Luce notturna alimentata tramite USB con batteria di backup (due modelli): 3 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Tempo fa, ho scoperto la necessità di una luce notturna a batteria per la mia stanza. L'idea era che non volevo alzarmi dal letto ogni volta che volevo spegnere la luce per andare a letto. Avevo anche bisogno di una luce che non fosse brillante come la luce della mia camera da letto perché passare da molto luminoso a molto scuro non è molto divertente per gli occhi. E per di più, la nostra compagnia elettrica ha avuto un periodo di tempo in cui la nostra energia si spegneva ogni due settimane per diversi minuti alla volta… più volte quella particolare settimana. Il mio pensiero era che se il potere si spegnesse casualmente senza motivo durante l'estate, di tutti i tempi, come sarebbe in inverno?

Ecco alcune delle mie esigenze:

• Primo, bassa potenza. Sto ancora lavorando su questa parte, ma è già abbastanza bassa così com'è.
• Sento che potrei fare di meglio e allo stesso tempo renderlo più economico, che era il secondo obiettivo.
• Ovviamente anche a batteria.
• Luminosità: circa un livello medio-basso; abbastanza luminoso da vedere cos'è tutto. Quanto è luminoso per te, dovrai testarlo. Se è troppo luminoso, sarà un po' duro per i tuoi occhi, specialmente se devi riaccenderlo dopo che è stato spento per un po'!
• Design compatto: volevo che fosse posizionato sul bordo di una scrivania ingombra perché è lì che si trova il mio letto. Non sulla scrivania, accanto ad essa.
• Parti minime a causa dell'elemento precedente nell'elenco e aiuta il terzo elemento.

Ho inventato un design estremamente semplice. Ci ho pensato e sono arrivato a scenari che avrebbero reso il design un po' fastidioso da usare. Ad esempio, se l'alimentazione si è spenta mentre era buio, avrei bisogno di un modo per vedere l'interruttore di alimentazione per accenderlo. Ho preso in considerazione l'utilizzo di un interruttore con un attuatore illuminato e ho messo solo abbastanza corrente attraverso di esso per farlo brillare. Userebbe solo un po' più di energia, ma forse potrebbe essere compensata più avanti nella progettazione. E, in relazione, non aspetterei che fosse completamente buio prima di accenderlo. Lo farei ad un certo punto prima che fosse effettivamente necessario. Inoltre, cosa succede se ho dimenticato di spegnerlo prima di andare a letto? Avevo bisogno di un modo per proteggere la batteria.

Dopo averci pensato ancora un po', sono arrivato a un design di base che avrebbe risolto molto di questo problema. Doveva essere collegato al muro per rilevare se c'è un'interruzione di corrente tramite un circuito a transistor. Ho deciso di usarlo per alimentare invece un relè e il relè avrebbe selezionato tra le batterie e un'altra fonte di alimentazione (in particolare, quella che alimenta il relè) per i LED.

Quando ho parlato di questo progetto a un paio di persone, hanno ammesso di avere paura del buio e qualcosa del genere sarebbe stato utile. Questo mi ha dato la motivazione per continuare a lavorare al progetto. Da allora ho escogitato la versione avanzata che è (principalmente) compatibile con la breadboard, ma sono passato direttamente a metterla su un circuito personalizzato, quindi non ho le istruzioni per l'assemblaggio della breadboard. Se sai come eseguire il breadboard e puoi seguire gli schemi, non dovresti avere problemi a cablarlo.

Forniture:

Se vuoi usare la versione base con cui ho iniziato, usa questo elenco:

1. Una verruca da parete Sacrificial™ (pensa al vecchio caricabatterie del telefono o a uno delle centinaia di blocchi di alimentazione che hai in un cassetto o in una scatola da qualche parte in cui non hai idea di dove vadano)
2. Un relè SPDT tarato alla tensione dell'articolo precedente. Ho usato un vecchio relè HVAC che un tecnico ha sostituito molti anni fa (personalmente non ho riscontrato nulla di sbagliato in esso). I relè HVAC sono un po' scomodi: sono DPST, ma un set di contatti è normalmente aperto e l'altro è normalmente chiuso. Sono anche classificati per 24 VAC e la presa a muro che ho scelto emette 12 VDC.
3. Una barra LED bianca da 12 Volt: ne ho usata una, ma il sito non le vende più. Sei sempre libero di adattarti a ciò che hai o a cui puoi accedere, o persino di progettare il tuo.
4. Un interruttore SPST
5. Una o più batterie. Ho usato due batterie per lanterna da 6 Volt in serie, anche se volevo usare una singola batteria per lanterna da 12 Volt.
6. Un modo per collegare tutto insieme

Se vuoi creare la versione migliorata, usa questo elenco:

1. Una fonte di alimentazione esterna da 5 VDC. Questo progetto è andato direttamente al PCB (ne parleremo più avanti), quindi ho inserito una spina femmina USB di tipo B lì. Puoi tagliare l'estremità di un cavo USB Sacrificial™ e spellare i fili (sono necessari solo il cavo da 5 Volt e GND)
2. Una fonte di alimentazione di riserva, ovvero la batteria
3. Un relè DPDT da 5 Volt. Ho usato questo. È amichevole con il breadboard!
4. Un interruttore DPST
5. Un regolatore di tensione LM7805 (qui)
6. Un condensatore da 0.22uF (opzionale). La scheda tecnica implica che dovrebbe essere di tipo ceramico, ma non dice esplicitamente che dovrebbe essere come per il condensatore di uscita (che non ho aggiunto)
7. Cinque resistori di limitazione della corrente per i LED o (preferibilmente) un bus di resistori. I LED di questo elenco hanno una caduta di tensione di 3,3 V e ho calcolato 85 Ohm come resistenza richiesta. Ho usato un bus resistore con una resistenza di 150 Ohm, trovato qui.
8. Un diodo 1N4004
9. Cinque LED bianchi (3v3 @ 20mA)
10. Un modo per collegare tutto insieme

Se vuoi la versione del circuito stampato, è generalmente lo stesso elenco sopra ma con alcune differenze:

1. Ovviamente il PCB. Il design è attualmente caricato solo su OSH Park e vendono schede in lotti di tre. Puoi ottenere la scheda qui.
2. Ha uno spot per morsettiere ma i fili possono essere saldati direttamente alla scheda. Ho usato questo stile.
3. Una clip per batteria (ho usato una batteria da 9 V)
4. Il connettore USB menzionato prima. Ho scelto il tipo B e non mini o micro B perché quei due sono un po' troppo fragili per i miei gusti.

Passaggio 1: la versione estremamente base

A causa di ciò con cui stavo lavorando in quel momento, ho dovuto affrontare molte sfide. Il relè che avevo è estratto nella prima foto. Mentre quello che mi è venuto in mente non era affatto l'ideale, ha funzionato (seconda foto). Ho convertito il mio scomodo relè DPST in SPDT cortocircuitando due terminali insieme per creare un pin comune. Questa connessione è andata all'interruttore, poi alla barra LED, quindi a massa. Il banco di batterie che ho realizzato: il lato positivo è andato alla connessione NC sul relè. La bobina del relè era collegata all'alimentazione esterna, che avrebbe mantenuto il relè nella sua posizione "acceso". L'alimentazione si collega anche alla connessione NO del relè. Tutti i terreni sono collegati tra loro.

La teoria è che mentre riceve alimentazione esterna, il relè rimane nello stato "on", quindi la connessione NO è chiusa e la connessione NC è aperta. Ciò significa che la connessione comune riceve alimentazione dalla fonte esterna. In caso di interruzione dell'alimentazione, il relè torna allo stato "spento" e la connessione comune inizia a ricevere energia dalle batterie. Qualunque sia la sorgente, l'interruttore controlla l'alimentazione alla barra LED. Il terreno comune tra tutto consente un circuito completo in entrambe le situazioni.

Ho usato connettori per cavi reali sulla maggior parte del circuito in modo da non dover saldare nulla. Per collegare le batterie (hanno terminali a molla), ho usato i puntali Sacrificial™ (clip a coccodrillo con fili attaccati) tagliandone uno a metà e spellando i fili (e i connettori dei fili aggiunti). Quello utilizzato per collegare le due batterie insieme è ancora in un unico pezzo. Tutto è montato su una scatola di spedizione SparkFun rossa.

Non ho foto del prodotto finale, ma se richiesto ne farò qualcuna.

Passaggio 2: la versione avanzata

Sono stato finalmente in grado di ordinare le parti necessarie per realizzare una versione davvero buona del circuito (che avevo già disegnato). Le importanti modifiche apportate a questo design lo hanno progettato per funzionare con un'alimentazione 5V regolata e anche il relè non è costantemente alimentato. Ho dovuto sostituire anche l'interruttore con un tipo DPST. La teoria del funzionamento è solo un po' più complessa.

Guardando la metà della batteria del circuito, diciamo che l'interruttore è spento. Il relè è ancora cablato in modo che il suo stato "spento" provochi il collegamento della batteria al regolatore 5 Volt, quindi l'uscita del regolatore viene reimmessa nel relè (una delle connessioni NC), quindi i LED. L'interruttore è collegato tra la batteria e il relè per interrompere il circuito e impedire il flusso di corrente. Se l'interruttore è acceso, la corrente sarà in grado di fluire attraverso il circuito.

Guardando l'altra metà del circuito, vediamo che l'alimentazione dall'USB viene immediatamente immessa nell'interruttore, quindi nella bobina del relè e in una delle connessioni NO sul relè. Il pin comune di questa connessione è condiviso con la connessione NC precedentemente menzionata, quindi questo è l'insieme dei contatti che effettivamente commutano tra gli alimentatori. L'altro set di contatti serve a proteggere il regolatore di tensione. Se l'interruttore è acceso, il relè si accende e invia l'alimentazione esterna ai LED.

Il diodo è collegato in parallelo (ma al contrario) al relè per ridurre la tensione di ritorno quando il relè passa dalla posizione "acceso" a "spento" in caso di mancanza di alimentazione. Questo serve a proteggere la fonte di alimentazione: ad esempio, un caricatore del telefono USB o una porta USB del PC.

Il condensatore potrebbe essere escluso. La scheda tecnica del regolatore non specifica quanto sia "lontano dal filtro dell'alimentatore", quindi ho pensato di includerlo comunque.

Passaggio 3: la versione PCB

La versione PCB è esattamente la stessa della versione avanzata, ma su un circuito. Tutte le parti sono montate sulla parte superiore della scheda e sono etichettate con i numeri di parte (o altre informazioni importanti) in modo da poter trovare parti di ricambio o sostitutive come richiesto o desiderato. L'ingresso della batteria (isolato dall'ingresso dell'interruttore) ha un ingresso (+) e un ingresso (-). Il lato (+) è etichettato con un (+).

L'ingresso dell'interruttore aveva una sezione A e una sezione B, che sono etichettate con A e B. I due terminali che circondano "A" sono l'ingresso A. Allo stesso modo, i terminali B circondano il "B".

Sono inoltre presenti due fori di montaggio vicino alla presa USB. Non hanno collegamenti elettrici a nulla, nemmeno tra loro.

Le tre foto sono state scattate in momenti diversi. Il primo è il tabellone bianco. Il secondo è un tabellone parzialmente popolato con parti miste. Il terzo è il tabellone completato utilizzando tutte le parti richieste.

Modifica pre-post:

Ho provato ad allegare i file KiCAD (come zip) ma ho ricevuto un errore. Troverò un altro modo per allegare più tardi.