Модернизация светодиодного нажимного фонаря: 9 шагов (с изображениями)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-13 06:58

Этот проект начался из-за того, что в моем шкафу стояла светодиодная подсветка, которая была недостаточно яркой, чтобы я мог хорошо видеть. Я думал, что батарейки просто разряжаются, но когда я их заменил, яркости не стало! Я решил открыть свет, чтобы посмотреть, что происходит внутри, и могу ли я легко добавить еще несколько светодиодов, чтобы сделать его ярче. Но, конечно, цветные светодиоды делают любой проект более увлекательным, поэтому я решил добавить вместо них красный, зеленый и синий светодиоды. Это казалось прекрасной возможностью написать что-нибудь для конкурса «Сделано с математикой» - если вы не знакомы с законом Ома или как рассчитать номинал токоограничивающего резистора для светодиода, эта инструкция покажет вам, как это сделать.

Если у вас есть вопросы, не стесняйтесь оставлять комментарии, и я постараюсь ответить вам!

Запасы

• Нажимной фонарь с батарейным питанием, также называемый шайбой или краном. Доступно на Amazon или в хозяйственных магазинах. Этот проект будет работать как с новыми светодиодными лампами, так и с более старыми лампами накаливания.
• Светодиоды на ваш выбор
• Разные резисторы - значения будут зависеть от того, сколько батареек занимает ваш свет и какие светодиоды вы выберете (это часть этой инструкции!)
• Плоскогубцы
• Набор мини-отверток (иногда требуется, чтобы разобрать свет)
• Паяльник (рекомендуется)
• Мультиметр (рекомендуется)

Шаг 1. Разберите свой свет

Начните с разборки вашего фонаря. Обычно для этого потребуется мини-отвертка, сняв заднюю крышку. Внутри этого мы видим простую схему, состоящую из клемм аккумулятора, кнопки, светодиода и резистора. Схема лампы накаливания будет выглядеть аналогично, но не будет иметь резистора, поэтому вам нужно будет добавить его, если вы переходите на светодиоды.

Шаг 2: решите, какие светодиоды вам нужны, посмотрите характеристики

Есть много разных типов светодиодов, и они бывают разных цветов. Вам нужно будет решить, сколько светодиодов и какого цвета вы хотите использовать. Проще всего, вероятно, добавить параллельно несколько светодиодов одного цвета. Если вы хотите добавить светодиоды последовательно или смешать цвета, вам нужно проделать еще немного математических расчетов - но это то, для чего предназначена эта инструкция! Мы рассмотрим каждый сценарий.

После того, как вы выбрали светодиоды, вам нужно будет посмотреть их прямое падение напряжения и номинальный ток в прямом направлении. Эта информация обычно доступна на веб-сайте, где вы купили светодиоды, или в техническом описании. 5-миллиметровые светодиоды, подобные изображенным выше, очень распространены и обычно рассчитаны на прямой ток 20 мА. Прямое падение напряжения колеблется от 2 до 4 В и зависит от цвета.

Шаг 3: Определите напряжения

Если у вас нет мультиметра, то, как минимум, вам нужно будет определить напряжение аккумуляторного отсека вашего фонаря. Знание напряжения вашей аккумуляторной батареи необходимо для расчета токоограничивающего резистора. Вы можете сделать это, просто посчитав батарейки. Одна щелочная батарея AA (или AAA) обеспечивает около 1,5 В, что немного выше, когда они свежие. Когда вы соединяете батареи последовательно, напряжения складываются. Так что в этом случае с четырьмя свежими батареями АА я должен ожидать чуть более 6 В.

Если у вас есть под рукой мультиметр, не помешает также измерить напряжение. Сделайте это, пока горит светодиод. В этом случае вы можете видеть, что я получаю 6,26 В от аккумуляторной батареи, в то время как у меня падение напряжения на светодиодах составляет 3,26 В, а на резисторе - 2,98 В. Интересно отметить, что я понижаю почти половину своего напряжения на резисторе - это много потраченной впустую мощности! Подробнее об этом позже. Если вам не хочется читать цветовой код, вы также можете измерить сопротивление резистора - делайте это, пока светодиод не горит.

Если вы не знаете, как использовать мультиметр, есть множество хороших руководств, на Instrucables и в других местах. Я сделал это.

Шаг 4: Расчет резистора для одиночного светодиода

Прежде чем идти дальше, давайте объясним, как рассчитать номинал резистора для одного светодиода. Резистор регулируется законом Ома, который гласит, что V = IR, или

Уравнение 1. Напряжение [вольт] = ток [амперы] x сопротивление [Ом]

Напряжение аккумулятора и падение напряжения на светодиоде (приблизительно) постоянны. Итак, в приведенной выше схеме падение напряжения на резисторе равно

Уравнение 2: Vрезистор = Vbatt-VLED

Включение этого в закон Ома для резистора дает нам:

Уравнение 3: Vbatt-VLED = IR

Если у нас есть целевой ток для светодиода - назовите его ILED - тогда мы знаем все в уравнении 3, кроме сопротивления. Мы можем изменить это уравнение, чтобы найти R:

Уравнение 4: R = (Vbatt-VLED) / ILED

Так, например, у нас есть батарейный блок 2xAA (который обеспечивает 3 В), красный светодиод с прямым падением напряжения 1,8 В, и мы хотим, чтобы через светодиод 20 мА. Подставляя числа в уравнение 4, мы получаем:

R = (3 В-1,8 В) / 0,02 А = 60 Ом

Резисторы, как правило, бывают забавных значений - так что велика вероятность, что у вас нет резистора на 60 Ом. Вот где пригодится умение комбинировать резисторы последовательно и параллельно. Однако ничего страшного, если вы не получите ровно 20 мА через светодиод - «достаточно близко», вероятно, подходит для большинства приложений!

Наконец, распространено заблуждение, что резистор должен располагаться перед светодиодом, чтобы снизить напряжение или ограничить ток. На самом деле это не так - оказывается, что резистор можно поставить после светодиода. Посмотрите видео, объясняющее, почему это правда.

Шаг 5: добавление дополнительных светодиодов параллельно

Начнем с простейшего случая: вы просто хотите добавить несколько светодиодов того же цвета параллельно, чтобы сделать ваш свет ярче. Может возникнуть соблазн просто добавить светодиоды параллельно с существующим, сохранив единственный резистор. Это работает, как вы можете видеть на фотографиях выше - все три светодиода светятся - но есть проблема! Ток через единственный резистор на самом деле не меняется, когда вы добавляете больше светодиодов параллельно. Поскольку светодиоды включены параллельно, ток через единственный резистор будет равномерно распределяться между ними. Итак, раньше, когда у меня было 20 мА через один светодиод, теперь я получаю только 20/3 = 6,67 мА через каждый светодиод - и они не будут такими яркими!

Вместо этого, если вы добавите отдельный резистор последовательно с каждым светодиодом, вы получите полную величину тока через каждый светодиод. Обратной стороной является то, что это разряжает вашу батарею в три раза быстрее. В моем случае это не имеет большого значения, потому что свет у меня установлен в шкафу, и я не буду использовать его так часто.

Таким образом, если вы воспользуетесь этим подходом, вы избежите каких-либо математических расчетов - вам просто понадобится еще несколько таких же резисторов. В моем случае у меня есть резистор 100 Ом и белый светодиод - мне просто нужно еще два каждого из них, чтобы получить в общей сложности три светодиода параллельно. (К сожалению, я забыл сфотографировать этот шаг, прежде чем переключился на цветные светодиоды).

Шаг 6. Добавьте несколько светодиодов последовательно

А как насчет последовательного добавления светодиодов? Этот вариант работает, если напряжение аккумуляторной батареи достаточно высокое. Светодиоды вообще не загораются, если напряжение аккумуляторной батареи ниже требуемого прямого падения напряжения. Как и в случае с батареями, при последовательном соединении светодиодов их напряжения складываются. В моем случае у моего белого светодиода падение напряжения составляет 3,4 В, поэтому для подключения двух последовательно потребуется 6,8 В - больше, чем обеспечивает мой аккумулятор. Однако, например, это можно сделать двумя (а то и тремя) красными светодиодами. Если бы каждый красный светодиод имел падение напряжения 2 В, а вам нужен ток 20 мА, это дало бы вам значение резистора R = (6 - 4) / 0,02 = 100 Ом. Сравните это с включением в цепь только одного красного светодиода: R = (6 - 2) / 0,02 = 200 Ом. Добавив второй светодиод последовательно, вы значительно уменьшили размер резистора, но вы по-прежнему потребляете только 20 мА, так что вы не разряжаете аккумулятор быстрее! Вы сделали схему более эффективной, потому что на резисторе рассеивается меньше энергии. Это приводит к другому уравнению - для резистора мощность равна квадрату тока, умноженного на сопротивление, или

P = I ^ 2 * R

Таким образом, 20 мА через резистор 200 Ом рассеивают 80 мВт, тогда как 20 мА через резистор 100 Ом рассеивают только 40 мВт.

(снова извиняюсь, что у меня нет изображения этого примера - я сразу перешел к цветным светодиодам параллельно)

Шаг 7: Смешивание светодиодов разных цветов

Если вы хотите использовать светодиоды разных цветов, у вас есть два варианта:

• Подключите их последовательно - это работает, пока общее падение напряжения на светодиодах меньше напряжения аккумуляторной батареи (см. Предыдущий шаг).
• Подключите их параллельно, каждый со своим собственным резистором - предполагая, что вы хотите, чтобы все светодиоды имели одинаковый ток, чтобы они имели одинаковую яркость, вы просто рассчитываете значение резистора отдельно для каждого светодиода, учитывая его прямое падение напряжения.

Иногда проще сначала создать прототип таких схем на макетной плате (если вы не знаете, как использовать макетную плату, ознакомьтесь с этим руководством). Опять же, у вас может не быть точных значений резисторов, которые вам нужны, поэтому вы можете поиграть с различными комбинациями последовательно / параллельно, чтобы точно настроить яркость. В этом случае у меня есть батарейный блок 4xAA, обеспечивающий около 6 В, а также красный, зеленый и синий светодиоды с падением напряжения около 2 В, 2 В и 3 В соответственно. Это дает мне значение резистора R = (6-2) / 0,02 = 200 Ом для красного и зеленого светодиодов и 150 Ом для синего светодиода. У меня нет этих точных значений, но я могу создать резистор 200 Ом, соединив два резистора 100 Ом последовательно, и я могу подобраться «достаточно близко» к резистору 150 Ом, соединив последовательно резистор 100 Ом и резистор 47 Ом.

Шаг 8: добавление светодиодов последовательно И параллельно

Желаете приключений и хотите сделать эту вещь ДЕЙСТВИТЕЛЬНО яркой? Добавляйте светодиоды последовательно И параллельно! Опять же, помните, что для последовательного добавления светодиодов напряжение вашей батареи должно быть выше суммы падений напряжения светодиодов; а если вы добавите светодиоды параллельно, это разрядит батарею быстрее. Выполните отдельный расчет номинала резистора для каждого набора последовательно включенных светодиодов.

Шаг 9: Соберите все вместе

Создание прототипа на макете с помощью зажимов типа «крокодил» или путем сгибания выводов вместе с плоскогубцами - хороший способ опробовать различные комбинации светодиодов / резисторов, прежде чем вы завершите свой дизайн. Когда все будет готово, спаяйте светодиоды и резисторы вместе, чтобы удержать их на месте, когда вы снова соберете свет. Немного скотча или горячего клея также могут предотвратить их перемещение. Что касается красно-зелено-синих светодиодов, мне пришлось несколько раз разбирать и собирать их, пока я не получил светодиоды, расположенные так, чтобы они давали равномерно рассеянный эффект для всех трех цветов. Конечный продукт здесь, вероятно, не будет очень полезен в моем шкафу, но он определенно выглядит намного круче!

Финалист конкурса Made with Math