Cómo hice la linterna más avanzada de la historia

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 vida útil de la batería era inexistente. Pero su caso fue agradable.

Así que decidí darle un nuevo corazón de alta tecnología.

Entonces me pregunté: "¿Cuántas funcionalidades quiero incorporar?"

y dije: "Sí. Todos ellos".

:)

Quise:

- excelente duración de la batería que se archivó con una batería recargable de iones de litio de 3.7V 6000mAh (3x NCR18500A). La duración de la batería varía de 20 horas a 6 horas, dependiendo de la configuración de energía.

- Diodo LED de máxima eficiencia posible que pude encontrar - Cree XP-G3 ultra eficiente (187lm / W)

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

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

- También quería que 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 dentro

- y quería encajar todo dentro de ese pequeño estuche

Por lo tanto, necesitaba diseñar una PCB personalizada que encajara dentro de su caja y necesitaba adaptar todo lo descrito anteriormente en esa placa.

Arriba hay un video que muestra todo el proceso de diseño. Siéntase libre de mirar, compartir, dar me gusta y suscribirse a mi canal de youtube :)

Describiré más detalladamente los pasos de diseño en este instructable.

Con suerte, este instructable les 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 fríos operados manualmente que eran muy geniales.

Paso 2: destripar la linterna

Destripaba todas las partes y medía las dimensiones internas. Necesitaba diseñar el tablero que encajara perfectamente.

Decidí usar 3 baterías de litio en paralelo. El caso 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. Entonces tenía una capacidad bastante buena de 6Ah en total

Esto significaba que el espacio para el PCB 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 CI por categoría y seleccionar uno que se ajuste 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 contra sobrecarga / sobredescarga de la batería y sobrecorriente que mantiene la batería dentro de los 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 cargarse 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 DC 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 pocas horas como máximo. Agregué un interruptor para seleccionar dos corrientes de carga diferentes dependiendo de 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 baja potencia. Lo quería universal :)

- Controlador LED: elegí un controlador LED de alta eficiencia (90%), capaz de controlar el LED con hasta 1 A de corriente (alrededor de 3 W). 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 Off, 1W, 2W y 3W.

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

- Indicador de indicador de combustible de batería que diseñé discretamente con 4 comparadores, referencia de voltaje de precisión y divisores de resistencia de precisión. Indicaba la capacidad restante basada en el 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 IC genera un IC estable de 5V a partir del voltaje de la batería de 2.5V - 4.2V. 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 1.5A 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 ilumina un LED para que pueda ver que el teléfono se está cargando rápidamente. Se utiliza un pequeño interruptor en la PCB para habilitar la funcionalidad del banco de energía.

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

Ordené colocarlos en una placa muy pequeña. Tuve que usar componentes pasivos en miniatura de tamaño 0402: el tamaño de una resistencia es de 1 mm x 0.5 mm o 0.04 por 0.02 pulgadas. De ahí su tamaño 0402.

Paso 4: el PCB

Luego, cuando se completa el esquema, es hora 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 disfrutarás haciéndola. Es un trabajo agradable y relajante.

Un poco de conocimiento sobre la colocación de componentes particulares es útil. Se obtiene principalmente con libros y tutoriales y algunos vienen en la práctica. Cuantos más PCB tenga, mejor será al hacerlo.

Uso Altium Designer, que es un programa profesional y obtengo una licencia de mi trabajo. Pero para un aficionado, un Eagle o Kicad es una mejor solución, ya que es mucho más fácil comenzar.

Trabajo con componentes también dibujados en 3D, lo que ayuda mucho para visualizar y diseñar los recintos, porque sabes dónde están las cosas y qué tan altas son. Pero dibujar las huellas de los componentes con cuerpos 3D requiere 3 veces más trabajo. Pero vale la pena a largo plazo.

Paso 5: Fabricación de la PCB

Los días de grabado de la 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 entonces no había compañías chinas que ofrecieran PCB casi gratis. :)

Ahora puede obtener PCB de 2 capas hechas para envío de 2 usd + en sitios como JLCPCB.com. Es mucho más conveniente de esta manera y obtienes tableros de grado 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 algunas semanas para que su cartero favorito entregue su obra maestra.

Paso 6: Soldadura

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

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

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 algo de masa de aluminio en el recinto para distribuir el calor del LED.

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

Podría cortar todos los agujeros y recortes para que encajen perfectamente.

Paso 8: inicio de la asamblea

Luego comenzó el montaje y de repente todo encajó perfectamente.

Debajo de la PCB, pegué con cinta adhesiva la cinta Kapton para que la placa estuviera aislada eléctricamente del aluminio para que no pudieran producirse cortocircuitos.

Paso 9: unas pocas horas de engarzado de cable 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 soportes de la batería, 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 ...

¡Terminado!

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

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

Pero aún 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 te equivocas. 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, me estaba volviendo cada vez mejor. Leí algunos libros, fui a estudiar ingeniería eléctrica y comencé a fabricar muchos PCB. Con cada uno me puse mejor. ¡Y tú también puedes!

Gracias por leer mi instructable! Por favor, compruebe también mis otros instructables!