Wie ich die fortschrittlichste Taschenlampe aller Zeiten gemacht habe

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

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

Also habe ich beschlossen, ihm ein neues High-Tech-Herz zu geben.

Also fragte ich mich: "Wie viele Funktionen möchte ich einbauen?"

und ich sagte: "Ja. Alle von ihnen."

:) :)

Ich wollte:

- Hervorragende Akkulaufzeit, die mit einem wiederaufladbaren Li-Ion-Akku mit 3, 7 V und 6000 mAh (3x NCR18500A) archiviert wurde. Die Akkulaufzeit beträgt je nach Leistungseinstellung 20 bis 6 Stunden.

- LED-Diode mit höchstmöglichem Wirkungsgrad, die ich finden konnte - Ultraeffizienter Cree XP-G3 (187 lm / W)

- LED-Treiber-IC mit höchstmöglicher Effizienz (mehr als 90%) - Consumer-LED-Treiber sind nur zu 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 Telefon 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 das Gehäuse passt, und ich musste alles, was oben beschrieben wurde, auf diese Platine passen.

Oben ist ein Video zu sehen, das den gesamten Designprozess zeigt. Fühlen Sie sich frei, meinen YouTube-Kanal anzusehen, zu teilen, zu mögen und zu abonnieren :)

Ich werde die Entwurfsschritte in dieser Anleitung weiter beschreiben.

Hoffentlich gibt diese Anleitung einigen Leuten eine Perspektive darüber, was getan werden kann und wie viel Arbeit es kostet, und inspiriert vielleicht sogar einige Kinder, Elektrotechniker zu werden :)

Schritt 1: Die alte Taschenlampe

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

Es hatte coole, manuell betätigte rote und grüne Filter, die sehr cool waren.

Schritt 2: Ausnehmen der Taschenlampe

Ich habe alle Teile entkernt und die Innenmaße gemessen. Ich musste das Board so gestalten, dass es perfekt passt.

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

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

Schritt 3: Das Schema

Also habe ich diesen unglaublich komplexen Schaltplan erstellt. Frag mich nicht nach den Stunden, die ich dafür verbracht habe :)

Ich habe einige Tage lang nach den geeigneten Komponenten gesucht und diese ausgewählt, bevor ich zum Schluss kam. Dies bedeutet, dass Sie die Websites der Hersteller (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices ...) nach ICs nach Kategorie durchsuchen und eine auswählen, die meinen Anforderungen entspricht. Und der IC muss verfügbar sein, um Geruchsmengen an Standorten wie Farnell, Mouser und Digikey kaufen zu können.

Die Verkabelung aller ICs ist nicht so schwierig, wie es scheint, da die Hersteller immer einen grundlegenden Schaltplan in das IC-Datenblatt aufnehmen. Ich werde hier im Schaltplan nicht auf Details eingehen. Wenn Fragen auftauchen, können Sie diese gerne in den Kommentaren stellen.

Das Schema enthält die folgenden Unterschaltungen:

- Batterieüberladung / Überentladung und Überstromschutz, der die Batterie innerhalb sicherer Betriebsgrenzen hält.

- USB-Slow-Charge-Controller - Dient zum langsamen Laden der Taschenlampe über den Micro-USB-Anschluss. Dies ist ein zusätzlicher Komfort, aber die Taschenlampe kann über diese Option bis zu 12 Stunden lang 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.

- Schnellladesteuerung - Dieser IC steuert das Laden über den am Batteriefach angebrachten DC-Buchsenanschluss. Es kann Eingangsspannungen von 5 V bis 40 V verarbeiten, hat einen Verpolungsschutz und kann den Akku in maximal wenigen Stunden aufladen. Ich habe einen Schalter hinzugefügt, um zwei verschiedene Ladeströme abhängig von der Begrenzung der Stromquelle auszuwählen. Der Strom kann zwischen 1A und 3A gewählt werden. Auf diese Weise können Sie einen DC-Wandadapter mit geringerer Leistung nicht überlasten. Ich wollte es universell :)

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

- Der Drehschalter zum Binärdecoder - Dies liegt daran, dass die LED-Treiberausgänge binär codiert waren und ich den Ausgang eines Schalters in einen 2-Bit-Binärcode mit Dual-OR-Gate-IC konvertieren musste.

- Batterieanzeigeanzeige Ich habe diskret mit 4 Komparatoren, Präzisionsspannungsreferenz und Präzisionswiderstandsteilern entworfen. Es zeigte die verbleibende Kapazität basierend auf der Batteriespannung an. Ich fand eine Entladungsspannungskurve für eine ähnliche Batteriezelle und berechnete die Widerstandsteiler so, dass sie die LEDs entsprechend aufleuchten lassen.

- USB Powerbank Funktion und Schnellladeregler. Der erste IC erzeugt einen stabilen 5-V-IC aus der Batteriespannung von 2, 5 V bis 4, 2 V. Der zweite IC ist eine schöne Ergänzung - es ist ein USB-Laderegler. Wenn Sie das Telefon an den Ladeanschluss anschließen, kommuniziert dieser IC das Telefon und teilt ihm mit, dass es sich um einen intelligenten Ladeanschluss handelt, 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 gibt es 125 Komponenten :)

Um sie auf eine sehr kleine Platine zu montieren, 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 Zeit, den Leiterplattenbereich auf die gewünschten Abmessungen zu formen und die Komponenten auf der Leiterplatte zu platzieren.

Dies ist eine ziemlich langwierige Aufgabe, aber Sie werden es genießen. Es ist ein schöner und entspannender Job.

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

Ich benutze Altium Designer, ein professionelles Programm, und bekomme eine Lizenz von meinem Job. Für einen Hobbyisten ist ein Adler oder eine Kicad eine bessere Lösung, da der Einstieg viel einfacher ist.

Ich arbeite mit Komponenten, die auch in 3D gezeichnet sind. Dies hilft sehr bei der Visualisierung und Gestaltung der Gehäuse, da Sie wissen, wo sich die Dinge befinden und wie hoch sie sind. Das Zeichnen der Fußabdrücke von Bauteilen mit 3D-Körpern erfordert jedoch dreimal so viel Arbeit. Aber es lohnt sich auf lange Sicht.

Schritt 5: Herstellung der Leiterplatte

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

Jetzt können Sie 2-lagige Leiterplatten für 2usd + 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 zu Kupferschichten auf der Leiterplatte enthalten) exportieren, auf ihre Website hochladen und einige Wochen warten, bis Ihr Lieblingspostbote Ihr Meisterwerk geliefert hat.

Schritt 6: Löten

Das Löten von so kleinen Bauteilen ist keine leichte Aufgabe. Aber mit einem guten Lötkolben und einer guten Sicht kann dies erreicht werden.

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

Für dieses Projekt habe ich lächerlich kleine Komponenten ausgewählt, 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 Teil problemlos in 3D modellieren und mit meinem Hobby-Router herstellen.

Ich könnte alle Löcher und Ausschnitte so ausschneiden, dass sie perfekt passen.

Schritt 8: Starten der Baugruppe

Dann begann die Montage und plötzlich passte alles perfekt.

Unter der Platine habe ich das Kapton-Band abgeklebt, damit die Platine elektrisch vom Aluminium isoliert war, sodass 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 Stromanschluss montiert, alles angeschlossen, das Objektiv für die LED montiert und die Batterien in die Batteriehalter montiert, die Thermistoren zur Messung der Batterietemperatur aufgeklebt. Die Lade-ICs halten den Akku innerhalb der Sicherheitsgrenzen. Wenn die Temperatur zu niedrig oder zu heiß ist, 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 der Anleitung an, um zu sehen, wie es in Aktion ist 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 ich es richtig machen soll. Wenn Sie eine Idee haben, teilen Sie dies in den Kommentaren mit.

Also .. Jetzt denkst du, ich bin ein Profi und du kannst so etwas nicht schaffen. 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. Natürlich haben die meisten nicht funktioniert. Durch Versuch und Irrtum wurde ich immer besser. Ich las einige Bücher, studierte Elektrotechnik und begann viele Leiterplatten herzustellen. Mit jedem wurde ich besser. Und du auch!


Vielen Dank für das Lesen meiner Anleitung! Bitte überprüfen Sie auch meine anderen Anweisungen!

Ähnlicher Artikel