Como eu fiz a lanterna mais avançada de todos os tempos: 10 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

O design do PCB é meu ponto fraco. Muitas vezes tenho uma ideia simples e decido realizá-la da forma mais complexa e perfeita possível.

Certa vez, procurei uma velha lanterna "militar" de 4,5 V com uma lâmpada normal que estava acumulando poeira a. A saída de luz daquela lâmpada era muito ruim e as baterias não eram recarregáveis, a vida da bateria era inexistente. Mas seu caso era bom.

Então decidi dar a ele um novo coração de alta tecnologia.

Então eu me perguntei: “Quantas funcionalidades eu quero construir?” E eu disse: “Sim. Todas elas”.

:)

Eu queria: - excelente duração da bateria, que foi arquivada com bateria de íon de lítio recarregável de 3,7 V 6000mAh (3x NCR18500A). A duração da bateria varia de 20 horas a 6 horas, dependendo da configuração de energia.

- diodo LED de maior eficiência possível que consegui encontrar - Ultra eficiente Cree XP-G3 (187lm / W)

- CI do driver de LED de maior eficiência possível (mais de 90%) - os drivers de LED do consumidor são apenas 60% eficientes

- Queria carregá-lo via USB e com adaptador externo de até 40V, para poder carregá-lo em qualquer lugar com qualquer coisa

- Eu queria que ele também servisse como banco de dados para poder carregar meu telefone com ele

- Eu queria um indicador de estado de carga, para que pudesse ver quanto suco ainda está dentro

- e eu queria colocar tudo dentro dessa pequena caixa

Então, eu precisava projetar uma placa de circuito impresso customizada que caberia dentro de seu gabinete e precisava encaixar tudo descrito acima nessa placa.

Acima está um vídeo mostrando todo o processo de design. Fique à vontade para assistir, compartilhar, curtir e se inscrever no meu canal do youtube:)

Descreverei com mais detalhes as etapas de design neste instrutível.

Esperançosamente, este instrutível dará a algumas pessoas uma perspectiva sobre o que pode ser feito e quanto trabalho é necessário para fazer isso e talvez até mesmo inspire algumas crianças a se tornarem engenheiros elétricos:)

Etapa 1: a velha lanterna

Esta era uma luz barata, funcionando com uma bateria de 4,5 V e era tão brilhante quanto uma vela normal.

Ele tinha filtros vermelhos e verdes legais, operados manualmente, que eram muito legais.

Etapa 2: destripando a lanterna

Eu destruí todas as peças e medi as dimensões internas. Eu precisava projetar a placa que se encaixasse perfeitamente.

Decidi usar 3 baterias de lítio em paralelo. O case era muito pequeno para usar as células 18650 clássicas. Então decidi usar 18500 células um pouco mais curtas - Panasonic NCR18500A com cerca de 2000mAh cada. Então, eu tinha uma capacidade muito boa de 6Ah no total

Isso significava que o espaço para o PCB era bastante pequeno. Mas eles dizem: "alguém conseguiria se tentasse":)

Etapa 3: o esquema

Então, fiz esse esquema incrivelmente complexo. Não me pergunte sobre as horas que gastei nisso:)

Eu estava procurando e selecionando os componentes apropriados por alguns dias, antes de chegar à conclusão. Isso significa navegar nos sites dos fabricantes (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices …) para os ICs por categoria e selecionar um que atenda às minhas necessidades. E o IC precisa estar disponível para compra em quantidades cheirosas em sites como Farnell, Mouser e Digikey.

A fiação de todos os ICs não é tão difícil quanto parece, porque os fabricantes sempre incluem um diagrama de fiação básico na folha de dados do IC. Não vou entrar em detalhes aqui no esquema, se surgir alguma dúvida, fique à vontade para perguntar nos comentários.

O esquema inclui os seguintes sub-circuitos:

- Proteção contra sobrecarga / descarga excessiva da bateria e sobrecarga de corrente que mantém a bateria dentro dos limites operacionais seguros.

- Controlador de carga lenta USB - usado para carregar a lanterna lentamente por meio da porta micro USB. Isso é uma conveniência adicional, mas a lanterna pode carregar por até 12 horas por meio dessa opção. Eu adicionei um interruptor para selecionar a corrente de carga entre 100mA (limite de corrente USB 1.0), 500mA (corrente USB padrão) e 800mA (carregador de parede)

- Controlador de carregamento rápido - este IC controla o carregamento através do conector DC jack montado na caixa da bateria. Ele pode lidar com tensão de entrada de 5 V a 40 V, tem uma proteção de polaridade reversa e pode carregar a bateria em algumas horas no máximo. Eu adicionei um interruptor para selecionar duas correntes de carga diferentes, dependendo da limitação da fonte de alimentação. A corrente é selecionável entre 1A e 3A. Desta forma, você não pode sobrecarregar um adaptador de parede DC com alimentação inferior. Eu queria universal:)

- Driver de LED - escolhi um driver de LED de alta eficiência (90%), capaz de acionar o LED com até 1A de corrente (cerca de 3W). Este é um consumo de energia muito baixo, mas escolhi o LED de maior eficiência que consegui encontrar - Cree XP-G3 (187lm / W) que compensa o baixo consumo de energia. Eu queria a maior eficiência e duração da bateria possíveis. O driver suporta 4 configurações de energia configuráveis. Eu escolhi Desligado, 1W, 2W e 3W.

- A chave rotativa para o decodificador binário - isso ocorre porque as saídas de energia do driver de LED foram codificadas em binários e eu precisei converter a saída de uma chave para o código binário de 2 bits com dual OR gate IC.

- Indicador do medidor de carga da bateria que projetei discretamente com 4 comparadores, referência de tensão de precisão e divisores de resistor de precisão. Indicou a capacidade restante com base na tensão da bateria. Eu encontrei uma curva de tensão de descarga para uma célula de bateria semelhante e calculei os divisores do resistor para que eles acendam os LEDs de acordo.

- Função USB powerbank e controlador de carga rápida. O primeiro IC gera um IC estável de 5 V a partir da voltagem da bateria de 2,5 V - 4,2 V. O segundo IC é uma boa adição - é um controlador de carga USB. Quando você conecta o telefone à porta de carregamento, este IC comunica o telefone e informa o que é uma porta de carregamento inteligente e informa ao telefone que pode levar até 1,5A de corrente de carregamento. Sem este IC, muitos telefones carregariam apenas com a corrente padrão USB de 500mA. Quando o carregamento rápido é estabelecido, ele acende um LED para que você possa ver se o telefone está carregando rápido. Um pequeno interruptor no PCB é usado para habilitar a funcionalidade do banco de dados.

Se você acredita ou não, neste esquema existem 125 componentes:)

Eu pedi para encaixá-los em uma placa muito pequena e tive que usar componentes passivos de tamanho 0402 em miniatura - um tamanho de resistor é de 1 mm x 0,5 mm ou 0,04 por 0,02 polegadas. Daí seu tamanho 0402.

Etapa 4: o PCB

Então, quando o esquema estiver completo, é hora de moldar a área do PCB nas dimensões desejadas e colocar os componentes no PCB.

Esta é uma tarefa bastante longa, mas você vai gostar de fazê-la. É um trabalho agradável e relaxante.

Um pouco de conhecimento sobre posicionamentos de componentes específicos é útil. É obtido principalmente com livros e tutoriais e alguns vêm na prática. Quanto mais PCBs você criar, melhor se tornará nisso.

Eu uso o Altium Designer, que é um programa profissional e recebo uma licença do meu trabalho. Mas para um amador, um Eagle, Kicad, designspark PCB e muitos outros são uma solução melhor, pois é muito mais fácil começar.

Trabalho com componentes também desenhados em 3D, o que ajuda muito na visualização e no desenho dos gabinetes, porque você sabe onde as coisas estão e a que altura estão. Mas desenhar as pegadas dos componentes com corpos 3D exige três vezes mais trabalho. Mas vale a pena no longo prazo.

Aqui estão os dados de design do PCB, incluindo gerbers, arquivos esquemáticos maiores, montagem e lista de materiais:

Eu uso o JLCPCB para fazer minhas placas. O custo desta placa é de apenas alguns $ por 5 unidades (mais frete), o que é uma pechincha! Inscreva-se para receber cupons de US $ 18 para novos usuários:

Você pode usar o código de cupom "JLCPCBcom" na finalização da compra para obter um pequeno desconto.

Etapa 5: fabricando o PCB

Os dias de gravar o PCB em casa estão contados. No colégio, há 10 anos, costumava gravar meus PCBs em casa. Era muito mais barato dessa forma. Mas então não havia empresas chinesas oferecendo PCBs quase de graça.:)

Agora você pode obter PCBs de 2 camadas para remessa 2usd + em sites como JLCPCB.com. É muito mais conveniente desta forma e você obtém placas de nível profissional.

Você só precisa exportar os arquivos gerber (que contêm informações sobre as camadas de cobre no PCB), enviá-los ao site e esperar algumas semanas para que seu carteiro favorito entregue sua obra-prima.

Etapa 6: Solda

Soldar componentes tão pequenos não é uma tarefa fácil. Mas com um bom ferro de solda e uma boa visão, isso pode ser feito.

Eu uso a estação de solda Ersa Icon que faz o trabalho muito bem.

Para este projeto eu escolhi componentes ridiculamente pequenos porque eu estava com muito pouco espaço. Caso contrário, eu escolheria os componentes 0603 ou 0805, que são muito mais fáceis de soldar.

Etapa 7: O dissipador de calor para LED

Eu precisava colocar um pouco de massa de alumínio no gabinete para distribuir o calor do LED.

Como eu tinha o modelo 3D da minha placa, poderia facilmente modelar a peça em 3D e fabricá-la com meu roteador de hobby.

Eu poderia cortar todos os orifícios e recortes para caber perfeitamente.

Etapa 8: Iniciando a montagem

Então a montagem começou e de repente tudo se encaixou perfeitamente.

Sob a placa de circuito impresso, colei a fita Kapton para que a placa ficasse eletricamente isolada do alumínio para que nenhum curto-circuito pudesse ocorrer.

Etapa 9: Algumas horas de crimpagem de cabos depois …

A besta estava quase completa!

Crimpei os cabos, montei o switch e o conector de força, conectei todas as coisas, montei a lente do LED e montei as baterias dentro dos porta-baterias, colei os termistores para medir a temperatura da bateria. Os ICs de carregamento mantêm a bateria dentro dos limites seguros. Se a temperatura estiver muito baixa ou muito alta, a corrente de carga é reduzida para não danificar a bateria.

Etapa 10: e então …

Finalizado!

A lanterna estava completa! Veja o vídeo no topo do instrutível para vê-lo em ação e como ele brilha!

A única coisa que precisa de atualização é que eu preciso de alguma forma vedar o buraco ao redor dos conectores USB para poeira.

Mas ainda não descobri como fazer isso da maneira certa. Se você tem alguma ideia, diga nos comentários.

Então.. Agora você acha que eu sou um profissional e você não é capaz de criar tal coisa. Mas você está errado. Quando comecei com eletrônica no ensino médio, também não tinha ideia do que estava fazendo. Eu estava procurando esquemas online e tentei soldá-los quando eu nem sabia o que era um transistor e como funcionava. Claro que a maioria deles não funcionou. Por tentativa e erro, fui ficando cada vez melhor. Li alguns livros, fui estudar engenharia elétrica e comecei a fazer muitos PCBs. A cada um eu fui melhorando. E você também pode!

Obrigado por ler meu instrutível! Verifique também meus outros instructables!

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para spoilers sobre o que estou trabalhando atualmente, nos bastidores e outros extras!

Vice-campeão no Desafio de Design de PCB