Comment j'ai fabriqué la lampe de poche la plus avancée de tous les temps

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

J'ai donc une fois regardé une vieille lampe de poche "militaire" de 4, 5 V avec une ampoule ordinaire qui collectait la poussière. Le rendement lumineux de cette ampoule était assez misérable et les piles n'étaient pas rechargeables, la durée de vie des piles 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 dois-je intégrer?"

et j'ai dit: "Oui. Tous."

:)

Je voulais:

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

- Diode LED à efficacité la plus élevée possible - Ultra efficace Cree XP-G3 (187lm / W)

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

- 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 aussi qu'il serve de banque d'alimentation, donc je pouvais charger mon téléphone avec

- Je voulais un indicateur d'état de charge, donc je pouvais voir la quantité de jus à l'intérieur

- et je voulais tout ranger dans ce petit étui

J'ai donc dû concevoir un PCB personnalisé qui rentrerait dans son boîtier et je devais 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 décrirai plus en détail les étapes de conception dans cet instructable.

J'espère que cet enseignement 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 inspirera certains enfants à devenir des ingénieurs électriciens :)

Étape 1: l'ancienne lampe de poche

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

Il y avait des filtres rouges et verts frais 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 au 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 6 Ah au total

Cela signifiait que l'espace pour le PCB était plutôt petit. Mais ils disent: "on pourrait s'en sortir 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 :)

Je cherchais et sélectionnais les composants appropriés depuis quelques jours, avant de m'installer. Cela signifie parcourir les sites du fabricant (Texas Instruments, Microchip, Analog Devices ...) pour les CI par catégorie et sélectionner celui qui correspond à mes besoins. Et l'IC doit être disponible pour acheter des quantités d'odeur sur des sites comme Farnell, Mouser et Digikey.

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

Le schéma comprend les sous-circuits suivants:

- Surcharge / décharge excessive de la batterie et protection contre les surintensités qui maintient la batterie dans des limites de fonctionnement sûres.

- Contrôleur de charge lente USB - utilisé pour charger lentement la lampe de poche via le port micro USB. C'est une commodité supplémentaire, mais la lampe de poche peut se 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 CI 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, a une protection contre les inversions de polarité et peut charger la batterie en quelques heures max. 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 DC de puissance inférieure. Je le voulais universel :)

- Driver LED - J'ai choisi un driver LED 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), ce qui compense une faible puissance de conduite. Je voulais l'efficacité et la durée de vie de la batterie les plus élevées possibles. Le pilote prend en charge 4 paramètres d'alimentation réglables. J'ai choisi Off, 1W, 2W et 3W.

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

- 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 a indiqué 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 USB powerbank et contrôleur de charge rapide. Le premier circuit intégré génère un circuit intégré stable de 5 V à partir de la tension de la batterie de 2, 5 V à 4, 2 V. Le deuxième IC est un ajout intéressant - c'est un contrôleur de charge USB. Lorsque vous connectez le téléphone au port de charge, cet IC communique avec le téléphone et lui indique ce que c'est un port de charge intelligent et indique au téléphone qu'il peut prendre jusqu'à 1, 5 A de courant de charge. Sans cet IC, de nombreux téléphones ne chargeraient qu'avec le courant USB par défaut de 500mA. Lorsque la charge rapide est établie, elle allume une LED 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 croyez ou non, sur ce schéma il y a 125 composants :)

Pour 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 apprécierez de 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 ferez de PCB, mieux vous le ferez.

J'utilise Altium Designer qui est un programme professionnel et j'obtiens une licence de mon travail. Mais pour un amateur, un Eagle ou un Kicad est une meilleure solution car il est beaucoup plus facile de commencer.

Je travaille avec des composants également dessinés en 3D, ce qui aide beaucoup à visualiser et à concevoir les boîtiers, car vous savez où sont les choses et à quelle hauteur. Mais dessiner les empreintes de composants avec des corps 3D demande 3 fois plus de travail. Mais cela en vaut la peine à long terme.

Étape 5: fabrication du PCB

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

Maintenant, vous pouvez obtenir des PCB à 2 couches pour une expédition 2usd + sur des sites comme JLCPCB.com. C'est beaucoup plus pratique de cette façon et vous obtenez des planches 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 livre votre chef-d'œuvre.

Étape 6: Soudure

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 soudage Ersa Icon qui fait très bien le travail.

Pour ce projet, j'ai choisi des composants ridiculement petits car je manquais d'espace. Sinon, je choisirais les composants 0603 ou 0805 qui sont beaucoup plus faciles à souder.

Étape 7: Le dissipateur thermique pour LED

Je devais insérer une masse d'aluminium dans le boîtier afin de distribuer 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 mon routeur amateur.

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

Étape 8: Démarrage de l'assemblage

Puis l'assemblage a commencé et tout s'est soudain parfaitement ajusté.

Sous le PCB, j'ai scotché 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 de câble plus tard ...

La bête était presque terminée!

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 de poche était complète! Regardez la vidéo en haut de l'instructible pour la voir en action et à quel point elle brille!

La seule chose qui nécessite une mise 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-la dans les commentaires.

Alors .. Maintenant, vous pensez que je suis un professionnel et vous n'êtes pas en mesure de créer une telle chose. Mais tu as tort. Quand j'ai commencé avec l'électronique au collège, je n'avais également aucune idée de ce que je faisais. 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 ne fonctionnaient pas. Par essais et erreurs, je devenais de mieux en mieux. J'ai lu quelques livres, suis allé étudier l'ingénierie électrique et j'ai commencé à fabriquer de nombreux PCB. Avec chacun, je me suis amélioré. Et vous aussi!

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