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UV-Belichter mit Timer ATtiny2313
Diese Anwendung eines AVR beschreibt ein Belichtungsgerät mit UV-Leuchtdioden und einem Timer
mit einem ATtiny2313 zur Einstellung der Belichtungszeit. Mit dem Belichter lassen sich fotobeschichtete
Leiterplatten belichten.
Den UV-Belichter gibt es in zwei Größen: mit 98 und mit 169 UV-Dioden.
Die größere Version schafft die Belichtung von Platinen im Euro-Format,
die kleinere nicht.
Der UV-Belichter hat folgende Eigenschaften:
- 98 bzw. 169 UV-LEDs mit 5 mm und je 4000 mCd.
- Betrieb mit 20 mA Konstantstrom und Versorgung aus 30 V-Netzteil.
- 14 Reihen zu je 7 LEDs (kleinere Version) bzw. 19 Reihen zu je 7 LEDs
plus 6 Reihen zu je 6 LEDs bei der größeren Version.
Der mit dem ATtiny2313 aufgebaute Timer hat folgende Eigenschaften:
- Einstellbar zwischen 10 Sekunden und 100 Minuten Belichtungszeit.
- Zweizeilige LCD-Anzeige der eingestellten Belichtungszeit und der abgelaufenen
Zeit.
- Bedienung mit drei Tasten in 10-Sekunden-Abständen.
- Eingestellte Zeit im internen EEPROM speicherbar, startet immer mit dieser
voreingestellten Zeit.
Die Hardware besteht aus 14 resp. 25 Konstantstromquellen mit je
einem npn-Transistor BD439 und je sieben UV-LEDs (bzw. sechs). Der
Strom durch die LEDs beläuft sich auf durchschnittlich
19,5 mA. Die Verstärkung der Transistoren hFE hat
keinen Einfluss auf den LED-Strom. Die Anzahl Dioden pro Reihe
(sechs oder sieben) hat keinen Einfluss auf den LED-Strom,
solange die Betriebsspannung hoch genug ist (mindestens
3,2*N+4,3+0,2 V, bei N=7: 26,9 V, bei N=6: 23,7 V).
Die Betriebsspannung braucht wegen der Stabilisierung des
LED-Stroms nicht stabilisiert zu werden und kann auch höher
liegen (bis ca. 45 V ohne Transistorkühlung).
Die Konstantstromquellen werden mit 5 V am Eingang ("Base")
eingeschaltet und mit weniger als 0,7 V an diesem Eingang
ausgeschaltet. Der Strombedarf für die Ansteuerung von
25 Reihen liegt zwischen 2 und 3 mA, kann also direkt
mit einem Portpin des ATtiny2313 erfolgen. Der Strombedarf ist
vom hFE der Transistoren abhängig, er liegt bei bis zu
24 mA wenn alle Transistoren ihr Mindest-hFE von 20
hätten und 25 Reihen gleichzeitig getrieben werden
müssen. Im Mittel lag das hFE der verwendeten Transistoren
bei 137 (123 bis 150).
Die Zenerdiode mit 5,1 V schützt die LEDs gegen
Überspannung am Treibereingang, da bei mehr als 5 V der
maximal zulässige LED-Strom überschritten würde.
Der erforderliche Treiberstrom beträgt einige mA (bis zu
24 mA wenn alle Transistoren ihr Mindest-hFE von 20
hätten und 25 Reihen gleichzeitig getrieben werden
müssen).
Achtung! Das Licht ist sehr intensiv, bei direkter Bestrahlung der Augen
kann dies Schäden zur Folge haben! Es ist eine gute Idee,
das Ganze in einen Holzkasten einzubauen, die UV-LEDs auf
der Deckelunterseite zu montieren und den Deckel beim Belichten
zu schließen.
Der Aufbau der Schaltung und die Anordnung der Bauteile und Leuchtdioden
auf einer Lochraster-Europlatine zeigt bei der kleineren Version
das Layout hier.
Die schwarzen Punkte sind Leuchtdioden, die gelben Rechtecke
die Transistoren, die hellbraunen Rechtecke Widerstände, blaue
Rechtecke Schraubklemmen und rote Rechtecke Aussparungen für
Befestigungsschrauben. Die Darstellung zeigt die Draufsicht, alle
Bauteile sind auf der Oberseite der Platine angebracht, auf der
Unterseite sind die Bauteile mit lötbarem Kupferlackdraht
verdrahtet.
Die vergrößerte Version mit zusätzlichen
71 UV-LEDs wird auf einer 80*160 mm-Platine aufgebaut
und an die kleinere Version angekoppelt. Das Bild zeigt die
Verdrahtung der Siebener- und Sechser-Reihen von LEDs.
Das Bild zeigt die Abdeckung einer (hier schwarz dargestellten)
Euro-Platine. Dabei wurde von einem Strahlwinkel von 30°
der UV-LEDs und von 12 cm Abstand ausgegangen
(Gleichverteilung des Strahls über einen Kreis mit
6,4 cm Durchmesser).
Das Bild zeigt, dass die Abdeckung an den drei Rändern
nicht gleichmäßig erfolgt. Es lohnt sich daher, die
Ränder des Kastens mit Alufolie zu verspiegeln und damit
die Randabdeckung zu verbessern.
Die Schaltung braucht mindestens 26 V Betriebsspannung.
Spannungen darüber fallen auf der Kollektor-Emitter-Strecke
der Transistoren ab und erhöhen deren Wärmeleistung.
Bis zu 45 V Betriebsspannung können die Transistoren
ohne Kühlkörper leicht ab.
Bei der kleineren Schaltung mit 14 Reihen beträgt
der Versorgungsstrom ca. 300 mA, bei der erweiterten Version
470 mA.
Das hier zeigt ein solches Netzteil. Es besteht aus einer
Sicherung mit 500 mA, einem 30-VA-Ringkerntrafo mit
2 * 30 V, zwei Leistungsdioden und zwei
2.200 µF-Elkos für 50 V.
Die Auslegung der Elkos auf 50 V ist zwingend notwendig,
denn ohne Last erreicht das Netzteil diese Maximalspannung,
wie dieses Bild zeigt.
Bei 500 mA Nutzlast geht die Spannung auf ca. 36 V
herunter. Real wurden bei 470 mA 37 V gemessen. Die
Spannungsschwankungen von 0,69 V bei dieser Nutzlast
werden mühelos von den Konstantstromregler-Transistoren
weggeregelt.
Das Bild zeigt den Einbau des Ringkerntrafos, der
Sicherungsplatine und des Gleichrichters in den Holzkasten.
Natürlich kann man den Belichter auch ohne den hier
beschriebenen Timer betreiben, indem man die 5 V manuell
ein- und ausschaltet. Wer schon mal eine Euro-Platine wegen
totaler Überbelichtung weggeschmissen hat, wer es leid
ist, mit der Stoppuhr genau 4 Minuten abzupassen oder wer
sowieso einen AVR-Programmer hat, greift zu dieser Läsung
mit einem Attiny2313 und einer komfortablen LCD.
Der ATtiny2313 wird mit einem externen Quarz mit 2,4576 MHz getaktet.
Die LCD-Anzeige ist mit einem 14-poligen Steckverbinder an den Port B
(8 Datenbits), die Portbits PD0 und PD1 (Kontrollbits RS und E) und
an das Poti (Kontrasteinstellung) angeschlossen.
Die drei Taster (weiß, schwarz und rot) sind mit den Portbits
PD2, PD3 und PD4 verbunden und über die Widerstände 4k7 und
die Tantalelkos 4µ7 entprellt.
Am Portbit PD6 ist eine zweifarbige LED zur Anzeige des
Betriebszustands angeschlossen. Sie blinkt während der
Belichtungsdauer und wird grün beim Erreichen des
Belichtungsendes.
Auf der Prozessorplatine ist noch ein Programmierinterface
vorhanden, das über den 10-poligen
KANDA-Standardpfostenverbinder funktioniert. Soll ein
6-poliges Interface verwendet werden, wie es heute üblich
ist, müssen die Leitungen entsprechend diesem
Standard verlegt werden.
Etwas Vorsicht ist geboten, wenn die Ansteuerung der
UV-LED-Schaltung erfolgt ohne dass die LED-Betriebsspannung
angeschlossen ist. In diesem Fall fließen pro LED-Reihe
(5 V-0,7 V) / 440 Ω = 9,8 mA,
bei 14 Reihen also theoretisch 137 mA. Das ist mehr
als ein Portpin liefert (40 mA) und lastet die 5V-Versorgung
aus, so dass deren Spannung sinken kann und die LCD nicht
mehr korrekt arbeitet. Die Transistoren vertragen hingegen den
erhöhten Basisstrom mühelos.
In der Schaltung ist noch ein Spannungsregler 7805 eingezeichnet,
der den Prozessor mit 5 V versorgt. Wird die Schaltung
aus einem Labornetzteil mit 30 V versorgt, kann so verfahren
werden. Erfolgt die Versorgung aus dem oben beschriebenen Netzteil
ist diese Variante obsolet, da der 7805 nicht die erhöhte
Eingangsspannung verträgt.
1.4 5V-Versorgung
Dies zeigt eine brauchbare Alternative. Mit einer Zenerdiode
von 9,1 V und einem BD439 werden damit zunächst die
36 bis 50 V des Netzteils auf 8,4 V reduziert, die
dann mit einem Spannungsregler 78L05 geregelt werden. Die
Schaltung ist auf 100 mA Dauerstrom ausgelegt. Die
Wärmeleistung der Widerstände verträgt sich
durch die Aufteilung in zwei Widerstände mit den
400 mW maximaler Wärmelast, die
Metallfilmwiderstände dauerhaft vertragen.
Die grüne LED zeigt die vorhandene Betriebsspannung an.
Der Transistor muss gekühlt werden, da er bei maximal
50 V Eingangsspannung (bei ausgeschalteten UV-LEDs) und
bei 100 mA überhitzt würde. Es reicht ein
kleiner Fingerkühlkörper mit 20 K/W, der
allerdings isoliert montiert werden muss (Glimmerscheibe
mit Wärmeleitpaste), da der Kollektor an +50V liegt.
Der 78L05 reicht wegen der reduzierten Eingangsspannung
(8,4 V) völlig aus.
Zum Inhaltsverzeichnis
Die Belichtungsplatine sollte in einem Mindestabstand von 12 cm
zur zu belichtenden Fotoplatine angebracht werden. Sollen Europlatinen
belichtet werden, ist entweder die vergrößerte Variante
oder ein noch größerer Abstand günstiger, damit
die Ränder gleichmäßig ausgeleuchtet werden.
Günstig ist der Einbau in den Deckel eines entsprechend hohen
Kastens. Der Kasten schützt dann auch die Augen vor der
direkten intensiven UV-Strahlung. Im Baumarkt gibt es solche
Kästen sehr günstig.
Nach dem Einschalten zeigt die LCD-Anzeige für etwa
2,5 Sekunden eine Meldung zur Gerätefunktion,
die Softwareversion und das Copyright der Software an.
Danach ist das Gerät betriebsbereit und die LED
leuchtet grün.
Drücken der weißen Taste erhöht die Belichtungsdauer
um 10 Sekunden, die Schwarze verringert die Belichtungsdauer.
Druck auf die schwarze Taste bei gedrückter roter Taste
speichert die eingestellte Dauer, Druck auf die weiße
Taste bei gedrückter roter Taste startet die Belichtung.
Erneutes Drücken der weißen Taste bei gedrückter
roter Taste stoppt den aktiven Belichtungsvorgang. Während
des Belichtungsvorgangs blinkt die LED rot.
Die notwendige Belichtungszeit kann durch Versuche bestimmt werden.
In einem Kasten mit 14,5 cm Höhe liegt die Belichtungszeit
bei Durchleuchtung durch eine mit Laserdrucker bedruckte Folie
und einer darüber gelegten 1 mm-Plexiglasscheibe bei
knapp vier Minuten.
So sieht die Box in der Draufsicht aus.
Und so sieht das erweiterte LED-Feld aus.
Und rechts im eingeschalteten Zustand. Die ursprünglichen
und die zur Erweiterung hinzugefügten LED unterscheiden
sich, wie ganz deutlich erkennbar ist. Für eine gut
belichtete und mit dem Laserdrucker erstellte Folie
dürfte sich der Unterschied nicht relevant auswirken.
Zum Inhaltsverzeichnis
Die Software für den Timer ist im
HTML-Format oder als Assembler-Quellcode
verfügbar. Die assemblierte Hex-Datei
und ein fertiges EEPROM-File gibt es auch.
ACHTUNG! Frische ATtiny2313 sind intern auf den internen RC-Generator
eingestellt. Nach dem Schreiben des Flash und vor der Verwendung muss
der ATtiny2313 durch Umprogrammieren der Fuses auf den externen Quarz
eingestellt werden. Bei Umstellung der Fuse muss der ATtiny mit dem
externen Quarz bestückt sein, da sonst ein Abbruch des Brennvorgangs
und Fehlermeldungen resultieren. Am besten in der Schaltung selbst die
Fuse umprogrammieren!
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