Hoe ik de meest geavanceerde zaklamp ooit heb gemaakt: 10 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

PCB-ontwerp is mijn zwakke plek. Ik krijg vaak een simpel idee en besluit het zo complex en perfect mogelijk te realiseren.

Dus ik keek eens naar een oude "militaire" zaklamp van 4,5 V met een gewone lamp die stof aan het verzamelen was. De lichtopbrengst van die lamp was behoorlijk ellendig en de batterijen waren niet oplaadbaar, de levensduur van de batterij was niet aanwezig. Maar zijn zaak was leuk.

Dus besloot ik het een nieuw hightech hart te geven.

Dus ik vroeg mezelf af: "Hoeveel functionaliteiten wil ik inbouwen?" en ik zei: "Ja. Allemaal."

:)

Ik wilde: - een uitstekende batterijduur die werd gearchiveerd met een oplaadbare Li-Ion-batterij van 3.7V 6000mAh (3x NCR18500A). De levensduur van de batterij varieert van 20 uur tot 6 uur, afhankelijk van de energie-instelling.

- hoogst mogelijke efficiëntie LED-diode die ik kon vinden - Ultra efficiënte Cree XP-G3 (187lm/W)

- hoogst mogelijke efficiëntie LED-driver IC (meer dan 90%) - LED-drivers voor consumenten zijn slechts ongeveer 60% efficiënt

- Ik wilde hem opladen via USB en met een externe adapter tot 40V, zodat ik hem overal en met alles kon opladen

- Ik wilde dat hij ook als powerbank zou dienen, zodat ik mijn telefoon ermee kon opladen

- Ik wilde een laadstatusindicator, zodat ik kon zien hoeveel sap er nog in zit

- en ik wilde alles in die kleine koffer passen

Dus ik moest een aangepaste printplaat ontwerpen die in de behuizing zou passen en ik moest alles wat hierboven is beschreven op dat bord passen.

Hierboven is een video te zien die het hele ontwerpproces laat zien. Voel je vrij om te kijken, delen, liken en abonneren op mijn YouTube-kanaal:)

Ik zal de ontwerpstappen in deze instructable verder beschrijven.

Hopelijk geeft dit instructable sommige mensen een idee van wat er kan worden gedaan en hoeveel werk het kost om het te doen en misschien zelfs sommige kinderen inspireren om elektrotechnisch ingenieur te worden:)

Stap 1: De oude zaklamp

Dit was een goedkoop licht, liep op een batterij van 4,5 V en was zo helder als een gewone kaars.

Het had koele, handmatig bediende rode en groene filters die erg cool waren.

Stap 2: De zaklamp uithalen

Ik heb alle onderdelen eruit gehaald en de binnenmaten gemeten. Ik moest het bord ontwerpen dat er perfect in zou passen.

Ik besloot om 3 lithiumbatterijen parallel te gebruiken. De behuizing was te klein om de klassieke 18650-cellen te gebruiken. Dus besloot ik een iets kortere 18500-cellen te gebruiken - Panasonic NCR18500A met elk ongeveer 2000mAh. Dus ik had een redelijk goede capaciteit van 6Ah totaal

Dit betekende dat een ruimte voor de PCB vrij klein was. Maar ze zeggen: "je zou het kunnen als hij het probeerde":)

Stap 3: Het schema

Dus maakte ik dit ongelooflijk complexe schema. Vraag me niet hoeveel uren ik hieraan besteed heb:)

Ik was een aantal dagen aan het zoeken en selecteren van de juiste componenten, voordat ik tot een conclusie kwam. Dit betekent dat ik de sites van de fabrikant (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices…) voor de IC's per categorie moet doorbladeren en er een moet selecteren die aan mijn behoeften voldoet. En de IC moet beschikbaar zijn om geurhoeveelheden te kopen op sites als Farnell, Mouser en Digikey.

Het bedraden van alle IC's is niet zo moeilijk als het lijkt, omdat de fabrikanten altijd één basisbedradingsschema in het IC-gegevensblad opnemen. Ik zal hier niet ingaan op details over het schema, als er vragen zijn, stel ze dan gerust in de comments.

Het schema bevat de volgende subcircuits:

- Batterij overladen/te veel ontladen en overstroombeveiliging die de batterij binnen veilige bedrijfslimieten houdt.

- USB-controller voor langzaam opladen - wordt gebruikt om de zaklamp langzaam op te laden via de micro-USB-poort. Dit is extra gemak, maar de zaklamp kan tot 12 uur opladen via deze optie. Ik heb een schakelaar toegevoegd om de laadstroom te selecteren tussen 100mA (USB 1.0 stroomlimiet), 500mA (standaard USB-stroom) en 800mA (wandoplader)

- Snellaadcontroller - dit IC regelt het opladen via de DC-jackconnector die op de batterijhouder is gemonteerd. Het kan een ingangsspanning van 5V tot 40V aan, heeft een beveiliging tegen omgekeerde polariteit en kan de batterij in maximaal enkele uren opladen. Ik heb een schakelaar toegevoegd om twee verschillende laadstromen te selecteren, afhankelijk van de beperking van de stroombron. De stroom is selecteerbaar tussen 1A en 3A. Op deze manier kunt u een DC-wandadapter met een lager vermogen niet overbelasten. Ik wilde het universeel:)

- LED-driver - Ik heb gekozen voor een LED-driver met een hoog rendement (90%), die de LED kan aansturen met maximaal 1A stroom (ongeveer 3W). Dit is een vrij laag vermogen, maar ik heb gekozen voor LED met de hoogste efficiëntie die ik kon vinden - Cree XP-G3 (187 lm/W), wat het lage aandrijfvermogen goedmaakt. Ik wilde de hoogst mogelijke efficiëntie en levensduur van de batterij. De driver ondersteunt 4 instelbare energie-instellingen. Ik koos voor Uit, 1W, 2W en 3W.

- De roterende schakelaar naar binaire decoder - dit komt omdat de stroomuitgangen van de LED-driver binair gecodeerd waren en ik de output van een schakelaar moest converteren naar een 2-bits binaire code met dubbele OF-poort IC.

- Batterij-brandstofmeterindicator die ik discreet heb ontworpen met 4 comparatoren, nauwkeurige spanningsreferentie en precisieweerstandsverdelers. Het gaf de resterende capaciteit aan op basis van batterijspanning. Ik vond een ontlaadspanningscurve voor een vergelijkbare batterijcel en berekende de weerstandsdelers zodat ze de LED's dienovereenkomstig verlichten.

- USB powerbank-functie en snellaadcontroller. Het eerste IC genereert een stabiel 5V IC uit de 2.5V - 4.2V batterijspanning. Het tweede IC is een leuke toevoeging - het is een USB-laadcontroller. Wanneer u de telefoon aansluit op de oplaadpoort, communiceert dit IC de telefoon en vertelt het wat dit een slimme oplaadpoort is en vertelt het de telefoon dat deze tot 1,5 A laadstroom kan opnemen. Zonder dit IC zouden veel telefoons alleen opladen met de standaard USB-stroom van 500 mA. Wanneer snel opladen is ingesteld, gaat er een LED branden, zodat u kunt zien dat de telefoon snel wordt opgeladen. Een kleine schakelaar op de print wordt gebruikt om de powerbank-functionaliteit in te schakelen.

Als je gelooft of niet, op dit schema zijn er 125 componenten:)

Ik wilde ze op een heel klein bord passen. Ik moest miniatuur passieve componenten van 0402-formaat gebruiken - één weerstandsmaat is 1 mm x 0,5 mm of 0,04 bij 0,02 inch. Vandaar hun maat 0402.

Stap 4: De printplaat

Als het schema klaar is, is het tijd om het PCB-gebied naar de gewenste afmetingen te vormen en de componenten op de PCB te plaatsen.

Dit is een vrij lange taak, maar je zult het met veel plezier doen. Het is leuk en ontspannend werk.

Een beetje kennis over de plaatsing van bepaalde componenten is handig. Het wordt meestal verkregen met boeken en tutorials en sommige komen in de praktijk. Hoe meer PCB's u maakt, hoe beter u wordt.

Ik gebruik Altium Designer, een professioneel programma en ik krijg een licentie van mijn werk. Maar voor een hobbyist zijn een Eagle, Kicad, designspark PCB en vele andere een betere oplossing omdat het veel gemakkelijker is om te beginnen.

Ik werk met componenten die ook in 3D zijn getekend, wat erg helpt bij het visualiseren en ontwerpen van de behuizingen, omdat je weet waar dingen zijn en hoe hoog ze zijn. Maar het tekenen van de componentvoetafdrukken met 3D-body's kost 3 keer zoveel werk. Maar op de lange termijn is het de moeite waard.

Hier zijn de PCB-ontwerpgegevens, inclusief gerbers, grotere schematische bestanden, assemblage en stuklijst:

Ik gebruik JLCPCB voor het maken van mijn boards. De kosten van dit bord zijn slechts een paar $ voor 5 stuks (plus verzendkosten), wat een koopje is! Meld u aan om $ 18 coupons voor nieuwe gebruikers te krijgen:

U kunt couponcode "JLCPCBcom" gebruiken bij het afrekenen voor een kleine korting.

Stap 5: Productie van de PCB

De dagen van het thuis etsen van de print zijn geteld. Op de middelbare school 10 jaar geleden etste ik mijn PCB's thuis. Zo was het een stuk goedkoper. Maar toen waren er nog geen Chinese bedrijven die PCB's bijna gratis aanbood.:)

Nu kunt u 2-laags PCB's krijgen die zijn gemaakt voor 2 usd + verzending op sites zoals JLCPCB.com. Het is veel handiger op deze manier en je krijgt borden van professionele kwaliteit.

Je hoeft alleen maar de gerber-bestanden (die informatie bevatten over koperlagen op de PCB) te exporteren en naar hun site te uploaden en een paar weken te wachten tot je favoriete postbode je meesterwerk aflevert.

Stap 6: Solderen

Het solderen van deze kleine componenten is geen gemakkelijke taak. Maar met een goede soldeerbout en goed zicht kan het.

Ik gebruik Ersa Icon-soldeerstation dat het werk heel goed doet.

Voor dit project heb ik belachelijk kleine componenten gekozen omdat ik erg weinig ruimte had. Anders zou ik kiezen voor 0603 of 0805 componenten die veel makkelijker te solderen zijn.

Stap 7: Het koellichaam voor LED

Ik moest wat aluminiummassa in de behuizing passen om de warmte van de LED te verdelen.

Omdat ik het 3D-model van mijn bord had, kon ik het stuk gemakkelijk in 3D modelleren en met mijn hobbyrouter maken.

Ik zou alle gaten en uitsparingen kunnen uitsnijden om het perfect te passen.

Stap 8: De montage starten

Toen begon de montage en ineens paste alles perfect.

Onder de print heb ik de Kapton tape geplakt zodat de print elektrisch geïsoleerd was van het aluminium zodat er geen kortsluiting kon ontstaan.

Stap 9: Een paar uur later kabel krimpen…

Het beest was bijna compleet!

Ik heb de kabels geplooid, de schakelaar en de stroomconnector gemonteerd, alle dingen aangesloten, de lens voor de LED gemonteerd en de batterijen in de batterijhouders gemonteerd, de thermistoren gelijmd voor het meten van de batterijtemperatuur. De oplaad-IC's houden de batterij binnen de veilige limieten. Als de temperatuur te laag of te hoog is, wordt de laadstroom verlaagd om de batterij niet te beschadigen.

Stap 10: En dan…

Afgewerkt!

De zaklamp was compleet! Bekijk de video bovenaan de instructable om het in actie te zien en hoe helder het schijnt!

Het enige dat moet worden geüpgraded, is dat ik het gat rond de USB-connectoren op de een of andere manier moet afdichten voor stof.

Maar ik heb nog niet bedacht hoe ik het goed moet doen. Als je een idee hebt, vertel het dan in de comments.

Dus.. Nu denk je dat ik een professional ben en je bent niet in staat om zoiets te creëren. Maar je hebt het mis. Toen ik op de middelbare school met elektronica begon, had ik ook geen idee waar ik mee bezig was. Ik was online op zoek naar schema's en ik probeerde ze te solderen toen ik niet eens wist wat een transistor was en hoe het werkte. De meeste werkten natuurlijk niet. Met vallen en opstaan werd ik steeds beter. Ik las wat boeken, ging elektrotechniek studeren en begon veel PCB's te maken. Met elk werd ik beter. En jij ook!

Bedankt voor het lezen van mijn instructable! Controleer ook mijn andere instructables!

Je kunt me volgen op Facebook en Instagram

www.instagram.com/jt_makes_it

voor spoilers over waar ik momenteel aan werk, achter de schermen en andere extra's!

Tweede plaats in de PCB-ontwerpuitdaging