[Impressão 3D] Lanterna portátil de alta potência de 30 W: 15 etapas (com fotos)

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

Se você está lendo isso, provavelmente já viu um daqueles vídeos do Youtube mostrando fontes de luz DIY extremamente potentes com enormes dissipadores de calor e baterias. Provavelmente chamam isso de "Lanternas", mas sempre tive um conceito diferente de lanterna: algo portátil e fácil de transportar.

É por isso que estou trabalhando neste projeto há muitos meses e adoraria compartilhar aqui o resultado de muitas iterações de design diferentes. Não tão potente quanto 100W, LED refrigerado a água, mas muito mais portátil e utilizável!

Obs: No vídeo não é possível ver o quão potente é essa lanterna porque ela é gravada com um telefone. Acredite em mim, é muito poderoso.

Então chega de falar! Vamos começar esse projeto!

O que nós precisamos?

1. Uma impressora 3D (funcionando, se possível!) (A minha está na lista de suprimentos, se alguém estiver interessado. Ótimos resultados e preço barato)
2. Todos os suprimentos na lista de suprimentos
3. Paciência (demorará cerca de 12 horas para imprimir todas as peças)
4. Um ferro de solda (não se preocupe, será uma solda mínima. Eu o projetei para ser acessível a quase todos) [Vou adicionar um link de suprimentos para um cheat, um decente que servirá para este projeto)
5. Um multímetro
6. Conhecimento básico de uso do Arduino
7. Conhecimentos básicos de eletrônica (circuitos básicos e como usar um multímetro)

Isenção de responsabilidade:

Trabalhar com eletrônicos e baterias de íon-lítio sempre apresenta um risco associado. Se você não sabe o que está fazendo, aprenda um pouco sobre isso antes de continuar este tutorial. Não sou responsável por nenhum dano. E como sempre, se você gosta desses projetos e quer contribuir, pode fazer uma pequena doação para o meu Paypal.me: https://paypal.me/sajunt4. Trazer esses projetos para você requer de 3 a 4 vezes o preço do item, então isso poderia me ajudar a trazer mais projetos para você:)

Suprimentos

A maioria dos componentes vem em embalagens grandes, então o preço médio da lanterna não é tão alto, ~ 30 €. Você pode reutilizar a maioria para outros projetos (incluindo meus outros projetos em breve!)

Links do AliExpress em todo o mundo (SELECIONE SEMPRE A OPÇÃO DE REMESSA MAIS BARATA PARA TODOS OS PRODUTOS, SE POSSÍVEL. ECONOMIZARÁ MUITO DINHEIRO):

Componentes (Preço Médio 48 € se você precisar de todos os componentes [Depende do custo de envio]):

1. 3 LEDs de 10 W (selecione Cobre Branco, 10 W, quantidade 3)
2. 4 baterias Li-io 18650 (selecione 4 PCS para obter o melhor preço)
3. 1x 1S BMS MicroUSB - Qualquer carregador 18650 individual servirá
4. 1x 2S BMS com função de balanceamento (Selecione 2S Li-ion 15A Balance)
5. 1x rolo de guias de solda
6. 1x Conversor de alta potência (sobredimensionado para uso seguro a longo prazo)
7. 1x botão 8 mm
8. 3 resistores de 20Kohm (este é o pacote mais barato que encontrei) - Você pode encontrá-los em uma loja local por cerca de alguns centavos. Qualquer resistor para PULL_DOWN servirá
9. Parafusos 8x M4x6mm (Selecione M4, Rosca Completa de 6mm)
10. Parafusos 7x M3x14mm (Selecione M3 16mm Full Thread) - Estes são os que usei, mas você pode tentar comprimentos menores se tiver alguns ao redor.
11. 2 parafusos M5x12mm (selecione M5 12mm Full Thread) - Estes são os que eu usei, mas você pode tentar comprimentos mais curtos se tiver alguns ao redor.
12. 1x Arduino Nano (inclui cabo) - Qualquer pequeno Arduino servirá
13. 2x conector XT-60 (selecione 5 pares macho + fêmea)
14. 1x placa de solda
15. 1x Micro Voltage Booster 12V (para alimentação de FAN e Arduino)
16. 3x MOSFET IRFZ44N (1 deles é opcional, para fins de eficiência)
17. 1x 50x56mm dissipador de calor (este é um pacote 2x, mas mais barato do que a maioria das outras ofertas)
18. 1x 50x50x10mm 12V VENTILADOR
19. 1 rolo de fita reflexiva (encontrei o meu em uma loja local, espero que este seja bom o suficiente)
20. Alguma lixa, dependendo das tolerâncias da impressora 3D (tudo é projetado para caber, mas você nunca sabe) - Mas é melhor você comprar em uma loja de ferragens local, se puder)
21. 1 lente Fresnel (a única que encontrei com preço decente) (opcional, para focar a luz em um ângulo menor)
22. Carregador de bateria 2S (selecione 8,4 V 2A) - Qualquer carregador de 8,4 V servirá
23. Fio 2m x 14AWG (Selecione 14AWG 1M Preto + 14AWG 1M Vermelho)
24. Fio 2m x 20AWG (Selecione 20AWG 1M Preto + 20AWG 1M Vermelho)
25. (Opcional) Conectores de parafuso de 3 pinos
26. (Opcional) Conectores de mola de 2 pinos
27. Ímã 4x 8x3mm (selecione a quantidade mínima disponível)
28. 1x pasta térmica

E, claro, você pode verificar todo o Instructable primeiro e decidir se deseja suprimir ou modificar alguma coisa.

E a lista de ferramentas baratas (qualquer outra com recursos semelhantes servirá):

1. Estanho de solda (selecione 0,6 mm, 100g)
2. Ferro de solda
3. Multímetro
4. Impressora Ender 3 3D (no momento em que escrevo este Ender 5 (o meu) é muito caro, mas o Ender 5 também é altamente capaz)

Etapa 1: com o que você vai acabar

É isso. Uma lanterna "bastante compacta" mas poderosa com bateria 2S2P removível (não se preocupe se você não sabe o que é 2S2P, mais sobre isso depois), lentes removíveis e potência de saída configurável, com cerca de 1h de bateria em aceleração máxima ou 10h com potência mínima, com uma única carga de bateria. E o melhor de tudo: é totalmente feito por você. Você provavelmente já sabe como isso é satisfatório!

Etapa 2: Impressão 3D - Visão geral global

Você encontrará todos os arquivos no Thingiverse:

O que você precisa imprimir:

1. MainBody.stl: Esta parte contém os LEDs, o dissipador de calor, a ventoinha, o colimador de luz e o suporte da lente.
2. Handler.stl: Aqui é onde o botão de pressão será conectado, o suporte da bateria será aparafusado e os componentes eletrônicos se encaixarão. Está aparafusado em MainBody.stl.
3. BatteryHolder.stl: Esta parte serve para uma conexão rápida - desconecte a bateria, para torná-los facilmente trocáveis. Ele contém dois ímãs para manter a bateria no lugar e o conector XT-60 macho.
4. Collimator.stl: Destina-se a refletir a luz em um certo ângulo contido, apenas porque um ângulo de luz de 180º é totalmente inútil para uma lanterna. Você terá que cobrir todo o interior com fita reflexiva.
5. LedsHolder.stl: Uma parte 3D fina que mantém os LEDs no lugar, em um determinado ângulo.
6. HeatsinkSupport_1.stl: Destina-se a prender o dissipador de calor com certa pressão aos LEDs, para que possam refrigerar. Você precisará de 2 deles.
7. HeatsinkSupport_2.stl: Como o outro HeatsinkSupport, mas para o outro eixo. Você só precisa de um desses.
8. LensHolder.stl: Destina-se a manter as lentes no lugar.
9. BatteryBody.stl: O corpo principal da bateria. Se encaixa perfeitamente em BatteryHolder.stl.
10. BatteryCap.stl: A parte superior da bateria. Contém dois ímãs que prendem a bateria no lugar com os ímãs BatteryHolder e o conector fêmea XT-60.

E é isso! Pode parecer um monte de peças, mas a maioria delas levará menos de uma hora para imprimir.

Etapa 3: Eletrônica - Visão geral global

Ok, então agora, vamos trabalhar no cérebro e nos músculos deste projeto. Ele foi projetado para ser feito por qualquer pessoa, mesmo com 0 conhecimento de eletrônica, então deixe-me explicar tudo para 0 pessoas com conhecimento. Mas é claro, quanto mais você souber, mais fácil será. O que precisamos? Como nossos 3 LEDs de 12 V serão conectados em série, precisamos de uma fonte de alimentação que forneça 3 * 12 V = 36 V. Nossa bateria, entretanto, fornece apenas 8,4V no máximo. Como aumentamos essa voltagem? Simples: usando um amplificador de voltagem. O selecionado para este projeto é um amplificador de voltagem regulável. Você conecta sua bateria aos terminais IN e simplesmente ajusta o potenciômetro incluído até obter 36 V na saída. Muito fácil!

Agora, o FAN e o Arduino precisam de mais voltagem do que a bateria oferece, mas menos do que nosso amplificador de voltagem principal oferece (cerca de 12V). Solução? Outro impulsionador de tensão! (Mas este aqui, micro)

Em seguida, controle de potência de saída + controle do ventilador: para isso, usaremos um Arduino Nano e seus recursos de saída PWM. (Não sabe o que é PWM? Aqui você tem algumas informações:) Mas como o Arduino Nano só pode lidar com 5V máx. E precisamos de PWM 36V, vamos usar um MOSFET. Se você não sabe como esse componente funciona, não se preocupe, apenas siga meu passo a passo e tudo funcionará perfeitamente! E, finalmente, a entrada do usuário: Estaremos usando um botão de 8 mm conectado ao nosso Arduino através resistor pull up interno para modificar o sinal PWM de saída.

É isso:)

Etapa 4: Eletrônica - Preparando todos os fios

Corte os cabos nos seguintes tamanhos:

2x fio fino de 15cm (1 vermelho, 1 preto) 2x fio fino 20cm (1 vermelho, 1 preto) 3x fio de 2,5cm de espessura (1 vermelho, 1 preto) 2x 5cm fio fino (qualquer cor) 2x 8cm fio fino (qualquer cor)

Para cada um desses cabos, descasque as pontas (cerca de 5 mm) e pré-soldar.

Etapa 5: Eletrônicos - Bateria

Em primeiro lugar, para cada uma das 4 baterias, identifique o lado positivo e o negativo usando o multímetro (você sabe, coloque o terminal vermelho de um lado, o preto do outro lado, e se o multímetro exibir um número positivo, o lado vermelho é positivo, preto negativo. Caso contrário, se o multímetro exibir um número negativo, preto é positivo, vermelho é negativo). (Ver fotos 2 e 3)

SEMPRE TENHA CUIDADO AO SOLDA PARA UMA BATERIA DE íon-lítio. TENTE FAZER RAPIDAMENTE E NÃO AQUECER MUITO A CÉLULA OU VOCÊ PODE DANIFICÁ-LO.

Agora, você precisa carregar totalmente todas as baterias usando qualquer carregador 18650. No nosso caso, nosso barato TP4056. Conecte um fio vermelho em BAT + e um fio preto em BAT- (esses fios não foram contemplados na etapa anterior). (Ver foto 4)

Em seguida, solde esses cabos com uma minúscula ponta de estanho em cada uma das células (todas, menos uma por uma), de vermelho para positivo, preto para negativo. Deixe-os carregar até que o LED do carregador indique que está cheio. Desoldar os cabos, soldar no próximo e repetir. (Pode levar algumas horas, dependendo de como eles estão descarregados. Use esse tempo para preparar as próximas etapas e imprimir tudo em 3D!)

Agora, com todas as 4 baterias totalmente carregadas, conectaremos 2 por 2 em paralelo e cada pacote de 2 em série com o outro.

Como conectá-los em paralelo? Veja a terceira foto. Você vê como minhas baterias estão conectadas? Conecte 2 por 2, negativo para negativo, positivo para positivo, com duas peças de linguetas de solda. Certifique-se com o multímetro que cada célula tem exatamente a mesma voltagem, para evitar qualquer possível dano às células.

E agora, seguindo a última imagem, conecte o lado negativo de um dos pacotes de 2 paralelos ao lado positivo do outro. Só um lado! O outro deve ser deixado livre.

Etapa 6: Eletrônica - Cabos de bateria + BMS + Caixa 3D

Primeiro, solde um fio fino de 9cm à placa de metal que conecta as duas baterias em série (Figura 1).

Em seguida, conecte um fio preto de 2cm de espessura ao terminal negativo do lado oposto, um fio vermelho grosso de 2cm ao terminal positivo, como na segunda foto.

Seguindo a terceira imagem, conecte o fio grosso vermelho ao terminal B + do BMS, o fio grosso preto ao terminal B- e o fio fino ao terminal central do BMS, como na imagem.

Agora, aos terminais P + e P- do BMS, conecte novamente os fios de 2cm de espessura e esses, ao + e - do conector XT-60 (o macho, aquele que é um orifício com dois pinos dourados dentro), como na figura 4. Usei um pouco de cola quente para manter tudo seguro e isolado.

É hora de pegar nosso estojo para impressora 3D e verificar se tudo se encaixa no lugar. O conector XT-60 deve caber dentro dos trilhos (talvez você precise de um pouco de lixamento no conector para remover os sinais + e - extrudados e manter o conector plano). (Fig. 5)

Quando tudo se encaixar bem, coloque dois ímãs na tampa do case. A polaridade não importa. Você apenas terá que combinar a polaridade oposta no suporte da bateria.

Em seguida, segure tudo no lugar com fita isolante e acrescente dois cabos finos às baterias como nas figuras 9, 10 e 11. Eles nos ajudarão a remover a bateria quando conectada ao porta-bateria. Você pode usar qualquer cabo ou material que quiser. Enrolei o meu na bateria para evitar exercer muita força na peça 3D.

Por fim, coloque os 4 parafusos M3 e sua bateria estará pronta para uso!

Meus conectores XT-60 estavam muito apertados e eu tive que pressionar os pinos dourados com um alicate para que o par macho-fêmea deslizasse para dentro e para fora sem muita força

Etapa 7: Montagem - Bateria + Suporte da bateria

Esta é uma etapa fácil.

Imprima o arquivo BatteryHolder.stl e verifique se a bateria desliza facilmente. Caso contrário, você precisará de um pouco de lixamento para alisar as paredes das impressões. (Mas não muito, eles devem se encaixar bem)

Em seguida, insira os dois ímãs voltados para a polaridade oposta da bateria para que se atraiam.

Insira o conector fêmea XT-60 no lugar (pode precisar de um pouco de lixamento também. Deve ficar bem apertado), certifique-se de que a bateria deslize facilmente e segure-a no lugar com um pouco de cola. Quanto menos profundo você colocar o conector, mais fácil será colocar e remover a bateria.

E por último, solde 2 fios grossos de 6cm (vermelho + preto) e 2 fios finos de 8cm (vermelho + preto) aos terminais XT-60 como nas fotos. Vermelhos para positivos, pretos para negativos.

Etapa 8: Eletrônica - Amplificadores de tensão

Com a bateria e o suporte da bateria no lugar, conecte os 2 fios grossos ao amplificador de grande tensão. Vermelho para IN +, Preto para IN-.

Em seguida, conecte a bateria dentro do porta-bateria e com a ajuda do multímetro, ajuste o parafuso do amplificador de tensão até que a tensão entre OUT- e OUT + atinja exatamente 35,5V.

Pegue o pequeno amplificador de voltagem e conecte-o à saída do grande. GND para o grande OUT-, IN + para o grande OUT +. Então meça a tensão entre VO + e GND do pequeno usando o multímetro. Gire o pequeno parafuso até que a tensão atinja cerca de 12V.

É isso! Você tem seus boosters prontos para trabalhar!

Etapa 9: Eletrônica - Preparando o Arduino

Primeiro, conecte o Arduino ao computador através do USB e empurre o sketch em anexo (LanternCode_8steps_fan_decay.ino).

Em seguida, solde os 4 fios mostrados na imagem (cerca de 6 cm cada):

O D11 controlará a intensidade do LED, o D10 controlará a intensidade do VENTILADOR e o D5 e o GND servirão como ENTRADA para o botão de pressão.

Se estiver curioso, o código que escrevi é bastante simples:

Possui 8 níveis diferentes de potência, alternáveis ciclicamente de menos para mais potência pressionando o botão. Se você segurar e pressionar por mais de 800 ms e depois soltar, a lanterna começará a piscar na potência atual.

O ventilador começará a funcionar a cerca de 1/3 da potência máxima, mas em uma velocidade proporcional para torná-lo menos ruidoso com potência inferior. Depois de desligá-lo ou reduzir a potência para menos de ~ 1/3 (primeiros 3 passos de potência), o ventilador pode continuar funcionando por um tempo para manter o dissipador frio e pronto para o próximo uso de alta potência (estamos usando um pequeno dissipador de calor para a alimentação, por isso pode ficar muito quente)

Etapa 10: Eletrônica - Soledering Power Distribution Board

Primeiro, coloque todos os componentes como na primeira imagem. Você terá que dobrar as pernas do MOSFET. É importante que o corpo preto espesso do MOSFET olhe para cima e para manter tudo pequeno.

Agora, corte o PCB extra com uma faca, o mais ajustado possível. Marque-o com a faca e dobre-o suavemente até quebrar a marca.

Verifique se tudo está no lugar novamente e prepare-se para soldar a placa como na terceira imagem. O diagrama de circuito real está na quarta imagem, caso não seja claro o suficiente.

É importante soldar os resistores mostrados entre as pernas esquerda e direita dos MOSFETs. Usei dois resistores de 20Kohm, mas você poderia usar qualquer valor próximo.

DICA: se você colocar a placa em um determinado ângulo, é mais fácil fazer o estanho seguir esse ângulo (use a gravidade a seu favor)

Etapa 11: Montagem - Construindo o Foco

Primeiro, imprima o Collimator.stl e o interior com fita reflexiva. Na verdade, não existe uma boa maneira de fazer isso. Basta cortar a fita em pequenos pedaços para cobrir tudo.

Em seguida, imprima o LedsHolder.stl e coloque os LEDs no topo, com firmeza. Solde os cabos como no diagrama para conectá-los todos em série e deixe 2 fios de 30cm soldados em um dos leds. Cubra os terminais com fita adesiva para evitar curto-circuito no dissipador de calor.

Imprima e anexe o HeatsinkHolder_2.stl ao Heatsink. Deve se encaixar bem.

Aplique pasta térmica nos LEDs e empurre-os para o dissipador, passando os cabos pelo orifício do HeatsinkHolder_2.

Anexe os outros dois HeatsinkHolder_1 ao dissipador de calor e aparafuse todas as peças com 4 parafusos M3.

Imprima MainBody.stl e prenda o ventilador na parte inferior usando parafusos M3, conforme mostrado na figura 7.

Puxe os fios FAN + LED pelo orifício maior do MainBody e insira o foco dentro do corpo, como na última foto.

Etapa 12: Montagem - Construindo o manipulador

Imprima o arquivo Handler.stl e prepare os parafusos 1xM3 e 2xM5.

Em seguida, insira o botão de pressão em seu orifício.

É isso para esta etapa. Simplesmente, sim?

Etapa 13: Eletrônica - Finalizando

Solde outro fio grosso de 5 cm na saída do amplificador de grande tensão, como na primeira imagem.

Em seguida, conecte este fio ao terminal de parafuso mais à direita da placa de gerenciamento de energia como na segunda foto.

Conecte o fio preto do LED ao terminal de parafuso do meio e o positivo ao OUT + do amplificador de grande tensão, como na figura 3.

Solde o Arduino VIN no grande fio esquerdo conectado ao Vout do pequeno amplificador de voltagem e o Arduino GND no fio preto restante soldado ao XT-60, como na foto 4.

Conecte o fio vermelho FAN ao Arduino VIN (= Vout de reforço de pequena tensão, ambos os cabos juntos ao VIN), e o fio preto FAN ao terminal de parafuso mais à esquerda da placa de gerenciamento de energia, como na figura 5 (meu fio de ventilador vermelho é na verdade, preto, desculpe ^. ^)

Conecte o Arduino D10 ao terminal de mola mais à esquerda e o D11 ao terminal de mola mais à direita, como na figura 6.

E finalmente…

Insira o BatteryHolder dentro do Handler, certificando-se de que nenhum fio fique preso e todos os componentes eletrônicos estejam bem posicionados dentro. Não há muito espaço, mas deve ser mais do que suficiente se tudo estiver bem organizado. Você deve colocar fita adesiva em todas as soldas ou fios expostos para evitar curto-circuitos.

Solde os dois fios livres da esquerda do Arduino no botão de pressão do manipulador. Não importa qual cabo para qual terminal do botão. Vai funcionar de qualquer maneira.

E é isso! Certifique-se de que os cabos estejam bem encaixados dentro do espaço restante para que ninguém toque no ventilador!

Etapa 14: Montagem - Fixação final

Você deve ter todos os componentes eletrônicos encaixados dentro do Handler, como na primeira imagem.

Use o orifício acima do botão de pressão para enrolar a passagem dos fios sem tocar no ventilador.

Coloque os 3 parafusos que prendem tudo (2x M5, 1x M3) como na segunda foto.

Insira o suporte de lente superior e fixe nele a lente Fresnel (a minha ainda não chegou. Será atualizado com uma imagem quando chegar).

Coloque os 8 parafusos M4, 4 na parte superior, 4 na parte inferior e …

O projeto está concluído! Parabéns

Etapa 15: Desfrute de sua nova lanterna superpoderosa

Foi uma jornada muito longa até este protótipo de lanterna, procurando componentes e modelando todas as impressões 3D, ajustando tolerâncias, etc.

Portanto, se gostou deste projeto sinta-se à vontade para comentar com suas sugestões e comentários

Vê você! =)