Как я сделал самый совершенный фонарик: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Дизайн печатной платы - мое слабое место. Мне часто приходит простая идея и я решаю воплотить ее в жизнь как можно более сложной и совершенной.

Однажды я посмотрел старый «военный» фонарь на 4,5 В с обычной лампочкой, которая собирала пыль a. Световой поток от этой лампочки был довольно мизерным, батареи не были перезаряжаемыми, время автономной работы отсутствовало. Но его футляр был хорош.

Поэтому я решил придать ему новое высокотехнологичное сердце.

Поэтому я спросил себя: «Сколько функций я хочу встроить?» И ответил: «Да. Все».

:)

Я хотел: - отличное время автономной работы, заархивированное литий-ионным аккумулятором 3,7 В 6000 мАч (3x NCR18500A). Срок службы батареи составляет от 20 до 6 часов, в зависимости от настройки мощности.

- светодиодный диод с максимальной эффективностью, который я смог найти - Ультраэффективный Cree XP-G3 (187 лм / Вт)

- максимально возможная эффективность ИС драйвера светодиодов (более 90%) - потребительские драйверы светодиодов имеют КПД только около 60%

- Я хотел зарядить его через USB и внешний адаптер до 40 В, чтобы я мог заряжать его где угодно, чем угодно

- Я хотел, чтобы он служил также в качестве павербанка, чтобы я мог заряжать свой телефон с его помощью

- Мне нужен индикатор состояния заряда, чтобы я мог видеть, сколько сока все еще внутри

- и я хотел уместить все в этот маленький чемоданчик

Поэтому мне нужно было разработать специальную печатную плату, которая поместилась бы в ее корпус, и мне нужно было разместить на этой плате все, что описано выше.

Выше видео, показывающее весь процесс проектирования. Не стесняйтесь смотреть, делиться, ставить лайки и подписываться на мой канал на YouTube:)

Далее я опишу этапы проектирования в этой инструкции.

Надеюсь, это руководство даст некоторым людям представление о том, что можно сделать и сколько работы потребуется, чтобы это сделать, и, возможно, даже вдохновит некоторых детей стать инженерами-электриками:)

Шаг 1. Старый фонарик

Это был дешевый свет, работающий от батареи на 4,5 В, и он был ярким, как обычная свеча.

У него были крутые красные и зеленые фильтры с ручным управлением, которые были очень крутыми.

Шаг 2: выпотрошить фонарик

Выпотрошил все детали и измерил внутренние размеры. Мне нужно было спроектировать доску, которая идеально подошла бы.

Я решил использовать параллельно 3 литиевые батареи. Корпус был слишком мал для использования классических ячеек 18650. Поэтому я решил использовать 18500 элементов чуть покороче - Panasonic NCR18500A емкостью около 2000 мАч каждая. Так что у меня была довольно хорошая емкость - всего 6 Ач.

Это означало, что места для печатной платы было довольно мало. Но говорят: «можно было бы, если бы он попытался»:)

Шаг 3: Схема

Итак, я сделал эту невероятно сложную схему. Не спрашивайте меня, сколько часов я на это потратил:)

Я искал и выбирал подходящие компоненты в течение нескольких дней, прежде чем пришел к выводу. Это означает просмотр сайтов производителей (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices…) для поиска микросхем по категориям и выбор того, который соответствует моим потребностям. И IC должна быть доступна для покупки в больших количествах на таких сайтах, как Farnell, Mouser и Digikey.

Подключить все микросхемы не так сложно, как кажется, потому что производители всегда включают одну базовую схему подключения в техническое описание микросхемы. Я не буду вдаваться в подробности здесь на схеме, если возникнут какие-либо вопросы, смело задавайте их в комментариях.

Схема включает следующие подсхемы:

- Защита от перезарядки / чрезмерной разрядки и перегрузки по току, которая удерживает батарею в безопасных рабочих пределах.

- USB-контроллер медленной зарядки - используется для медленной зарядки фонарика через порт micro USB. Это дополнительное удобство, но с помощью этой опции фонарик может заряжаться до 12 часов. Я добавил переключатель для выбора тока зарядки между 100 мА (ограничение тока USB 1.0), 500 мА (стандартный ток USB) и 800 мА (настенное зарядное устройство).

- Контроллер быстрой зарядки - эта ИС управляет зарядкой через разъем постоянного тока, установленный на корпусе аккумулятора. Он может работать с входным напряжением от 5 В до 40 В, имеет защиту от обратной полярности и может заряжать аккумулятор максимум за несколько часов. Я добавил переключатель для выбора двух разных зарядных токов в зависимости от ограничения источника питания. Можно выбрать ток от 1А до 3А. Таким образом, вы не сможете перегрузить сетевой адаптер постоянного тока с меньшей мощностью. Хотел универсальный:)

- Драйвер светодиода - я выбрал драйвер светодиода с высоким КПД (90%), способный управлять светодиодом с током до 1 А (около 3 Вт). Это довольно низкая мощность, но я выбрал светодиоды с максимальной эффективностью, какие смог найти - Cree XP-G3 (187 лм / Вт), что компенсирует низкую мощность привода. Я хотел максимально возможную эффективность и время автономной работы. Драйвер поддерживает 4 настраиваемых уровня мощности. Я выбрал Off, 1W, 2W и 3W.

- Вращающийся переключатель на двоичный декодер - это связано с тем, что выходы питания драйвера светодиода были двоично закодированы, и мне нужно было преобразовать выход переключателя в 2-битный двоичный код с двойным логическим элементом ИЛИ.

- Индикатор уровня заряда батареи, созданный мной отдельно, с 4 компараторами, прецизионным опорным напряжением и прецизионными резистивными делителями. Он указал оставшуюся емкость в зависимости от напряжения батареи. Я нашел кривую напряжения разряда для аналогичного элемента батареи и рассчитал резисторные делители, чтобы они соответственно загорались светодиодами.

- Функция USB powerbank и контроллер быстрой зарядки. Первая микросхема генерирует стабильную микросхему 5 В из напряжения батареи 2,5–4,2 В. Вторая микросхема - приятное дополнение - это USB-контроллер заряда. Когда вы подключаете телефон к порту зарядки, эта ИС связывается с телефоном и сообщает ему, что это за интеллектуальный порт зарядки, и сообщает телефону, что он может потреблять до 1,5 А. Без этой микросхемы многие телефоны заряжались бы только током USB по умолчанию 500 мА. Когда установлена быстрая зарядка, загорается светодиод, чтобы вы могли видеть, что телефон быстро заряжается. Маленький переключатель на печатной плате используется для включения функциональности powerbank.

Верите или нет, но на этой схеме 125 компонентов:)

Я хочу установить их на очень маленькую плату, мне пришлось использовать миниатюрные пассивные компоненты размером 0402 - размер одного резистора составляет 1 мм x 0,5 мм или 0,04 на 0,02 дюйма. Отсюда их размер 0402.

Шаг 4: печатная плата

Затем, когда схема будет завершена, пора придать области печатной платы желаемые размеры и разместить компоненты на печатной плате.

Это довольно длительная задача, но она вам понравится. Это приятная и расслабляющая работа.

Немного знаний о размещении отдельных компонентов может пригодиться. В основном это достигается с помощью книг и учебных пособий, а некоторые применяются на практике. Чем больше печатных плат вы сделаете, тем лучше вы станете делать это.

Я использую профессиональную программу Altium Designer и получаю лицензию на работе. Но для увлеченного любителя Eagle, Kicad, designspark PCB и многие другие - лучшее решение, так как с ними намного проще начать работу.

Я работаю с компонентами, также нарисованными в 3D, что очень помогает для визуализации и проектирования корпусов, потому что вы знаете, где находятся предметы и насколько они высоки. Но рисование контуров компонентов с помощью трехмерных тел требует в 3 раза больше работы. Но в конечном итоге оно того стоит.

Вот проектные данные печатной платы, включая герберы, файлы схем большего размера, сборку и спецификацию материалов:

Я использую JLCPCB для изготовления своих плат. Стоимость этой платы составляет всего несколько долларов за 5 штук (плюс доставка), что является выгодной сделкой! Зарегистрируйтесь, чтобы получить купоны для новых пользователей на $ 18:

Вы можете использовать код купона "JLCPCBcom" при оформлении заказа на небольшую скидку.

Шаг 5: Изготовление печатной платы

Дни травления печатной платы в домашних условиях сочтены. В старшей школе 10 лет назад я травил свои печатные платы дома. Так было намного дешевле. Но тогда не было китайских компаний, предлагающих печатные платы почти бесплатно.:)

Теперь вы можете получить двухслойные печатные платы за 2 доллара США + доставка на таких сайтах, как JLCPCB.com. Так удобнее и получаются доски профессионального уровня.

Вам просто нужно экспортировать файлы gerber (которые содержат информацию о слоях меди на печатной плате), загрузить их на их сайт и подождать несколько недель, пока ваш любимый почтальон доставит ваш шедевр.

Шаг 6: пайка

Паять такие маленькие компоненты - задача не из легких. Но с хорошим паяльником и хорошим зрением это можно сделать.

Я использую паяльную станцию Ersa Icon, которая очень хорошо справляется со своей задачей.

Для этого проекта я выбрал смехотворно маленькие компоненты, потому что у меня было очень мало места. В противном случае я бы выбрал компоненты 0603 или 0805, которые гораздо легче паять.

Шаг 7: радиатор для светодиода

Мне нужно было вставить в корпус немного алюминиевой массы, чтобы отводить тепло от светодиода.

Поскольку у меня была 3D-модель моей платы, я мог легко смоделировать ее в 3D и изготовить с помощью роутера для хобби.

Я мог вырезать все отверстия и вырезы, чтобы они идеально подходили к нему.

Шаг 8: Запуск сборки

Потом началась сборка и вдруг все подошло идеально.

Под печатной платой я приклеил каптоновую ленту, чтобы плата была электрически изолирована от алюминия, чтобы не могло произойти короткое замыкание.

Шаг 9: Через несколько часов обжима кабеля…

Зверь был почти готов!

Обжал кабели, смонтировал переключатель и разъем питания, все подключил, установил линзу для светодиода и вставил батарейки в держатели батарей, приклеил термисторы для измерения температуры батарейки. Зарядные микросхемы удерживают аккумулятор в безопасных пределах. Если температура слишком низкая или слишком высокая, ток зарядки снижается, чтобы не повредить аккумулятор.

Шаг 10: А затем…

Законченный!

Фонарик был готов! Посмотрите видео в верхней части инструкции, чтобы увидеть, как это работает и как ярко оно светится!

Единственное, что нужно обновить, так это то, что мне нужно как-то закрыть отверстие вокруг USB-разъемов от пыли.

Но я пока не придумал, как это правильно сделать. Если есть идеи, расскажите в комментариях.

Итак … Теперь вы думаете, что я профессионал, и не умеете создавать такие вещи. Но ты ошибаешься. Когда я начал заниматься электроникой в средней школе, я также не имел представления о том, чем занимаюсь. Я искал в Интернете схемы и пытался их спаять, когда даже не знал, что такое транзистор и как он работает. Конечно, большинство из них не сработало. Путем проб и ошибок мне становилось все лучше и лучше. Я прочитал несколько книг, пошел изучать электротехнику и начал делать много печатных плат. С каждым мне становилось лучше. И вы тоже можете!

Спасибо, что прочитали мою инструкцию! Пожалуйста, также проверьте мои другие инструкции!

Вы можете подписаться на меня в Facebook и Instagram

www.instagram.com/jt_makes_it

за спойлеры о том, над чем я сейчас работаю, за кадром и другие дополнения!

Финалист в конкурсе PCB Design Challenge