Luz nocturna alimentada por USB con respaldo de batería (dos diseños): 3 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Hace un tiempo, descubrí la necesidad de una luz nocturna a pilas para mi habitación. La idea era que no quería levantarme de la cama cada vez que quería apagar la luz para acostarme. También necesitaba una luz que no fuera tan brillante como la luz de mi dormitorio porque pasar de muy brillante a muy oscuro no es muy divertido para los ojos. Y además de eso, nuestra compañía de energía tenía un período de tiempo en el que nuestra energía se cortaba cada dos semanas durante varios minutos a la vez … varias veces esa semana en particular. Mi pensamiento era que si el poder se apagaba al azar sin ninguna razón durante el verano, de todos los tiempos, ¿cómo sería en el invierno?

Estas son algunas de mis necesidades:

• Primero, bajo consumo. Todavía estoy trabajando en esta parte, pero ya es bastante bajo tal como está.
• Siento que podría hacerlo mejor y al mismo tiempo hacerlo más barato, que era el segundo objetivo.
• También, por supuesto, funciona con pilas.
• Brillo: alrededor de un nivel medio-bajo; lo suficientemente brillante para ver lo que es todo. Qué tan brillante es esto para usted, tendrá que probarlo. Si es demasiado brillante, será un poco difícil para tus ojos, ¡especialmente si tienes que volver a encenderlo después de que ha estado apagado por un tiempo!
• Diseño compacto: quería que esto estuviera sentado en el borde de un escritorio desordenado porque es donde se sienta mi cama. No en el escritorio, al lado.
• Partes mínimas debido al elemento anterior en la lista y ayuda al tercer elemento.

Se me ocurrió un diseño extremadamente básico. Lo pensé y se me ocurrieron escenarios que harían que el diseño fuera un poco molesto de usar. Por ejemplo, si se cortó la energía mientras estaba oscuro, necesitaría una forma de ver el interruptor de encendido para encenderlo. Consideré usar un interruptor con un actuador iluminado y solo puse suficiente corriente a través de él para que brille. Usaría solo un poco más de energía, pero tal vez eso podría compensarse más adelante en el diseño. Y, relacionado, no esperaría hasta que estuviera completamente oscuro antes de encenderlo. Lo haría en algún momento antes de que realmente fuera necesario. Además, ¿qué pasa si me olvido de apagarlo antes de acostarme? Necesitaba una forma de proteger la batería.

Después de pensarlo un poco más, se me ocurrió un diseño básico que resolvería mucho de esto. Estaba destinado a enchufarse a la pared para detectar si hay un corte de energía a través de un circuito de transistores. Decidí usar esto para alimentar un relé en su lugar y el relé seleccionaría entre las baterías y otra fuente de alimentación (específicamente, la que alimenta el relé) para los LED.

Cuando mencioné este proyecto a un par de personas, admitieron tener miedo a la oscuridad y algo así sería útil. Esto me ha motivado para seguir trabajando en el proyecto. Desde entonces, se me ocurrió la versión avanzada que es (en su mayoría) compatible con la placa de pruebas, pero salté directamente a colocarla en una placa de circuito personalizada, por lo que no tengo instrucciones de montaje de la placa de pruebas. Si sabe cómo hacer una placa de pruebas y puede seguir los esquemas, no debería tener problemas para conectarlo.

Suministros:

Si desea usar la versión básica con la que comencé, use esta lista:

1. Una verruga de pared Sacrificial ™ (piense en un cargador de teléfono antiguo o uno de los cientos de bloques de energía que tiene en un cajón o caja en algún lugar del que no tiene idea de a qué se dirigen)
2. Un relé SPDT clasificado para el voltaje del artículo anterior. Usé un relé HVAC antiguo que un técnico reemplazó hace muchos años (personalmente no encontré nada malo en él). Los relés de HVAC son un poco incómodos: son DPST, pero un conjunto de contactos está normalmente abierto y el otro conjunto está normalmente cerrado. También están clasificados para 24 VCA y mi enchufe de pared elegido emitió 12 VCC.
3. Una barra LED blanca de 12 voltios: utilicé una de estas, pero el sitio web ya no las vende. Siempre tienes la libertad de adaptarte a lo que tienes o a lo que puedes acceder, o incluso diseñar el tuyo propio.
4. Un interruptor SPST
5. Una o más baterías. Usé dos baterías de linterna de 6 voltios en serie, aunque quería usar una sola batería de linterna de 12 voltios.
6. Alguna forma de conectarlo todo junto

Si desea crear la versión mejorada, use esta lista:

1. Una fuente de alimentación externa de 5 VCC. Este diseño fue directamente a PCB (más sobre esto más adelante), así que conecté un conector hembra USB tipo B allí. Puede cortar el extremo de un cable USB Sacrificial ™ y pelar los cables (solo necesita el cable de 5 voltios y GND)
2. Una fuente de energía de respaldo, es decir, la batería
3. Un relé DPDT de 5 voltios. Usé esto. ¡Es compatible con la placa de pruebas!
4. Un interruptor DPST
5. Un regulador de voltaje LM7805 (aquí)
6. Un condensador de 0.22uF (opcional). La hoja de datos implica que debería ser de tipo cerámico, pero no dice explícitamente que debería ser como lo hace para el condensador de salida (que no agregué)
7. Cinco resistencias limitadoras de corriente para los LED o (preferiblemente) un bus de resistencias. Los LED en esta lista tienen una caída de voltaje de 3.3V y calculé 85 ohmios como la resistencia requerida. Usé un bus de resistencia con una resistencia de 150 ohmios, que se encuentra aquí.
8. Un diodo 1N4004
9. Cinco LED blancos (3v3 @ 20mA)
10. Una forma de conectarlo todo junto

Si desea la versión de placa de circuito, generalmente es la misma lista anterior pero con algunas diferencias:

1. Obviamente, el PCB. Actualmente, el diseño solo se carga en OSH Park y venden tableros en lotes de tres. Puedes conseguir el tablero aquí.
2. Tiene un lugar para bloques de terminales, pero los cables se pueden soldar directamente a la placa. Usé este estilo.
3. Un clip de batería (usé una batería de 9V)
4. El conector USB mencionado anteriormente. Elegí el tipo B y no mini o micro B porque esos dos son demasiado frágiles para mi gusto.

Paso 1: la versión extremadamente básica

Debido a lo que estaba trabajando en ese momento, tenía muchos desafíos que enfrentar. El relevo que tuve se muestra en la primera foto. Si bien lo que se me ocurrió no fue ideal de ninguna manera, funcionó (segunda foto). Convertí mi relé DPST incómodo a SPDT cortocircuitando dos terminales para hacer un pin común. Esta conexión fue al interruptor, luego a la barra LED, luego a tierra. El banco de baterías que hice: el lado positivo fue a la conexión NC en el relé. La bobina del relé estaba conectada a la fuente externa, que mantendría el relé en su posición de "encendido". La fuente de alimentación también se conecta a la conexión NO en el relé. Todos los terrenos están conectados entre sí.

La teoría es que mientras recibe energía externa, el relé permanece en el estado "encendido", por lo que la conexión NA está cerrada y la conexión NC está abierta. Esto significa que la conexión común recibe energía de la fuente externa. Si se pierde energía, el relé vuelve a su estado "apagado" y la conexión común comienza a recibir energía de las baterías. Cualquiera que sea la fuente, el interruptor controla la alimentación de la barra LED. El terreno común entre todo permite un circuito completo en cualquier situación.

Usé conectores de cables reales en la mayor parte del circuito para no tener que soldar nada. Para conectar las baterías (tienen terminales de resorte), utilicé cables de prueba Sacrificial ™ (pinzas de cocodrilo con cables conectados) cortando una por la mitad y pelando los cables (y agregando conectores de cables). El que se usa para conectar ambas baterías sigue siendo de una sola pieza. Todo está montado en una caja de envío SparkFun roja.

No tengo fotos del producto final, pero tomaré algunas si me lo piden.

Paso 2: la versión avanzada

Finalmente pude pedir las piezas necesarias para hacer una versión realmente buena del circuito (que ya había elaborado). Los cambios importantes realizados en este diseño fueron diseñarlo para que funcione con un suministro regulado de 5 V y también el relé no se alimenta constantemente. También tuve que cambiar el interruptor por un tipo DPST. La teoría del funcionamiento es un poco más compleja.

Mirando la mitad de la batería del circuito, digamos que el interruptor está apagado. El relé todavía está cableado de modo que su estado "apagado" hace que la batería se conecte al regulador de 5 voltios, luego la salida del regulador se retroalimenta al relé (una de las conexiones NC) y luego a los LED. El interruptor está conectado entre la batería y el relé para interrumpir el circuito y evitar que fluya la corriente. Si el interruptor está encendido, la corriente podrá fluir a través del circuito.

Mirando la otra mitad del circuito, vemos que la energía del USB pasa inmediatamente al interruptor, luego a la bobina del relé y una de las conexiones NO en el relé. El pin común de esta conexión se comparte con la conexión NC mencionada anteriormente, por lo que este es el conjunto de contactos que realmente cambian entre las fuentes de alimentación. El otro conjunto de contactos es para proteger el regulador de voltaje. Si el interruptor está encendido, el relé se enciende y envía la energía externa a los LED.

El diodo está conectado en paralelo (pero al revés) al relé para reducir el voltaje de retorno cuando el relé cambia de su posición "encendido" a "apagado" en caso de pérdida de energía. Esto es para proteger la fuente de energía: es decir, un cargador de teléfono USB o un puerto USB de PC.

El condensador se puede excluir. La hoja de datos del regulador no especifica qué tan lejos está "del filtro de la fuente de alimentación", así que pensé que también podría incluirlo de todos modos.

Paso 3: la versión de PCB

La versión de PCB es exactamente la misma que la versión avanzada, pero en una placa de circuito. Todas las piezas están montadas en la parte superior de la placa y están etiquetadas con los números de pieza (o alguna otra información importante) para que pueda encontrar piezas de repuesto o sustitutas según sea necesario o deseado. La entrada de la batería (aislada de la entrada del interruptor) tiene una entrada (+) y una entrada (-). El lado (+) está etiquetado con un (+).

La entrada del interruptor tenía una sección A y una sección B, que están etiquetadas con A y B. Los dos terminales que rodean la "A" es la entrada A. Asimismo, las terminales B rodean la "B".

También se incluyen dos orificios de montaje cerca del conector USB. No tienen conexiones eléctricas a nada, ni siquiera entre ellos.

Las tres fotografías fueron tomadas en diferentes momentos. El primero es el tablero en blanco. El segundo es un tablero parcialmente poblado con partes mixtas. El tercero es el tablero completo usando todas las partes requeridas.

Edición previa a la publicación:

Intenté adjuntar los archivos KiCAD (como zip) pero me salió un error. Encontrará otra forma de adjuntar más tarde.