[Stampa 3D] Lanterna portatile ad alta potenza da 30 W: 15 passaggi (con immagini)

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

Se stai leggendo questo, probabilmente hai visto uno di quei video di Youtube che mostrano fonti di luce estremamente potenti fai-da-te con enormi dissipatori di calore e batterie. Probabilmente la chiamano anche "Lanterne", ma ho sempre avuto un concetto diverso di lanterna: qualcosa di portatile e facile da trasportare.

Questo è il motivo per cui sto lavorando a questo progetto da molti mesi ormai, e mi piacerebbe condividere qui il risultato di molte diverse iterazioni di design. Non potente come 100 W, LED raffreddato ad acqua, ma molto più portatile e utilizzabile!

Nota: nel video non è possibile vedere quanto sia potente questa lanterna perché è stata registrata con un telefono. Credimi, è davvero potente.

Quindi basta parlare! Iniziamo questo progetto!

Cosa ci serve?

1. Una stampante 3D (funzionante, se possibile!) (La mia è nella lista dei materiali di consumo, se qualcuno è interessato. Risultati super buoni e prezzo economico)
2. Tutte le forniture nella lista delle forniture
3. Pazienza (ci vorranno circa 12 ore per stampare tutte le parti)
4. Un saldatore (non preoccuparti, sarà una saldatura piuttosto minimale. L'ho progettato per essere accessibile a quasi tutti) [Aggiungerò un collegamento nelle forniture a un cheat, uno decente che lo farà per questo progetto)
5. Un multimetro
6. Conoscenze di base sull'uso di Arduino
7. Conoscenze di elettronica di base (circuiti di base e come utilizzare un multimetro)

Disclaimer:

Lavorare con l'elettronica e con le batterie agli ioni di litio ha sempre un rischio associato. Se non sai cosa stai facendo, impara qualcosa prima di continuare questo tutorial. Non sono responsabile di eventuali danni. E come sempre, se ti piacciono questi progetti e vuoi contribuire, puoi fare una piccola donazione al mio Paypal.me: https://paypal.me/sajunt4. Portarti quei progetti richiede da 3 a 4 volte il prezzo dell'articolo, quindi questo potrebbe aiutarmi a portarti più progetti:)

Forniture

La maggior parte dei componenti è arrivata in grandi confezioni, quindi il prezzo medio della lanterna in realtà non è così alto, ~ 30 €. Puoi riutilizzare la maggior parte per altri progetti (compresi i miei altri progetti in arrivo!)

Link AliExpress in tutto il mondo (SE POSSIBILE SELEZIONA SEMPRE L'OPZIONE DI SPEDIZIONE PI ECONOMICA PER TUTTI I PRODOTTI. TI RISPARMIA UN SACCO DI DENARO):

Componenti (prezzo medio 48€ se hai bisogno di tutti i componenti [dipende dal costo di spedizione]):

1. 3x 10W LED (selezionare White Copper, 10W, quantità 3)
2. 4 batterie Li-io 18650 (selezionare 4 pezzi per un prezzo migliore)
3. 1x 1S BMS MicroUSB - Servirà qualsiasi singolo caricabatterie 18650
4. 1x 2S BMS con funzione di bilanciamento (selezionare 2S Li-ion 15A Balance)
5. 1x rotolo di linguette di saldatura
6. 1x convertitore buck ad alta potenza (sovradimensionato per un utilizzo sicuro a lungo termine)
7. 1x pulsante da 8 mm
8. 3 resistori da 20Kohm (questo è il pacchetto più economico che ho trovato) - Potresti trovarli in un negozio locale per circa qualche centesimo. Qualsiasi resistenza per PULL_DOWN servirà
9. 8x viti M4x6mm (selezionare M4, filettatura completa 6mm)
10. 7x viti M3x14mm (selezionare M3 16mm Full Thread) - Queste sono quelle che ho usato, ma potresti provare una lunghezza più corta se hai qualche posa in giro.
11. 2x viti M5x12mm (selezionare M5 12mm Full Thread) - Queste sono quelle che ho usato, ma potresti provare una lunghezza più corta se hai qualche posa in giro.
12. 1x Arduino Nano (include cavo) - Qualsiasi piccolo Arduino servirà
13. 2x connettore XT-60 (selezionare 5 coppie maschio + femmina)
14. 1x PCB a saldare
15. 1x Micro Voltage Booster 12V (per alimentazione FAN e Arduino)
16. 3x MOSFET IRFZ44N (1 di questi è opzionale, per motivi di efficienza)
17. 1x dissipatore di calore 50x56mm (questa è una confezione da 2x, ma più economica della maggior parte delle altre offerte)
18. 1x VENTOLA 50x50x10mm 12V
19. 1x rotolo di nastro riflettente (ho trovato il mio in un negozio locale, spero che questo sia abbastanza buono)
20. Un po' di carta vetrata, a seconda delle tolleranze della stampante 3D (tutto è progettato per adattarsi, ma non si sa mai) - Ma è meglio acquistarlo in un negozio di ferramenta locale, se puoi)
21. 1x lente di Fresnel (l'unica che ho trovato con un prezzo decente) (opzionale, per focalizzare la luce in un angolo più piccolo)
22. Caricabatteria 2S (selezionare 8.4V 2A) - Qualsiasi caricatore da 8.4V servirà
23. Cavo 2 m x 14 AWG (selezionare 14 AWG 1 M nero + 14 AWG 1 M rosso)
24. Cavo 2 m x 20 AWG (selezionare 20 AWG 1 M nero + 20 AWG 1 M rosso)
25. (Opzionale) Connettori a vite a 3 pin
26. (Opzionale) Connettori a molla a 2 pin
27. Magnete 4x 8x3mm (selezionare la quantità minima disponibile)
28. 1x pasta termica

E, naturalmente, puoi prima controllare l'intero Instructable e decidere se vuoi sopprimere o modificare qualcosa.

E l'elenco di strumenti economici (qualsiasi altro con capacità simili servirà):

1. Stagno per saldatura (selezionare 0,6 mm, 100 g)
2. Saldatore
3. Multimetro
4. Stampante 3D Ender 3 (Al momento in cui scrivo questo Ender 5 (il mio) è così costoso, ma anche Ender 5 è altamente capace)

Passaggio 1: con cosa finirai

Questo è tutto. Una lanterna "abbastanza compatta" ma potente con batteria 2S2P rimovibile (non preoccuparti se non sai cos'è 2S2P, ne parleremo più avanti), obiettivi rimovibili e potenza di uscita configurabile, con circa 1 ora di batteria al massimo dell'acceleratore o 10 ore alla minima potenza, con una singola carica della batteria. E la cosa migliore: è completamente realizzata da te. Probabilmente sai già quanto sia soddisfacente!

Passaggio 2: stampa 3D - Panoramica globale

Troverai tutti i file in Thingiverse:

Cosa devi stampare:

1. MainBody.stl: questa parte contiene i LED, il dissipatore di calore, la ventola, il collimatore di luce e il supporto dell'obiettivo.
2. Handler.stl: è qui che verrà collegato il pulsante Push, il supporto della batteria verrà avvitato e l'elettronica si inserirà. È avvitato in MainBody.stl.
3. BatteryHolder.stl: questa parte serve per il collegamento rapido - staccare la batteria, per renderli facilmente intercambiabili. Contiene due magneti per mantenere la batteria in posizione e il connettore maschio XT-60.
4. Collimator.stl: Questo ha lo scopo di riflettere la luce in un certo angolo contenuto, proprio perché un angolo di luce di 180º è abbastanza inutile per una lanterna. Dovrai coprire tutto l'interno con del nastro riflettente.
5. LedsHolder.stl: una sottile parte 3D che tiene i LED in posizione, in una certa angolazione.
6. HeatsinkSupport_1.stl: pensato per mantenere il dissipatore di calore con una certa pressione sui LED, in modo che possano refrigerare. Avrai bisogno di 2 di loro.
7. HeatsinkSupport_2.stl: come l'altro HeatsinkSupport, ma per l'altro asse. Hai solo bisogno di uno di quelli.
8. LensHolder.stl: Pensato per tenere le lenti in posizione.
9. BatteryBody.stl: il corpo principale della batteria. Si adatta perfettamente a BatteryHolder.stl.
10. BatteryCap.stl: la parte superiore della batteria. Contiene due magneti che tengono in posizione la batteria con i magneti BatteryHolder e il connettore femmina XT-60.

E questo è tutto! Potrebbero sembrare molte parti, ma la maggior parte di esse impiegherà meno di un'ora per la stampa.

Fase 3: Elettronica - Panoramica globale

Ok, quindi ora lavoriamo sul cervello e sui muscoli di questo progetto. Questo è stato progettato per essere fatto da chiunque, anche con 0 conoscenze di elettronica, quindi lascia che ti spieghi tutto per quelle persone con 0 conoscenze. Ma ovviamente, più sai, più facile sarà. Di cosa abbiamo bisogno? Poiché i nostri 3 LED da 12 V saranno collegati in serie, abbiamo bisogno di un alimentatore che fornisca 3*12 V = 36 V. La nostra batteria, tuttavia, eroga solo un massimo di 8,4 V. Come facciamo ad aumentare quella tensione? Semplice: utilizzo di un amplificatore di tensione. Quello selezionato per questo progetto è un amplificatore di tensione regolabile. Collega la batteria ai terminali IN e regola semplicemente il potenziometro incluso fino a ottenere 36V in uscita. Abbastanza semplice!

Ora, la FAN e l'Arduino richiedono più tensione di quella offerta dalla batteria, ma meno di quella fornita dal nostro amplificatore di tensione principale (circa 12 V). Soluzione? Un altro amplificatore di tensione! (Ma questo, micro)

Successivamente, controllo della potenza di uscita + controllo della ventola: per questo utilizzeremo un Arduino Nano e le sue capacità di uscita PWM. (Non sai cos'è il PWM? Qui hai alcune informazioni:) Ma poiché Arduino Nano può gestire solo 5V max e abbiamo bisogno di PWM 36V, useremo un MOSFET. Se non sai come funziona questo componente, non preoccuparti, segui il mio passo dopo passo e tutto funzionerà perfettamente! E infine, input dell'utente: useremo un pulsante da 8 mm collegato al nostro Arduino tramite resistenza di pull up interna per modificare il segnale PWM in uscita.

Questo è tutto:)

Fase 4: Elettronica - Preparazione di tutti i cavi

Tagliare cavi delle seguenti dimensioni:

2 fili sottili da 15 cm (1 rosso, 1 nero) 2 fili sottili da 20 cm (1 rosso, 1 nero) 3 fili sottili da 2,5 cm (1 rosso, 1 nero) 2 fili sottili da 5 cm (qualsiasi colore) 2 fili sottili da 8 cm (qualsiasi colore)

Per ciascuno di questi cavi, sbuccia le punte (circa 5 mm) e presaldale.

Passaggio 5: elettronica - pacco batteria

Prima di tutto, per ciascuna delle 4 batterie, identifica il lato positivo e negativo usando il multimetro (sai, metti il terminale rosso su un lato, nero sull'altro lato, e se il multimetro visualizza un numero positivo, il lato rosso è positivo, nero negativo. Altrimenti, se il multimetro visualizza un numero negativo, il nero è positivo, il rosso è negativo). (Vedi foto 2 e 3)

FARE SEMPRE ATTENZIONE QUANDO SI SALDA AD UNA BATTERIA Li-Ion. PROVA A FARLO VELOCEMENTE E A NON RISCALDARE MOLTO LA CELLA O POTRESTI DANNEGGIARLA.

Ora devi caricare completamente tutte le batterie utilizzando qualsiasi caricabatterie 18650. Nel nostro caso, il nostro economico TP4056. Collegare un filo rosso a BAT+ e un filo nero a BAT- (questi fili non sono contemplati nel passaggio precedente). (Vedi foto 4)

Quindi, saldare questi cavi con una piccola punta di stagno in ciascuna delle celle (tutte, ma una per una), dal rosso al positivo, dal nero al negativo. Lasciali caricare fino a quando i LED del caricabatterie non ti dicono che è pieno. Dissaldare i cavi, saldare a quello successivo e ripetere. (Potrebbero essere necessarie alcune ore a seconda di quanto sono scariche. Usa questo tempo per preparare i passaggi successivi e stampare tutto in 3D!)

Ora, con tutte e 4 le batterie completamente cariche, collegheremo 2 per 2 in parallelo e ogni pacco di 2 in parallelo in serie con l'altro.

Come collegarli in parallelo? Vedi terza foto. Vedi come sono collegate le mie batterie? Collega 2 per 2, negativo a negativo, positivo a positivo, con due pezzi di linguette di saldatura. Assicurati con il multimetro che ogni cella abbia esattamente la stessa tensione, per evitare possibili danni alle celle.

E ora, seguendo l'ultima immagine, collega il lato negativo di uno dei 2 pacchi paralleli al lato positivo dell'altro. Solo un lato! L'altro deve essere lasciato libero.

Passaggio 6: Elettronica - Cavi batteria + BMS + Custodia 3D

Per prima cosa, saldare un filo sottile di 9 cm alla piastra metallica che collega le due batterie in serie (figura 1).

Quindi, collegare un filo nero spesso 2 cm al terminale negativo del lato opposto, un filo rosso spesso 2 cm al terminale positivo, come nella seconda immagine.

Seguendo la terza immagine, collegare il cavo spesso rosso al terminale B+ del BMS, il cavo spesso nero al terminale B- e il cavo sottile al terminale centrale del BMS, come nell'immagine.

Ora, ai terminali P+ e P- del BMS, ricollega i fili spessi 2cm e quelli, al + e - del connettore XT-60 (quello maschio, quello che è un foro con all'interno due pin dorati), come in foto 4 Ho usato della colla a caldo per tenere tutto al sicuro e isolato.

È ora di prendere la nostra custodia per stampante 3D e controllare se tutto è a posto. Il connettore XT-60 deve adattarsi all'interno delle guide (forse è necessario carteggiare un po' il connettore per rimuovere i segni + e - estrusi e mantenere il connettore piatto). (Foto 5)

Quando tutto si adatta bene, metti due magneti nel cappuccio della custodia. La polarità non ha importanza. Dovrai solo far corrispondere la polarità opposta nel portabatterie.

Quindi tieni tutto in posizione con del nastro isolante e aggiungi due cavi sottili alle batterie come nelle immagini 9, 10 e 11. Questi ci aiuteranno a rimuovere la batteria quando è collegata al supporto della batteria. Puoi usare qualsiasi cavo o materiale che ti piace. Ho avvolto il mio sulla batteria per evitare di esercitare troppa forza sulla parte 3D.

Infine, inserisci le 4 viti M3 e la batteria è pronta!

I miei connettori XT-60 erano troppo stretti e ho dovuto premere i pin dorati con un paio di pinze in modo che la coppia maschio-femmina scorresse dentro e fuori senza troppa forza

Step 7: Assemblaggio - Batteria + Portabatteria

Questo è un passaggio facile.

Stampa il file BatteryHolder.stl e controlla che la batteria si inserisca facilmente. Altrimenti avrai bisogno di un po' di carteggiatura per levigare le pareti delle tue stampe. (Ma non troppo, devono adattarsi strettamente)

Quindi, inserire i due magneti rivolti verso la polarità opposta della batteria in modo che si attraggano.

Inserisci il connettore femmina XT-60 in posizione (potrebbe aver bisogno anche di un po' di carteggiatura. Deve essere molto stretto), assicurati che la batteria si inserisca facilmente e tienila in posizione con un po' di colla. Meno in profondità metti il connettore, più facile sarà inserire e rimuovere la batteria.

E infine, saldare 2 fili spessi da 6 cm (rosso + nero) e 2 fili sottili da 8 cm (rosso + nero) ai terminali XT-60 come nelle immagini. Rossi in positivo, neri in negativo.

Passaggio 8: Elettronica - Amplificatori di tensione

Con la batteria e il portabatteria in posizione, collegare i 2 fili spessi al grande amplificatore di tensione. Rosso su IN+, Nero su IN-.

Quindi, collegare la batteria all'interno del portabatterie e, con l'aiuto del multimetro, regolare la vite dell'Amplificatore di tensione fino a quando la tensione tra OUT- e OUT+ raggiunge esattamente 35,5V.

Prendi il piccolo amplificatore di tensione e collegalo all'uscita di quello grande. GND al grande OUT-, IN+ al grande OUT+. Quindi misurare la tensione tra VO+ e GND di quello piccolo usando il multimetro. Ruotare la piccola vite fino a quando tale tensione raggiunge circa 12V.

Questo è tutto! Hai i tuoi booster pronti per funzionare!

Passaggio 9: Elettronica - Preparazione di Arduino

Innanzitutto, collega l'Arduino al computer tramite l'USB e spingi lo sketch allegato (LanternCode_8steps_fan_decay.ino).

Quindi, saldare i 4 fili mostrati nell'immagine (circa 6 cm ciascuno):

D11 controllerà l'intensità del LED, D10 controllerà l'intensità del FAN e D5 e GND fungeranno da INPUT per il pulsante.

Se sei curioso, il codice che ho scritto è abbastanza semplice:

Dispone di 8 diversi livelli di potenza, commutabili ciclicamente da minore a maggiore premendo l'interruttore. Se si tiene premuto e si preme per più di 800 ms, quindi si rilascia, la lanterna inizierà a lampeggiare alla potenza attuale.

La ventola inizierà a funzionare a ~1/3 della potenza massima, ma a una velocità proporzionale per renderla meno rumorosa a una potenza inferiore. Dopo averlo spento o ridotto la potenza a meno di ~1/3 (primi 3 livelli di potenza), la ventola potrebbe continuare a funzionare per un po' per mantenere il dissipatore freddo e pronto per il prossimo utilizzo ad alta potenza (stiamo usando un abbastanza piccolo dissipatore di calore per l'alimentazione, quindi può diventare piuttosto caldo)

Passaggio 10: Elettronica - Scheda di distribuzione dell'alimentazione a saldare

Innanzitutto, posiziona tutti i componenti come nella prima immagine. Dovrai piegare le gambe MOSFET. È importante che lo spesso corpo nero del MOSFET guardi verso l'alto e che sia tutto piccolo.

Ora, taglia il PCB in più con un coltello, il più regolato possibile. Segnalo con il coltello e piegalo delicatamente finché non si rompe attraverso il segno.

Controlla che tutto sia di nuovo a posto e preparati a saldare la scheda come nella terza immagine. Lo schema elettrico effettivo è nella quarta immagine, nel caso non fosse abbastanza chiaro.

È importante saldare i resistori mostrati tra le gambe sinistra e destra dei MOSFET. Ho usato due resistori da 20Kohm, ma potresti usare qualsiasi valore vicino.

SUGGERIMENTO: se metti la tavola in una certa angolazione è più facile che lo stagno segua quell'angolo (usa la gravità a tuo favore)

Step 11: Assemblaggio - Costruire il focus

Per prima cosa, stampa il Collimator.stl e gli interni con nastro riflettente. In realtà non c'è un buon modo per farlo. Basta tagliare il nastro in piccoli pezzi per coprire tutto.

Quindi, stampa il LedsHolder.stl e metti i LED sopra, saldamente. Saldare i cavi come da schema per collegarli tutti in serie e lasciare saldare 2 fili da 30 cm in uno dei LED. Coprire i terminali con nastro adesivo per evitare un cortocircuito nel dissipatore di calore.

Stampa e collega HeatsinkHolder_2.stl al dissipatore. Dovrebbe adattarsi perfettamente.

Applicare pasta termica ai LED e spingerli verso il dissipatore di calore, facendo passare i cavi attraverso il foro dell'HeatsinkHolder_2.

Attacca gli altri due HeatsinkHolder_1 al dissipatore di calore e avvita tutti i pezzi insieme con 4 viti M3.

Stampa MainBody.stl e fissa la ventola sul fondo usando le viti M3, come mostrato nella foto 7.

Tirare i fili FAN + LED attraverso il foro più grande del MainBody e inserire la messa a fuoco all'interno del corpo, come nell'ultima immagine.

Fase 12: Assemblaggio - Costruire il gestore

Stampare il file Handler.stl e preparare la vite 1xM3 e le viti 2xM5.

Quindi, inserire il pulsante nel suo foro.

Questo è tutto per questo passaggio. Semplicemente, sì?

Passaggio 13: Elettronica - Finitura

Saldare un altro filo spesso da 5 cm all'USCITA del grande amplificatore di tensione, come nella prima immagine.

Quindi, collegare questo cavo al terminale a vite più a destra della scheda di gestione dell'alimentazione come nella seconda foto.

Collegare il filo nero del LED al terminale a vite centrale e il positivo all'OUT+ del grande amplificatore di tensione, come nella foto 3.

Saldare Arduino VIN al grande filo sinistro collegato a Vout del piccolo amplificatore di tensione e Arduino GND al restante filo nero saldato all'XT-60, come nella foto 4.

Collegare il filo rosso FAN al VIN di Arduino (= piccolo booster di tensione Vout, entrambi i cavi insieme al VIN) e il filo nero FAN al terminale a vite più a sinistra della scheda di gestione dell'alimentazione, come nell'immagine 5 (il mio filo rosso della ventola è in realtà nero, mi dispiace ^.^)

Collega Arduino D10 al terminale a molla più a sinistra e D11 al terminale a molla più a destra come nella foto 6.

E infine…

Inserire il BatteryHolder all'interno dell'Handler assicurandosi che nessun cavo rimanga intrappolato e che tutta l'elettronica sia ben posizionata all'interno. Non c'è troppo spazio, ma dovrebbe essere più che sufficiente se tutto è organizzato correttamente. Dovresti registrare ogni saldatura o filo esposto per evitare cortocircuiti.

Saldare i due fili liberi lasciati dell'Arduino al pulsante Handler. Non importa quale cavo a quale terminale del pulsante. Funzionerà comunque.

E questo è tutto! Assicurati che i cavi siano ben inseriti nello spazio rimanente in modo che nessuno tocchi la ventola!

Fase 14: Assemblaggio - Attacco finale

Dovresti avere tutta l'elettronica montata all'interno dell'Handler come nella prima immagine.

Utilizzare il foro sopra il pulsante per avvolgere i cavi senza toccare la ventola.

Metti le 3 viti che tengono insieme il tutto (2x M5, 1x M3) come nella seconda immagine.

Inserisci il supporto dell'obiettivo superiore e attaccaci la lente di Fresnel (il mio non è ancora arrivato. Aggiornerà con un'immagine quando arriva).

Metti le 8 viti M4, 4 in alto, 4 in basso e…

Il progetto è completato! Congratulazioni

Passaggio 15: goditi la tua nuova lanterna super potente

È stato un viaggio davvero lungo verso questo prototipo di lanterna, cercare componenti e modellare tutte le stampe 3D, regolare le tolleranze, ecc.

Quindi, se ti è piaciuto questo progetto, sentiti libero di commentare con i tuoi suggerimenti e commenti

Ci vediamo! =)