Jak zrobiłem najbardziej zaawansowaną latarkę w historii: 10 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Projektowanie PCB to mój słaby punkt. Często wpadam na prosty pomysł i decyduję się zrealizować go tak kompleksowo i perfekcyjnie, jak to tylko możliwe.

Wyglądałem więc kiedyś na starą "wojskową" latarkę 4,5V ze zwykłą żarówką, która zbierała kurz. Moc światła z tej żarówki była dość nieszczęśliwa, a baterie nie były ładowalne, żywotność baterii nie istniała. Ale jego sprawa była ładna.

Postanowiłem więc nadać mu nowe serce high-tech.

Zadałem sobie więc pytanie: „Ile funkcjonalności chcę wbudować?” i odpowiedziałem: „Tak. Wszystkie”.

:)

Chciałem:- doskonałą żywotność baterii, która została zarchiwizowana z akumulatorem litowo-jonowym 3,7 V 6000 mAh (3x NCR18500A). Żywotność baterii wynosi od 20 godzin do 6 godzin, w zależności od ustawienia mocy.

- dioda LED o najwyższej możliwej wydajności jaką udało mi się znaleźć - Ultra wydajna Cree XP-G3 (187lm/W)

- najwyższa możliwa wydajność LED driver IC (ponad 90%) - konsumenckie sterowniki LED mają tylko około 60% sprawności

- Chciałem go ładować przez USB i za pomocą zewnętrznego zasilacza do 40V, żebym mógł go ładować w dowolnym miejscu

- Chciałem, żeby służył też jako powerbank, żebym mógł nim naładować telefon

- Chciałem mieć wskaźnik stanu naładowania, żebym mógł zobaczyć ile soku jest jeszcze w środku

- a ja chciałem wszystko zmieścić w tej małej walizeczce

Musiałem więc zaprojektować niestandardową płytkę drukowaną, która zmieściłaby się w jego obudowie i musiałem zmieścić wszystko opisane powyżej na tej płytce.

Powyżej film przedstawiający cały proces projektowania. Zapraszam do oglądania, udostępniania, polubienia i subskrybowania mojego kanału na youtube:)

W dalszej części opiszę etapy projektowania w tej instrukcji.

Mam nadzieję, że ta instrukcja da niektórym ludziom perspektywę tego, co można zrobić i ile pracy to wymaga, a może nawet zainspiruje niektóre dzieci do zostania inżynierami elektrykami:)

Krok 1: Stara latarka

Było to tanie światło, zasilane baterią 4,5 V i było jasne jak zwykła świeca.

Miał fajne, ręcznie obsługiwane czerwone i zielone filtry, które były bardzo fajne.

Krok 2: patroszenie latarki

Wypatroszyłem wszystkie części i zmierzyłem wymiary wewnętrzne. Musiałem zaprojektować deskę, która będzie idealnie pasowała.

Zdecydowałem się na równoległe użycie 3 baterii litowych. Obudowa była zbyt mała, aby wykorzystać klasyczne ogniwa 18650. Postanowiłem więc zastosować nieco krótsze ogniwa 18500 - Panasonic NCR18500A o pojemności około 2000mAh każdy. Miałem więc całkiem niezłą pojemność 6 Ah łącznie

Oznaczało to, że miejsce na płytkę drukowaną było raczej małe. Ale mówią: „dałoby się dać, gdyby próbował”:)

Krok 3: Schemat

Stworzyłem więc ten niesamowicie złożony schemat. Nie pytaj mnie o godziny, które na to spędziłem:)

Szukałem i wybierałem odpowiednie komponenty przez kilka dni, zanim zdecydowałem się na zakończenie. Oznacza to przeglądanie stron producentów (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices…) w poszukiwaniu układów scalonych według kategorii i wybór takiego, który odpowiada moim potrzebom. A IC musi być dostępny do kupienia w ilościach zapachowych w witrynach takich jak Farnell, Mouser i Digikey.

Okablowanie wszystkich układów scalonych nie jest tak trudne, jak się wydaje, ponieważ producenci zawsze zawierają jeden podstawowy schemat okablowania w arkuszu danych układu scalonego. Nie będę tu wdawał się w szczegóły schematu, jeśli pojawią się jakieś pytania, śmiało pytajcie w komentarzach.

Schemat zawiera następujące pod-obwody:

- Ochrona akumulatora przed nadmiernym naładowaniem/nadmiernym rozładowaniem i przetężeniem, która utrzymuje akumulator w bezpiecznych granicach operacyjnych.

- Kontroler wolnego ładowania USB - służy do powolnego ładowania latarki przez port micro USB. Jest to dodatkowa wygoda, ale latarka może ładować się do 12 godzin dzięki tej opcji dodałem przełącznik do wyboru prądu ładowania pomiędzy 100mA (ograniczenie prądu USB 1.0), 500mA (standardowy prąd USB) i 800mA (ładowarka ścienna)

- Kontroler szybkiego ładowania - ten układ scalony steruje ładowaniem za pomocą złącza DC jack zamontowanego na obudowie akumulatora. Może obsługiwać napięcie wejściowe od 5V do 40V, posiada zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją i może naładować akumulator w ciągu kilku godzin max. Dodałem przełącznik, aby wybrać dwa różne prądy ładowania w zależności od ograniczenia źródła zasilania. Prąd jest do wyboru pomiędzy 1A i 3A. W ten sposób nie można przeciążyć zasilacza ściennego o niższej mocy. Chciałem, żeby był uniwersalny:)

- Sterownik LED - wybrałem wysokowydajny (90%) sterownik LED, zdolny do zasilania LED prądem do 1A (około 3W). To dość niska moc, ale wybrałem diodę LED o najwyższej wydajności, jaką udało mi się znaleźć - Cree XP-G3 (187lm/W), co nadrabia niską mocą jazdy. Chciałem mieć najwyższą możliwą wydajność i żywotność baterii. Sterownik obsługuje 4 ustawialne ustawienia mocy. Wybrałem Off, 1W, 2W i 3W.

- Przełącznik obrotowy na dekoder binarny - to dlatego, że wyjścia zasilania sterownika LED były kodowane binarnie i musiałem przekonwertować wyjście z przełącznika na 2-bitowy kod binarny z podwójną bramką OR IC.

- Wskaźnik poziomu naładowania akumulatora, który zaprojektowałem dyskretnie z 4 komparatorami, precyzyjnym napięciem odniesienia i precyzyjnymi dzielnikami rezystorowymi. Wskazał pozostałą pojemność na podstawie napięcia akumulatora. Znalazłem krzywą napięcia rozładowania dla podobnego ogniwa akumulatora i obliczyłem dzielniki rezystorowe, aby odpowiednio zaświeciły diody LED.

- Funkcja powerbanku USB i kontroler szybkiego ładowania. Pierwszy układ scalony generuje stabilny układ 5 V z napięcia akumulatora 2,5 V - 4,2 V. Drugi IC to fajny dodatek – to kontroler ładowania USB. Po podłączeniu telefonu do portu ładowania, ten układ scalony komunikuje się z telefonem i mówi mu, co to jest inteligentny port ładowania i mówi telefonowi, że może on pobierać do 1,5 A prądu ładowania. Bez tego układu scalonego wiele telefonów ładowałoby się tylko domyślnym prądem USB wynoszącym 500mA. Po ustanowieniu szybkiego ładowania zapala się dioda LED, dzięki czemu można zobaczyć, że telefon szybko się ładuje. Mały przełącznik na płytce drukowanej służy do włączania funkcji powerbanku.

Wierzysz lub nie, na tym schemacie jest 125 elementów:)

Aby zmieścić je na bardzo małej płytce musiałem użyć miniaturowych elementów pasywnych o rozmiarze 0402 - rozmiar jednego rezystora to 1mm x 0,5mm lub 0,04 na 0,02 cala. Stąd ich rozmiar 0402.

Krok 4: PCB

Następnie, gdy schemat jest gotowy, nadszedł czas na ukształtowanie obszaru PCB do żądanych wymiarów i umieszczenie komponentów na PCB.

To dość długie zadanie, ale zrobienie tego sprawi ci przyjemność. To przyjemna i relaksująca praca.

Przydaje się niewielka wiedza na temat rozmieszczenia poszczególnych komponentów. Uzyskuje się go głównie w książkach i samouczkach, a niektóre przychodzą w praktyce. Im więcej PCB zrobisz, tym lepiej się w tym staniesz.

Korzystam z programu Altium Designer, który jest profesjonalnym programem i dostaję licencję z mojej pracy. Ale dla hobbysty, Eagle, Kicad, designpark PCB i wiele innych są lepszym rozwiązaniem, ponieważ znacznie łatwiej jest zacząć.

Pracuję z komponentami również rysowanymi w 3D, co bardzo pomaga w wizualizacji i projektowaniu obudów, ponieważ wiesz, gdzie są rzeczy i jak są wysoko. Jednak rysowanie podrysów komponentów za pomocą brył 3D wymaga 3 razy więcej pracy. Ale na dłuższą metę warto.

Oto dane projektowe PCB, w tym gerbery, większe pliki schematów, montaż i zestawienie materiałów:

Używam JLCPCB do tworzenia moich płyt. Koszt tej deski to tylko kilka $ za 5szt (plus wysyłka) co jest okazją! Zarejestruj się, aby otrzymać kupony dla nowych użytkowników o wartości 18 USD:

Możesz użyć kodu kuponu „JLCPCBcom” w kasie, aby uzyskać niewielką zniżkę.

Krok 5: Produkcja PCB

Dni wytrawiania PCB w domu są policzone. W liceum 10 lat temu wytrawiałem swoje płytki PCB w domu. W ten sposób było o wiele taniej. Ale wtedy nie było chińskich firm oferujących PCB prawie za darmo.:)

Teraz możesz otrzymać dwuwarstwowe płytki drukowane za 2 usd + wysyłkę na stronach takich jak JLCPCB.com. W ten sposób jest o wiele wygodniej i otrzymujesz profesjonalne tablice.

Wystarczy wyeksportować pliki gerber (zawierające informacje o warstwach miedzi na płytce drukowanej) i przesłać je na ich stronę oraz poczekać kilka tygodni, aż ulubiony listonosz dostarczy Twoje dzieło.

Krok 6: Lutowanie

Lutowanie tak małych elementów nie jest łatwym zadaniem. Ale z dobrą lutownicą i dobrą widocznością da się to zrobić.

Używam stacji lutowniczej Ersa Icon, która bardzo dobrze sobie radzi.

Do tego projektu wybrałem śmiesznie małe elementy, ponieważ miałem bardzo mało miejsca. W przeciwnym razie wybrałbym komponenty 0603 lub 0805, które znacznie łatwiej się lutuje.

Krok 7: Radiator dla LED

Musiałem zmieścić w obudowie trochę masy aluminiowej, aby rozprowadzić ciepło z diody LED.

Ponieważ miałem model 3D mojej płyty, mogłem z łatwością modelować element w 3D i wyprodukować go za pomocą mojego hobbystycznego routera.

Mógłbym wyciąć wszystkie otwory i wycięcia, aby idealnie pasowały.

Krok 8: Rozpoczęcie montażu

Potem zaczął się montaż i nagle wszystko idealnie pasowało.

Pod płytką przykleiłem taśmę Kapton, dzięki czemu płytka była elektrycznie odizolowana od aluminium, więc nie mogło dojść do zwarcia.

Krok 9: Kilka godzin zakuwania kabli później…

Bestia była prawie kompletna!

Zacisnąłem kable, zamontowałem włącznik i złącze zasilania, podłączyłem wszystko, zamontowałem soczewkę pod diodę i zamontowałem baterie wewnątrz uchwytów baterii, przykleiłem termistory do pomiaru temperatury baterii. Układy ładowania utrzymują baterię w bezpiecznych granicach. Jeśli temperatura jest zbyt niska lub zbyt wysoka, prąd ładowania jest redukowany, aby nie uszkodzić akumulatora.

Krok 10: A potem…

Skończone!

Latarka była kompletna! Zobacz wideo na górze instrukcji, aby zobaczyć, jak działa i jak jasno świeci!

Jedyną rzeczą wymagającą aktualizacji jest to, że muszę jakoś uszczelnić otwór wokół złączy USB na kurz.

Ale jeszcze nie wymyśliłem, jak to zrobić poprawnie. Jeśli masz jakiś pomysł, powiedz to w komentarzach.

Więc… teraz myślisz, że jestem profesjonalistą i nie jesteś w stanie stworzyć czegoś takiego. Ale mylisz się. Kiedy zaczynałem z elektroniką w gimnazjum, też nie miałem pojęcia, co robię. Szukałem w internecie schematów i próbowałem je wlutować, kiedy nawet nie wiedziałem, co to jest tranzystor i jak działa. Oczywiście większość z nich nie działała. Metodą prób i błędów stawałem się coraz lepszy. Przeczytałem kilka książek, poszedłem na studia elektrotechniczne i zacząłem robić wiele płytek PCB. Z każdym stawałem się lepszy. Ty też możesz!

Dziękuję za przeczytanie mojej instrukcji! Proszę również sprawdzić moje inne instrukcje!

Możesz śledzić mnie na Facebooku i Instagramie

www.instagram.com/jt_makes_it

za spoilery na temat tego, nad czym obecnie pracuję, za kulisami i inne dodatki!

Drugie miejsce w konkursie PCB Design Challenge