Wie ich die fortschrittlichste Taschenlampe aller Zeiten gemacht habe - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

PCB-Design ist meine Schwachstelle. Ich habe oft eine einfache Idee und beschließe, sie so komplex und perfekt wie möglich zu realisieren.

Also habe ich mal eine alte "militärische" 4,5V-Taschenlampe mit normaler Glühbirne angeschaut, die Staub sammelte. Die Lichtleistung dieser Glühbirne war ziemlich miserabel und die Batterien waren nicht wiederaufladbar, die Batterielebensdauer war nicht vorhanden. Aber sein Fall war schön.

Also beschloss ich, ihm ein neues Hightech-Herz zu geben.

Also fragte ich mich: „Wie viele Funktionalitäten möchte ich einbauen?“und ich sagte: „Ja. Alle.“

:)

Ich wollte: - ausgezeichnete Akkulaufzeit, die mit einem wiederaufladbaren Li-Ion-Akku mit 3,7 V 6000 mAh (3x NCR18500A) archiviert wurde. Die Akkulaufzeit reicht von 20 Stunden bis 6 Stunden, je nach Leistungseinstellung.

- höchstmögliche Effizienz LED Diode die ich finden konnte - Ultra effiziente Cree XP-G3 (187lm/W)

- LED-Treiber-IC mit höchstmöglicher Effizienz (über 90%) - Consumer-LED-Treiber sind nur etwa 60% effizient

- Ich wollte es über USB und mit einem externen Adapter bis zu 40 V aufladen, damit ich es überall mit allem aufladen kann

- Ich wollte, dass es auch als Powerbank dient, damit ich mein Handy damit aufladen kann

- Ich wollte eine Ladezustandsanzeige, damit ich sehen kann, wie viel Saft noch drin ist

- und ich wollte alles in diesen kleinen Koffer passen

Also musste ich eine benutzerdefinierte Platine entwerfen, die in ihr Gehäuse passt, und ich musste alles, was oben beschrieben wurde, auf diese Platine passen.

Oben ist ein Video, das den gesamten Designprozess zeigt. Gerne anschauen, teilen, liken und meinen Youtube Kanal abonnieren:)

Ich werde die Designschritte in diesem anweisbaren weiter beschreiben.

Hoffentlich wird dieses instructable einigen Leuten eine Perspektive geben, was getan werden kann und wie viel Arbeit es braucht, und vielleicht sogar einige Kinder inspirieren, Elektroingenieure zu werden:)

Schritt 1: Die alte Taschenlampe

Dies war ein billiges Licht, das mit einer 4,5-V-Batterie lief und so hell war wie eine normale Kerze.

Es hatte kühle, manuell betriebene Rot- und Grünfilter, die sehr kühl waren.

Schritt 2: Ausnehmen der Taschenlampe

Ich habe alle Teile entkernt und die Innenmaße gemessen. Ich musste das Board entwerfen, das perfekt passt.

Ich beschloss, 3 Lithiumbatterien parallel zu verwenden. Das Gehäuse war zu klein, um die klassischen 18650-Zellen zu verwenden. Also entschied ich mich für etwas kürzere 18500er Zellen - Panasonic NCR18500A mit jeweils ca. 2000mAh. Ich hatte also eine ziemlich gute Kapazität von insgesamt 6 Ah

Dies bedeutete, dass ein Platz für die Leiterplatte ziemlich klein war. Aber sie sagen: "Man könnte es schaffen, wenn er es versucht":)

Schritt 3: Der Schaltplan

Also habe ich diesen unglaublich komplexen Schaltplan gemacht. Frag mich nicht nach Stunden, die ich dafür aufgewendet habe:)

Ich suchte und wählte einige Tage lang die passenden Komponenten aus, bevor ich mich endgültig niederließ. Dies bedeutet, dass Sie die Websites der Hersteller (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices…) nach den ICs nach Kategorie durchsuchen und eine auswählen, die meinen Anforderungen entspricht. Und der IC muss auf Websites wie Farnell, Mouser und Digikey in Geruchsmengen erhältlich sein.

Die Verdrahtung aller ICs ist gar nicht so schwierig, da die Hersteller immer einen Grundschaltplan in das IC-Datenblatt aufnehmen. Ich werde hier auf den Schaltplan nicht auf Details eingehen, wenn Fragen aufkommen, können Sie diese gerne in den Kommentaren stellen.

Der Schaltplan enthält die folgenden Teilschaltungen:

- Überladung/Überentladung der Batterie und Überstromschutz, der die Batterie innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen hält.

- USB-Slow-Charge-Controller - wird zum langsamen Aufladen der Taschenlampe über den Micro-USB-Anschluss verwendet. Dies ist ein zusätzlicher Komfort, aber die Taschenlampe kann über diese Option bis zu 12 Stunden aufgeladen werden. Ich habe einen Schalter hinzugefügt, um den Ladestrom zwischen 100 mA (USB 1.0-Strombegrenzung), 500 mA (Standard-USB-Strom) und 800 mA (Wandladegerät) auszuwählen.

- Schnelllade-Controller - dieser IC steuert das Laden über den DC-Klinkenstecker, der am Batteriegehäuse montiert ist. Es kann Eingangsspannungen von 5V bis 40V verarbeiten, verfügt über einen Verpolungsschutz und kann den Akku in maximal wenigen Stunden aufladen. Ich habe einen Schalter hinzugefügt, um je nach Begrenzung der Stromquelle zwei verschiedene Ladeströme auszuwählen. Der Strom ist zwischen 1A und 3A wählbar. Auf diese Weise können Sie einen DC-Wandadapter mit geringerer Leistung nicht überlasten. Ich wollte es universell:)

- LED-Treiber - Ich habe mich für einen hocheffizienten (90%) LED-Treiber entschieden, der die LED mit bis zu 1A Strom (ca. 3W) ansteuern kann. Dies ist eine ziemlich geringe Leistung, aber ich habe mich für die LED mit der höchsten Effizienz entschieden, die ich finden konnte - Cree XP-G3 (187lm / W), was die geringe Antriebsleistung ausgleicht. Ich wollte höchstmögliche Effizienz und Akkulaufzeit. Der Treiber unterstützt 4 einstellbare Energieeinstellungen. Ich habe Aus, 1W, 2W und 3W gewählt.

- Der Drehschalter zum Binärdecoder - Dies liegt daran, dass die Leistungsausgänge des LED-Treibers binär codiert waren und ich den Ausgang eines Schalters in einen 2-Bit-Binärcode mit Dual-ODER-Gatter-IC umwandeln musste.

- Batterie-Tankanzeige, die ich diskret mit 4 Komparatoren, Präzisionsspannungsreferenz und Präzisionswiderstandsteilern entworfen habe. Es zeigt die verbleibende Kapazität basierend auf der Batteriespannung an. Ich habe eine Entladespannungskurve für eine ähnliche Batteriezelle gefunden und die Widerstandsteiler berechnet, damit sie die LEDs entsprechend aufleuchten.

- USB-Powerbank-Funktion und Schnellladeregler. Der erste IC erzeugt aus der 2,5V - 4,2V Batteriespannung einen stabilen 5V IC. Der zweite IC ist eine nette Ergänzung - es ist ein USB-Laderegler. Wenn Sie das Telefon an den Ladeanschluss anschließen, kommuniziert dieser IC mit dem Telefon und teilt ihm mit, dass dies ein intelligenter Ladeanschluss ist, und teilt dem Telefon mit, dass es bis zu 1,5 A Ladestrom aufnehmen kann. Ohne diesen IC würden viele Telefone nur mit dem USB-Standardstrom von 500 mA aufgeladen. Wenn das Schnellladen eingerichtet ist, leuchtet eine LED auf, damit Sie sehen können, dass das Telefon schnell aufgeladen wird. Ein kleiner Schalter auf der Platine wird verwendet, um die Powerbank-Funktionalität zu aktivieren.

Ob Sie glauben oder nicht, auf diesem Schaltplan befinden sich 125 Komponenten:)

Um sie auf eine sehr kleine Platine zu bringen, musste ich passive Miniaturkomponenten der Größe 0402 verwenden - eine Widerstandsgröße ist 1 mm x 0,5 mm oder 0,04 x 0,02 Zoll. Daher ihre Größe 0402.

Schritt 4: Die Platine

Wenn der Schaltplan fertig ist, ist es an der Zeit, den Leiterplattenbereich in die gewünschten Abmessungen zu bringen und die Komponenten auf der Leiterplatte zu platzieren.

Dies ist eine ziemlich langwierige Aufgabe, aber Sie werden es genießen. Es ist eine schöne und entspannende Arbeit.

Ein wenig Wissen über bestimmte Komponentenplatzierungen ist praktisch. Es wird meistens mit Büchern und Tutorials erworben und einige kommen in die Praxis. Je mehr Leiterplatten Sie herstellen, desto besser werden Sie darin.

Ich verwende Altium Designer, ein professionelles Programm, und ich bekomme eine Lizenz von meinem Job. Aber für einen Bastler sind Eagle, Kicad, Designspark PCB und viele andere die bessere Lösung, da der Einstieg viel einfacher ist.

Ich arbeite mit auch in 3D gezeichneten Bauteilen, was bei der Visualisierung und der Gestaltung der Gehäuse sehr hilft, weil man weiß, wo die Dinge stehen und wie hoch sie sind. Aber das Zeichnen der Bauteil-Footprints mit 3D-Körpern erfordert dreimal so viel Arbeit. Aber es lohnt sich auf Dauer.

Hier sind die PCB-Designdaten einschließlich Gerbers, größeren Schaltplandateien, Bestückung und Stückliste:

Ich verwende JLCPCB für die Herstellung meiner Boards. Der Preis für dieses Board beträgt nur wenige $ für 5 Stück (zzgl. Versand), was ein Schnäppchen ist! Melden Sie sich an, um Gutscheine im Wert von 18 USD für neue Benutzer zu erhalten:

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Schritt 5: Herstellung der Leiterplatte

Die Tage des Ätzens der Leiterplatte zu Hause sind gezählt. In der High School vor 10 Jahren habe ich meine Leiterplatten zu Hause geätzt. So war es viel billiger. Aber damals gab es keine chinesischen Unternehmen, die PCBs fast kostenlos anboten.:)

Jetzt können Sie 2-Schicht-Leiterplatten für 2 USD + Versand auf Websites wie JLCPCB.com erhalten. Auf diese Weise ist es viel bequemer und Sie erhalten professionelle Boards.

Sie müssen nur die Gerber-Dateien (die Informationen über Kupferschichten auf der Leiterplatte enthalten) exportieren und auf ihre Site hochladen und einige Wochen warten, bis Ihr Lieblingspostbote Ihr Meisterwerk liefert.

Schritt 6: Löten

So kleine Bauteile zu löten ist keine leichte Aufgabe. Aber mit einem guten Lötkolben und guter Sicht geht das.

Ich benutze die Ersa Icon Lötstation, die die Arbeit sehr gut macht.

Für dieses Projekt habe ich lächerlich kleine Komponenten gewählt, weil ich sehr wenig Platz hatte. Ansonsten würde ich 0603 oder 0805 Komponenten wählen, die viel einfacher zu löten sind.

Schritt 7: Der Kühlkörper für LED

Ich musste etwas Aluminiummasse in das Gehäuse einbauen, um die Wärme von der LED zu verteilen.

Da ich das 3D-Modell meines Boards hatte, konnte ich das Stück problemlos in 3D modellieren und mit meinem Hobby-Router herstellen.

Ich konnte alle Löcher und Ausschnitte ausschneiden, um sie perfekt zu passen.

Schritt 8: Starten der Montage

Dann ging der Zusammenbau los und auf einmal passte alles perfekt.

Unter die Platine habe ich das Kaptonband geklebt, damit die Platine vom Aluminium elektrisch isoliert war, damit keine Kurzschlüsse auftreten konnten.

Schritt 9: Ein paar Stunden Kabelcrimpen später…

Das Biest war fast fertig!

Ich habe die Kabel gecrimpt, den Schalter und den Netzstecker montiert, alles angeschlossen, die Linse für die LED montiert und die Batterien in den Batteriehaltern montiert, die Thermistoren zur Messung der Batterietemperatur geklebt. Die Lade-ICs halten die Batterie innerhalb der sicheren Grenzen. Bei zu niedriger oder zu heißer Temperatur wird der Ladestrom reduziert, um den Akku nicht zu beschädigen.

Schritt 10: Und dann…

Fertig!

Die Taschenlampe war fertig! Sehen Sie sich das Video oben auf dem anweisbaren an, um es in Aktion zu sehen und wie hell es leuchtet!

Das einzige, was aktualisiert werden muss, ist, dass ich das Loch um die USB-Anschlüsse irgendwie gegen Staub abdichten muss.

Aber ich habe noch nicht herausgefunden, wie man es richtig macht. Wenn Sie eine Idee haben, sagen Sie es in den Kommentaren.

So.. Jetzt denkst du, ich bin ein Profi und du bist nicht in der Lage, so etwas zu erschaffen. Aber du liegst falsch. Als ich in der Mittelschule mit Elektronik anfing, hatte ich auch keine Ahnung, was ich tat. Ich habe online nach Schaltplänen gesucht und versucht, sie zu löten, als ich nicht einmal wusste, was ein Transistor ist und wie er funktioniert. Die meisten haben natürlich nicht funktioniert. Durch Versuch und Irrtum wurde ich immer besser. Ich habe einige Bücher gelesen, Elektrotechnik studiert und angefangen, viele Leiterplatten herzustellen. Mit jedem wurde ich besser. Und das können Sie auch!

Vielen Dank für das Lesen meiner instructable! Bitte überprüfen Sie auch meine anderen instructables!

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für Spoiler zu dem, woran ich gerade arbeite, hinter den Kulissen und anderen Extras!

Zweiter Platz bei der PCB Design Challenge