国外DIY高手制作3D LED Cube 8光立方

利用工程师业余的空余时间，我制作了一个3D LED Cube 8红绿蓝3色光立方，在此主要与大家分享下我的成果与DIY设计思路。

之前，我讲过过1000个红绿蓝LED灯测试和镀锡铜线的矫直。在本文里，我将介绍如何为这个光立方构造8*8点阵。

光立方的制作条件

现在我们快速为光立方确定主要制作标准，以便后面你们可以更清楚的知道我是怎么做的：

· 这些LED灯必须是5mm的共阳极LED

· 每个LED灯必须保持1英寸的间距插在在X、Y、Z面

· 用规格为20swg的镀锡铜线连接LED

· 无论是导线还是LED引脚都可以形成一个循环，来提供更坚固的焊点

· 这个结构必须是立方体，而且越直越好

· 这个光立方有8个8*8的点阵垂直叠成

· 这8个点阵必须焊接在一块PCB基板上（下图是2块面板临时安装在一块标准PCB板上）

· 这些LED的阳极水平的连接在8块面板上，从底层到顶层编号为0-7

· 阴极的连接时垂直方向的（每块板上24个：8个红灯，8个绿灯，8个蓝灯）

· 光立方的前段是一个朝水平方面阳极铁轨路的8*8平面板

· 光立方要在基板中心

· 基板需要固定光立方，并且可以连接其他PCB

· 除了光立方末端的穿出部分，这块PCB上端表明不能有其他焊点

· 其他连接到PCB的板子需要通过PCB板地段表面连接

· 所有控制电路在PCB板上是分开的

选这些的原因

我选择5mmLED的原因是12mmLED在1英寸间距插入的时候看起来不协调。更小的LED可能会看起来更好，但是我喜欢5mm的这个型号。我认为5mmLED用1英寸的间距时可以保持整体结构的协调性。当然，最后的结构必须很坚固，间距太大会让光立方太脆弱，而间距太小则会使它变得杂乱

我选择20swg规格的导线（不是其他人用的22swg规格）因为有额外的线径刚性更好。由于导线会扭曲，为增加其平直度，无论如何都要减少线径。平直的导线让制作更简便，而且提高了整体的美观，

这些LED的引线必须形成环路，，在焊接之前铜线也需穿插在这些环路中。每个焊接点要相似，当出现要更换失效的LED状况时，将会变得很难，所以我们应该增强连接的可靠性。为降低LED失效的风险，我会在整个制作过程中定期的给它们做测试。在光立方制作完前，我还将给8*8面板上LED做老化测试。我认为每块面板用24小时足以让这些灯变得更亮。

我看到其他人的做法，就是在光立方的末端及控制电路间焊接几百个互相连接的引线，我对这个可完全没有兴趣。我知道这只是一个模型，但是我确只想做一次。我极有信心它会运作的很好，所以我会把它当做是做好的项目。考虑到这一点，光立方需要直接安装在单面PCB上。并且我想让观众看到板子的正面，可以清楚的看到所有焊点而不是光立方末端在板子上穿插。其他的孔必须是导通的，所有其他的连接及配件都会在PCB的背面

我考虑过将控制电路的元件安装在主板的地段。然而，我最后决定把控制电路放在独立的PCB板上，这样可以允许我在想到新点子的时候修改电路设计。由此，我就不用重新制作了，而且整个系统会更模块化。

基板上必须有白色的防旱才层和黑色的丝印，为达到最好的效果，这些都必须经过专业制作，这个效果我从来没有实现。但是这需要重大的资金（板子的设计将会在在将来的专栏里做进一步的讨论）

光立方制作步骤

这些步骤包含整个光立方的结构（除了控制电路部分），如下：

· 用8英寸预拉直的镀锡铜线将8个预成型的LED的阳极连接起来，形成一条线（总共需要512个LED，和64条线）

· 用8.75寸预拉直的镀锡铜线将8条LED线（水平叠起）通过将红绿蓝阴极垂直连接起来形成8*8点阵（总共8个点阵）

· 将这8个点阵焊接在基板上，这些点阵与低层的LED在同一中心线上每隔1英寸垂直立在PCB的表面

· 用16根预拉直的导线连接所有的8个水平阳极面，形成1英寸间距的网，如下图

· 将8个水平的阳极层分别连接到PCB，如下图

我想现在就展示一副完成的光立方图，但是现在还没制作完。

辅助工具设计尤其重要

要制作好的光立方需要辅助工具，对我而言，设计辅助工具比重复使用它们更有趣。说到这里，辅助工具的使用简化了光立方的制作。点击这里查看有关本文提到的辅助工具PDF文档，文档包含所有辅助工具的图片。

LED管脚辅助工具

首先我想介绍LED管脚辅助工具，下图是一个共阳极红绿蓝管脚处理之前（左图）和辅助工具处理之后（右图）

设计加工引线的辅助工具就是一个反复试验的过程。有几次尝试都被放弃了，因为不准确的处理，挂钩不够牢固（用于环绕引线），还有挂钩间距的问题

我用过之前版本的辅助工具来制作一个样品，但是我不喜欢它的样子。这些阴极引线距离太近，看起来很杂乱。第一个看到这个样品的人有同样的感觉，因此我修改了这个辅助工具，并增加这些挂钩间距，结果看起来令人满意。下图是两个版本的比较，左边是原来的样品，右边则是更好的解决方案。

这个辅助工具是由0.9英寸的方块制作，这些方块都是我“走廊照明项目”遗留的MDF裁切而成的。在这个方块中央钻一个直径为5mm的孔（大约0.2英寸），然后我切了一块厚度为0.1英寸的0.9英寸方形沥青板，并且在这中心钻了5.5mm的孔。这些孔可以让LED圆帽轻易的插入固定，我还需要用钻子轻轻地将这个孔钻大，并且估计最后的孔径在5.75mm左右（大约0.22英寸）。沥青板紧贴在MDF方块的表面，需要确保这两个孔保持同心。

这个辅助工具需要有4个位置适当的钉子，而且这钉子要足够坚固，以使最少512个LED管脚能绕着它成形。我开始尝试着用几根短的镀锡铜线插进预先钻好的0.7mm孔中，但是铜线很容易弯折。我也尝试了用切掉头部的直径0.7mm的不锈钢插针，同样，他们没有足够坚固

最后，我脑海中浮现的解决方法是用硬化钢材料制成的0.8mm钻头。钻头很轻易的从方块内穿过，并延伸到另一面。以防万一，我要再次利用这些钻头，我不想再折断任何材料。钻头大概突出表面0.2英寸，这个长度足够弯折LED管脚。这些钻针非常耐用，辅助工具也不错

说一个跑题的话，当你不用这个辅助工具的时候，最好把它放在安全的地方。有一天我把它习惯性的丢在桌上，结果我把手肘碰上去了。这些钻头也许不锋利，但是我被他们划了四条擦伤，疼了好几天。

阳极“铁轨”辅助工具

这个辅助工具有两部分，第一部分是用来将8个LED灯以1英寸的间距分开，以便这些阳极能够焊接在8英寸预拉直的镀锡铜线上。我能为这些8个LED条状想到最好的名字是阳极轨道。第二部分是用来把这个阳极轨道顶出第一个辅助工具，这样可以降低轨道弯曲的风险。我制作了几对这样的辅助工具，这些材料都是之前残留的MDK板。

第一部分辅助工具（上图下面的部分）有8个间距为1英寸的5mm孔，孔中心离辅助工具底部边缘0.2英寸。这些穿透辅助工具的孔是用来放置LED的。这些孔上面是绿色阴极管脚的固定钉，距离5mm孔0.3英寸。这些钉子是由直径0.7mm不锈钢插针切去顶部而成。

我预先为这些钉子钻了0.6mm的孔，这些钉子都突出辅助工具表面0.2英寸的长度。这样设计辅助工具是为了确保阳极铁轨能够在辅助工具底部边缘之上，这就是为什么辅助工具平直的边缘可以用来检查阳极铁轨是平直还是弯曲了。稍稍悬空也使焊接更方便。

第二部分辅助工具的钉子是由直径为4mm的铝条制作而成。他们的高度为0.5英寸，而且位置与第一部分辅助工具的孔一致。我选择铝条（因为我当时只能找到这个），但是一个塑料或者是木头类似的材料都足够完美。

你也许已经注意到了在铜线的末端超出了LED部分0.5英寸，这样做有两个目的：第一是为了与许一个辅助工具对齐，第二是在光立方组装的时候来连接阳极面。

如果LED管脚都准确成形的话，这根8英寸铜线应该很容易在这8个LED环间滑动。我发现像之前穿过那样来扭曲铜线让穿线更容易。一旦焊接完，你的阳极轨道就出现了。在取出它之前，我会测试每个LED，并且还会检查阴极引脚环是否在统一高度，像铜线一样依需要做调整。

这里用5V的电源和一个270Ω的电阻串联焊接在塑料盒子里用作测试，测试时先将正极连接到阳极铁轨，然后将负极先后连接到8个红绿蓝阴极，确保他们都能正常工作。

8*8点阵辅助工具

这个辅助工具是用来将8条阳极铁轨组装成1个8*8的面，这需要反复的尝试，碰巧，它像预期的一样工作了。我绝对不敢说这是最好的解决方案，但是我能用它来制作符合我标准的点阵。

这个辅助工具的基板是由一块10英寸的MDF方块制作的，我在基板上中心标记了间距为1英寸的8*8网格。幸运的是，我发现在我车库里的几根不同长度的松木条就是0.9英寸宽0.45英寸厚。我想这些都是几年前我住在临时住所时的便宜衣柜底部材料，这是值得保存的东西。你永远不会知道什么时候能派上用场，我敢肯定，你知道我的意思。

在布局1英寸网格时，0.9英寸的板条之间提供了便利的0.1英寸插槽。阳极铁轨在这些插槽里，而LED在两侧。我把这些板条切成8英寸长度（与阳极铁轨一致），两条10英寸长的板条放在这些8英寸板条两端（保护阳极铁轨），并钉在基板上。

在辅助工具顶部和底部的是两块薄的MDF板，板子钻了24个1mm的孔，这些孔与阴极回路匹配。我称这些前后阴极铁轨导向板，上面一排孔距板条顶部0.4英寸，下面一排比上面一排低0.2英寸。

用这些辅助工具很简单，首先将8条阳极铁轨插入到相应的插槽中，LED帽朝同一方向（LED朝辅助工具背面方向）

从辅助工具前端插入两根10.5英寸长的直线穿过底板外侧绿色阴极孔。把线穿过每个绿色阴极回路然后插入背面面板孔。和之前一样，用这方法扭线更容易。然后开始焊接16个绿色阴极接头，这样可以固定整个面，而且剩余的22跟线插入更容易。

现在该从辅助工具两端来检查，确保LED与各阳极铁轨连接后和辅助工具保持平行。如果没有，应该重新焊接并且调整铁轨。在进行下一个步骤前要检查两侧。

将剩余的22跟8.75英寸的线从前端板子的孔插入，然后通过相应的阴极回路，再像之前一样扭曲。如果有环路不直或者是太紧，再来做相应的调整。导线的一端应该在最上面的LED阴极回路那里稍微延长一点，这样可以使焊点更整洁。先焊接最上面的连接点来固定这些导线，然后焊接其他的154个点。

在把完成的8*8点阵移出辅助工具之前，再次测试LED，这样做很有必要。写到这里，我已经发现了制作好的5个点阵里面有两个失误。一个是因为简单的工艺造成了糟糕的焊接，另一个是有一个LED蓝色光不亮，这意味着我将换一个LED。幸运的是，这个LED是在顶部，所以替换还是相对容易的。

现在这个点阵可以从辅助工具中剪断，剪掉24根线的末端。在我的视频里（之前展示的），我展示了在将最上面的两根LED导线剪断。我的好朋友Fred Mint前几天来我这问我在最后组装时怎样对准这些点阵的顶部。我说还没有好主意，他说“你为什么不留下那两根导线留下，用几块0.1英寸槽条板来对其这些点阵的顶部？”这是个好方法，所以我现在没有剪断它们。想那24跟导线一样，简单的将它们从辅助工具底部剪断。（我在视频中添加了一些字幕来达到这个效果）

最后一项是将点阵从辅助工具中取出来，确认它是直的，没有明显的对齐的问题，然后小心地拿开并放置，直到测试和最后的组装。