Come ho realizzato la torcia più avanzata di sempre

Il design del PCB è il mio punto debole. Spesso mi viene un'idea e decido di realizzarla nel modo più complesso e perfetto possibile.

Quindi una volta ho guardato una vecchia torcia "militare" da 4, 5 V con lampadina normale che raccoglieva polvere a. La luce emessa da quella lampadina era piuttosto misera e le batterie non erano ricaricabili, la durata della batteria era inesistente. Ma il suo caso è stato carino.

Così ho deciso di dargli un nuovo cuore high-tech.

Quindi mi sono chiesto: "Quante funzionalità voglio integrare?"

e ho detto: "Sì. Tutti."

:)

Volevo:

- eccellente durata della batteria che è stata archiviata con una batteria ricaricabile agli ioni di litio da 3, 7 V 6000 mAh (3x NCR18500A). La durata della batteria varia da 20 ore a 6 ore, a seconda della potenza impostata.

- diodo LED a massima efficienza che ho trovato - Ultra efficiente Cree XP-G3 (187lm / W)

- IC driver LED con la massima efficienza possibile (oltre il 90%) - I driver LED consumer hanno un'efficienza solo del 60% circa

- Volevo caricarlo tramite USB e con adattatore esterno fino a 40 V, in modo da poterlo caricare ovunque con qualsiasi cosa

- Volevo che servisse anche come powerbank, in modo da poter caricare il mio telefono con esso

- Volevo un indicatore dello stato di carica, in modo da poter vedere quanto succo è ancora dentro

- e volevo inserire tutto in quella piccola custodia

Quindi avevo bisogno di progettare un PCB personalizzato che si adattasse al suo involucro e avevo bisogno di adattarsi a tutto quanto descritto sopra su quella scheda.

Sopra è un video che mostra l'intero processo di progettazione. Sentiti libero di guardare, condividere, mettere mi piace e iscriverti al mio canale YouTube :)

Descriverò ulteriormente le fasi di progettazione in questo istruttivo.

Spero che questo istruttore possa dare ad alcune persone una prospettiva su cosa si può fare e su quanto lavoro ci vuole per farlo e forse persino ispirare alcuni bambini a diventare ingegneri elettrici :)

Passaggio 1: The Old Flashlight

Era una luce economica, che scaricava una batteria da 4, 5 V ed era luminosa come una normale candela.

Aveva filtri rossi e verdi freschi, azionati manualmente, che erano molto belli.

Passaggio 2: Attivazione della torcia

Ho sventrato tutte le parti e misurato le dimensioni interne. Avevo bisogno di progettare la scheda che si adattasse perfettamente.

Ho deciso di utilizzare 3 batterie al litio in parallelo. Il case era troppo piccolo per usare le classiche celle 18650. Così ho deciso di utilizzare celle da 18500 un po 'più corte - Panasonic NCR18500A con circa 2000 mAh ciascuna. Quindi ho avuto una capacità abbastanza buona di 6 Ah in totale

Ciò significava che uno spazio per il PCB era piuttosto piccolo. Ma dicono: "si potrebbe riuscire se ci provasse" :)

Passaggio 3: lo schema

Quindi ho realizzato questo schema incredibilmente complesso. Non chiedermi le ore che ho trascorso per questo :)

Stavo cercando e selezionando i componenti appropriati per alcuni giorni, prima di arrivare alla conclusione. Ciò significa esplorare i circuiti integrati dei produttori (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices ...) per categoria e selezionarne uno adatto alle mie esigenze. E l'IC deve essere disponibile per acquistare quantità di odore su siti come Farnell, Mouser e Digikey.

Il cablaggio di tutti i circuiti integrati non è così difficile come sembra, poiché i produttori includono sempre uno schema di cablaggio di base nel foglio dati IC. Non entrerò nei dettagli qui sullo schema, se sorgono domande, sentitevi liberi di chiedere nei commenti.

Lo schema include i seguenti sottocircuiti:

- Protezione da sovraccarico / sovraccarico della batteria e sovracorrente che mantiene la batteria entro limiti operativi sicuri.

- Controller di ricarica lenta USB - utilizzato per caricare lentamente la torcia tramite la porta micro USB. Questa è una maggiore comodità, ma la torcia potrebbe ricaricare fino a 12 ore tramite questa opzione. Ho aggiunto un interruttore per selezionare la corrente di carica tra 100 mA (limite corrente USB 1.0), 500 mA (corrente USB standard) e 800 mA (caricatore a parete)

- Controller di ricarica rapida: questo IC controlla la ricarica tramite il connettore jack CC montato sul vano batteria. Può gestire la tensione di ingresso da 5 V a 40 V, ha una protezione da inversione di polarità e può caricare la batteria in poche ore max. Ho aggiunto un interruttore per selezionare due diverse correnti di carica a seconda della limitazione della fonte di alimentazione. La corrente è selezionabile tra 1A e 3A. In questo modo non è possibile sovraccaricare un adattatore a parete CC con alimentazione inferiore. L'ho voluto universale :)

- Driver LED: ho scelto un driver LED ad alta efficienza (90%), in grado di pilotare il LED fino a 1A di corrente (circa 3W). Questa è una potenza piuttosto bassa, ma ho scelto il LED ad alta efficienza che ho trovato - Cree XP-G3 (187lm / W) che compensa la bassa potenza di guida. Volevo la massima efficienza e durata della batteria. Il driver supporta 4 impostazioni di potenza impostabili. Ho scelto Off, 1W, 2W e 3W.

- L'interruttore rotante in decodificatore binario - questo perché le uscite di potenza del driver LED erano codificate in binario e avevo bisogno di convertire l'uscita da un interruttore in codice binario a 2 bit con doppio CI di gate OR.

- Indicatore indicatore livello carburante batteria progettato in modo discreto con 4 comparatori, riferimento di tensione di precisione e divisori di resistenza di precisione. Indicava la capacità rimanente in base alla tensione della batteria. Ho trovato una curva della tensione di scarica per una cella di batteria simile e ho calcolato i divisori della resistenza in modo che accendessero i LED di conseguenza.

- Funzione powerbank USB e controller di ricarica rapida. Il primo IC genera un IC 5 V stabile dalla tensione della batteria da 2, 5 V - 4, 2 V. Il secondo IC è un'aggiunta gradevole: è un controller di carica USB. Quando si collega il telefono alla porta di ricarica, questo CI comunica al telefono e gli dice che si tratta di una porta di ricarica intelligente e dice al telefono che può richiedere fino a 1, 5 A di corrente di ricarica. Senza questo IC molti telefoni si ricaricherebbero solo con la corrente USB predefinita di 500 mA. Quando viene stabilita la ricarica rapida, si accende un LED in modo da poter vedere che il telefono si sta caricando rapidamente. Un piccolo interruttore sul PCB viene utilizzato per abilitare la funzionalità powerbank.

Se ci credi o no, su questo schema ci sono 125 componenti :)

Ordino di montarli su una scheda molto piccola Ho dovuto usare componenti passivi in ​​miniatura 0402 - una dimensione della resistenza è 1 mm x 0, 5 mm o 0, 04 per 0, 02 pollici. Da qui la loro dimensione 0402.

Passaggio 4: PCB

Quindi, quando lo schema è completo, è tempo di modellare l'area del PCB alle dimensioni desiderate e posizionare i componenti sul PCB.

Questo è un compito piuttosto lungo, ma ti divertirai a farlo. È un lavoro piacevole e rilassante.

Un po 'di conoscenza sui posizionamenti di componenti particolari è utile. Si ottiene principalmente con libri e tutorial e alcuni vengono in pratica. Più PCB farai, meglio diventerai nel farlo.

Uso Altium Designer che è un programma professionale e ottengo una licenza dal mio lavoro. Ma per un hobbista, Eagle o Kicad è una soluzione migliore poiché è molto più facile iniziare.

Lavoro con componenti disegnati anche in 3D, il che aiuta molto nella visualizzazione e nella progettazione dei contenitori, perché sai dove sono le cose e quanto sono alte. Ma disegnare le impronte dei componenti con corpi 3D richiede 3 volte più lavoro. Ma ne vale la pena a lungo termine.

Passaggio 5: produzione del PCB

I giorni di incisione del PCB a casa sono numerati. Al liceo 10 anni fa ero solito incidere i miei PCB a casa. Era molto più economico in quel modo. Ma poi non c'erano aziende cinesi che offrivano PCB quasi gratis. :)

Ora puoi ottenere PCB a 2 strati realizzati per la spedizione 2usd + in siti come JLCPCB.com. È molto più conveniente in questo modo e ottieni schede di livello professionale.

Hai solo bisogno di esportare i file Gerber (che contengono informazioni sugli strati di rame sul PCB) e caricarli sul loro sito e attendere alcune settimane affinché il tuo postino preferito consegni il tuo capolavoro.

Passaggio 6: saldatura

Componenti di saldatura così piccoli non sono un compito facile. Ma con un buon saldatore e una buona visione si può fare.

Uso la stazione di saldatura Ersa Icon che fa molto bene il lavoro.

Per questo progetto ho scelto componenti ridicolmente piccoli perché avevo poco spazio. Altrimenti sceglierei i componenti 0603 o 0805 che sono molto più facili da saldare.

Passaggio 7: il dissipatore di calore per LED

Avevo bisogno di inserire un po 'di massa di alluminio nella custodia per distribuire il calore dal LED.

Da quando ho avuto il modello 3D della mia tavola, ho potuto facilmente modellare il pezzo in 3D e realizzarlo con il mio router per hobby.

Potrei ritagliare tutti i fori e i ritagli per adattarlo perfettamente.

Passaggio 8: avvio dell'assemblaggio

Quindi è iniziato l'assemblaggio e all'improvviso tutto si adatta perfettamente.

Sotto il PCB ho registrato il nastro Kapton in modo che la scheda fosse elettricamente isolata dall'alluminio, in modo da evitare cortocircuiti.

Passaggio 9: Alcune ore di piegatura dei cavi in ​​seguito ...

La bestia era quasi completa!

Ho unito i cavi, ho montato l'interruttore e il connettore di alimentazione, ho collegato tutto, ho montato l'obiettivo per il LED e ho montato le batterie all'interno dei portabatterie, ho incollato i termistori per misurare la temperatura della batteria. I circuiti integrati di ricarica mantengono la batteria entro i limiti di sicurezza. Se la temperatura è troppo bassa o troppo calda, la corrente di carica viene ridotta per non danneggiare la batteria.

Step 10: E poi ...

Finito!


La torcia era completa! Guarda il video in cima all'istruttore per vederlo in azione e quanto brilla!

L'unica cosa che necessita di aggiornamento è che devo in qualche modo sigillare il foro attorno ai connettori USB per la polvere.

Ma non ho ancora capito come farlo correttamente. Se avete qualche idea, ditelo nei commenti.

Quindi .. Ora pensi che io sia un professionista e non sei in grado di creare una cosa del genere. Ma ti sbagli. Quando ho iniziato con l'elettronica nella scuola media, non avevo idea di cosa stessi facendo. Stavo cercando schemi online e ho provato a saldarli quando non sapevo nemmeno cosa fosse un transistor e come funzionasse. Naturalmente la maggior parte di loro non ha funzionato. Attraverso prove ed errori stavo migliorando sempre di più. Ho letto alcuni libri, sono andato a studiare ingegneria elettrica e ho iniziato a realizzare molti PCB. Con ognuno sono migliorato. E anche tu!


Grazie per aver letto il mio istruttore! Per favore, controlla anche i miei altri strumenti!

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