Приставка к оптическому микроскопу: автономные подсветка и обдув

Представляю вниманию обзор на доработку оптического бинокулярного микроскопа — добавление приставки, реализующей функции автономных аккумуляторных подсветки и обдува объектива.

Предисловие

В один прекрасный день понадобилось мне запаять несколько резисторов типоразмера 0402. Тут-то и стало ясно, что рука ещё может и тверда, но глаз уже не так востёр: 0603 ещё могу осилить, а всё что меньше — нет. Достал из шкафа игрушечный микроскоп, купленный несколько лет назад в основном из любопытства. Кое-как с горем пополам запаял. Но стало вполне очевидно, что требуется что-то более серьёзное.

Почитав-посмотрев обзоры разных аппаратов, решил, что это должен быть обязательно оптический бинокулярный микроскоп. Только такой прибор даёт полноценную картинку, в которой есть главное, чего не хватает микроскопам цифровым — третье измерение, глубина. Без неё паять не то что бы невозможно, но крайне неудобно и затруднительно.

Поискав по AliExpress, остановился на этом варианте:

(фото взято с AliExpress)

Выпускается под множеством разных марок, но делает их в итоге один и тот же завод. Были заказаны:

• Сам микроскоп;
• Две линзы Барлоу на 0.5х и 2.0х (для расширения видимого поля и повышения увеличения соответственно);
• Полноразмерные наглазники (те, что идут в комплекте, рассчитаны под очки);

Получил всё это, собрал, испытал в деле. Микроскоп отличный, паять стало одно удовольствие. Но обозначились два нюанса. Во-первых, комплектная подсветка питается от сети. Что весьма неудобно, поскольку храню прибор в шкафу и лишние провода изрядно раздражают. И во-вторых, дым от места пайки поднимается прямо в объектив, осаждая на линзе частицы флюса и отмывать её потом — то ещё развлечение.

С обеими этими проблемами было решено справиться одним решительным ударом, переведя подсветку на автономное питание и заодно добавив удаление дыма куда-нибудь в сторону от объектива.

Материалы

Список приводится чисто для справки, всё это покупалось в разное время или уже было в наличии.

1. 1. Кулисные выключатели KCD11: 73 ₽ за 10 шт.;
2. 2. Кнопки с фиксацией DS228: 104 ₽ за 10 шт.;
3. 3. Разъёмы GX12: на 2 и 3 контакта, 17 + 20 ₽;
4. 4. Модуль заряда аккумуляторов: с разъёмом USB Type-C, 206 ₽ за 10 шт.;
5. 5. Модуль повышения напряжения: 99 ₽;
6. 6. Модуль ШИМ-регулировки мощности: 58 ₽ ;
7. 7. Аккумулятор 18650: 3400 мАч, 191 ₽;
8. 8. Контакты для аккумуляторов: 611 ₽ за 100 пар;
9. 9. Красно-зелёный светодиод: ⌀3 мм. с общим анодом, 316 ₽ за 100 шт.;
10. 10. Красно-зелёный светодиод: ⌀3 мм. с общим катодом, 316 ₽ за 100 шт.;
11. 11. Вплавляемые гайки: М2х4х4.5 мм., 411 ₽ за 100 шт.;
12. 12. Радиальный вентилятор Sunon MF50151VX-B00U-A99: 12В, на магнитных подшипниках, 697 ₽;

Итого, если считать по цене одного предмета из лотов по несколько штук, получается: 1’136 ₽. Из которых больше половины составляет стоимость вентилятора, но об этом далее.

Модели

Проект с моделями всех деталей. Напечатано из PETG.

Подсветка

Для подсветки решено было сделать новый корпус (далее будет пояснение, почему). Печатаем и снаряжаем первую деталь подсветки. Закладываем три гайки М4 под винты фиксации подсветки на корпусе объектива и вплавляем три гайки М2 крепления второй детали:

Прикручиваем винтами М2х8 вторую деталь:

Разбираем подсветку из комплекта. Берём оттуда рассеиватель и плату со светодиодами. К плате припаиваем провод и приклеиваем её к корпусу на герметик (TianMu 704). Рассеиватель приклеиваем на полиуретановый клей (Akfix 610). К проводу припаиваем разъём GX12. Получается такое:

А теперь собственно причина, зачем был сделан свой корпус подсветки. Потому что комплектный корпус слишком большой:

У него сбоку есть дополнительный выступ, в котором находится плата блока питания от сети. В моём случае он не нужен и размеры можно значительно уменьшить.

Обдув

Берём вентилятор и на тот же полиуретановый клей приклеиваем сопло. Оно требуется чтобы создать быстрый, узкий и направленный поток воздуха, который будет сдувать дым в сторону от объектива. Винтом М4х20 прикручиваем вентилятор к креплению. Провод красиво облагораживаем полиэстровой оплёткой и припаиваем разъём GX12:

Почему был выбран именно этот вентилятор? Потому что среди всей моей обширной коллекции дешёвых радиальных вентиляторов с AliExpress не удалось подобрать ни одного экземпляра, который не имел бы дичайшей вибрации. А вибрация в микроскопе — это очень плохо. Он хоть и довольно-таки массивный, однако и увеличение имеет приличное. Провёл несколько экспериментов и все они показали, что на максимальном приближении изображение начинает дрожать вместе с вентилятором. Что весьма неблагоприятно для зрения. Поэтому из закромов был извлечён купленный когда-то давным-давно оригинальный Sunon с магнитным подшипником. У него тоже конечно присутствует вибрация, однако она настолько ничтожная, что никакого заметного влияния на изображение не оказывает.

Модуль заряда

Модуль заряда требует некоторой доработки. Выпаиваем из него два светодиода, показывающих что заряд идёт (красный) и что заряд закончен (синий). Можно было бы приспособить какие-то световоды, типа кусочка лески, но мне захотелось один светодиод вместо двух и нормального цвета (терпеть не могу синий). Светодиоды на плате соединены анодами, поэтому требуется двухцветный светодиод с общим анодом. Сдуваем феном штатные светодиоды, припаиваем короткие провода и двухцветный светодиод. Получаем такое:

Модуль индикации разряда

Аккумуляторное питание без индикации текущего уровня разряда права на существование не имеет — такое моё мнение. Ничто не раздражает больше, чем внезапно выключившийся прибор или инструмент, в котором нет никакой возможности узнать, насколько сейчас разряжен аккумулятор. Поэтому индикация должна быть обязательно.

И здесь хочу ещё раз выразить благодарность автору статьи "Простой самодельный индикатор уровня заряда аккумулятора". Сделал на её основе свою реализацию под двухцветный светодиод с общим катодом. Что получилось:

Проект с платой, исходники прошивки.

Индикация:

• Напряжение >= 3.9 В — постоянно светится зелёный светодиод;
• Напряжение >= 3.7 В — мигает зелёный;
• Напряжение >= 3.5 В — постоянно светится красный;
• Напряжение < 3.5 В — мигает красный;

За счёт использования контроллера ATTiny13V модуль остаётся работоспособным вплоть до напряжения 1.8 В. Настолько сильно разряженный аккумулятор уже вряд ли можно будет спасти, зато хотя бы видно что модуль работает и проблема в аккумуляторе.

Возможно, возникнет закономерный вопрос — почему применены разные двухцветные светодиоды, одни с общим анодом, другие с общим катодом? Всё просто: они покупались в разное время под разные цели. Сначала были заказаны платы индикации разряда и нужные детали. А уже потом, позже, появилась мысль провернуть аналогичный фокус с платой заряда. И там оказался общий анод. Пришлось заказывать и ждать ещё и такие светодиоды.

Блок управления

Схема блока управления:

Собираем всё это в корпус, подстроечным резистором настраиваем напряжение 12 В для питания обдува и подсветки:

Модуль зарядки приклеен эпоксидной смолой, модуль повышения напряжения — на толстый двухсторонний скотч. Габариты корпуса: 100х80х26 мм.

Общий вид

Не знаю, для чего по задумке создателей микроскопа предназначены эти блестящие винты с накаткой, но они очень помогли — на них оказалось очень удобно закрепить блок управления и обдув:

С правой стороны находятся: светодиод индикации уровня разряда аккумулятора, кнопка его активации, светодиод модуля зарядки аккумулятора и порт USB Type-C.

С левой стороны находятся: жёлтая кнопка включения обдува и ручка включения/регулировки яркости подсветки. На верхней стенке располагается общий выключатель питания. Он добавлен для удобства, чтобы можно было обесточить всё разом и чтобы не требовалось каждый раз заново подстраивать яркость.

Как можно видеть, сопло обдува немного перекрывает подсветку. Однако никакого существенного влияния на плотность и равномерность освещения это не оказывает, сопло даёт не чёткую тень, а полутень. Которая никак не мешает изучать объекты.

Обдув в действии:

Оказалось очень сложно его заснять. Дым довольно прозрачный и трудно подобрать ракурс, с которого не создавалось бы впечатление, словно дым достигает объектива или засасывается в сопло. В реальности же поток создаётся дикий и дым раскидывает куда угодно кроме линзы. Сама зона пайки прямо под объективом при этом не охлаждается. Чего, собственно, и требовалось добиться.

Ложка дёгтя

Естественно, что без проблем и ошибок в проекте не обошлось. Выяснилось, что при включенном обдуве и настройке подсветки на полную мощность суммарный ток потребления от аккумулятора составляет 2.7 А. Это слишком много, просто запредельно. Особенно с учётом того, что согласно маркировке на оригинальном корпусе подсветки она имеет максимальную мощность 4.5 Вт и соответственно никак не должна потреблять более 375 мА при питании от 12 В. В целом, данная проблема существенных неприятностей не доставляет, поскольку максимальная яркость это наверное отлично для биологических образцов, которые нужно просвечивать насквозь, но вредна для плат — появляется слишком много бликов. По факту, удобный рабочий диапазон регулировки — от нуля до примерно 15%. В этом случае общее потребление составляет ~400 мА, из которых ~180 мА уходит на вентилятор. Однако в перспективе всё равно планирую это исправить, добавив в схему драйвер стабилизации тока подсветки.

Заключение

С появлением приставки пользоваться микроскопом стало заметно удобнее. Габариты корпуса подсветки теперь немного меньше. Не требуется больше раскладывать, складывать, распутывать и запинаться об провода. Наличие обдува позволяет не задумываться о регулярной чистке линз. В общем, достигнутым результатом остался доволен. Добавить ещё стабилизацию тока подсветки — и будет вообще красота.

На этом всё, благодарю за внимание! Вопросы и конструктивная критика — приветствуются.