Come ho realizzato la torcia più avanzata di sempre: 10 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

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

Quindi una volta ho guardato una vecchia torcia "militare" da 4.5V con una lampadina normale che raccoglieva polvere a. L'emissione di luce da quella lampadina era piuttosto misera e le batterie non erano ricaricabili, la durata della batteria era inesistente. Ma il suo caso era carino.

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

Quindi mi sono chiesto: "Quante funzionalità voglio incorporare?" e ho detto: "Sì. Tutte".

:)

Volevo: - un'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 dell'impostazione della potenza.

- diodo LED ad alta efficienza possibile che ho trovato - Cree XP-G3 ultra efficiente (187lm/W)

- IC driver LED con la massima efficienza possibile (più del 90%) - i driver LED consumer sono efficienti solo al 60% circa

- Volevo caricarlo tramite USB e con adattatore esterno fino a 40V, così potevo caricarlo ovunque con qualsiasi cosa

- Volevo che fungesse anche da powerbank, così potevo caricare il mio telefono con esso

- Volevo un indicatore dello stato di carica, così potevo vedere quanto succo c'è ancora dentro

- e volevo inserire tutto in quella piccola custodia

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

Sopra c'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 i passaggi di progettazione in questo istruibile.

Speriamo che questo tutorial dia ad alcune persone una prospettiva su cosa si può fare e quanto lavoro ci vuole per farlo e forse anche ispirare alcuni bambini a diventare ingegneri elettrici:)

Passaggio 1: la vecchia torcia elettrica

Questa era una luce economica, che funzionava con una batteria da 4,5 V ed era luminosa come una normale candela.

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

Passaggio 2: sventrare la 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 utilizzare le classiche celle 18650. Quindi ho deciso di utilizzare 18500 celle un po' più corte: Panasonic NCR18500A con circa 2000 mAh ciascuna. Quindi avevo una capacità abbastanza buona di 6Ah in totale

Ciò significava che lo spazio per il PCB era piuttosto piccolo. Ma dicono: "uno potrebbe farcela se ci prova":)

Passaggio 3: lo schema

Così ho realizzato questo schema incredibilmente complesso. Non chiedermi le ore che ho speso per questo:)

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

Il cablaggio di tutti i circuiti integrati non è così difficile come sembra, perché i produttori includono sempre uno schema di cablaggio di base nella scheda tecnica del circuito integrato. Non entrerò nei dettagli qui sullo schema, se sorge qualche domanda, non esitate a chiedere nei commenti.

Lo schema include i seguenti sottocircuiti:

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

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

- Controller di ricarica rapida: questo IC controlla la ricarica tramite il connettore jack DC montato sulla custodia della batteria. Può gestire tensioni di ingresso da 5V a 40V, ha una protezione contro l'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. Lo volevo 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 con la massima efficienza che ho trovato: Cree XP-G3 (187 lm/W) che compensa la bassa potenza di guida. Volevo la massima efficienza possibile e la durata della batteria. Il driver supporta 4 impostazioni di alimentazione impostabili. Ho scelto Off, 1W, 2W e 3W.

- L'interruttore rotante al decodificatore binario - questo perché le uscite di alimentazione del driver LED erano codificate in modo binario e avevo bisogno di convertire l'uscita da un interruttore a un codice binario a 2 bit con IC a doppia porta OR.

- Indicatore dell'indicatore del livello di carica della batteria Ho progettato discretamente con 4 comparatori, riferimento di tensione di precisione e divisori di resistori di precisione. Indicava la capacità residua 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 dei resistori in modo che accendano i LED di conseguenza.

- Funzione powerbank USB e controller di ricarica rapida. Il primo circuito integrato genera un circuito integrato stabile a 5 V dalla tensione della batteria da 2,5 V - 4,2 V. Il secondo IC è una bella aggiunta: è un controller di carica USB. Quando colleghi il telefono alla porta di ricarica, questo IC comunica al telefono e gli dice che cos'è una porta di ricarica intelligente e dice al telefono che può richiedere fino a 1,5 A di corrente di ricarica. Senza questo circuito integrato molti telefoni si caricherebbero 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 ricaricando 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:)

Per montarli su una scheda molto piccola, ho dovuto utilizzare componenti passivi in miniatura di dimensioni 0402: una dimensione del resistore è 1 mm x 0,5 mm o 0,04 per 0,02 pollici. Da qui la loro taglia 0402.

Passaggio 4: il PCB

Quindi, quando lo schema è completo, è il momento 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.

Una piccola conoscenza del posizionamento di particolari componenti è utile. È per lo più ottenuto 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, un PCB Eagle, Kicad, designpark e molti altri sono una soluzione migliore poiché è molto più facile iniziare.

Lavoro con componenti anche disegnati in 3D, il che aiuta molto per la visualizzazione e per la progettazione degli involucri, 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.

Ecco i dati di progettazione PCB inclusi gerber, file schematici più grandi, assemblaggio e distinta base:

Uso JLCPCB per realizzare le mie schede. Il costo di questa tavola è di pochi $ per 5 pezzi (più spese di spedizione) che è un vero affare! Iscriviti per ottenere $ 18 nuovi coupon utente:

È possibile utilizzare il codice coupon "JLCPCBcom" al momento del pagamento per un piccolo sconto.

Passaggio 5: produzione del PCB

I giorni di incisione del PCB a casa sono contati. 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 offrissero PCB quasi gratuitamente.:)

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

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

Passaggio 6: saldatura

Saldare componenti così piccoli non è un compito facile. Ma con un buon saldatore e una buona visione si può fare.

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

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

Passaggio 7: il dissipatore di calore per LED

Avevo bisogno di inserire una massa di alluminio nell'involucro per distribuire il calore dal LED.

Dato che avevo il modello 3D della mia tavola, potevo facilmente modellare il pezzo in 3D e fabbricarlo con il mio router per hobby.

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

Passaggio 8: avvio dell'assemblaggio

Poi è iniziato il montaggio e all'improvviso tutto si è adattato perfettamente.

Sotto il PCB ho registrato il nastro Kapton in modo che la scheda fosse isolata elettricamente dall'alluminio in modo che non potessero verificarsi cortocircuiti.

Passaggio 9: poche ore di crimpatura dei cavi dopo…

La bestia era quasi completa!

Ho crimpato i cavi, montato l'interruttore e il connettore di alimentazione, collegato tutto, montato la lente per il LED e montato le batterie all'interno dei portabatterie, 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.

Passaggio 10: e poi…

Finito!

La torcia era completa! Guarda il video nella parte superiore dell'istruibile 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 scrivetela 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 alle medie, anche io non avevo idea di cosa stessi facendo. Stavo cercando degli 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 tentativi 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 puoi!

Grazie per aver letto il mio istruibile! Si prega di controllare anche le mie altre istruzioni!

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per spoiler su ciò a cui sto attualmente lavorando, dietro le quinte e altri extra!

Secondo classificato nella sfida di progettazione PCB