Comment j'ai fabriqué la lampe de poche la plus avancée de tous les temps : 10 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

La conception de PCB est mon point faible. J'ai souvent une idée simple et décide de la réaliser aussi complexe et parfaite que possible.

J'ai donc regardé une fois une vieille lampe de poche "militaire" de 4,5 V avec une ampoule ordinaire qui recueillait la poussière a. Le rendement lumineux de cette ampoule était assez misérable et les batteries n'étaient pas rechargeables, la durée de vie de la batterie était inexistante. Mais son étui était sympa.

J'ai donc décidé de lui donner un nouveau cœur high-tech.

Alors je me suis demandé: "Combien de fonctionnalités est-ce que je veux intégrer ?" et j'ai répondu: "Oui. Toutes."

:)

Je voulais:- une excellente autonomie qui a été archivée avec une batterie Li-Ion rechargeable de 3,7V 6000mAh (3x NCR18500A). La durée de vie de la batterie varie de 20 heures à 6 heures, selon le réglage de la puissance.

- diode LED à l'efficacité la plus élevée que j'ai pu trouver - Cree XP-G3 ultra efficace (187lm/W)

- Circuit intégré de pilote de LED à l'efficacité la plus élevée possible (plus de 90 %) - Les pilotes de LED grand public ne sont efficaces qu'à environ 60 %

- Je voulais le charger via USB et avec un adaptateur externe jusqu'à 40V, donc je pouvais le charger n'importe où avec n'importe quoi

- Je voulais qu'il serve également de banque d'alimentation pour pouvoir charger mon téléphone avec

- Je voulais un indicateur d'état de charge pour voir combien de jus est encore à l'intérieur

- et je voulais tout ranger dans ce petit boîtier

J'avais donc besoin de concevoir un PCB personnalisé qui s'adapterait à l'intérieur de son boîtier et j'avais besoin d'adapter tout ce qui est décrit ci-dessus sur cette carte.

Ci-dessus, une vidéo montrant l'ensemble du processus de conception. N'hésitez pas à regarder, partager, aimer et vous abonner à ma chaîne youtube:)

Je vais décrire plus en détail les étapes de conception dans cette instructable.

Espérons que cette instructable donnera à certaines personnes une perspective sur ce qui peut être fait et combien de travail il faut pour le faire et peut-être même inspirer certains enfants à devenir ingénieurs électriciens:)

Étape 1: La vieille lampe de poche

C'était une lumière bon marché, fonctionnant avec une batterie de 4,5 V et aussi brillante qu'une bougie ordinaire.

Il y avait des filtres rouges et verts froids et manuels qui étaient très cool.

Étape 2: Vider la lampe de poche

J'ai vidé toutes les pièces et mesuré les dimensions internes. J'avais besoin de concevoir la planche qui s'intégrerait parfaitement.

J'ai décidé d'utiliser 3 batteries lithium en parallèle. Le boîtier était trop petit pour utiliser les cellules 18650 classiques. J'ai donc décidé d'utiliser des cellules 18500 un peu plus courtes - Panasonic NCR18500A avec environ 2000mAh chacune. J'avais donc une assez bonne capacité de 6Ah au total

Cela signifiait que l'espace pour le PCB était plutôt petit. Mais ils disent: "on pourrait se débrouiller s'il essayait":)

Étape 3: Le schéma

J'ai donc fait ce schéma incroyablement complexe. Ne me demandez pas les heures que j'ai passées pour ça:)

J'ai cherché et sélectionné les composants appropriés pendant plusieurs jours, avant de conclure. Cela signifie parcourir les sites des fabricants (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices…) pour les circuits intégrés par catégorie et sélectionner celui qui correspond à mes besoins. Et le circuit intégré doit être disponible à l'achat en quantités odorantes sur des sites comme Farnell, Mouser et Digikey.

Le câblage de tous les circuits intégrés n'est pas aussi difficile qu'il n'y paraît, car les fabricants incluent toujours un schéma de câblage de base dans la fiche technique du circuit intégré. Je n'entrerai pas dans les détails ici sur le schéma, si une question se pose, n'hésitez pas à la poser dans les commentaires.

Le schéma comprend les sous-circuits suivants:

- Protection contre les surcharges / décharges excessives et les surintensités de la batterie qui maintient la batterie dans les limites de fonctionnement sûres.

- Contrôleur de charge lente USB - utilisé pour charger lentement la lampe de poche via le port micro USB. C'est plus pratique, mais la lampe de poche peut charger jusqu'à 12 heures via cette option. J'ai ajouté un interrupteur pour sélectionner le courant de charge entre 100mA (limite de courant USB 1.0), 500mA (courant USB standard) et 800mA (chargeur mural)

- Contrôleur de charge rapide - ce circuit intégré contrôle la charge via le connecteur jack DC monté sur le boîtier de la batterie. Il peut gérer une tension d'entrée de 5V à 40V, dispose d'une protection contre l'inversion de polarité et peut charger la batterie en quelques heures maximum. J'ai ajouté un interrupteur pour sélectionner deux courants de charge différents en fonction de la limitation de la source d'alimentation. Le courant est sélectionnable entre 1A et 3A. De cette façon, vous ne pouvez pas surcharger un adaptateur mural CC de puissance inférieure. Je le voulais universel:)

- Driver LED - J'ai choisi un driver LED à haute efficacité (90%), capable de piloter la LED avec jusqu'à 1A de courant (environ 3W). C'est une puissance assez faible, mais j'ai choisi la LED la plus efficace que j'ai pu trouver - Cree XP-G3 (187lm/W) qui compense la faible puissance d'entraînement. Je voulais une efficacité et une autonomie de batterie les plus élevées possibles. Le pilote prend en charge 4 paramètres de puissance réglables. J'ai choisi Off, 1W, 2W et 3W.

- Le commutateur rotatif en décodeur binaire - cela est dû au fait que les sorties d'alimentation du pilote de LED étaient codées en binaire et que j'avais besoin de convertir la sortie d'un commutateur en code binaire à 2 bits avec un circuit intégré à double porte OU.

- Indicateur de jauge de carburant de batterie que j'ai conçu discrètement avec 4 comparateurs, une référence de tension de précision et des diviseurs de résistance de précision. Il indiquait la capacité restante en fonction de la tension de la batterie. J'ai trouvé une courbe de tension de décharge pour une cellule de batterie similaire et calculé les diviseurs de résistance afin qu'ils allument les LED en conséquence.

- Fonction powerbank USB et contrôleur de charge rapide. Le premier IC génère un IC 5V stable à partir de la tension de la batterie 2,5V - 4,2V. Le deuxième IC est un bel ajout - il s'agit d'un contrôleur de charge USB. Lorsque vous connectez le téléphone au port de charge, ce circuit intégré communique avec le téléphone et lui indique ce qu'il s'agit d'un port de charge intelligent et indique au téléphone qu'il peut prendre jusqu'à 1,5 A de courant de charge. Sans ce circuit intégré, de nombreux téléphones ne se chargeraient qu'avec le courant USB par défaut de 500 mA. Lorsque la charge rapide est établie, une LED s'allume pour que vous puissiez voir que le téléphone est en charge rapide. Un petit interrupteur sur le PCB est utilisé pour activer la fonctionnalité powerbank.

Si vous le croyez ou non, sur ce schéma il y a 125 composants:)

J'ai commandé de les installer sur une très petite carte. J'ai dû utiliser des composants passifs miniatures de taille 0402 - une taille de résistance est de 1 mm x 0,5 mm ou 0,04 par 0,02 pouces. D'où leur taille 0402.

Étape 4: Le PCB

Ensuite, lorsque le schéma est terminé, il est temps de façonner la zone du PCB aux dimensions souhaitées et de placer les composants sur le PCB.

C'est une tâche assez longue, mais vous prendrez plaisir à le faire. C'est un travail agréable et relaxant.

Un peu de connaissance sur les placements de composants particuliers est utile. Il est principalement obtenu avec des livres et des tutoriels et certains viennent en pratique. Plus vous fabriquerez de PCB, meilleur vous deviendrez à le faire.

J'utilise Altium Designer qui est un programme professionnel et j'obtiens une licence de mon travail. Mais pour un amateur, un Eagle, Kicad, designspark PCB et bien d'autres sont une meilleure solution car il est beaucoup plus facile de se lancer.

Je travaille avec des composants également dessinés en 3D, ce qui aide beaucoup pour la visualisation et la conception des boîtiers, car on sait où sont les choses et à quelle hauteur elles sont. Mais dessiner les empreintes de composants avec des corps 3D prend 3 fois plus de travail. Mais cela en vaut la peine sur le long terme.

Voici les données de conception de PCB, y compris les gerbers, les fichiers schématiques plus volumineux, l'assemblage et la nomenclature:

J'utilise JLCPCB pour faire mes planches. Le coût de cette planche n'est que de quelques $ pour 5 pièces (plus les frais d'expédition), ce qui est une bonne affaire ! Inscrivez-vous pour obtenir des coupons de nouvel utilisateur de 18 $:

Vous pouvez utiliser le code promo "JLCPCBcom" à la caisse pour une petite remise.

Étape 5: Fabrication du PCB

Les jours de gravure du PCB à la maison sont comptés. Au lycée, il y a 10 ans, j'avais l'habitude de graver mes PCB à la maison. C'était bien moins cher comme ça. Mais alors, il n'y avait aucune entreprise chinoise offrant des PCB presque gratuitement.:)

Maintenant, vous pouvez obtenir des PCB à 2 couches pour 2 USD + expédition sur des sites comme JLCPCB.com. C'est beaucoup plus pratique de cette façon et vous obtenez des tableaux de qualité professionnelle.

Il vous suffit d'exporter les fichiers gerber (qui contiennent des informations sur les couches de cuivre sur le PCB) et de les télécharger sur leur site et d'attendre quelques semaines que votre facteur préféré vous livre votre chef-d'œuvre.

Étape 6: Souder

Souder des composants aussi petits n'est pas une tâche facile. Mais avec un bon fer à souder et une bonne vision, cela peut être fait.

J'utilise la station de soudure Ersa Icon qui fait très bien le travail.

Pour ce projet, j'ai choisi des composants ridiculement petits parce que j'avais très peu d'espace. Sinon je choisirais des composants 0603 ou 0805 qui sont beaucoup plus faciles à souder.

Étape 7: Le dissipateur thermique pour LED

J'avais besoin d'installer une masse d'aluminium dans le boîtier afin de répartir la chaleur de la LED.

Comme j'avais le modèle 3D de ma planche, je pouvais facilement modéliser la pièce en 3D et la fabriquer avec ma défonceuse amateur.

Je pourrais découper tous les trous et découpes pour l'adapter parfaitement.

Étape 8: Démarrage de l'assemblage

Ensuite, l'assemblage a commencé et tout s'est soudainement parfaitement adapté.

Sous le PCB, j'ai collé le ruban Kapton afin que la carte soit électriquement isolée de l'aluminium afin qu'aucun court-circuit ne puisse se produire.

Étape 9: Quelques heures de sertissage du câble plus tard…

La bête était presque complète !

J'ai serti les câbles, monté l'interrupteur et le connecteur d'alimentation, connecté toutes les choses, monté la lentille pour la LED et monté les batteries à l'intérieur des supports de batterie, collé les thermistances pour mesurer la température de la batterie. Les circuits intégrés de charge maintiennent la batterie dans les limites de sécurité. Si la température est trop basse ou trop chaude, le courant de charge est réduit afin de ne pas endommager la batterie.

Étape 10: Et puis…

Fini!

La lampe torche était terminée ! Voir la vidéo en haut de l'instructable pour le voir en action et à quel point il brille !

La seule chose à mettre à niveau est que je dois en quelque sorte sceller le trou autour des connecteurs USB pour la poussière.

Mais je n'ai pas encore compris comment le faire correctement. Si vous avez une idée, dites-le dans les commentaires.

Alors.. Maintenant, vous pensez que je suis un professionnel et vous n'êtes pas capable de créer une telle chose. Mais vous vous trompez. Quand j'ai commencé avec l'électronique au collège, je n'avais aucune idée de ce que je faisais non plus. Je cherchais des schémas en ligne et j'ai essayé de les souder alors que je ne savais même pas ce qu'était un transistor et comment il fonctionnait. Bien sûr, la plupart d'entre eux n'ont pas fonctionné. Par essais et erreurs, j'allais de mieux en mieux. J'ai lu quelques livres, j'ai étudié le génie électrique et j'ai commencé à fabriquer de nombreux PCB. Avec chacun je me suis amélioré. Et toi aussi !

Merci d'avoir lu mon instructable ! Veuillez également vérifier mes autres instructables !

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pour les spoilers sur ce sur quoi je travaille actuellement, les coulisses et autres extras !

Finaliste du PCB Design Challenge