Светодиодная УФ-лампа с таймером для засветки фоторезиста

Автор: El-Eng
Опубликовано 14.09.2016
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2016!"

Многие радиолюбители, изготавливающие печатные платы фотоспособом, обратили внимание на преимущества светодиодных источников ультрафиолетового излучения. Это и большая интенсивность, и лучшая направленность излучения, отсутствие необходимости в предварительном прогреве, возможность равномерной засветки значительной площади и т.д. В Интернете можно найти разные реализации УФ-ламп на светодиодах. В этой статье я хочу представить свой вариант. Основное внимание при разработке лампы уделялось обеспечению равномерности засвечиваемого поля инадежности работы при относительной общей простоте конструкции.

Выбор типа светодиодов и конфигурации их размещения.

При засветке фоторезиста крайне желательной является направленность ультрафиолетового излучения, позволяющая получать большую резкость при проекции фотошаблона на фоторезист. Из различных типов доступных УФ-светодиодов были выбраны светодиоды диаметром 5мм, обладающие достаточно узким углом излучения (~20°).

Наиболее равномерное распределение светодиодов по площади получается тогда, когда они расположены в узлах сетки, состоящей из равносторонних треугольников. Кроме того, крайне желательно, чтобы в группах последовательно соединенных светодиодов их количество было одинаковым. Анализ возможных вариантов размещения светодиодов на прямоугольном поле (~150х220мм) с учетом этих соображений показал, что предпочтительным является вариант с 7 группами по 14 светодиодов в каждой группе. Общее число светодиодов составило, таким образом, 98 шт.

Однако, это еще не все. Как известно, светодиоды имеют существенный технологический разброс по яркости при одинаковом токе даже в пределах одной партии, что приводит к необходимости предварительного отбора. Для упрощения задачи, вполне достаточно ограничиться отбором 7 групп по 14 примерно одинаковых светодиодов, а разницу между группами скомпенсировать установкой требуемого рабочего тока каждой цепочки последовательно включенных светодиодов группы.

Отбор светодиодов.

Значительное требуемое количество светодиодов, особенно с учетом их избытка для отбора, вынуждает приложить дополнительные усилия для поиска наиболее выгодного поставщика, что неизбежно приводит к тому, чтобы обратить взор на Восток, в сторону торговой площадки, известной своими демократичными ценами. И хотя Интернет полон слухами о том, что там продается отбраковка или вообще неработоспособные компоненты, было решено рискнуть, а заодно и проверить состоятельность подобных слухов. Итак, после некоторого анализа предложений был выбран и куплен лот из 200 5мм УФ-светодиодов с рабочим током 20мА. Сразу следует отметить, что в пришедшей посылке оказалось 212 светодиодов и все они были исправными. Еще одним интересным фактом оказалось то, что прямое падение напряжения у нескольких десятков выбранных случайно светодиодов при токе 20мА уложилось в интервал 3.2±0.1В. После этого, дальнейший отбор по прямому падению напряжения был прекращен.
Для отбора по яркости было изготовлено простейшее устройство, принципиальная схема которого представлена на Рис.1.

Рис.1.

Устройство состоит из двух частей – модуля питания и измерительного модуля. Как видно из схемы, питание исследуемого светодиода осуществляется от лабораторного источника через балластный резистор R1, а падение напряжения на светодиоде ограничено величиной около 4.5В при помощи стабилитрона VD1. Преимущество такой схемы заключается в том, что она не боится короткого замыкания в цепи светодиода, а светодиод не выходит из строя при случайном подключении его в обратной полярности (допустимое обратное напряжение светодиода – 5В).
Измерительный модуль представляет собой трубку внутренним диаметром 5мм и длиной примерно 10см из непрозрачного материала, с одной стороны которой установлен фотодиод, а с другой вставляется исследуемый светодиод (трубка была изготовлена из корпуса пришедшей в негодность пластмассовой авторучки). В качестве фотодиода использован один из купленных УФ-светодиодов. Поскольку p-n переход УФ-светодиода остается практически закрытым до уровня напряжения прямого смещения порядка 2.5В, фотодиод из такого светодиода остается в фотодиодном режиме (характеризующимся линейной зависимостью тока p-n перехода от интенсивности падающего света) вплоть до этого напряжения, что избавляет от необходимости использования источника напряжения смещения. Исходя из этих соображений, величина шунтирующего вольтметр PV2 резистора R2 подбирается такой, чтобы вольтметр, при установленном и включенном исследуемом светодиоде, показывал напряжение в районе 0.5…2.0В (не более). В некоторых случаях этот резистор может и не понадобиться.

Гистограмма распределения по яркости исследованных светодиодов приведена на Рис.2.

Рис.2.

Распределение явно отличается от нормального, что говорит о присутствии в лоте светодиодов из разных партий или о том, что был произведен не очень тщательный отбор лучших по качеству светодиодов. Если присмотреться к гистограмме внимательнее, можно предположить, что она представляет собой суперпозицию двух нормальных распределений (с максимумами между 1.0-1.4 и между 2.0-2.4), что свидетельствует в пользу первой версии.
Воспользовавшись полученной гистограммой можно отобрать нужные группы светодиодов. Для работы в лампе были выбраны группы из диапазона 1.2-1.8 с добавлением самых ярких из диапазона 1.0-1.2, после чего были определены рабочие токи отобранных групп. Для наименее яркой группы рабочий ток был установлен в 20мА, для остальных групп был найден ток, при котором их яркость была близкой к наименее яркой группе.

Лампа.

Принципиальная схема УФ-светодиодной лампы представлена на Рис.3.

Рис.3.

Питание лампы осуществляется от источника с номинальным напряжением 12В. Лампа состоит из двух основных узлов: повышающего преобразователя напряжения и семи регулируемых источников стабильного тока для питания светодиодов. Кроме того, на плате установлен стабилизатор для питания таймера. Повышающий преобразователь обеспечивает на своем выходе напряжение 53В. Регулируемые источники стабильного тока выполнены по классической схеме на ОУ DA1-DA2. И преобразователь, и источники тока имеют функцию отключения логическим уровнем (открытый коллектор), что позволяет управлять работой лампы от микроконтроллера. Несколько слов следует сказать об элементах V1-V7. Несмотря на то, что функционально они представляют собой стабилизаторы тока, в данной схеме они выполняют функцию предохранителей, ограничивая максимальный ток группы величиной 25мА (рабочий ток группы задается стабилизатором на ОУ и не должен превышать 20мА). Эти элементы могут быть заменены перемычками без снижения качества работы лампы (увеличится риск выхода группы из строя при пробое регулирующего транзистора источника тока на ОУ).

Таймер.

Для совместной работы с описанной выше светодиодной лампой был разработан таймер, принципиальная схема которого представлена на Рис.4.

Рис.4.

Таймер имеет две кнопки управления: кнопку включения засветки “On” (после включения эта кнопка блокируется до окончания экспозиции) и кнопку принудительного выключения засветки “Off” (являющуюся, на самом деле, кнопкой сброса микроконтроллера). Установка времени выдержки осуществляется при помощи потенциометра R3, в качестве которого подходит практически любой переменный резистор с линейной характеристикой из диапазона примерно 1…100КОм. Шкала установки времени – логарифмическая, она позволяет установить интервал экспозиции от 2 до 600сек с погрешностью не более ±10% (типовое время засветки фоторезиста составляет 30-60сек). Изменение установленного интервала выдержки во время засветки приводит к изменению времени экспозиции, но если вновь установленный интервал оказывается меньше фактически прошедшего времени, лампа выключается. Кроме основной функции, таймер во время работы осуществляет контроль напряжения питания светодиодов, не включая (отключая) их при пониженном напряжении.

Конструкция.

Лампа смонтирована на печатной плате из одностороннего фольгированного текстолита. Она оптимизирована для изготовления методом лазерно-утюжной технологии, поскольку имеет значительные размеры. Плата таймера изготовлена фотоспособом из двухстороннего текстолита, одна из сторон используется в качестве лицевой панели устройства. Эскиз лицевой панели таймера представлен на Рис.5.

Рис.5.

Как уже говорилось, переменный резистор установки времени экспозиции имеет линейную зависимость сопротивления от угла поворота (логарифмическая шкала реализована программно). Несмотря на то, что шкала проградуирована в интервале 1-1000сек, рабочий интервал выдержек находится в диапазоне 2-600сек, что связано со значительными искажениями линейной зависимости сопротивления на краях диапазона углов поворота оси резистора. Размер шкалы рассчитан на использование ручки типа 41009-4 диаметром 29.4мм. Таймер установлен на лампе при помощи четырех стоек высотой 15 мм, при этом разъемы X1 таймера и X2 лампы стыкуются друг с другом без дополнительного кабеля. Плата лампы, при помощи восьми 10-мм стоек, укреплена на листе 6-мм фанеры, в которой вырезаны необходимые пазы для выступающих деталей, а под диоды высверлены отверстия диаметром 8мм (в качестве шаблона удобно использовать отпечаток монтажной схемы). Фанера защищает светодиоды от механических повреждений, а также устраняет ореол, возникающий вокруг основного пятна излучения светодиода и способствующий боковой засветке фоторезиста. Фотография смонтированной лампы с таймером представлена на Рис.6. В архиве находятся все материалы, необходимые для повторения конструкции.

Замечание. Принципиальные схемы лампы и таймера изменялись в процессе отладки. Соответствующие изменения были сделаны в топологии печатных плат, но экземпляр устройства на новых печатных платах не изготавливался.

Рис.6.

Настройка лампы.

Рекомендуется проводить монтаж и настройку лампы в несколько этапов. Сначала рекомендуется смонтировать и настроить преобразователь напряжения, но можно сразу выполнить монтаж всех компонентов кроме светодиодов. Светодиоды следует монтировать на предварительно настроенную плату. Преобразователь напряжения включается при замыкании на землю (контакт X2-3 (GND)) контакта NVON (X2-4). Нужно убедиться в работоспособности преобразователя и в отсутствии значительного нагрева (не терпит рука) его компонентов. Следует отметить, что в процессе работы дроссель L1 может издавать негромкий акустический шум, что никак не влияет на работу устройства. Убедившись в работоспособности преобразователя, при помощи подстроечного резистора R14 на его выходе нужно установить напряжение 53В. Желательно проверить способность преобразователя выдавать в нагрузку ток не менее 150мА.

Настройка источников тока заключается в установке при помощи подстроечных резисторов R17-R23 рабочих токов групп. Для этого при выключенном преобразователе напряжения замыканием на землю контакта NLON (X2-2) включаются источники тока и измеряются токи при замыкании линий LINE1-LINE7 с выходом преобразователя (в выключенном состоянии на нем присутствует почти полное напряжение источника питания +12В). Крайне желательно включить последовательно с миллиамперметром резистор сопротивлением 300-400 Ом, это снизит риск ущерба от каких-либо неожиданностей. После установки рабочих токов групп, можно приступить к монтажу светодиодов. При монтаже следует уделить особое внимание правильности полярности монтируемых светодиодов. Смонтированный в обратной полярности светодиод гарантированно выйдет из строя при первом же включении лампы. После окончания монтажа можно проверить работу лампы, одновременно замкнув контакты NVON и NLON на землю.

Калибровка таймера.

Прежде, чем приступить к работе, таймер необходимо откалибровать. Процедура калибровки включает в себя фиксацию уровней напряжения питания светодиодов включенной и выключенной лампы, калибровку шкалы времени и калибровку формирователя временных интервалов. Данные калибровки сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера (EEPROM). Целостность сохраненных данных контролируется кодом CRC и, в случае обнаружения ошибки, работа таймера запрещается (по этой причине таймер не работает при стертой EEPROM). Калибровку следует производить после полной настройки лампы. Для входа в процедуру калибровки следует кратковременно нажать кнопку “Off” при зажатой кнопке “On”, которую после этого нужно отпустить. Контроллер таймера включит питание светодиодов, зафиксирует уровень напряжения при выключенной лампе, потом включит лампу на одну секунду, зафиксирует уровень напряжения при включенной лампе и перейдет к калибровке шкалы времени. На этом этапе необходимо последовательно установить указатель шкалы времени в положение “2”, “10”, “100” и “500” секунд, каждый раз сообщая контроллеру об установке в текущую позицию кратковременным нажатием кнопки “On”. Контроллер будет подтверждать ввод кратковременным включением (миганием) лампы. Ввод позиции “500” будет подтвержден двукратным миганием, сообщая об окончании этого этапа. Далее производится калибровка формирователя временных интервалов. Для нее понадобится секундомер. Нужно одновременно нажать кнопку “Старт” секундомера и кнопку “On” таймера (нажатие будет подтверждено миганием). Ровно через 60сек (1мин) нужно еще раз нажать кнопку “On”. Мигание лампы подтвердит окончание калибровки, данные будут сохранены в энергонезависимой памяти, и таймер перейдет в рабочий режим. Если калибровка будет прервана на каком-либо предыдущем этапе (например, нажатием кнопки “Off”), содержимое энергонезависимой памяти останется без изменений.

Файлы:
Архив ZIP

Все вопросы в Форум.