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UV-Belichter

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.

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Der UV-Belichter hat folgende Eigenschaften: Der mit dem ATtiny2313 aufgebaute Timer hat folgende Eigenschaften:

0. Inhalt

1 Hardware

1.1 Belichter-Hardware

Schaltbild Belichter 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 24ämA 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).

UV-Licht 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.

Verdrahtung Erweiterung 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.

Abdeckung 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.

1.2 Netzteil

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.

Netzteil LEDs 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.

Spannung ohne Last Die Auslegung der Elkos auf 50 V ist zwingend notwendig, denn ohne Last erreicht das Netzteil diese Maximalspannung, wie dieses Bild zeigt.

Spannung bei Nutzlast 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.

Netzteileinbau Das Bild zeigt den Einbau des Ringkerntrafos, der Sicherungsplatine und des Gleichrichters in den Holzkasten.

1.3 Timer-Hardware

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.

Timer-Schaltbild 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

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.

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2 Bedienung

2.1 Bedienung der Belichtungseinheit

Belichter-Box 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.

Belichter-Deckel 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.

2.2 Bedienung des Timers

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.

Tastenbedienung 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.

Draufsicht Box So sieht die Box in der Draufsicht aus.

Und so sieht das erweiterte LED-Feld aus.

Erweitertes LED-Feld Erweiterte LEDs eingeschaltet

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

3 Software

3.1 Software Source

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.

3.2 Fuse-Einstellung

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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