Arbre de Noël PCB à 1 $ : 7 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

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A propos: Je m'appelle Loann Boudin, je suis un maker et un étudiant français qui étudie l'ingénierie électronique près de Paris. J'aime faire des trucs par moi-même et partager mes projets avec tout le monde. En savoir plus sur loboat »

Sapin de Noël PCB de Loann BOUDIN | 2018

A l'approche de Noël, que peut faire un amateur d'électronique ? Un sapin de Noël en PCB bien sûr !

En tant que membre d'un petit club d'amateurs d'électronique, j'aime partager ma passion pour l'électronique et la conception de circuits imprimés à travers de petits projets. Pour Noël, je voulais présenter l'univers de la soudure SMD aux nouveaux membres avec un projet simple et amusant: souder un sapin de Noël miniature en PCB avec des leds clignotantes 0805 SMD intégrées.

Cette instructable décrit le processus que j'ai suivi pour imaginer, concevoir et créer un tas d'arbres de Noël bon marché, petits et brillants sur des circuits imprimés pour moins de 1 $ l'unité. Prendre plaisir:)

Et… si vous avez aimé cet Instructable, pensez à voter pour ce projet au concours PCB ! Merci !

Étape 1: nomenclature, outils et compétences nécessaires

Tu auras besoin de:

Outils nécessaires:

• fer à souder
• fil de soudure
• papier de verre
• pince plate
• pince coupante
• pince à épiler fine

Outils facultatifs (mais pratiques):

• Extracteur de fumée
• multimètre
• magnifique verre

Compétences:

compétences de base en soudure

Nomenclature:

Composants	Le fournisseur	Prix de gros ($)	Prix par PCB ($)
11x 0805 leds clignotantes CMS	Aliexpress	15, 79	0, 29
1x pile CR1220	Aliexpress	0, 75	0, 15
1x support de batterie	Aliexpress	6, 58	0, 07
1x interrupteur à bascule	Aliexpress	2, 62	0, 03
2x 2 broches en-tête	Aliexpress	0, 51	0, 01
1x PCB	SeeedStudio	4, 90	0, 12

J'ai choisi des composants bon marché pour maintenir la nomenclature en dessous du prix symbolique de 1 $ par PCB d'arbre de Noël. Le prix total d'un arbre de Noël PCB avec tous les composants électroniques soudés est estimé à 0,67 $.

Étape 2: À la recherche d'inspiration…

Je voulais concevoir un sapin de Noël PCB réaliste, où deux PCB assemblés perpendiculairement peuvent donner une forme 3D qui peut tenir debout. La création de deux PCB différents ne rend pas la conception beaucoup plus compliquée mais plus coûteuse, car les fabricants facturent plus lorsqu'un PCB contient plusieurs conceptions. Afin de maintenir le prix aussi bas que possible, je devais penser à une gestion intelligente de l'espace de la conception du PCB pour réduire les déchets et les coûts. Dans ma quête pour concevoir l'arbre de Noël PCB parfait pour mon objectif, j'ai recherché des projets similaires sur Google et Instructables.

Je suis tombé sur le design de Bluquesh, que j'ai trouvé particulièrement intéressant et très bien documenté. Dans son premier Instructable, ce membre décrit comment il a réussi à créer un petit arbre de Noël PCB avec de nombreuses fonctionnalités:

• Puce Arduino intégrée
• LED SMD bicolores
• Toucher capacitif
• Batterie intégrée
• Circuit d'amplification CC/CC
• … et plus !

Certaines de ces fonctionnalités ne sont pas compatibles avec mon projet qui se veut simple et peu coûteux. Néanmoins, un autre détail de son projet a attiré mon attention: Bluquesh a réussi à intégrer son design d'arbre de Noël en 3D dans une zone carrée sans perte d'espace. En créant deux ailerons en forme de demi-sapin à côté du sapin principal, il a réutilisé l'espace perdu pour créer un autre arbre plein malgré sa forme complexe.

J'ai adapté et réutilisé ce design astucieux dans mon projet.

Étape 3: Conception de PCB

J'ai conçu mon sapin de Noël PCB à l'aide d'Autodesk EAGLE. EAGLE est un logiciel d'automatisation de la conception électronique (EDA) permettant la conception de schémas, le placement de composants et le routage de circuits imprimés.

J'ai commencé la conception en créant le schéma du circuit électronique. Il se compose de 11 LED clignotantes en parallèle, alimentées par une pile bouton 3 V. Un interrupteur peut ouvrir ou fermer le circuit. Enfin, un condensateur de filtrage optionnel de 10 µF est placé entre la tension de la batterie et la masse.

J'ai fait le choix de ne pas inclure de résistance en série avec les LED car 3 V est très proche de la tension directe de nombreuses couleurs de LED:

Le schéma et le PCB sont divisés en trois parties:

• la carte principale: elle a la forme d'un sapin de Noël et comprend le support de batterie, l'interrupteur, 3 leds en face supérieure et 2 leds en face inférieure. Deux connecteurs pinhead 2 broches permettent de connecter et d'alimenter les deux ailerons, l'un sur la face supérieure et l'autre sur la face inférieure.
• l'aileron supérieur: il a la forme d'un demi sapin de Noël avec une encoche pour le support des piles et comprend 1 LED sur la face supérieure et 2 LED sur la face inférieure. Une empreinte de connecteur à tête d'épingle à 2 broches permet à l'ailette d'être connectée et alimentée à la carte principale.
• l'aileron inférieur: il a la forme d'un demi sapin de Noël et comprend 2 LED sur la face supérieure et 1 LED sur la face inférieure. Une empreinte de connecteur à tête d'épingle à 2 broches permet à l'ailette d'être connectée et alimentée à la carte principale.

J'ai décidé d'opter pour une taille réduite de 48*48 mm par sapin en dessinant le contour de la planche avec la 20ème couche "Dimension".

J'ai dessiné la forme du sapin à l'aide de la 46ème couche « Fraisage » d'une largeur de 3 mm: cette ligne est interprétée comme une zone de fraisage pour le fabricant, et sépare le sapin de ses ailerons.

Une fois le contour du circuit bien défini, j'ai placé les plus gros composants comme le support de pile et l'interrupteur, puis les leds pour que leur répartition soit agréable.

J'ai ajouté une autre zone de fraisage sur un aileron pour que le support de batterie puisse s'adapter et un trou sur le dessus du sapin pour pouvoir l'accrocher n'importe où (dans un vrai sapin de Noël par exemple).

Ensuite, j'ai routé tous les composants à l'aide des couches Top et Bottom: la tension de la batterie est distribuée aux LED avec des pistes de 0,5 mm de largeur et un plan de masse global.

Enfin, j'ai conçu deux languettes détachables et les ai placées entre le sapin principal et ses ailettes sur la trace de fraisage de 3 mm afin de conserver ma carte en tant que conception unique et de permettre la panélisation du PCB (voir l'étape suivante pour plus de détails).

Tous les fichiers Eagle peuvent être trouvés sur mon github ou ci-dessous ▼

Étape 4: Panélisation des PCB

La plupart des fabricants de PCB proposent désormais un prix unique de 5 $ pour 10 PCB jusqu'à 100*100 mm de taille. Le prix reste le même que le circuit soit 50*50 mm ou 100*100 mm. Une optimisation des coûts est alors possible en maximisant le nombre de circuits sur cette surface maximale. La panélisation PCB consiste à créer un seul PCB à partir de plusieurs petits afin de réduire les coûts et les déchets.

La plupart des fabricants de circuits imprimés ne facturent pas de frais supplémentaires pour une conception en panneaux identique. Cela signifie que vous pouvez réussir à intégrer plusieurs petits PCB dans un seul gratuitement, mais cela doit rester le même design pour tous. Plus d'informations peuvent être trouvées sur le site du fabricant de PCB Seeedstudio.

La panélisation PCB peut se présenter de 2 manières:

Méthode de panneautage à rainure en V: elle consiste à couper 1/3 de l'épaisseur de la planche par le haut et 1/3 de l'épaisseur par le bas, parallèlement à la coupe du haut, avec une lame de coupe circulaire de 30 à 45 degrés. Cela ne peut être fait que le long de lignes droites tout au long de la matrice PCB

Méthode de panélisation à languettes sécables: elle consiste à laisser un espace de routage des languettes perforées entre les PCB. L'espacement entre deux circuits imprimés est d'environ 2,5 mm car il s'agit de la taille de toupie standard dans la plupart des maisons de fabrication et ne nécessite qu'un seul passage de la fraise pour fraiser la carte. Les motifs de perforation en N sont standard pour les onglets détachables et sont conçus pour être facilement retirés sans laisser de saillies indésirables sur les panneaux latéraux

Plus d'informations sur la conception de panneaux de circuits imprimés peuvent être trouvées dans l'article très bien documenté écrit par Jack Lucas pour www. ElectronicDesign.com.

Afin de réduire le coût de mon projet, j'ai décidé de panéliser quatre de mes arbres de Noël PCB en une seule carte. Tout d'abord, j'ai dû relier les deux ailettes du sapin de Noël PCB à la carte principale. J'ai conçu deux languettes détachables avec un motif de perforation à 3 trous qui relient chaque aileron à la planche principale de l'arbre de Noël. Les languettes de rupture sont constituées de 2*3 trous d'un diamètre de 0,9 mm.

Une fois le design d'un sapin de Noël en PCB terminé, je l'ai dupliqué quatre fois et j'ai expédié chacun d'eux côte à côte pour remplir la zone de 100*100 mm imposée par le fabricant. Tous les motifs sont espacés de 3 mm et reliés par des languettes détachables avec un motif de perforation à 3 trous.

Le PCB final a une taille de 100*100 mm et contient 4 PCB d'arbres de Noël. Le coût d'une unité PCB est ainsi divisé par 4 !

Étape 5: Souder le PCB

Lorsque tous les composants sont réunis, la soudure du PCB peut commencer !

Souder les LED -

Il est préférable de commencer par souder les LED car ce sont les plus petits composants. Les souder en dernier rendrait la tâche potentiellement plus difficile car des composants plus gros pourraient interférer avec leur placement. Les LED sont des composants polarisés et il est important d'identifier sur le PCB comment elles sont censées être soudées. L'empreinte des LED sur le PCB est toujours la même: le plot connecté au plan de masse est la masse (cathode) et le plot connecté à une piste est la tension d'alimentation (anode). Une flèche verte sous la LED CMS indique le sens de circulation du courant et donc sa polarité.

Tester une LED avec un multimètre en configuration "testeur de diodes" peut aider à déterminer sa polarité et sa couleur.

Pour souder les LED, j'ai d'abord commencé par placer une petite quantité de soudure sur l'un des plots LED. J'ai ensuite approché la LED avec une pince fine tout en gardant la soudure fondue avec mon fer à souder. Une fois la led correctement placée, j'ai retiré mon fer à souder pour solidifier la soudure. La deuxième soudure peut alors être réalisée sans qu'il soit nécessaire de tenir la LED avec la pince à épiler. Ce processus est répété pour les 10 LED restantes.

Souder le support de batterie -

Le support de batterie maintient la pile bouton contre le PCB pour créer la connexion électrique. Pour tenir fermement la batterie, j'ai déposé une petite couche d'étain sur le support de batterie. Le connecteur est ensuite placé et soudé.

Souder l'interrupteur -

Enfin, l'interrupteur est soudé du même côté que le connecteur de la batterie. La bascule dépasse du PCB pour une utilisation facile.

Étape 6: Assemblage du PCB

Une fois tous les composants soudés, il est temps d'assembler le sapin de Noël.

Séparer les planches -

J'ai commencé à casser la planche avec une pince plate pour séparer les deux ailerons de la planche principale. J'ai utilisé une pince coupante pour enlever tout gros bord restant qui pourrait éventuellement faire mal. Ensuite, j'ai utilisé du papier de verre pour lisser les côtés du sapin et avoir enfin trois planches propres: le sapin principal et ses deux nageoires.

Connexion des cartes -

Une ailette est fixée à la carte principale en soudant un connecteur à tête d'épingle à 2 broches entre elles. Le connecteur à tête d'épingle a ici deux utilisations: maintenir l'aile à la carte principale et apporter la tension et la masse aux LED de l'aileron.

J'ai coupé des connecteurs à tête d'épingle 2 * 2 broches dans une grande bande de connecteur à tête d'épingle et j'ai nettoyé les bords en plastique avec du papier de verre. Ensuite, je les ai soudés tête-bêche sur la carte principale comme indiqué sur les photos, l'un sur la face supérieure et l'autre sur la face inférieure.

J'ai soudé les deux ailerons aux connecteurs en prenant soin de bien les aligner et en plaçant l'aileron avec une encoche du côté du connecteur de la batterie.

Le sapin de Noël PCB est enfin assemblé !

Mise sous tension du circuit -

Le PCB est alimenté par une pile lithium CR1220 de 3V. Une fois la pile bouton insérée dans le support de batterie en bas de la carte et l'interrupteur fermé, toutes les LEDs se mettent à clignoter comme par magie !

La pile bouton utilisée dans ce projet a une capacité moyenne de 40 mAh, ce qui signifie par exemple qu'elle peut délivrer jusqu'à 40 mA pendant 1 heure, ou 20 mA pendant 2 heures. La consommation de courant du sapin de Noël PCB est d'environ 80 mA, et dépend des couleurs des LED choisies: les LED blanches, bleues et violettes consomment plus de courant que les LED rouges, orange et jaunes.

Par expérience, je vous recommande d'utiliser des LED rouges, oranges, jaunes et vertes, car elles économiseront l'autonomie de la batterie tout en offrant de jolies couleurs dans le thème de l'esprit de Noël:) Avec ces couleurs en proportions égales, mes sapins de Noël PCB brillent pendant 1 heure jusqu'à ce que les LED vertes commencent à s'estomper.

Étape 7: Conclusion

Je me suis amusé à concevoir ces petits sapins de Noël PCB et j'ai beaucoup appris sur la fabrication de PCB et la panélisation de PCB.

Grâce à la conception low-cost du projet, l'atelier de soudure a été proposé gratuitement à ceux qui voulaient l'essayer. Ces PCB ont eu beaucoup de succès dans mon club et de nombreux nouveaux membres ont soudé leur première puce basée sur des composants SMD. J'étais plus qu'heureux d'apprendre que certaines de mes créations avaient décoré les arbres de Noël de mes amis.

Aujourd'hui, je suis fier de pouvoir transmettre à travers cet atelier et ce tutoriel les connaissances que j'ai acquises au cours de ce projet. J'espère que ça vous a plu et je vous souhaite le meilleur pour l'année à venir:)