LED-Matrix-Ohrringe
(mitxela.com)- Um möglichst viele 0201-LEDs auf der Vorderseite der Ohrringe unterzubringen, wurde der metallische Batteriehalter handelsüblicher LED-Steckerohrringe beibehalten und der Schmuckeinsatz samt einzelner LED durch eine eigene Leiterplatte ersetzt
- Die bestehende badge-Schaltung und Firmware auf Basis des CH32V003 wurden auf ein Drittel verkleinert, um eine 8x8-Matrix mit 1-mm-Pitch mit 52 LEDs innerhalb eines Kreises von 9 mm Durchmesser umzusetzen
- Statt einer teuren HDI-Platine wurde ein handgemachtes Board-Sandwich aus zwei aufeinander gesetzten 2-Lagen-Platinen gebaut, um die Gesamtkosten unter 50 US-Dollar zu halten
- Obwohl 0201-Bauteile außerhalb der Spezifikation des Pick-and-Place-Geräts lagen, landeten die meisten dank korrigierter Tape-Pickup-Position und Ausrichtung nach dem Reflow in einem gleichmäßigen Raster
- Zwei kleine LR521-Batterien konnten den anfänglichen Stromverbrauch kaum tragen, daher wurde der Gesamtstrom mit zusätzlichen Kondensatoren, reduziertem Takt und etwa 0,25 % Duty Cycle auf rund 8 mA gesenkt
Handelsübliche Ohrringe in eine 52-LED-Matrix verwandeln
- Ausgangspunkt war, möglichst viele 0201-LEDs auf die Vorderseite von Steckerohrringen zu setzen
- Handelsübliche LED-Steckerohrringe sind sehr günstig und haben einen kleinen bearbeiteten Batteriehalter für zwei LR521-Zellen
- Der Kunststoffschmuck und die einzelne LED wurden entfernt, die Metallstruktur wurde als Stromanschluss der neuen Schaltung wiederverwendet
- Elektrisch sind Schaltung und Firmware identisch mit dem zuvor gebauten Badge auf Basis des CH32V003
- Die größte Schwierigkeit war, das Badge mit 3-mm-LED-Pitch auf 1 mm Pitch zu verkleinern, die Fläche also auf ein Neuntel zu reduzieren, ohne einen breiten Rand um die Platine vorzusehen
Handgemachte Blind- und Buried-Via-Struktur statt HDI
- Mehrlagige Platinen mit Blind Vias oder Buried Vias könnten die nötige Präzision liefern, aber selbst kleine HDI-Platinenstarts kosten mehrere hundert Dollar
- Um die Gesamtkosten des Projekts unter 50 US-Dollar zu halten, fiel die Wahl auf zwei 2-Lagen-Platinen, die über ein Muster aus Lötpads aufeinander gesetzt werden
- Die Pads wurden überwiegend am Rand platziert, damit sich Verbindungen prüfen lassen, allerdings muss die Platine dafür tatsächlich erst aus dem Panel getrennt werden
- Der Via-Bohrdurchmesser beträgt 0,25 mm, kleiner als die typischen 0,3 mm der günstigsten PCB-Option und damit bereits in der zweiten Preisstufe
- Wenn der Abstand zwischen den LEDs auf 1 mm sinkt, wird auch die ungleichmäßige Kupferdicke rund um die durchkontaktierten Löcher zu einem sichtbaren Problem
Montage der 8x8-Matrix mit 1-mm-Pitch
- Das Hauptdisplay ist eine 8x8-Matrix mit 1-mm-Pitch; passend zur runden Form wurden die Ecken abgeschnitten, sodass 52 LEDs in einen Kreis von 9 mm Durchmesser passen
- Das Panel ist oben und unten 5 mm breit, die gesamte Panelgröße beträgt 23 mm × 28,5 mm
- Auf eine Platine wurde per Schablone Lötpaste aufgetragen, anschließend wurde die zweite Platine ohne Paste daraufgesetzt, um die Sandwich-Struktur zu bilden
- Die einzelnen Platinen sind jeweils 0,6 mm dick, sodass das Sandwich insgesamt etwas über 1,2 mm stark ist
- Mit höher schmelzendem Lot hätte sich das Risiko gelöster Verbindungen bei späteren Schritten verringern lassen, aber wegen der 0,5-mm-Pads und der vorhandenen Lötpaste wurde normal weitergearbeitet
Versuche mit Schablone und Platzierung von 0201-Bauteilen
- In die Stahlschablone wurden mehrere Designs gemeinsam aufgenommen; selbst eine Schablone nur für eine einzelne Platine wäre kostenseitig noch vertretbar gewesen
- Der erste Fehler war, keine Fiducials in die Schablone aufzunehmen
- Bei der ersten Platine ließ sich die Ausrichtung noch anhand der QFN-Pads prüfen
- Nachdem eine Platine aus dem Panel herausgetrennt war, wurde die Ausrichtung der zweiten Platine deutlich schwieriger
- Der zweite Fehler könnte gewesen sein, die Öffnungen für die 0201-Pads zu klein gemacht zu haben
- Etwas größere Öffnungen hätten die Arbeit mit der Schablone möglicherweise erleichtert
- Beim ersten Versuch wurden die meisten Pads gut getroffen, einige hatten jedoch zu wenig Paste, und nur mit genau passendem Druck und richtiger Geschwindigkeit des Rakels war ein hochwertiges Ergebnis möglich
- Nach dem ersten Ohrring wurde die Schablone nicht gründlich genug gereinigt, Rückstände trockneten an und die Arbeit am zweiten Ohrring wurde schwieriger
0201-LEDs mit einem Pick-and-Place-Gerät bestücken
- Die 52 0201-LEDs von Hand zu platzieren wäre nicht unmöglich gewesen, aber das Ziel war zu prüfen, ob es mit einem Pick-and-Place-Gerät machbar ist
- 0201-Bauteile lagen außerhalb der angegebenen Spezifikation des Geräts, doch die kleinste Vakuumdüse zeigte beim Aufnehmen der Teile keine großen Probleme
- Das anfängliche Problem lag weniger bei der Platziergenauigkeit als bei der Tape-Zuführung
- Wenn der Tisch während des Betriebs wackelte, sprangen 0201-LEDs leicht aus dem Tape, sobald die Schutzfolie abgezogen war
- Die Löcher im Tape haben 4 mm Pitch, aber 0402- und 0201-Bauteile liegen enger als das
- Bei Tape mit 2-mm-Abstand musste das Gerät nicht in ganzen, sondern in halben Schritten weiterfahren
- Für ein stabiles Aufnehmen wurde ein Offset auf die Position angewendet, an der das Bauteil aus dem Tape gegriffen wird
- Die Standardposition lag fast 4 mm vom Bereich mit abgezogener Folie entfernt, wodurch Teile leicht herausspringen konnten
- Das erste Platzierungsergebnis zeigte insgesamt einen systematischen Versatz leicht nach unten, die Konsistenz zwischen den Bauteilen war aber gut
- Einige LEDs waren schief, ließen sich jedoch von Hand zurechtrücken, und nach dem Reflow lagen fast alle in präziser Rasterausrichtung
Stromanschluss und Leistungsprobleme der Ohrringe lösen
- Unter dem Kunststoffschmuck der ursprünglichen Ohrringe befanden sich eine kleine Platine und zwei Bauteile
- Das Batteriegehäuse ist der Pluspol, und der dünne Draht in der Mitte des Stifts ist der Minuspol; die neue Schaltung musste also an diese beiden Punkte angeschlossen werden
- Anfangs wurde alles verlötet und aufgebaut, ohne die Schaltung vollständig zu testen, doch bald musste wieder geöffnet und nachgebessert werden
- Der Stromverbrauch der ursprünglichen Firmware war zu hoch, die kleinen Batterien konnten den Strom nicht liefern, und durch den Spannungseinbruch setzte der Brownout-Detektor des CH32V003 den Chip zurück
- Eine Neu-Programmierung war auch im montierten Zustand möglich, aber sehr umständlich
- Der Pluspol wurde mit einer Krokodilklemme verbunden
- Ein Draht wurde an das Ende gehalten, um den Minuspol zu bilden, ein anderer innen an den Debug-Pin
- Zur Stabilisierung der Versorgung wurden 22uF- und 0.1uF-Kondensatoren parallel hinzugefügt
- Physisch kleine Keramikkondensatoren mit hoher Kapazität können einen hohen Innenwiderstand haben, daher kann eine Parallelschaltung mehrerer Werte hilfreich sein
- Der Chiptakt wurde von 48 MHz auf 1,5 MHz gesenkt
- Diese Änderung beeinflusst auch die Verbindung des Debuggers
- Normalerweise lässt sich das mit einem Utility beheben, das direkt nach dem Power-Cycle verbindet, aber bei dieser Ohrring-Konstruktion ist die Stromversorgung unter Debug-Kontrolle schwer zu handhaben
- Der Endzustand liegt bei etwa 0,25 % Duty Cycle und einem Gesamtstromverbrauch von rund 8 mA
Fertiges Ergebnis und Quellcode
- Nach der Fertigstellung wurde auch der zweite Ohrring auf dieselbe Weise gebaut; zusätzlich erschwerte Filmequipment den Arbeitsplatz
- Zusammen mit Tragefotos wurden Bilder mit Langzeitbelichtung und Blitz versucht, um LED-Spuren sichtbar zu machen
- Der Quellcode des Projekts ist identisch mit dem des Badges und liegt auf git.mitxela.com sowie auf GitHub
- Später wurde die ausgefallene LED in der Mitte eines Ohrrings ersetzt, und statt einer eigenen Projektseite wurde ein Reparaturvideo veröffentlicht
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Vom Design her gefiel mir die industriellere Version besser; sie wirkte mehr nach Cyberpunk. Trotzdem ist auch diese hier sehr sauber gemacht.
Erstaunlich ist, dass es 0,65×0,65-mm-RGB-LEDs gibt; das entspricht der Fläche, die sich ergibt, wenn man die lange Kante der im Artikel verwendeten LED quadriert. Die Dicke beträgt auch nur 0,25 mm, also etwa ein paar Blatt Papier. Wenn man so etwas im Gesicht anbringt und es mit Make-up natürlich einblendet, ließe sich damit wohl ein ziemlich cyberpunkiger Effekt erzielen. Auch die Verdrahtung bekommt man, wenn man will, fast beliebig dünn.
Ich weiß nicht, wie sie elektrisch funktioniert haben, aber die höherwertigen Varianten sahen so aus, als hätten sie entlang des oberen Augenlids einzeln steuerbare LEDs, und das war ziemlich cool.
„Ein beeindruckendes Elektronikprojekt, aber wer würde solche Ohrringe tatsächlich tragen wollen?“ — ist das ein Witz? Ich glaube, viele Frauen in MINT-Fächern würden für so ein Set ziemlich viel Geld bezahlen.
industrial[0] ist etwas zu kryptisch, und die led-ring variant[1] ist ein wenig schlicht, aber eine komplette LED-Matrix wäre wirklich überwältigend.
[0]: https://mitxela.com/projects/scaffold
[1]: https://mitxela.com/projects/charliestar
Wirklich großartig, und ich kenne viele Leute, die so etwas kaufen und tragen würden. Wenn man es als Produkt umsetzt, wiederaufladbar macht und die LED-Programmierung vereinfacht, würde es sich sicher verkaufen.
Wenn meine Website einmal so aussieht wie die Seite https://mitxela.com/projects des Autors, kann ich erklären, im Leben erfolgreich gewesen zu sein.
Darauf aufbauend habe ich ein paar Ideen skizziert, etwa einen Anhänger, ein OLED-Display und einen separaten Batteriehalter, der am Ohr eingehängt und verbunden wird [1].
Ein ähnliches Design sähe sicher auch bei Earbuds oder IEMs cool aus, besonders wenn man die Beleuchtung mit der Musik synchronisieren könnte. Im Ernst: Jeder sollte lernen, Entwürfe aus dem Kopf zu skizzieren. Man muss nicht gut zeichnen können; es reicht, wenn man die Idee vermitteln kann.
Ich weiß nicht, ob das bei dieser Größe machbar ist, aber eine Version, die passend zu Geräuschen oder Musik selektiv Animationen oder pulsierende Effekte zeigt, würde in Nachtclubs sicher richtig gut ankommen.
Zu sehen, wie die PCBs als 2×2-Layer-Sandwich gestapelt sind, ist ziemlich cool. Bei Kleinserien dürfte das günstiger sein als eine 1-2-1-PCB, und Apple verwendet dieselbe Methode.
Ein Video, das Mike Harrison als Inspiration erwähnt, schaue ich mir grundsätzlich gern an. https://electricstuff.co.uk/
Ich frage mich, wie klein die kleinsten runden OLED-Displays sind. Es gibt auch 01005-LEDs, also noch eine Stufe kleiner als die hier verwendeten 0201, aber in dieser Größenordnung kommt man OLED-Displays im Grunde schon ziemlich nahe.
An diesem Punkt scheinen die Vias und nicht die LEDs selbst die größte Einschränkung bei der weiteren Verkleinerung zu sein. Wenn die LED drei Pads hat und die beiden äußeren miteinander verbunden sind, könnte man eine Matrix auf einer einseitigen Platine ohne Vias bauen.