Lampka nocna zasilana przez USB z podtrzymaniem bateryjnym (dwa projekty): 3 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Jakiś czas temu odkryłem, że do mojego pokoju potrzebna jest lampka nocna na baterie. Pomysł polegał na tym, że nie chciałam wstawać z łóżka za każdym razem, gdy chciałam zgasić światło przed pójściem spać. Potrzebowałam również światła, które nie było tak jasne jak światło w mojej sypialni, ponieważ przejście od naprawdę jasnego do naprawdę ciemnego nie jest zbyt zabawne dla oczu. Co więcej, nasza firma energetyczna miała okres, w którym nasza moc wychodziła co kilka tygodni przez kilka minut na raz… wiele razy w tym konkretnym tygodniu. Pomyślałam, że gdyby zasilanie wyłączyło się przypadkowo bez powodu w lecie, jak by to było zimą?

Oto kilka moich potrzeb:

• Po pierwsze, mała moc. Nadal pracuję nad tą częścią, ale jest już dość niska.
• Czuję, że mógłbym zrobić coś lepiej, jednocześnie obniżając cenę, co było drugim celem.
• Również oczywiście zasilany bateryjnie.
• Jasność - na poziomie średnio-niskim; wystarczająco jasne, aby zobaczyć, co to wszystko. Jak jasne jest to dla ciebie, musisz to przetestować. Jeśli jest zbyt jasny, będzie to trochę trudne dla twoich oczu – zwłaszcza, jeśli będziesz musiał go ponownie włączyć po pewnym czasie!
• Kompaktowa konstrukcja - chciałem, aby leżał na krawędzi zagraconego biurka, ponieważ tak się składa, że znajduje się tam moje łóżko. Nie na biurku - obok niego.
• Minimalne części ze względu na poprzednią pozycję na liście i pomaga trzecią pozycję.

Wymyśliłem projekt Extremely Basic. Pomyślałem o tym i wymyśliłem scenariusze, które sprawią, że projektowanie będzie trochę irytujące w użyciu. Na przykład, jeśli zasilanie zgasło, gdy było ciemno, potrzebuję sposobu, aby zobaczyć przełącznik zasilania, aby go włączyć. Rozważałem użycie przełącznika z podświetlanym aktywatorem i przepuszczenie przez niego prądu wystarczającego do jego świecenia. Zużyłaby tylko trochę więcej mocy, ale może dałoby się to skompensować później w projekcie. I, pokrewne, nie czekałbym, aż będzie zupełnie ciemno, zanim go włączyłem. W pewnym momencie, zanim będzie to rzeczywiście potrzebne. A jeśli zapomniałam go wyłączyć przed pójściem spać? Potrzebowałem sposobu na ochronę baterii.

Po dłuższym namyśle wymyśliłem projekt podstawowy, który rozwiąże wiele z tych problemów. Miał być podłączony do ściany, aby wykryć, czy nie ma przerwy w zasilaniu przez obwód tranzystora. Zdecydowałem się użyć tego do zasilania przekaźnika, a przekaźnik wybierałby między bateriami a innym źródłem zasilania (w szczególności tym zasilającym przekaźnik) dla diod LED.

Kiedy wspomniałem o tym projekcie kilku osobom, przyznali, że boją się ciemności i coś takiego byłoby przydatne. To dało mi motywację do dalszej pracy nad projektem. Od tego czasu wymyśliłem wersję zaawansowaną, która jest (w większości) przyjazna dla płytek prototypowych, ale od razu przeskoczyłem do umieszczenia jej na niestandardowej płytce drukowanej, więc nie mam instrukcji montażu płytek prototypowych. Jeśli wiesz, jak wykonać płytki prototypowe i potrafisz postępować zgodnie ze schematami, nie powinieneś mieć problemu z okablowaniem.

Kieszonkowe dzieci:

Jeśli chcesz korzystać z wersji podstawowej, od której zacząłem, skorzystaj z tej listy:

1. Jedna brodawka ścienna Sacrificial™ (pomyśl o starej ładowarce do telefonu lub jednym z setek bloków zasilających, które masz w szufladzie lub pudełku, gdzie nie masz pojęcia, do czego trafiają)
2. Jeden przekaźnik SPDT o napięciu znamionowym z poprzedniego elementu. Użyłem starego przekaźnika HVAC, który technik wymienił wiele lat temu (osobiście nie znalazłem w nim nic złego). Przekaźniki HVAC są trochę niezręczne: są to DPST, ale jeden zestaw styków jest normalnie otwarty, a drugi normalnie zamknięty. Są również przystosowane do napięcia 24 VAC, a wybrana przeze mnie wtyczka ścienna wypuszcza 12 VDC.
3. Jeden biały pasek LED 12 V: Użyłem jednego z nich, ale strona już ich nie sprzedaje. Zawsze możesz dostosować się do tego, co masz lub możesz uzyskać dostęp, a nawet zaprojektować własne.
4. Jeden przełącznik SPST
5. Jedna lub więcej baterii. Użyłem dwóch 6 woltowych baterii do latarek szeregowo, chociaż chciałem użyć jednej 12 woltowej baterii do latarek.
6. Jakiś sposób na połączenie tego wszystkiego razem

Jeśli chcesz stworzyć ulepszoną wersję, skorzystaj z tej listy:

1. Jedno zewnętrzne źródło zasilania 5 VDC. Ten projekt trafił prosto na płytkę drukowaną (więcej o tym później), więc włożyłem tam żeński wtyk USB typu B. Możesz odciąć koniec kabla Sacrificial™ USB i zdjąć przewody (potrzebujesz tylko przewodu 5 V i GND)
2. Jedno zapasowe źródło zasilania, czyli bateria
3. Jeden przekaźnik DPDT o napięciu znamionowym 5 V. Użyłem tego. Jest przyjazny dla płytki prototypowej!
4. Jeden przełącznik DPST
5. Jeden regulator napięcia LM7805 (tutaj)
6. Jeden kondensator 0,22uF (opcjonalnie). Arkusz danych sugeruje, że powinien to być typ ceramiczny, ale nie mówi wyraźnie, że powinien być taki, jak w przypadku kondensatora wyjściowego (którego nie dodałem)
7. Pięć rezystorów ograniczających prąd dla diod LED lub (najlepiej) szyna rezystorowa. Diody LED z tej listy mają spadek napięcia 3,3 V i obliczyłem 85 omów jako wymaganą rezystancję. Użyłem szyny rezystorowej o rezystancji 150 Ohm, którą można znaleźć tutaj.
8. Jedna dioda 1N4004
9. Pięć białych diod LED (3v3 @ 20mA)
10. Sposób na połączenie tego wszystkiego razem

Jeśli chcesz wersję płytki drukowanej, jest to ogólnie ta sama lista powyżej, ale z pewnymi różnicami:

1. Oczywiście PCB. Projekt jest obecnie przesyłany tylko do OSH Park i sprzedaje deski w partiach po trzy. Tablicę dostaniesz tutaj.
2. Posiada miejsce na listwy zaciskowe, ale przewody można przylutować bezpośrednio do płytki. Użyłem tego stylu.
3. Jeden klips do baterii (użyłem baterii 9V)
4. Wspomniane wcześniej złącze USB. Wybrałem typ B, a nie mini lub micro B, ponieważ te dwa są trochę zbyt delikatne jak na mój gust.

Krok 1: Niezwykle podstawowa wersja

Ze względu na to, nad czym wtedy pracowałem, musiałem stawić czoła wielu wyzwaniom. Przekaźnik, który miałem, jest wyciągnięty na pierwszym zdjęciu. Chociaż to, co wymyśliłem, w żadnym wypadku nie było idealne, zadziałało (druga fotka). Przekonwertowałem mój niezręczny przekaźnik DPST na SPDT, zwierając ze sobą dwa zaciski, aby utworzyć wspólny pin. To połączenie poszło do przełącznika, następnie do listwy LED, a następnie do masy. Bateria akumulatorów, którą zrobiłem - strona dodatnia poszła na połączenie NC na przekaźniku. Cewka przekaźnika została podłączona do zewnętrznego zasilania, które utrzymywało przekaźnik w pozycji „włączony”. Zasilacz jest również podłączony do złącza NO na przekaźniku. Wszystkie uziemienia są ze sobą połączone.

Teoria jest taka, że podczas pobierania zewnętrznego zasilania przekaźnik pozostaje w stanie „włączonym”, więc połączenie NO jest zamknięte, a połączenie NC jest otwarte. Oznacza to, że wspólne połączenie jest zasilane z zewnętrznego źródła. W przypadku utraty zasilania przekaźnik powraca do stanu wyłączenia i wspólne połączenie zaczyna pobierać energię z akumulatorów. Niezależnie od źródła, przełącznik kontroluje zasilanie paska LED. Wspólna masa między wszystkim pozwala na wykonanie pełnego obwodu w obu sytuacjach.

Użyłem rzeczywistych złączy przewodów na większości obwodów, więc nie musiałbym niczego lutować. Aby podłączyć baterie (mają zaciski sprężynowe), użyłem przewodów pomiarowych Sacrificial™ (zaciski krokodylkowe z dołączonymi przewodami) przecinając jeden na pół i zdejmując przewody (i dodałem złącza przewodów). Ten, który służy do łączenia ze sobą obu akumulatorów, jest nadal w jednym kawałku. Całość zamontowana jest do czerwonego pudełka wysyłkowego SparkFun.

Nie mam zdjęć produktu końcowego, ale na życzenie zrobię kilka zdjęć.

Krok 2: Wersja zaawansowana

W końcu udało mi się zamówić części potrzebne do wykonania naprawdę dobrej wersji obwodu (którą już narysowałem). Ważnymi zmianami wprowadzonymi w tym projekcie było zaprojektowanie go do pracy z regulowanym zasilaniem 5V, a także z przekaźnikiem, który nie jest stale zasilany. Musiałem też zamienić przełącznik na typ DPST. Teoria działania jest tylko odrobinę bardziej złożona.

Patrząc na akumulatorową połowę obwodu, powiedzmy, że przełącznik jest wyłączony. Przekaźnik nadal jest okablowany tak, że jego stan „wyłączony” powoduje podłączenie akumulatora do regulatora 5 V, następnie wyjście regulatora jest podawane z powrotem do przekaźnika (jedno z połączeń NC), następnie diody LED. Przełącznik jest podłączony między akumulatorem a przekaźnikiem, aby przerwać obwód i uniemożliwić przepływ prądu. Jeśli przełącznik jest włączony, prąd będzie mógł płynąć przez obwód.

Patrząc na drugą połowę obwodu widzimy, że zasilanie z USB jest od razu podawane do wyłącznika, następnie cewki przekaźnika i jednego z połączeń NO na przekaźniku. Wspólny pin tego połączenia jest współdzielony ze wspomnianym wcześniej połączeniem NC, a więc jest to zestaw styków faktycznie przełączających między zasilaczami. Drugi zestaw styków służy do ochrony regulatora napięcia. Jeśli przełącznik jest włączony, przekaźnik włącza się i wysyła zewnętrzne zasilanie do diod LED.

Dioda jest podłączona równolegle (ale odwrotnie) do przekaźnika, aby zmniejszyć napięcie wsteczne, gdy przekaźnik przełącza się z pozycji „włączony” na „wyłączony” po utracie zasilania. Ma to na celu ochronę źródła zasilania, tj. ładowarki USB do telefonu lub portu USB komputera.

Kondensator może być wykluczony. Arkusz danych regulatora nie określa, jak daleko jest „od filtra zasilania”, więc pomyślałem, że równie dobrze mógłbym go uwzględnić.

Krok 3: Wersja PCB

Wersja PCB jest dokładnie taka sama jak wersja zaawansowana, ale na płytce drukowanej. Wszystkie części są zamontowane na górze tablicy i są oznaczone numerami części (lub innymi ważnymi informacjami), dzięki czemu można znaleźć części zamienne lub zastępcze zgodnie z wymaganiami lub potrzebami. Wejście baterii (oddzielone od wejścia przełącznika) ma wejście (+) i wejście (-). Strona (+) jest oznaczona znakiem (+).

Wejście przełącznika miało sekcję A i sekcję B, które są oznaczone literami A i B. Dwa zaciski otaczające „A” to wejście A. Podobnie zaciski B otaczają „B”.

Prezentowane są również dwa otwory montażowe w pobliżu wtyczki USB. Nie mają żadnych połączeń elektrycznych z niczym, nawet ze sobą.

Trzy zdjęcia zostały zrobione w różnym czasie. Pierwsza to pusta tablica. Druga to częściowo zaludniona plansza z mieszanymi częściami. Trzecia to ukończona plansza ze wszystkich wymaganych części.

Edycja przed postem:

Próbowałem dołączyć pliki KiCAD (jako zip), ale wystąpił błąd. Później znajdzie inny sposób na dołączenie.