Cómo hice la linterna más avanzada de todos los tiempos: 10 pasos (con imágenes)

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

El diseño de PCB es mi punto débil. A menudo tengo una idea simple y decido realizarla de la manera más compleja y perfecta posible.

Así que una vez miré una vieja linterna "militar" de 4.5V con bombilla normal que estaba acumulando polvo a. La salida de luz de esa bombilla era bastante miserable y las baterías no eran recargables, la duración de la batería era inexistente. Pero su caso era bonito.

Así que decidí darle un nuevo corazón de alta tecnología.

Entonces me pregunté: "¿Cuántas funcionalidades quiero incorporar?" Y dije: "Sí. Todas".

:)

Quería: - excelente duración de la batería que se archivó con una batería recargable de iones de litio de 3,7 V 6000 mAh (3x NCR18500A). La duración de la batería varía de 20 a 6 horas, según la configuración de energía.

- diodo LED de mayor eficiencia posible que pude encontrar - Cree XP-G3 ultraeficiente (187lm / W)

- IC de controlador de LED de mayor eficiencia posible (más del 90%) - Los controladores de LED de consumo son solo alrededor del 60% de eficiencia

- Quería cargarlo a través de USB y con adaptador externo hasta 40V, para poder cargarlo en cualquier lugar con cualquier cosa.

- Quería que también sirviera como banco de energía, para poder cargar mi teléfono con él

- Quería un indicador de estado de carga, para poder ver cuánto jugo queda todavía dentro

- y quería meter todo dentro de ese pequeño estuche

Así que necesitaba diseñar un PCB personalizado que encajara dentro de su carcasa y necesitaba encajar todo lo descrito anteriormente en esa placa.

Arriba hay un video que muestra todo el proceso de diseño. No dudes en mirar, compartir, dar me gusta y suscribirte a mi canal de youtube:)

Describiré con más detalle los pasos de diseño en este instructivo.

Con suerte, este instructivo le dará a algunas personas una perspectiva sobre lo que se puede hacer y cuánto trabajo se necesita para hacerlo y tal vez incluso inspire a algunos niños a convertirse en ingenieros eléctricos:)

Paso 1: la vieja linterna

Esta era una luz barata, funcionaba con una batería de 4.5V y era tan brillante como una vela normal.

Tenía filtros rojos y verdes frescos, operados manualmente, que eran muy geniales.

Paso 2: Destripar la linterna

Destripé todas las partes y medí las dimensiones internas. Necesitaba diseñar la placa que encajara perfectamente.

Decidí usar 3 baterías de litio en paralelo. El estuche era demasiado pequeño para usar las clásicas celdas 18650. Así que decidí usar celdas 18500 un poco más cortas: Panasonic NCR18500A con alrededor de 2000 mAh cada una. Así que tenía una capacidad bastante buena de 6Ah en total.

Esto significaba que el espacio para la placa de circuito impreso era bastante pequeño. Pero dicen: "uno podría arreglárselas si lo intentara":)

Paso 3: el esquema

Así que hice este esquema increíblemente complejo. No me preguntes sobre las horas que pasé por esto:)

Estuve buscando y seleccionando los componentes apropiados durante varios días, antes de llegar a una conclusión. Esto significa buscar en los sitios de los fabricantes (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices…) los circuitos integrados por categoría y seleccionar uno que se adapte a mis necesidades. Y el IC debe estar disponible para comprar en cantidades de olor en sitios como Farnell, Mouser y Digikey.

El cableado de todos los circuitos integrados no es tan difícil como parece, porque los fabricantes siempre incluyen un diagrama de cableado básico en la hoja de datos del circuito integrado. No entraré en detalles aquí sobre el esquema, si surge alguna pregunta, no dude en preguntar en los comentarios.

El esquema incluye los siguientes subcircuitos:

- Protección de sobrecarga / sobredescarga y sobrecorriente de la batería que mantiene la batería dentro de límites operativos seguros.

- Controlador de carga lenta USB: se utiliza para cargar la linterna lentamente a través del puerto micro USB. Esto es una conveniencia adicional, pero la linterna podría cargar hasta 12 horas a través de esta opción. Agregué un interruptor para seleccionar la corriente de carga entre 100 mA (límite de corriente USB 1.0), 500 mA (corriente USB estándar) y 800 mA (cargador de pared).

- Controlador de carga rápida: este IC controla la carga a través del conector jack de CC montado en la caja de la batería. Puede manejar voltaje de entrada de 5V a 40V, tiene una protección de polaridad inversa y puede cargar la batería en unas pocas horas como máximo. Agregué un interruptor para seleccionar dos corrientes de carga diferentes según la limitación de la fuente de alimentación. La corriente se puede seleccionar entre 1A y 3A. De esta manera, no puede sobrecargar un adaptador de pared de CC de menor potencia. Lo quería universal:)

- Controlador LED: elegí un controlador LED de alta eficiencia (90%), capaz de impulsar el LED con hasta 1A de corriente (alrededor de 3W). Esta es una potencia bastante baja, pero elegí el LED de mayor eficiencia que pude encontrar: Cree XP-G3 (187lm / W) que compensa la baja potencia de conducción. Quería la mayor eficiencia y duración de la batería posibles. El controlador admite 4 configuraciones de energía configurables. Elegí Apagado, 1W, 2W y 3W.

- El interruptor giratorio al decodificador binario: esto se debe a que las salidas de potencia del controlador LED estaban codificadas en binario y necesitaba convertir la salida de un interruptor a un código binario de 2 bits con IC de doble puerta OR.

- Indicador del medidor de combustible de la batería que diseñé discretamente con 4 comparadores, referencia de voltaje de precisión y divisores de resistencia de precisión. Indicaba la capacidad restante en función del voltaje de la batería. Encontré una curva de voltaje de descarga para una celda de batería similar y calculé los divisores de resistencia para que iluminen los LED en consecuencia.

- Función de banco de energía USB y controlador de carga rápida. El primer circuito integrado genera un circuito integrado estable de 5 V a partir del voltaje de la batería de 2,5 V a 4,2 V. El segundo IC es una buena adición: es un controlador de carga USB. Cuando conecta el teléfono al puerto de carga, este IC comunica el teléfono y le dice qué es un puerto de carga inteligente y le dice al teléfono que puede tomar hasta 1,5 A de corriente de carga. Sin este IC, muchos teléfonos se cargarían solo con la corriente USB predeterminada de 500 mA. Cuando se establece la carga rápida, se enciende un LED para que pueda ver que el teléfono se está cargando rápidamente. Se usa un pequeño interruptor en la PCB para habilitar la funcionalidad del banco de energía.

Si lo cree o no, en este esquema hay 125 componentes:)

Para colocarlos en una placa muy pequeña, tuve que usar componentes pasivos en miniatura de tamaño 0402: un tamaño de resistencia es de 1 mm x 0,5 mm o 0,04 por 0,02 pulgadas. De ahí su tamaño 0402.

Paso 4: la PCB

Luego, cuando el esquema esté completo, es el momento de dar forma al área de la PCB a las dimensiones deseadas y colocar los componentes en la PCB.

Esta es una tarea bastante larga, pero disfrutará haciéndola. Es un trabajo agradable y relajante.

Un poco de conocimiento sobre la ubicación de componentes particulares resulta útil. Se obtiene mayoritariamente con libros y tutoriales y algunos llegan a la práctica. Cuantos más PCB haga, mejor lo hará.

Utilizo Altium Designer, que es un programa profesional y obtengo una licencia de mi trabajo. Pero para un aficionado, un Eagle, Kicad, designspark PCB y muchos otros son una mejor solución, ya que es mucho más fácil comenzar.

Trabajo con componentes también dibujados en 3D, lo que ayuda mucho a visualizar y diseñar los cerramientos, porque sabes dónde están las cosas y a qué altura. Pero dibujar las huellas de los componentes con cuerpos 3D requiere 3 veces más trabajo. Pero vale la pena a la larga.

Aquí están los datos de diseño de PCB, incluidos gerbers, archivos esquemáticos más grandes, ensamblaje y lista de materiales:

Utilizo JLCPCB para hacer mis placas. El costo de esta placa es de solo unos $ por 5 piezas (más el envío), ¡lo cual es una ganga! Regístrese para obtener cupones de $ 18 para nuevos usuarios:

Puede utilizar el código de cupón "JLCPCBcom" al finalizar la compra para obtener un pequeño descuento.

Paso 5: Fabricación de la PCB

Los días de grabar el PCB en casa están contados. En la escuela secundaria, hace 10 años, solía grabar mis PCB en casa. Era mucho más barato de esa manera. Pero tampoco había empresas chinas que ofrecieran PCB casi gratis.:)

Ahora puede obtener PCB de 2 capas para envíos de más de 2 usd en sitios como JLCPCB.com. Es mucho más conveniente de esta manera y obtienes tableros de calidad profesional.

Solo necesita exportar los archivos gerber (que contienen información sobre las capas de cobre en la PCB) y subirlos a su sitio y esperar unas semanas a que su cartero favorito entregue su obra maestra.

Paso 6: soldadura

Soldar componentes tan pequeños no es una tarea fácil. Pero con un buen soldador y una buena visión se puede hacer.

Utilizo la estación de soldadura Ersa Icon que hace muy bien el trabajo.

Para este proyecto elegí componentes ridículamente pequeños porque tenía muy poco espacio. De lo contrario, elegiría componentes 0603 o 0805 que son mucho más fáciles de soldar.

Paso 7: el disipador de calor para LED

Necesitaba colocar un poco de masa de aluminio en la carcasa para distribuir el calor del LED.

Como tenía el modelo 3D de mi tablero, podía modelar fácilmente la pieza en 3D y fabricarla con mi enrutador aficionado.

Podría cortar todos los agujeros y recortes para encajarlo perfectamente.

Paso 8: Inicio del ensamblaje

Entonces comenzó el montaje y de repente todo encajó a la perfección.

Debajo de la PCB, pegué la cinta Kapton para que la placa estuviera aislada eléctricamente del aluminio para que no se produjeran cortocircuitos.

Paso 9: Unas horas de prensado de cables más tarde …

¡La bestia estaba casi completa!

Engarcé los cables, monté el interruptor y el conector de alimentación, conecté todas las cosas, monté la lente para el LED y monté las baterías dentro de los portapilas, pegué los termistores para medir la temperatura de la batería. Los circuitos integrados de carga mantienen la batería dentro de los límites de seguridad. Si la temperatura es demasiado baja o demasiado alta, la corriente de carga se reduce para no dañar la batería.

Paso 10: Y luego …

¡Finalizado!

¡La linterna estaba completa! ¡Vea el video en la parte superior del instructivo para verlo en acción y lo brillante que brilla!

Lo único que necesita actualizar es que necesito sellar de alguna manera el orificio alrededor de los conectores USB para evitar el polvo.

Pero todavía no he descubierto cómo hacerlo correctamente. Si tienes alguna idea, cuéntala en los comentarios.

Entonces … Ahora crees que soy un profesional y no eres capaz de crear tal cosa. Pero estás equivocado. Cuando comencé con la electrónica en la escuela secundaria, tampoco tenía idea de lo que estaba haciendo. Estaba buscando esquemas en línea e intenté soldarlos cuando ni siquiera sabía qué era un transistor y cómo funcionaba. Por supuesto, la mayoría de ellos no funcionó. A través de prueba y error, estaba mejorando cada vez más. Leí algunos libros, fui a estudiar ingeniería eléctrica y comencé a fabricar muchos PCB. Con cada uno mejoré. ¡Y tú también puedes!

¡Gracias por leer mi instructable! ¡Por favor, consulte también mis otros instructivos!

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¡para spoilers sobre lo que estoy trabajando actualmente, detrás de escena y otros extras!

Finalista en el desafío de diseño de PCB