USB-schijnwerper: 4 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Dit begon als een praktijk in SMD (surface mount device) solderen op standaard prototype boards, en resulteerde in een zeer heldere compacte USB-aangedreven schijnwerper, ideaal voor camping of noodverlichting.

De meeste moderne LED-lampen bevatten aan de binnenkant SMD LED-chips. Deze chips zijn massaal geproduceerd, zeer goedkoop en beschikbaar voor de hobbyist tegen zeer lage prijzen. Ik kocht 200 van het type 5730 voor 1 EURO. Het 4-cijferige nummer geeft hun grootte aan: 5,7x3,0 mm. Ze hebben elk een vermogen van 0,5 W (~ 140 mA bij 3,5 V), hoewel ze een koellichaam nodig hebben om continu op dat vermogen te werken. Zonder koellichaam moeten ze ofwel met een veel lagere stroom worden gebruikt, of ze kunnen in gepulseerde modus op volle stroom worden gebruikt, bijvoorbeeld in multiplex- of stroboscopische modus.

Deze instructie beschrijft hoe u een schijnwerper met USB-voeding maakt, maar door de lage prijs en het kleine formaat kunnen ze voor veel andere toepassingen worden gebruikt, zoals doe-het-zelf 7-segments displays, sfeerverlichting, kweeklampen, projectoren, tekentafels of andere verlichtingsoplossingen op maat.

Standaard USB-powerbanks leveren 5V 1A, en de grotere kunnen 2A leveren. Het hier gepresenteerde ontwerp is voor 1A, dus het werkt in elke powerbank, maar door het aantal LED's te verdubbelen, kunt u er een maken voor 2A.

Stap 1: Theorie

In tegenstelling tot de ouderwetse gloeilamp, is de spanningsval op een led heel weinig afhankelijk van de stroom. De spanningsval voor witte LED's met hoge stroomsterkte gaat van ~ 3,0 V bij stromen ~ 10 mA tot ~ 3,5 V bij 100 mA. Ze kunnen dus niet rechtstreeks worden aangesloten op de 5V die wordt geleverd door een USB-powerbank. De eenvoudigste oplossing is om elke LED in serie te schakelen met een weerstand. De waarde van deze weerstand bepaalt de stroom door de LED, en daarmee de helderheid. De exacte stroomsterkte van een LED met weerstand is moeilijk te berekenen, maar eenvoudig in te schatten en eenvoudig te meten.

Een weerstand van 1 kOhm in serie met een witte LED betekent bijvoorbeeld dat de stroom erg laag is, dus de spanningsval over de LED is ~ 2,9 V, waardoor 2,1 V over de weerstand overblijft, en dus een stroom van 2,1 mA door de weerstand, en dezelfde 2.1mA via de LED. Een weerstand van 100 Ohm zou resulteren in 21 mA als de spanningsval van de LED 2,9V zou blijven, maar het zal waarschijnlijk toenemen tot 3,0V, waardoor er 'slechts' 2,0V over de weerstand en dus 20mA door de LED. Met een weerstand van 10 Ohm zou de stroom 200 mA zijn als de LED-spanningsval 3,0 V zou zijn, maar het zal waarschijnlijk toenemen tot 3,4 V, en de resterende 1,6 V-val op de weerstand geeft een stroom van 160 mA, wat iets boven de nominale stroom.

Je zou dus kunnen denken dat om van een voeding van 5V 1A een sterke lamp te maken, het voldoende zou zijn om 6 of 7 LED's van 0,5W parallel te zetten, elk met een serieweerstand van 10 Ohm. Elke LED zou 160mA*3,4V=0,54W verbruiken en elke weerstand 160mA*1,5V=0,24W. Dat ligt dicht bij de specificaties voor de LED en binnen de specificaties voor een 1/4W-weerstand. Maar als je dit uitprobeert, zul je zien dat zowel de LED als de weerstand extreem heet worden (~100C). Zeker als je al deze componenten dicht bij elkaar plaatst. Tenzij een koellichaam en een ventilator worden gebruikt, zullen ze waarschijnlijk sterven en daarbij veel giftige rook produceren.

Dus ik heb de volgende instellingen geprobeerd:

10 LED's met serieweerstanden van 22 Ohm. Ik meet 1.4V drop over de weerstanden, dus de stroom is 64mA per LED, 0.64A totaal. Met de LED's en de weerstanden dichtbij gemonteerd, wordt het zo heet dat het pijn doet bij aanraking, maar het smelt of brandt niet en het is een mooie compacte lamp voor incidenteel gebruik.

24 LED's met 47 Ohm serieweerstanden. Ik meet 1,7V drop over de weerstanden, dus de stroom is 36mA per LED, 0,86A totaal. Dingen worden na een tijdje warm. Interessant is dat de weerstanden heter aanvoelen dan de LED's, ondanks dat ze meer energie verbruiken en kleiner zijn. Misschien slagen de LED's erin om een groot deel van hun energie als licht weg te stralen? Ik zou het niet in een tent gebruiken, omdat de bereikte temperaturen pijnlijk kunnen zijn en tot gevaarlijk niveau kunnen stijgen als ze per ongeluk worden afgedekt.

40 LED's met 100 Ohm serieweerstanden. Ik meet 1,9V drop over de weerstanden, dus de stroom is 19mA per LED, 0,76A totaal. Het wordt merkbaar warm, maar zeker niet heet. Dit is een geweldige lamp, vergelijkbaar met een 3W LED-lamp (of 30W gloeilamp). Heel handig voor het fotograferen van kleine voorwerpen, soldeer- of reparatieklussen, maar ook voor het aansteken van de BBQ of als noodverlichting in huis, onderweg of op de camping.

Stap 2: Vereiste componenten

De instructies zijn voor het 40 LED-paneel met 100 Ohm-serieweerstanden, wat volgens mij de helderste en de veiligste is. Het kostte me ongeveer een uur om het hele ding te solderen, maar toegegeven, dat was nadat ik wat ervaring en enig vertrouwen had gekregen met twee andere versies van het bord.

Benodigde onderdelen (Totale kosten: minder dan 1 euro bij aankoop in semi-bulk)

• 40 witte SMD '5730' LED's
• 40 100 Ohm weerstanden, 1/4W
• 1 prototypebord van 5x7cm. Enkelzijdig, 18x24 gaten.
• 1 mannelijke USB-connector.

Gereedschap: een soldeerbout, soldeer, pincet.

De LED's hebben een polariteit. Van een afstand lijkt hun uiterlijk misschien symmetrisch, maar bij nadere inspectie zie je verschillende verschillen. Het handigst is op de gele voorkant: daar is het ovale deel dat echt oplicht, maar aan één kant zit ook nog een lijntje. Dat is de negatieve kant, net als voor diodes, elektrolytische condensatoren enz.

Stap 3: Bouwinstructies

Begin 40 met het plaatsen van klodders soldeer op de plaats waar de LED's verbinding maken met aarde. Soldeer vervolgens de LED's met hun minkant op het soldeerbolletje: houd de LED vast met het pincet, smelt het soldeerbolletje en schuif de LED in het vloeistofbolletje. Zorg ervoor dat het gat aan de plus-zijde van de LED wat ruimte over heeft om de weerstandsdraad door te steken.

Monteer de weerstanden één voor één aan de achterkant van het bord, volgens het normale patroon dat in de afbeelding wordt getoond. Soldeer de ene kant aan de plus van de LED en de andere kant aan het midden van het bord. Knip de overtollige draden aan de grondzijde af, maar laat ze aan de positieve kant.

Sluit aan het einde ook alle kabels aan de pluszijde aan. Dit is een goed moment om te testen of alle LED's werken. Ik ontdekte dat bij de multimeter in de 200 Ohm stand de LED's lichtjes oplichten, maar duidelijk genoeg om te zien of er een niet goed is aangesloten. Gebruik een deel van de overtollige draden om alle punten van beide minrails met elkaar te verbinden.

Sluit nu de USB-connector aan. Ik heb vier klodders soldeer aangebracht en alle vier de pinnen op het bord gesoldeerd, zodat de connector goed vastzit aan het bord. Van bovenaf gezien is de linker pin plus en de rechter pin minus, en moet worden aangesloten op de respectieve rails. De twee centrale pinnen zijn voor data en zijn dus ongebruikt. De verbinding met de linker grondrail moet vanaf de achterkant gaan, zodat deze de plusrail in het midden kan kruisen. Je kunt hem nu testen op een powerbank en als alles goed brandt ben je klaar!

Stap 4: Prestaties

Het is notoir moeilijk om te laten zien hoe sterk een licht is: automatische belichting van een fotocamera betekent dat hoe sterker het licht is, hoe minder de belichting zal zijn. Foto's gemaakt van het optreden van 'waanzinnig heldere toorts' vallen nogal tegen. Desalniettemin denk ik dat bovenstaande foto een eerlijk beeld geeft: dichtbij is het erg helder, maar het licht ook een paar meter verderop goed op. Merk ook op dat de verlichting zeer homogeen is, aangezien deze SMD-LED's, in tegenstelling tot acryl-LED's, geen focuslens hebben.

Last but not least, als je deze instructies leuk vindt, overweeg dan om erop te stemmen in de 'Make it Glow'-wedstrijd!