Nightlight alimentado por USB com bateria reserva (dois designs): 3 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Um tempo atrás, descobri a necessidade de uma luz noturna movida a bateria para o meu quarto. A ideia era que eu não queria me levantar da cama toda vez que queria apagar a luz para ir para a cama. Eu também precisava de uma luz que não fosse tão brilhante quanto a do meu quarto, porque ir de muito brilhante para muito escuro não é muito divertido para os olhos. E, além disso, nossa empresa de energia tinha um período em que nossa energia era cortada a cada duas semanas por vários minutos de cada vez … várias vezes naquela semana específica. Meu pensamento era se a energia simplesmente apagasse aleatoriamente sem motivo durante o verão, de todas as épocas, como seria no inverno?

Aqui estão algumas das minhas necessidades:

• Em primeiro lugar, baixo consumo de energia. Ainda estou trabalhando nesta parte, mas já está bem baixo.
• Sinto que poderia fazer melhor e, ao mesmo tempo, torná-lo mais barato, que era o segundo objetivo.
• Além disso, é claro, alimentado por bateria.
• Brilho - cerca de um nível médio-baixo; brilhante o suficiente para ver o que tudo é. Como isso é brilhante para você, você precisará testá-lo. Se estiver muito claro, será um pouco difícil para seus olhos - especialmente se você tiver que ligá-lo novamente depois de ficar desligado por um tempo!
• Design compacto - eu queria que ele ficasse na beirada de uma mesa desordenada porque é onde fica minha cama. Não na mesa - ao lado dela.
• Partes mínimas por causa do item anterior na lista e ajuda o terceiro item.

Eu criei um design extremamente básico. Pensei nisso e criei cenários que tornariam o design meio chato de usar. Por exemplo, se faltasse energia enquanto estivesse escuro, eu precisaria ver o botão liga / desliga para ligá-lo. Considerei usar um interruptor com um atuador iluminado e coloquei apenas corrente suficiente para fazê-lo brilhar. Ele usaria um pouco mais de energia, mas talvez isso pudesse ser compensado mais tarde no design. E, relacionado, eu não esperaria até que estivesse completamente escuro para ligá-lo. Eu faria isso em algum momento antes de ser realmente necessário. Além disso, e se eu esquecer de desligá-lo antes de ir para a cama? Eu precisava de uma maneira de proteger a bateria.

Depois de pensar um pouco mais, criei um Design básico que resolveria muito disso. Ele foi feito para ser conectado à parede para detectar se há uma queda de energia por meio de um circuito de transistor. Decidi usar isso para alimentar um relé e o relé selecionaria entre as baterias e outra fonte de alimentação (especificamente, aquela que alimenta o relé) para os LEDs.

Quando mencionei esse projeto para algumas pessoas, elas admitiram ter medo do escuro e algo assim seria útil. Isso me motivou a continuar trabalhando no projeto. Desde então, eu vim com a versão avançada que é (em sua maioria) compatível com a placa de ensaio, mas pulei direto para colocá-la em uma placa de circuito personalizada, então não tenho instruções de montagem da placa de ensaio. Se você sabe como fazer o breadboard e pode seguir os esquemas, não deverá ter problemas para fazer a conexão.

Suprimentos:

Se você quiser usar a versão básica com a qual comecei, use esta lista:

1. Uma verruga de parede Sacrificial ™ (pense em um carregador de telefone antigo ou uma das centenas de blocos de energia que você tem em uma gaveta ou caixa em algum lugar onde você não tem ideia de onde eles vão)
2. Um relé SPDT classificado para a tensão do item anterior. Usei um relé HVAC antigo que um técnico substituiu há muitos anos (pessoalmente não encontrei nada de errado com ele). Os relés HVAC são um pouco estranhos: eles são DPST, mas um conjunto de contatos está normalmente aberto e o outro conjunto normalmente fechado. Eles também são classificados para 24 VCA e minha tomada de parede escolhida é de 12 VCC.
3. Uma barra de LED branco de 12 volts: usei uma dessas, mas o site não vende mais. Você está sempre livre para se adaptar ao que você tem ou pode ter acesso, ou até mesmo criar o seu próprio.
4. Um switch SPST
5. Uma ou mais baterias. Usei duas baterias de lanterna de 6 volts em série, embora quisesse usar uma única bateria de lanterna de 12 volts.
6. Alguma maneira de conectar tudo junto

Se você deseja fazer a versão aprimorada, use esta lista:

1. Uma fonte de alimentação externa de 5 VCC. Este projeto foi direto para o PCB (mais sobre isso depois), então eu coloquei um plugue fêmea USB tipo B lá. Você pode cortar a extremidade de um cabo USB Sacrificial ™ e descascar os fios (você só precisa do fio de 5 volts e GND)
2. Uma fonte de alimentação de reserva, ou seja, a bateria
3. Um relé DPDT de 5 volts. Eu usei isso. É amigável ao breadboard!
4. Um interruptor DPST
5. Um regulador de tensão LM7805 (aqui)
6. Um capacitor de 0,22 µF (opcional). A folha de dados indica que deve ser um tipo de cerâmica, mas não diz explicitamente que deveria ser como o capacitor de saída (que eu não adicionei)
7. Cinco resistores limitadores de corrente para os LEDs ou (de preferência) um barramento de resistor. Os LEDs nesta lista têm uma queda de tensão de 3,3 V e calculei 85 Ohms como a resistência necessária. Usei um barramento de resistor com resistência de 150 Ohms, encontrado aqui.
8. Um diodo 1N4004
9. Cinco LEDs brancos (3v3 @ 20mA)
10. Uma maneira de conectar tudo junto

Se você quiser a versão da placa de circuito, geralmente é a mesma lista acima, mas com algumas diferenças:

1. Obviamente, o PCB. Atualmente, o design só é carregado no OSH Park e eles vendem placas em lotes de três. Você pode obter a placa aqui.
2. Ele tem um ponto para blocos de terminais, mas os fios podem ser soldados diretamente na placa. Eu usei esse estilo.
3. Um clipe de bateria (usei uma bateria de 9 V)
4. O conector USB mencionado antes. Escolhi o tipo B e não o mini ou micro B porque esses dois são um pouco frágeis para o meu gosto.

Etapa 1: a versão extremamente básica

Por causa do que eu estava trabalhando na época, tinha muitos desafios a enfrentar. O revezamento que eu tinha é desenhado na primeira foto. Embora o que eu criei não fosse ideal de forma alguma, funcionou (segunda foto). Converti meu estranho relé DPST em SPDT colocando dois terminais em curto para formar um pino comum. Essa conexão foi para o switch, depois para a barra de LEDs e depois para o aterramento. O banco de baterias que fiz - o lado positivo foi para a conexão NC no relé. A bobina do relé foi conectada à fonte externa, o que manteria o relé em sua posição "ligado". A fonte de alimentação também se conecta à conexão NO no relé. Todos os aterramentos estão conectados entre si.

A teoria é que enquanto está recebendo alimentação externa, o relé permanece no estado "ligado", portanto, a conexão NA é fechada e a conexão NF está aberta. Isso significa que a conexão comum está recebendo energia de uma fonte externa. Se houver perda de energia, o relé volta ao estado "desligado" e a conexão comum começa a receber energia das baterias. Seja qual for a fonte, o switch controla a energia para a barra de LED. O terreno comum entre tudo permite um circuito completo em qualquer situação.

Usei conectores de fio reais na maior parte do circuito para não ter que soldar nada. Para conectar as baterias (elas têm terminais de mola), usei cabos de teste Sacrificial ™ (garras jacaré com fios conectados), cortando um ao meio e descascando os fios (e adicionei conectores de fio). Aquele usado para conectar as duas baterias ainda está inteiro. Tudo é montado em uma caixa de remessa SparkFun vermelha.

Não tenho fotos do produto final, mas vou tirar algumas se solicitado.

Etapa 2: a versão avançada

Finalmente consegui encomendar as peças necessárias para fazer uma versão realmente boa do circuito (que eu já havia desenhado). As mudanças importantes feitas neste projeto foram projetá-lo para funcionar com uma fonte regulada de 5 V e também o relé não estar constantemente alimentado. Tive que trocar o switch por um tipo DPST também. A teoria de operação é apenas um pouco mais complexa.

Olhando para a metade do circuito da bateria, digamos que a chave esteja desligada. O relé ainda está conectado de forma que seu estado "desligado" faça com que a bateria seja conectada ao regulador de 5 volts, então a saída do regulador é realimentada no relé (uma das conexões NF) e, em seguida, os LEDs. O interruptor é conectado entre a bateria e o relé para interromper o circuito e evitar que a corrente flua. Se a chave estiver ligada, a corrente poderá fluir pelo circuito.

Olhando para a outra metade do circuito, vemos que a energia do USB vai imediatamente para o switch, depois para a bobina do relé e uma das conexões NO do relé. O pino comum desta conexão é compartilhado com a conexão NC mencionada anteriormente, portanto, este é o conjunto de contatos que realmente estão alternando entre as fontes de alimentação. O outro conjunto de contatos é para proteção do regulador de tensão. Se a chave estiver ligada, o relé liga e envia a alimentação externa para os LEDs.

O diodo é conectado em paralelo (mas ao contrário) ao relé para reduzir a tensão de retorno quando o relé muda de sua posição "ligado" para "desligado" devido à perda de energia. Isso protege a fonte de alimentação: ou seja, um carregador de telefone USB ou uma porta USB do PC.

O capacitor pode ser excluído. A ficha técnica do regulador não especifica a distância "longe do filtro da fonte de alimentação", então achei melhor incluí-la de qualquer maneira.

Etapa 3: a versão PCB

A versão PCB é exatamente igual à versão avançada, mas em uma placa de circuito. Todas as peças são montadas na parte superior da placa e são etiquetadas com os números das peças (ou alguma outra informação importante) para que você possa encontrar peças de reposição conforme necessário ou desejado. A entrada da bateria (isolada da entrada da chave) possui uma entrada (+) e uma entrada (-). O lado (+) é identificado com um (+).

A entrada do switch tinha uma seção A e uma seção B, que são rotuladas com A e B. Os dois terminais ao redor do "A" são a entrada A. Da mesma forma, os terminais B estão em torno do "B".

Também são apresentados dois orifícios de montagem próximos ao plugue USB. Eles não têm conexões elétricas com nada, nem mesmo entre si.

As três fotos foram tiradas em momentos diferentes. O primeiro é o quadro em branco. O segundo é um painel parcialmente preenchido com peças misturadas. O terceiro é o tabuleiro completo com todas as peças solicitadas.

Edição pré-pós:

Tentei anexar os arquivos KiCAD (como um zip), mas obtive um erro. Encontrará outra maneira de anexar mais tarde.