED thì thật sự áp đảo
[0]: https://mitxela.com/projects/scaffold
[1]: https://mitxela.com/projects/charliestar
Thật sự rất tuyệt, và tôi biết nhiều người sẽ mua và đeo nó. Nếu thương mại hóa, làm thành loại sạc được và giúp việc lập trình LED dễ hơn thì chắc chắn sẽ bán được
Nếu website của tôi trông được như trang https://mitxela.com/projects của tác giả, tôi có thể tuyên bố mình đã thành công trong đời
Dựa trên cái này, tôi đã phác thảo vài ý tưởng như mặt dây chuyền, màn hình OLED, và một giá đỡ pin riêng móc qua tai để kết nối [1]
Thiết kế tương tự chắc cũng sẽ rất đẹp trên earbud hoặc IEM, đặc biệt nếu có thể đồng bộ ánh sáng với nhạc. Nói nghiêm túc thì ai cũng nên học cách phác thảo thiết kế trong đầu mình. Không cần vẽ đẹp, chỉ cần đủ truyền đạt là được
Không biết có khả thi ở kích thước này không, nhưng nếu có phiên bản tạo animation hoặc hiệu ứng nhấp nháy chọn lọc theo âm thanh hay âm nhạc thì có lẽ sẽ rất ăn khách ở hộp đêm
Nhìn PCB được xếp thành kiểu sandwich 2×2 lớp khá hay. Với sản xuất số lượng nhỏ thì chắc sẽ rẻ hơn PCB 1-2-1, và Apple cũng dùng cách tương tự
Video nào nhắc đến Mike Harrison như nguồn cảm hứng thì tôi mặc định xem là ổn. https://electricstuff.co.uk/
Tôi tò mò không biết màn hình OLED tròn nhỏ nhất hiện nay cỡ nào. Cũng có LED 01005, nhỏ hơn một nấc so với 0201 dùng ở đây, nhưng đến mức đó thì thực ra gần tương đương với màn hình OLED rồi
Đến thời điểm này, giới hạn lớn nhất trong việc thu nhỏ dường như không phải bản thân LED mà là via. Nếu LED có 3 pad và 2 pad ngoài được nối với nhau, có thể làm ma trận trên bo mạch một mặt mà không cần via