Boucles d’oreilles à matrice LED
(mitxela.com)- Pour intégrer autant de LED 0201 que possible sur la face avant de la boucle d’oreille, le support de pile métallique d’une boucle d’oreille à LED du commerce a été conservé, tandis que l’ornement façon bijou et la LED unique ont été remplacés par un circuit imprimé maison
- Le circuit et le firmware d’un badge existant basé sur CH32V003 ont été réduits d’un facteur 3 afin de réaliser une matrice 8x8 au pas de 1 mm avec 52 LED dans un cercle de 9 mm de diamètre
- Au lieu d’utiliser une carte HDI coûteuse, un sandwich de cartes artisanal composé de deux PCB double couche assemblés l’un contre l’autre a été fabriqué, avec l’objectif de maintenir le coût total sous les 50 dollars
- Les composants 0201 étaient hors spécifications pour la machine de pick-and-place, mais grâce à la correction de la position de prise dans la bande et à l’alignement après refusion, la plupart ont pris place dans une grille cohérente
- Deux petites piles LR521 ne pouvant pas fournir le courant initial nécessaire, l’ajout de condensateurs, la baisse de l’horloge et un rapport cyclique d’environ 0,25 % ont permis de réduire le courant total à environ 8 mA
Transformer des boucles d’oreilles du commerce en matrice de 52 LED
- Le point de départ était de placer autant de LED 0201 que possible sur la face avant de boucles d’oreilles à tige
- Les boucles d’oreilles à LED du commerce sont très bon marché et disposent d’un petit support de pile usiné accueillant deux cellules LR521
- Le bijou en plastique et la LED unique ont été retirés, tandis que la structure métallique a été réutilisée comme connexion d’alimentation du nouveau circuit
- Électriquement, le circuit et le firmware sont identiques à ceux du badge basé sur CH32V003 réalisé précédemment
- La principale difficulté consistait à réduire un badge au pas de LED de 3 mm à un pas de 1 mm, soit une surface divisée par 9, tout en évitant d’ajouter une bordure épaisse autour du PCB
Une structure artisanale avec vias borgnes et enterrés au lieu d’une HDI
- Un PCB multicouche avec vias borgnes ou enterrés aurait pu fournir la précision nécessaire, mais même un petit design HDI commence à plusieurs centaines de dollars
- Pour maintenir le coût total du projet sous les 50 dollars, la solution retenue a été d’assembler deux PCB double couche l’un contre l’autre via une matrice de pastilles de soudure
- Les pastilles ont été placées majoritairement sur le pourtour afin de pouvoir vérifier les connexions, mais cette vérification impose en pratique de détacher la carte du panneau
- Le diamètre de perçage des vias est de 0,25 mm, inférieur au minimum courant de 0,3 mm des options PCB les moins chères, ce qui fait passer au deuxième palier tarifaire
- Lorsque l’espacement entre LED descend à 1 mm, l’irrégularité de l’épaisseur de cuivre autour des trous métallisés devient un problème visible
Assemblage d’une matrice 8x8 au pas de 1 mm
- L’affichage principal est une matrice 8x8 au pas de 1 mm ; ses coins ont été coupés pour l’adapter à une forme circulaire, ce qui permet de placer 52 LED dans un cercle de 9 mm de diamètre
- La largeur en haut et en bas du panneau est de 5 mm, et la taille totale du panneau est de 23 mm × 28,5 mm
- De la pâte à braser est appliquée au pochoir sur l’un des PCB, puis l’autre PCB, sans pâte, est posé par-dessus pour former une structure en sandwich
- Chaque PCB a une épaisseur de 0,6 mm ; après assemblage en sandwich, l’épaisseur totale dépasse légèrement 1,2 mm
- Une soudure à température plus élevée aurait pu réduire le risque de voir les jonctions se détacher ensuite, mais en raison des pastilles de 0,5 mm de diamètre et des contraintes liées à la pâte à braser disponible, la méthode classique a été utilisée
Essais et erreurs avec le pochoir et le placement des composants 0201
- Plusieurs designs ont été regroupés sur le pochoir en acier, qui était suffisamment peu coûteux pour que commander un pochoir dédié à une seule carte reste envisageable
- La première erreur a été de ne pas inclure de fiducial sur le pochoir
- Pour le premier PCB, l’alignement pouvait être vérifié à l’aide des pastilles QFN
- Après avoir découpé une carte du panneau, l’alignement de la deuxième carte est devenu très difficile
- La deuxième erreur a peut-être été d’avoir fait des ouvertures trop petites pour les pastilles 0201
- Des ouvertures un peu plus grandes auraient probablement allégé le travail au pochoir
- Lors de la première tentative, la plupart des pastilles étaient correctement déposées, mais certaines manquaient de pâte ; il fallait ajuster précisément la pression et la vitesse de la raclette pour obtenir un résultat de bonne qualité
- Après la première boucle d’oreille, le pochoir n’a pas été suffisamment nettoyé et les résidus restants ont séché, rendant le travail sur la deuxième boucle plus délicat
Placer des LED 0201 avec une machine de pick-and-place
- Placer 52 LED 0201 à la main n’était pas impossible, mais l’objectif était de vérifier si la machine de pick-and-place pouvait le faire
- Les composants 0201 étaient en dehors des spécifications annoncées de la machine, mais la plus petite buse d’aspiration n’a pas montré de difficulté majeure pour saisir les composants
- Le problème initial venait davantage de l’alimentation par bande que de la précision de placement
- Si la table bougeait pendant le fonctionnement de la machine, les LED 0201 avaient tendance à sauter hors de la bande dont le film de protection avait été retiré
- Les trous de la bande sont au pas de 4 mm, mais l’espacement des composants 0402 et 0201 est plus faible
- Avec une bande au pas de 2 mm, la machine doit avancer non pas d’un pas complet, mais par demi-pas
- Pour fiabiliser la prise, un décalage a été appliqué à la position où la machine saisit les composants dans la bande
- La position par défaut se trouvait à près de 4 mm de la zone où le film avait été retiré, laissant beaucoup de marge aux composants pour sauter hors de leur emplacement
- Le premier placement présentait globalement une erreur systématique légèrement vers le bas, mais la cohérence entre composants était bonne
- Quelques LED étaient inclinées, mais elles ont pu être redressées à la main, et après refusion, presque toutes se sont alignées sur une grille précise
Connexion d’alimentation et résolution des problèmes de consommation
- Sous le bijou en plastique, le circuit d’origine de la boucle d’oreille comportait un petit PCB et deux composants
- Le boîtier de pile est le pôle positif, et le fil fin au centre de la tige est le pôle négatif ; le nouveau circuit doit donc être connecté à ces deux points
- Au début, le circuit a été soudé et installé sans test complet, mais il a vite fallu le rouvrir pour le modifier
- La consommation du firmware d’origine était trop élevée pour que les petites piles puissent fournir le courant nécessaire, et la chute de tension déclenchait le brownout detector du CH32V003, réinitialisant la puce
- La reprogrammation restait possible une fois le circuit monté, mais elle était très fastidieuse
- Une pince crocodile était connectée au positif
- Un fil était posé à l’extrémité pour créer le négatif, et un autre à l’intérieur pour toucher la broche de debug
- Pour stabiliser l’alimentation, des condensateurs de 22 uF et 0,1 uF ont été ajoutés en parallèle
- Les petits condensateurs céramiques de forte capacité peuvent avoir une résistance interne élevée ; mettre plusieurs valeurs en parallèle peut donc aider
- L’horloge de la puce a été abaissée de 48 MHz à 1,5 MHz
- Ce changement affecte aussi la connexion du débogueur
- En général, on peut récupérer la connexion avec un utilitaire qui se connecte juste après un cycle d’alimentation, mais dans cette structure de boucle d’oreille, contrôler l’alimentation via le debug est compliqué
- L’état final atteint un rapport cyclique d’environ 0,25 % et une consommation totale d’environ 8 mA
Produit fini et code source
- Une fois la première terminée, la deuxième boucle d’oreille a été fabriquée de la même manière, avec une difficulté supplémentaire : le matériel de prise de vue gênait l’espace de travail
- Avec des photos portées, des images combinant pose longue et flash ont été tentées afin de laisser des traînées lumineuses des LED
- Le code source du projet est le même que celui du badge et se trouve sur git.mitxela.com ainsi que sur GitHub
- Par la suite, une LED morte au centre de l’une des boucles a été remplacée, et une vidéo de réparation a été publiée au lieu d’une page de projet séparée
1 commentaires
Avis Hacker News
Côté design, j’aimais davantage la version plus industrielle, avec un côté plus cyberpunk. Cela dit, celle-ci est aussi très épurée
Le plus étonnant, c’est qu’il existe des LED RGB de 0,65×0,65 mm, soit la même surface que le carré du côté long de la LED mentionnée dans l’article. Elles ne font aussi que 0,25 mm d’épaisseur, à peine quelques feuilles de papier. En collant ça sur le visage et en l’intégrant au maquillage, on pourrait obtenir un rendu assez cyberpunk. On peut aussi trouver du câblage presque aussi fin qu’on veut
Je ne sais pas exactement comment ça fonctionnait électriquement, mais les modèles haut de gamme semblaient embarquer des LED contrôlables individuellement le long de la paupière supérieure, et c’était assez classe
« C’est un projet électronique impressionnant, mais qui voudrait vraiment porter ce genre de boucles d’oreilles ? » Sérieusement ? Il y a probablement beaucoup de femmes dans les STEM prêtes à dépenser pas mal pour un ensemble comme ça
industrial[0] est un peu trop ésotérique, et la led-ring variant[1] un peu fade, mais la matrice LED complète est vraiment saisissante
[0]: https://mitxela.com/projects/scaffold
[1]: https://mitxela.com/projects/charliestar
C’est vraiment génial, et je connais plein de gens qui achèteraient ça pour le porter. Si c’était transformé en produit, avec recharge et programmation facile des LED, ça se vendrait clairement
Si mon site web ressemblait à la page https://mitxela.com/projects de l’auteur, je pourrais déclarer que j’ai réussi ma vie
J’ai esquissé quelques idées à partir de ça : un pendentif, un écran OLED, et un support de batterie séparé qui se fixe derrière l’oreille [1]
Un design similaire pourrait aussi être très cool pour des écouteurs ou des IEM, surtout si l’éclairage pouvait être synchronisé avec la musique. Plus sérieusement, tout le monde devrait apprendre à esquisser les designs qu’il a en tête. Pas besoin de bien dessiner, il suffit que ce soit assez clair pour communiquer
Je ne sais pas si c’est possible à cette taille, mais une version capable d’afficher sélectivement des animations ou un effet pulsé en rythme avec le son ou la musique aurait sans doute beaucoup de succès en boîte de nuit
Le PCB empilé en sandwich 2×2 couches est assez impressionnant. En petite série, ce sera probablement moins cher qu’un PCB 1-2-1, et Apple utilise aussi la même approche
Si une vidéo cite Mike Harrison comme source d’inspiration, je pars déjà avec un a priori favorable. https://electricstuff.co.uk/
Je me demande quelle est la taille minimale des écrans OLED circulaires. Il existe même des LED 01005, une taille en dessous des 0201 utilisées ici, mais à ce niveau-là on se rapproche pratiquement d’un écran OLED
À ce stade, la principale limite à la réduction de taille semble être non pas la LED elle-même, mais les vias. Si la LED avait 3 pastilles et que les 2 extérieures étaient reliées entre elles, on pourrait fabriquer une matrice sur un PCB simple face sans vias