04) Assemblage du KIT initial.

Souder le circuit imprimé confine à une formalité. La sérigraphie est très bien faite, elle équivaut pratiquement à une notice d’assemblage. Il y a peu de composants discrets, et le sens des supports de circuits intégrés est bien repéré. Attention à ne pas vous tromper dans l’orientation de l’octuple résistance de 10kΩ. L’une des broches d’extrémité est reliée en interne au commun. Elle doit impérativement être soudée au +Vcc. Toujours pour les composants dont la bonne orientation est incontournable, on trouve les deux condensateurs de 10µF, la LED rouge, l’interrupteur d’alimentation. Si vous complétez le produit par la version Arduino, il faudra également prendre garde à orienter correctement les deux boutons poussoir du clavier. Dans le répertoire <Documentation> se trouvent les caractéristiques des circuits intégrés assurant le multiplexage. Schematic.pdf est le fichier que j’ai glané en ligne qui correspond à une version très légèrement différente que celle du KIT. (Document sur lequel a été extraite la Fig.11 donnée en page 10.) Enfin, avec le fichier Steps of soldering.pdf vous disposerez du seul document qui accompagne le produit commercial mentionné dans ces lignes. Globalement il est très bien fait et permettrait de réaliser correctement le cube … sauf qu’il ne permet absolument pas, du moins c’est ce qui ressort de mon expérience, de savoir comment orienter les diodes électroluminescentes. Il m’a fallu étudier intégralement le schéma pour déduire cette information pourtant primordiale. Peu importe, le problème est résolu, (Donc ce n’est plus un problème !) et l’on va avec méthode concrétiser notre objet décoratif. Revenons au soudage du circuit imprimé qui rassemble l’électronique du KIT. Ce dernier étant de type « double face », il y aura à souder des deux cotés. Il importe donc de choisir un ordre d’assemblage qui facilite au maximum l’opération. D’une façon générale, je commence toujours par les éléments les moins hauts pour finir par ceux qui dominent. Bien faire attention au fait qu’il y a des soudures à faire coté « composants » à l’intérieur de la surface des supports de circuits intégrés. Il faut commencer par assembler les picots qui recevront les LEDs avant les supports DIL. Quand vous aurez achevé les étapes de Step 1 à Step 4 le circuit imprimé principal est achevé. (Il reste à créer le cube de LEDs, surtout attendez d’avoir consulté les chapitres qui suivent.) À ce stade il est déjà possible de procéder aux premières vérifications. Aucun circuit intégré n’est placé sur son support. On alimente en +5Vcc. On peut le faire par la prise Jack du circuit imprimé. J’ai également placé un petit connecteur HE14 coudé comme le circuit imprimé le permet à l’endroit repéré CON4. Outre la possibilité d’y trouver GND et +Vcc, j’y ai relié K1 et K2 ce qui permet en cours de développement du programme de déporter les deux boutons poussoir bien à portée de la main sans avoir à retourner le cube pour accéder à ceux situés en arrière sur le circuit imprimé. On clique sur l’inverseur d’alimentation. La LED rouge doit s’allumer. Puis on vérifie que la tension est présente sur les bonnes « broches » des supports des circuits intégrés. On place alors le 80C52 sur son support … Et dans le sens convenable ! Comme il fonctionne en aveugle sans prendre en compte son environnement, normalement il doit s’engager dans sa boucle de programme, et sur les sorties on doit observer des signaux binaires découpés à des cadences variables. Puis on coupe l’alimentation, on dispose les neuf autres circuits intégrés. Mise sous tension. Le circuit imprimé étant placé composants sur le dessous, en plaçant une LED quelconque, convenablement orientée, entre deux picots servant pour les branchements du cube, elle doit s’allumer et s’éteindre à une cadence qui semble aléatoire. Ouf, le circuit imprimé principal est vivant, tout va bien. Il ne reste plus qu’à assembler le cube … et c’est ici que patience, méthode et longueur de temps font plus que force ni que rage !

Les tranches de LED.

Concrétiser matériellement le cube de LEDs, (Concrétiser et matériellement constitue un pléonasme, exactement comme l’utilisation de l’expression vieille baderne !) impose trois qualité indispensable, incontournable, impératives pour ne pas dire totalement obligatoires :

Ces trois vérités bibliques taillées dans le marbre font précisément l’objet des chapitres qui suivent.
Maintenant que le circuit imprimé principal est achevé et que le moral est au beau fixe, nous connaissons exactement la distance qui devra séparer les diodes électroluminescentes. C’est l’écartement des picots de branchement qui détermine en largeur et en profondeur les dimensions de cube. Les écartements choisis par le concepteur du circuit imprimé autorisent l’adoptions de LEDs quelconques, et tout particulièrement des diodes dont l’encapsulation est conditionnée en diamètre 5mm. Je vous invite fortement à lire en fin de ce tutoriel le chapitre Les « loupés ». Si c’était à refaire, j’utiliserais des composants en boitier diffusants et non cristal. La couleur bleue est très belle, reste à choisir des éléments qui présentent un bon rendement. Enfin, avant de plier à angle droit les broches de ces DELs je commencerais par peindre en noir mat la face « arrière » plane située coté broches. À vous de voir, il est encore temps pour faire un choix judicieux …
Première étape de la réalisation des « tranches » lumineuses, récupérer un morceau de carton rigide cellulaire. Puis, comme montré sur la Fig.13 tracer un quadrillage dont la trame correspond à l’écartement transversal des picots de branchement qui sont soudés sur le circuit imprimé. Verticalement on adoptera un écartement identique pour des raisons esthétiques évidentes. Puis, à chaque croisement de ligne percer un trou relativement fin avec un poinçon quelconque. Notez au passage que le dossier <Galerie d’images> contient beaucoup de photographies commentées pour accompagner ce tutoriel. La Fig.13 est extraite de cette mine de renseignements. Les deux photographies commentées Image01.JPG et Image02.JPG montrent l’outil de positionnement en carton sous deux orientations différentes. (Sur la première la LED dans l’encadré donne l’échelle, cette zone est extraite de la même photographie et déplacée pour des raisons de taille des fichiers.)
Fonction du choix que vous aurez effectué, à savoir conserver les LED de diamètre 3mm du KIT ou adoption de LED 5mm, agrandir les trous le juste ce qu’il faut pour que les composants tiennent en position verticale « à frottement doux » les broches de liaison vers le haut. Quand on assemble une face carrée, les LEDs sont orientées coté « avant du cube » vers le bas. Les lignes sur le morceau de carton sont complétées par des signes indiquant la polarité des broches associées. Ainsi lors des contrôles on sait immédiatement où établir le contact et avec quelles pointes de touche du système de vérification.

Le pliage des broches des LEDs.

Étape préalable indispensable, avant d’amener une LED sur le carton de soudage, ses deux broches doivent être pliées à angle droit de façon à former un « triplet trirectangle ». (Voir la Fig.14) De la rigueur avec laquelle vous allez vous acquitter de ce préambule dépend directement la facilité et la qualité des opérations qui suivront. Aussi, adopter une procédure rigoureuse est indispensable. Au début, et manquant d’expérience, je conditionnais huit éléments. Puis avec le « frère à souder » ces derniers étaient assemblés sur le carton. Ce n’est pas du tout la bonne approche et ce pour deux raisons :
• Comme il faut plusieurs heures pour les opérations de pliage, c’est autant de fonctionnement inutile du fer à souder qui durant cette phase chauffe pour rien. (Faut minimiser le réchauffement climatique !)
• Huit manipulations entrecoupées par les opérations de soudure délicates engendrent de l’oubli. À chaque fois il faut se remémorer les critères de pliage avec perte de temps et risque d’erreur.
Aussi, et bien que ce soit totalement rébarbatif et indigeste, je vous recommande de plier TOUTES les LEDs avant d’envisager les opérations de soudage. Ce travail routinier indigeste conduit à un automatisme très favorable à la réussite. En procédant ainsi les 255 LEDs ont été toutes pliées parfaitement et sans erreur de polarité. (Personnellement j’en ai conditionné dix de plus pour parer les incidents. Quatre ont été écartées du lot car de luminosité estimée insuffisante à faible courant. Et une que j’avais soudée mal orientée. J’ai préféré la remplacer par une neuve.) La Fig.14 donnée ci-contre précise comment nous devons réaliser les pliages. Cette photographie saisie en vue plongeante est assez trompeuse, car elle donne à penser que la broche 1 de l’anode est plus courte que celle en 5 de la cathode. C’est l’inverse, pour repérer les brochages, sauf exception c’est la queue de l’anode qui est la plus longue. Pour compléter le repérage, un méplat visible en 3 est pratiqué sur la collerette de l’encapsulation. Ce n’est pas obligatoire, mais comme c’est le cas pour celles fournies dans le KIT, les deux broches présentent en 2 et 4 une variation de section, une sorte d’évasement rectangulaire. Quand les deux broches sont tenues horizontalement, il faut plier celle de l’anode 1 vers le bas AVANT l’excroissance 2. En revanche, La broche 5 de la cathode doit se voir pliée à angle droit latéralement APRÈS 4 à environ 1,5mm à 2mm de l’excroissance. (La LED est ici vue depuis sa face arrière.) Les broches 1 et 5 formeront un trièdre trirectangle dont on doit respecter le mieux possible les 90°. Si cette géométrie est respectée, en « profondeur » la cathode est décalée par rapport à l’anode. C’est indispensable car les grilles de diodes forment un treillis croisé qui ne doit pas engendrer de courts circuits entre anodes et cathodes. Dans <Galerie d’images> les photographies Image03.JPG, Image04.JPG et Image05.JPG saisies sous des angles différents commentent les diverses contraintes géométriques à respecter. Avant de se voir considérée comme valide, la diode une fois correctement pliée est testée, car une inversion de polarité est potentiellement risquée. Pour ce faire, vous ouvrez le tiroir et placez sans tarder votre sonnette sur le plan de travail, car c’est une évidence, il y a belle heurette que vous possédez cet outil indispensable.

Drinnnnnggggg … la sonnette !

Ainsi nommée car autrefois, il y a très longtemps quand c’est Grand-père qui bricolait, on utilisait réellement une sonnette secteur pour vérifier la continuité d’une ligne électrique. Autant dire que l’électronique a balayé ces antiquités au profit d’appareils portatifs infiniment plus opérationnels. Si vous ne disposez pas d’un tel dispositif … STOPPEZ TOUT POUR EN FAIRE UN IMMÉDIATEMENT !
Une petite pile de 9v ou un petit accumulateur rechargeable comme sur la photographie de la Fig.15 associée à quelques bricoles et vous voilà paré pour de nombreuses années. L’exemplaire présenté ici n’est que l’un des innombrables « trucs » que j’ai agencé au cours de ma vie d’électronicien ludique. (Hé oui, le Grand-père cité ci-avant … c’est MÉZIGUE.) Un Buzzer actif comme celui prévu pour la version Arduino du cube 3D confirme de façon sonore la continuité d’une liaison testée. Comme il est hors de question d’encombrer ce chapitre avec une description détaillée, une fiche nommée TESTEUR DE CONTINUITÉ ET DE LED se trouve dans Fiches techniques du cube 3D.pdf en page 11. En A, pour des raisons déontologiques la marque de l’accumulateur a été censurée. En B les fiches bananes de 2mm sont insérées dans des douilles de couleur pour ne pas se tromper de polarité quand l’opération en cours l’exige. En C le Buzzer actif. En D on trouve le connecteur HE14 mâle de couleur verte. Sur ce dernier un adaptateur change son genre en femelle bien plus apte à tester des LEDs par exemple. Enfin, pas très visible en E le dessous de la petite plaque de circuit imprimé qui sert d’ossature est munie de petits pieds en caoutchouc auto-adhésifs.

Une idée lumineuse !

Vantardise éhontée, ce titre accrocheur a pour but d’attirer votre attention. En effet, nous avons vu que les diodes électroluminescentes fournies dans le produit commercial sont des éléments qui présentent un bon rendement. Cette caractéristique autorise les concepteurs à les utiliser « sous alimentés » tout en conservant un éclairage encore raisonnable. ATTENTION : Autant les composants soumis à des courants nominaux présentent des luminosités comparables, autant employés à faible courant leurs caractéristiques peuvent diverger. Aussi, il IMPORTE de soumettre tous les composants qui seront sélectionnés pour le cube à des tests d’éclairage de façon à éliminer ceux qui visiblement sont moins lumineux en sous-alimentation. La Fig.16 représente la version « Grand-père » avec pinces crocodiles et fiches bananes. Vous utiliserez probablement des plaques d’expérimentation pour Arduino. Peu importe. La technique consiste à chaîner plusieurs LEDs de façon à voir simultanément leurs luminosités. Plus vous en placerez en série, plus rapide sera la sélection des éléments élus pour le cube. Comme chaque LED engendre une chute de tension de plusieurs volts, c’est la tension maximale disponible sur l’alimentation secteur A qui en limitera le nombre. Si vous ne disposez pas d’une alimentation de laboratoire, une ou deux piles de 9Vcc mises en série feront parfaitement l’affaire. Pour la résistance de limitation R il faut choisir une valeur qui conduira à un éclairement visible des LEDs, mais relativement faible. Dans ces conditions, sur le lot de composants qui étaient fournis avec le KIT, j’en ai écarté cinq qui manifestement éclairaient nettement plus faiblement que les autres.
Toutefois, il ne faut pas espérer de miracle. Le cube 3D réalisé consomme très peu, et chaque LED est fortement sous-alimentée. Dans ces conditions elle fonctionnera pendant des siècles certes, avec des différences de luminosité discernables quand tous les éléments seront sollicités. Ceci étant précisé, ne dramatisons pas. Les différences restent tout à fait raisonnables et ne nuisent pas à l’esthétique globale.

Soudage d’une tranche de cube.

Lorsque toutes les LEDs ont été correctement pliées et vérifiées, nous pouvons commencer le soudage. Insérant les éléments les uns après les autres, pour la première rangée il n’y a qu’une seule soudure a effectuer sur chaque composant … suivie il va sans dire par son contrôle immédiat avec la sonnette. Image06.JPG montre la façon de placer les composants sur le carton d’assemblage, et surtout Image07.JPG dévoile cette étape initiale entièrement achevée. On continue ligne transversale par ligne transversale, sauf que maintenant, comme le montre Image08.JPG, chaque diode mise en place impose deux soudures. Observez également Image9.JPG et Image10.JPG qui présentent en saisie approchée les grilles lumineuses. On comprend mieux pourquoi les deux broches étaient pliées avant et après l’excroissance. Ainsi les hauteurs des lignes transversales et « en hauteur » sont décalées assurant la séparation électrique. Vous pouvez vérifier sur la Fig.17 en X qu’un écart d’environ 2mm sépare les « lignes verticales » des « lignes horizontales ». Comme les broches pliées ne s’alignent pas forcément avec une orientation absolue, on peut facilement comme montré sur la photographie d’Image11.JPG les faire légèrement fléchir avec une cale quelconque pour faciliter la soudure. Cent vingt huit soudures plus tard, on aboutit au résultat de la Fig.18 et par un balayage rapide des pointes de touche sur les broches du bas et de droite on vérifie une dernière fois l’éclairage correct de chaque LED. On se doute que le maillage des soixante quatre diodes est fragile car il manque de rigidité. Comme toutes sont légèrement serrées dans l’outil en carton, il faut les extraire avec prudence en forçant sur toute la hauteur avec un ustensile quelconque. On déboite à gauche, au centre puis à droite et c’est la délivrance. Sur Image12.JPG on récolte avec fierté le fruit de notre patience. Si l’outil en carton a été tracé et percé avec précision, la géométrie de ce grillage optoélectronique est pratiquement parfaite. La grille est dirigée vers nous, comme ce sera le cas quand elle sera insérée dans le cube. Comme à gauche les cathodes sont orientées vers nous, on peut en déduire que ce sera le plan lumineux situé au fond du volume 3D. Il reste encore sept autres grilles à confectionner, il n’y a aucune difficulté, et avec un peu de patience on finit par aboutir. Quand les huit plans sont achevés, vous lisez attentivement le chapitre Les « loupés », et avec une peinture à maquettes noir mat vous
barbouillez avec délice l’arrière des LEDs …

La suite est ici.