Lampada di emergenza a LED (per lo più recuperata): 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Questo progetto è stato ispirato dal mio semplice bisogno di evitare di urtare dolorosamente contro gli angoli quando l'elettricità si spegne e sto facendo cose nel mio seminterrato nero come la pece, o in altri luoghi bui.

Dopo una valutazione estesa e saggia di altre soluzioni come:

- rimuovere o arrotondare ogni angolo acuto di tutta la casa, - diventa un gatto, - spendere una somma di denaro irragionevole per installare luci di emergenza commerciali, Sono giunto alla conclusione che, con pochi componenti elettrici recuperati e un paio di moduli economici, avrei potuto realizzare le mie luci di emergenza fai da te.

Dopo alcune iterazioni di progettazione sono anche giunto alla conclusione che non solo avrei potuto spendere una piccola somma di denaro, ma anche che avrei potuto riciclare molti componenti elettrici che altrimenti sarebbero stati cestinati. Con l'unica eccezione del modulo (economico) TP4056, tutto il resto può essere recuperato da altri dispositivi elettronici rotti, quindi puoi investire un po' del tuo tempo e costruire la tua "lampada di emergenza a LED fai-da-te per lo più riciclata".

Passaggio 1: materiali e strumenti

Per questo progetto sono necessari strumenti di saldatura di base e pochi altri strumenti elettronici di base fai-da-te, ho raccolto i miei soliti strumenti in questa pagina. Ho progettato una custodia dedicata per questa lampada, con lo scopo specifico di semplificarne il cablaggio. Non è obbligatorio da usare ma è altamente raccomandato, quindi è meglio avere una stampante 3D. Ho un CR-10 (modificato) ma puoi usare praticamente qualsiasi stampante 3D e qualsiasi filamento poiché è una stampa davvero facile.

Per costruire questa lampada abbiamo bisogno di pochi altri componenti, che possono essere recuperati da altra elettronica o acquistati. Per prima cosa: abbiamo bisogno di una riserva di carica da utilizzare durante il blackout, utilizzeremo una cella agli ioni di litio 18650 e, naturalmente, il suo caricabatterie/controller TP4056. Per controllare il comportamento della lampada abbiamo bisogno di un interruttore a tre vie (on-off-on) e un singolo mosfet a canale p. Ebbene, trattandosi di una lampada "LED" abbiamo ovviamente bisogno di un LED e del suo resistore limitatore di corrente. Aggiungi qualche cavo di riserva, tutto qui.

Aspetta, last but not least: abbiamo bisogno di un alimentatore da parete per tenere sempre pronta la nostra lampada, altrimenti non sarà una lampada di "emergenza". Tenevo molti dei miei vecchi, anzi antichi, adattatori a muro per cellulari in una scatola. Più volte mi sono chiesto come avrei potuto usarli. Troppo pochi volt o troppo pochi ampere per la maggior parte delle applicazioni, ma sono perfetti per questo compito, improvvisamente non sono più spazzatura!

Se non vuoi usare la mia custodia 3D puoi usare una semplice scheda di prototipazione e qualunque cosa ti piaccia come contenitore. Il mio caso è carino perché aiuta il cablaggio, dato che è un vero PCB. È letteralmente un circuito stampato (3D). ^_^

Passaggio 2: Spiegazione del progetto

Se vuoi solo costruire la lampada salta questo passaggio, ma ti consiglio di leggerlo perché qui puoi capire come funziona e quali sono i suoi limiti.

Perché ho scelto questi componenti?

Cella agli ioni di litio 18650: è una cella standard che può essere acquistata o recuperata da batterie inutilizzabili per laptop. Per recuperare queste cellule devi capire come controllarne la sanità mentale e perché non dovresti davvero tenere le cellule cattive vicino a te. Un sacco di tutorial in Internet selvaggio. Se non vuoi investire tempo nella giusta procedura di recupero, acquistalo, meglio prevenire che curare.

Modulo TP4056: si tratta di un modulo comune in grado di gestire una singola cella Li-ion o Li-Poly da 3.6-3.7V. Può controllare la sua carica e scarica. Di solito è combinato con un altro chip, il DW01, che si occupa di altri problemi come cortocircuito, sovratensione, protezione della cella di sottotensione e altre cose. Questo modulo non può essere recuperato o sostituito da qualcos'altro, devi acquistarlo.

Mosfet a canale P: è un transistor speciale, noto anche come interruttore elettronico. Questo potrebbe essere visto come il "trucco" principale di questo progetto, perché questo unico componente può aggiungere la "logica" richiesta nel comportamento della lampada. Può "sentire" il blackout e agire di conseguenza. Questo mosfet può essere acquistato (è davvero economico, dopotutto) o può essere recuperato dall'elettronica dismessa, con un po' di pazienza. Per recuperare i componenti elettrici avrai sicuramente bisogno di qualcosa come il mio tester per componenti elettronici! Ho usato un transistor IRF4905 in un case TO-220. Non è la scelta ottimale ma funziona bene.

Interruttore a tre vie (acceso/spento/acceso): è un semplice interruttore a levetta che imposta la lampada nelle sue tre diverse configurazioni che sono:

1. sempre spento,
2. acceso durante il blackout,
3. sempre acceso.

Può essere recuperato ma devi essere fortunato, ho trovato molti interruttori simili ma probabilmente sono solo interruttori a due vie (fondamentalmente il 99% di essi).

Alimentazione: qualsiasi dispositivo in grado di fornire almeno 4,5V e 100 mA va bene. Questo dovrebbe davvero essere recuperato!

LED: mentre questo componente può essere facilmente recuperato quasi ovunque, in realtà è difficile trovare un led "abbastanza luminoso". Il LED dovrebbe fornire una quantità minima di luce in tutta la stanza, ma i LED di recupero più comuni non sono altro che indicatori luminosi, con un potere illuminante trascurabile in un'intera stanza. Ho usato led 3W dedicati dedicati proprio per questo motivo. Qual è la potenza massima del led? 5W, ma può essere correttamente alimentato solo per un breve periodo, sarà presto sottodimensionato. E sicuramente non è suggerito a causa del problema di dissipazione del calore. A proposito, 5 W genereranno calore. Se non vuoi sciogliere il caso che hai

Connettore CC: opzionale, ma consigliato. Durante il blackout ho ancora bisogno/voglio uscire dal seminterrato, ripristinare la corrente o altro, e vorrei vedere cosa sto facendo, quindi devo/voglio portare con me la mia lampada di emergenza. Non mi piace scollegare e trasportare anche l'alimentatore, quindi ho aggiunto un piccolo connettore DC per creare una vera luce di emergenza portatile, autonoma. D'altra parte potresti semplicemente usare la porta USB per caricare la lampada, ho solo deciso di non riservare un caricabatterie microUSB per questa lampada.

Magnete: anch'esso opzionale, ma forse utile per illuminare qualcosa di specifico durante il blackout, appoggiando la lampada su un oggetto metallico. Ci sono due slot dedicati nella custodia per magnete rotondo 10x1mm, basta usare una goccia di colla per fissarli.

Resistore limitatore di corrente: obbligatorio per ogni led, tranne se si scelgono i componenti adeguati (come ho fatto io). I led devono essere pilotati controllando la corrente che scorre e non la tensione applicata. Ogni led ha una corrente nominale massima (Id) e il suo colore definisce la sua tensione nominale di giunzione (Vf).

Alcuni produttori potrebbero dire qualcosa di diverso nella loro scheda tecnica, in questo caso seguire la scheda tecnica, ma queste sono le solite Vf per i diversi colori [V]:

• IR - infrarossi 1.3
• rosso: 1.8
• giallo1.9
• verde 2.0
• arancione 2.0
• bianco3.0
• blu 3.5
• UV - ultravioletto 4 – 4.5

Per calcolare il valore corretto del resistore di limitazione della corrente (R) è necessario conoscere la tensione massima dell'alimentatore (Va) e utilizzare questa formula:

R = (Va - Vf) / Id

La tensione di uscita del TP4056 è compresa tra 4.2 e 2.5V, quindi dobbiamo usare 4.2V come Va. Utilizzando i componenti che ho precedentemente collegato abbiamo un led da 3W con una Vf di 3.5V, quindi abbiamo un Id di 0.85A. In questo caso i numeri sono:

R = (4,2 V - 3,5 V) / 0,85 A = 0,82 Ohm

Dovrei aggiungere un resistore da 1Ohm perché in realtà sto cercando di insegnare qualcosa, in realtà è del tutto inutile, anche la resistenza dei fili aiuta. Inoltre, a 0,85A l'abbassamento di tensione della batteria sarà rilevante, quindi in realtà dovremmo usare -diciamo- 3,8-4V come Va. Ciò significa che la resistenza di limitazione è ancora meno richiesta.

Un altro esempio, con lo stesso tipo di led ma da 1W, i numeri sono:

Id = 1 W / 3,5 V = 0,285 A

R = (4,2 V - 3,5 V) / 0,285 A = 2,8 Ohm

Bene, questo è il caso di componenti scelti appositamente con valutazioni definite. Un led generico potrebbe funzionare normalmente considerando 3V, 10mA. Ovviamente non è vero al 100%, ma senza informazioni migliori…

R = (4,2 V - 3 V) / 0,01 A = 120 Ohm

Fortunatamente 120 Ohm è un valore di resistenza standard, se non lo fosse avrei usato il valore standard più grande più vicino.

Il resistore dissipa anche potenza sotto forma di calore e anche la sua potenza nominale dovrebbe essere progettata correttamente. Non preoccuparti, è facile come la determinazione di Ohm.

W = (Va - Vf) * Id

Poiché 0,01 A (10 mA) potrebbe fluire attraverso il resistore da 120 Ohm, potrebbe dissipare 0,012 W di calore.

W = (4,2 V - 3 V) * 0,01 A = 0,012 W

Un comune resistore da ¼W sarà più che sufficiente.

Resistenza di pull down: questa resistenza dovrebbe solo mantenere il mosfet nel suo stato presunto, sopprimendo qualsiasi transitorio o rumore che potrebbe essere raccolto dai cavi e attivare accidentalmente il mosfet. Qualsiasi resistore nella gamma 1K-10K Ohm va bene.

Come funziona?

Ho impiegato parecchie ore per capire il miglior design. Ho cercato di ottimizzare il costo del progetto minimizzando i componenti necessari, cercando di non rinunciare alle funzionalità. Avrei potuto usare un microcontrollore, ci sono modelli base molto economici venduti ovunque. Avrei potuto usare PCB personalizzati, ci sono molti servizi di produzione e consegna di PCB. Ho deciso di non farlo perché avrebbe aumentato notevolmente il costo e la complessità. Inoltre, sarebbe davvero molto difficile recuperare un microcontrollore.

Il TP4056 fa le sue cose, prendendosi cura della batteria e fornendo energia. Il suo pad di uscita è collegato al pin centrale dell'interruttore a levetta, che può essere in tre configurazioni: connesso al pin sinistro, non connesso, connesso al pin destro.

Quando non è collegato a nulla (centrale, posizione off) il comportamento è abbastanza chiaro, il led è spento sia che l'adattatore a muro fornisca alimentazione o meno. Il processo di carica non dipende dall'interruttore, se l'adattatore a muro è collegato la batteria verrà caricata.

Supponiamo che il pin destro sia collegato al terminale positivo del LED. Se attivi l'interruttore per collegare il centro e i pin di destra, bypasserai il mosfet. Il LED sarà acceso finché il TP4056 è in grado di fornire alimentazione.

L'opzione rimanente è quella di attivare l'interruttore per collegare il pin centrale al pin sorgente del mosfet. In questa configurazione il mosfet prende il controllo. Se il suo pin di gate vede la tensione dell'adattatore a muro, non consentirà alla corrente di fluire tra la sorgente e lo scarico e il LED sarà SPENTO. Quando si verifica il blackout, la tensione del caricabatterie scenderà rapidamente a zero. Ora il terminale di gate del mosfet vedrà zero volt e lascerà fluire la corrente, quindi il LED sarà acceso finché il TP4056 può fornire alimentazione.

Non male per un semplice mosfet e un semplice interruttore. ^_^

Passaggio 3: assemblaggio

Lo schema elettrico è allegato, R1 è il resistore di limitazione della corrente, R2 è il resistore di pull down.

Per sfruttare le tracce progettate dal case devi modificare il mosfet come ho fatto io. In pratica bisogna tagliare la parte metallica superiore e appoggiare il perno centrale per farlo entrare nel foro, per utilizzare la traccia sottostante. Non preoccuparti, questo mosfet è classificato per compiti molto più gravosi rispetto a guidare un piccolo LED, non sarà paralizzato a causa dell'area meno dissipante.

Saldare sulla cella 18650 È UN COMPITO DELICATO, assicurati di sapere cosa stai facendo. Non è difficile ma è pericoloso. Fondamentalmente devi usare il saldatore alla massima potenza per il minor tempo possibile, ma per favore dedica qualche minuto a capire un tutorial specifico, ce ne sono molti. Meglio prevenire che curare.

Inoltre, il processo di cablaggio è abbastanza semplice, devi solo seguire lo schema allegato e guardare le foto. Cerca di non fondere la custodia con il saldatore, comunque ho stampato la mia custodia in PLA, che non è tossico se riscaldato. Una volta terminato il cablaggio, utilizzare alcune gocce di colla a caldo per mantenere tutto al sicuro.

Il connettore DC è opzionale, puoi anche utilizzare la porta USB integrata. Salderò un connettore DC perché non voglio riservare/tagliare un cavo micro usb per questa lampada. Devo recuperare i vecchi caricabatterie mobili!

Se si desidera utilizzare la porta USB è possibile utilizzare qualsiasi cavo USB standard da 5 V.

In realtà, puoi anche tagliare il vecchio cavo dell'adattatore a muro e collegare il suo GND e i fili positivi a un terminale micro USB di riserva. Basta tagliare il cavo USB ed esporre il rame dei suoi fili, collegare il cavo GND al pin 5 e collegare il cavo positivo al pin 1 (immagine allegata). Per verificare quale filo è il pin 1 e 5 devi usare un multimetro come tester di continuità. Beh, è fattibile ma non consigliato. Finirai con una presa USB a voltaggio non standard e stai facendo un grande sforzo per fare qualcosa che potrebbe essere molto più semplice con un semplice connettore CC.

Passaggio 4: utilizzo

Collegare il caricabatterie o il cavo USB alla luce di emergenza.

Imposta l'interruttore sulla modalità che preferisci, impostalo su automatico se vuoi che la lampada si comporti come una vera luce di emergenza.

Aspetta il prossimo black out e divertiti come puoi evitare facilmente gli angoli!:)

Guarda il video, mostra come si comporta questa lampada. Se ti piace il progetto, pollice in su e iscriviti per saperne di più.

PS: Questa dovrebbe essere una lampada di EMERGENZA, non dovresti usarla come lampada standard. Il problema è semplice ed è un "guasto" del TP4056. Per farla breve: se si utilizza la lampada in modalità bypass (led sempre acceso) e il caricabatterie è collegato, il processo di carica della batteria non si concluderà correttamente. Probabilmente non finirà affatto. Sì, con la cella al litio questo è un problema, non puoi pompare la carica in una cella per sempre! Questa configurazione non è effettivamente pericolosa, se utilizzata per pochi minuti. Questa lampada non attiverà un'esplosione se dimentichi questo problema e ti trovi in questa situazione. Se hai bisogno di luce da questa lampada per, diciamo, 10 min puoi comunque usarla in questa modalità senza essere in pericolo. Basta non tenere/dimenticare la lampada in questa configurazione o potrebbero accadere cose brutte.