Jak jsem vyrobil dosud nejpokročilejší svítilnu: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

Deska plošných spojů je moje slabé místo. Často dostanu jednoduchou myšlenku a rozhodnu se ji realizovat co nejkomplexnější a nejdokonalejší.

Tak jsem se jednou podíval na starou „vojenskou“4,5V baterku s běžnou žárovkou, která sbírala prach a. Světelný výkon z té žárovky byl dost mizerný a baterie se nedaly dobíjet, životnost baterie neexistovala. Ale jeho případ byl pěkný.

A tak jsem se rozhodl dát tomu nové high-tech srdce.

Zeptal jsem se tedy: „Kolik funkcí chci zabudovat?“A řekl jsem: „Ano. Všechny.“

:)

Chtěl jsem:- vynikající životnost baterie, která byla archivována s dobíjecí Li-Ion baterií 3,7 V 6000 mAh (3x NCR18500A). Životnost baterie se pohybuje od 20 hodin do 6 hodin, v závislosti na nastavení napájení.

- LED dioda s nejvyšší možnou účinností, kterou jsem našel - Ultra účinný Cree XP -G3 (187 lm/W)

- nejvyšší možná účinnost IC ovladače LED (více než 90%) - spotřebitelské ovladače LED mají účinnost pouze kolem 60%

- Chtěl jsem jej nabíjet přes USB a pomocí externího adaptéru až do 40 V, abych jej mohl nabíjet kdekoli s čímkoli

- Chtěl jsem, aby to také sloužilo jako powerbank, takže jsem si tím mohl nabít telefon

- Chtěl jsem indikátor stavu nabití, abych viděl, kolik šťávy je uvnitř

- a chtěl jsem do toho malého pouzdra vejít všechno

Potřeboval jsem tedy navrhnout vlastní desku plošných spojů, která by se vešla do jejího pouzdra, a potřeboval jsem na desku vložit vše výše popsané.

Nahoře je video ukazující celý proces návrhu. Neváhejte sledovat, sdílet, lajkovat a odebírat můj youtube kanál:)

Dále popíši kroky návrhu v tomto návodu.

Naštěstí tento návod poskytne některým lidem pohled na to, co je možné udělat a kolik práce to vyžaduje, a možná dokonce inspiruje některé děti, aby se staly elektrotechniky:)

Krok 1: Stará svítilna

Bylo to levné světlo, které vybilo 4,5 V baterii a bylo jasné jako běžná svíčka.

Měl skvělé, ručně ovládané červené a zelené filtry, které byly velmi cool.

Krok 2: Vykuchání svítilny

Všechny části jsem vykuchal a změřil vnitřní rozměry. Potřeboval jsem navrhnout desku, která do ní dokonale zapadne.

Rozhodl jsem se použít 3 lithiové baterie paralelně. Pouzdro bylo příliš malé na to, aby bylo možné použít klasické články 18650. Rozhodl jsem se tedy použít o něco kratší 18500 článků - Panasonic NCR18500A s každým kolem 2000 mAh. Takže jsem měl celkem dobrou kapacitu celkem 6 Ah

To znamenalo, že prostor pro PCB byl poměrně malý. Ale říká se: „člověk by to zvládl, kdyby to zkusil“:)

Krok 3: Schéma

Vytvořil jsem tedy toto neuvěřitelně složité schéma. Neptejte se mě na hodiny, které jsem tomu věnoval:)

Několik dní jsem hledal a vybíral příslušné komponenty, než jsem dospěl k závěru. To znamená procházet stránky výrobců (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices…) pro integrované obvody podle kategorie a vybrat ten, který vyhovuje mým potřebám. A IC musí být k dispozici ke koupi v množství vůně na stránkách jako Farnell, Mouser a Digikey.

Zapojení všech integrovaných obvodů není tak obtížné, jak se zdá, protože výrobci vždy obsahují jeden základní schéma zapojení do datového listu IC. Nebudu se zde schematicky zabývat podrobnostmi, pokud vyvstane jakákoli otázka, neváhejte se zeptat v komentářích.

Schéma zahrnuje následující dílčí obvody:

-Ochrana proti přebití/vybití baterie a nadproudu, která udržuje baterii v bezpečných provozních mezích.

- USB ovladač pomalého nabíjení - slouží k pomalému nabíjení svítilny přes micro USB port. To je přidané pohodlí, ale baterka by se díky této možnosti mohla nabíjet až 12 hodin. Přidal jsem přepínač pro výběr nabíjecího proudu mezi 100 mA (proudový limit USB 1,0), 500 mA (standardní proud USB) a 800 mA (nástěnná nabíječka)

- Ovladač rychlého nabíjení - tento integrovaný obvod ovládá nabíjení pomocí konektoru stejnosměrného konektoru namontovaného na pouzdru baterie. Dokáže zvládnout vstupní napětí od 5V do 40V, má ochranu proti přepólování a dokáže nabít baterii maximálně za několik hodin. Přidal jsem přepínač pro výběr dvou různých nabíjecích proudů v závislosti na omezení zdroje energie. Proud je volitelný mezi 1A a 3A. Tímto způsobem nemůžete přetížit adaptér na stěnu s nižším napájením. Chtěl jsem to univerzální:)

- LED ovladač - zvolil jsem vysoce účinný (90%) LED ovladač, schopný řídit LED s proudem až 1A (kolem 3W). To je docela nízký výkon, ale vybral jsem si LED s nejvyšší účinností, kterou jsem našel - Cree XP -G3 (187 lm/W), která kompenzuje nízký hnací výkon. Chtěl jsem co nejvyšší účinnost a výdrž baterie. Ovladač podporuje 4 nastavitelná nastavení výkonu. Vybral jsem Off, 1W, 2W a 3W.

- Otočný přepínač na binární dekodér - je to proto, že výkonové výstupy ovladačů LED byly binárně kódovány a potřeboval jsem převést výstup z přepínače na 2bitový binární kód s duálním hradlovým obvodem OR.

- Indikátor palivoměru baterie jsem navrhl diskrétně se 4 komparátory, přesným referenčním napětím a přesnými děliči odporu. Udávala zbývající kapacitu na základě napětí baterie. Našel jsem křivku vybíjecího napětí pro podobný bateriový článek a vypočítal děliče odporu, aby odpovídajícím způsobem rozsvítily LED diody.

- Funkce USB powerbank a regulátor rychlého nabíjení. První integrovaný obvod generuje stabilní napětí 5 V z napětí baterie 2,5 V - 4,2 V. Druhý integrovaný obvod je příjemným doplňkem - je to ovladač nabíjení USB. Když připojíte telefon k nabíjecímu portu, tento integrovaný obvod sdělí telefonu a řekne mu, co je to inteligentní nabíjecí port, a řekne telefonu, že může trvat až 1,5 A nabíjecího proudu. Bez tohoto IC by se mnoho telefonů nabíjelo pouze s výchozím proudem USB 500mA. Když je navázáno rychlé nabíjení, rozsvítí se LED dioda, takže můžete vidět, že se telefon rychle nabíjí. Malý přepínač na desce plošných spojů slouží k povolení funkcí powerbanky.

Pokud věříte nebo ne, v tomto schématu je 125 komponent:)

Objednal jsem, abych je umístil na velmi malou desku, musel jsem použít miniaturní pasivní součástky velikosti 0402 - jeden rezistor má velikost 1 mm x 0,5 mm nebo 0,04 x 0,02 palce. Proto jejich velikost 0402.

Krok 4: PCB

Poté, když je schéma kompletní, je čas tvarovat oblast DPS na požadované rozměry a umístit součásti na DPS.

Je to docela dlouhý úkol, ale bude vás to bavit. Je to příjemná a relaxační práce.

Trochu znalostí o umístění jednotlivých komponent přijde vhod. Většinou se získává pomocí knih a tutoriálů a některé přicházejí do praxe. Čím více desek plošných spojů vyrobíte, tím lépe to budete dělat.

Používám Altium Designer, což je profesionální program, a získávám licenci ze své práce. Ale pro fandy jsou Eagle, Kicad, designspark PCB a mnoho dalších lepším řešením, protože je mnohem jednodušší začít.

Pracuji s komponentami také nakreslenými ve 3D, což hodně pomáhá při vizualizaci a při navrhování skříní, protože víte, kde jsou věci a jak jsou vysoké. Nakreslit stopy komponent pomocí 3D těl však vyžaduje 3krát více práce. Ale z dlouhodobého hlediska to stojí za to.

Zde jsou návrhová data DPS včetně Gerberů, větších schematických souborů, montáže a kusovníku:

K výrobě desek používám JLCPCB. Cena této desky je jen pár $ za 5 ks (plus poštovné), což je výhodná nabídka! Zaregistrujte se a získejte 18 nových kupónů pro uživatele:

Při malé slevě můžete při platbě použít kód kupónu „JLCPCBcom“.

Krok 5: Výroba DPS

Dny leptání DPS doma jsou sečteny. Na střední škole jsem před 10 lety leptal PCB doma. Takhle to bylo mnohem levnější. Pak ale neexistovaly žádné čínské společnosti nabízející PCB téměř zdarma.:)

Nyní můžete získat 2vrstvé PCB vyrobené za 2USD + poštovné na stránkách, jako je JLCPCB.com. Je to mnohem pohodlnější a získáte profesionální desky.

Stačí exportovat soubory Gerber (které obsahují informace o měděných vrstvách na desce plošných spojů) a nahrát je na své stránky a počkat několik týdnů, než váš oblíbený pošťák doručí vaše mistrovské dílo.

Krok 6: Pájení

Pájení součástek takto malých není snadný úkol. Ale s dobrou páječkou a dobrým zrakem se to dá zvládnout.

Používám pájecí stanici Ersa Icon, která dělá svou práci velmi dobře.

Pro tento projekt jsem vybral směšně malé komponenty, protože jsem měl velmi málo místa. Jinak bych volil součásti 0603 nebo 0805, které se pájí mnohem snáze.

Krok 7: Chladič pro LED

Potřeboval jsem do skříně vložit nějakou hliníkovou hmotu, abych mohl distribuovat teplo z LED.

Protože jsem měl 3D model své desky, mohl jsem snadno modelovat kus ve 3D a vyrobit jej pomocí svého hobby routeru.

Mohl jsem vystřihnout všechny otvory a výřezy, aby to perfektně sedělo.

Krok 8: Spuštění sestavy

Poté začala montáž a vše najednou perfektně sedělo.

Pod desku plošných spojů jsem přelepil pásku Kapton, takže deska byla elektricky izolována od hliníku, takže nemohlo dojít ke zkratu.

Krok 9: Několik hodin krimpování kabelů později…

Šelma byla téměř úplná!

Zalisoval jsem kabely, namontoval vypínač a napájecí konektor, připojil všechny věci, namontoval čočku pro LED a namontoval baterie do držáků baterií, nalepil termistory pro měření teploty baterie. Nabíjecí integrované obvody udržují baterii v bezpečných mezích. Pokud je teplota příliš nízká nebo příliš vysoká, nabíjecí proud se sníží, aby nedošlo k poškození baterie.

Krok 10: A pak…

Hotovo!

Svítilna byla kompletní! Podívejte se na video v horní části pokynů, abyste ho viděli v akci a jak jasně září!

Jediná věc, kterou je třeba upgradovat, je, že musím nějakým způsobem utěsnit otvor kolem konektorů USB pro prach.

Ale ještě jsem nepřišel na to, jak to udělat správně. Pokud máte nějaký nápad, řekněte to v komentářích.

Takže.. Nyní si myslíte, že jsem profesionál a nejste schopni takovou věc vytvořit. Ale mýlíte se. Když jsem na střední škole začínal s elektronikou, neměl jsem ani ponětí, co dělám. Hledal jsem online schémata a zkoušel jsem je pájet, když jsem ani nevěděl, co je to tranzistor a jak funguje. Samozřejmě většina z nich nefungovala. Prostřednictvím pokusů a omylů jsem byl stále lepší. Přečetl jsem nějaké knihy, šel studovat elektrotechniku a začal vyrábět mnoho desek plošných spojů. S každým jsem se zlepšoval. A vy také!

Děkuji, že jste si přečetli můj návod! Podívejte se prosím také na mé další instrukce!

Můžete mě sledovat na Facebooku a Instagramu

www.instagram.com/jt_makes_it

pro spoilery na tom, na čem právě pracuji, zákulisí a další doplňky!

Runner Up in the PCB Design Challenge