Портативный светильник с питанием от батарей 6-30 В

15.09.2021

0 26 Время чтения: 4 мин.

В этой статье рассмотрим изготовления портативного светильника. Для питания светильнику нужно напряжение от 6 до 30 В. Это позволяет использовать его с различными батареями.

Светильник спроектирован так, чтобы максимально эффективно освещать пространство и при этом не перегреваться даже при полной мощности. и выделять очень мало тепла даже при полной мощности. В «выключенном» состоянии лампа потребляет менее 40 мкА энергии в «спящем» режиме, а с помощью диммера можно регулировать мощность вовремя работы.

Напряжение и ток показываются на OLED-дисплее. Это позволяет рассчитывать срок службы батареи при заданном уровне освещенности и внести необходимые коррективы при необходимости.

Светильник автоматически отключается при слишком низком напряжении аккумуляторной батареи и умеет автоматически определять батарею, которая используется.

Инструменты и материалы:
-3.3V Arduino pro mini;
-Три светодиодных драйвера;
-10 светодиодов мощностью 3 Вт;
-Дисплей 128×64 I2C OLED;
-Регулятор 3,3 В LM2936;
-Датчик напряжения, тока и мощности INA260;
-Поворотный потенциометр 10К;
-Две тактильные кнопки;
-Разъем питания 5,5 мм;
-P-канальный силовой полевой МОП-транзистор FQP27P06;
-N-канальный полевой МОП-транзистор BS170;
-Резисторы 47К — 3шт;
-Резистор 10К;
-Резистор 1К;
-Макетные платы 30×70 и 50×70;
-Крепеж M2 и M2,5;
-Провода;
-8-контактные разъемы JST XH;
-Штыревые разъемы;
-Программатор 3.3V FTDI;
-Паяльные принадлежности;
-Ключи шестигранные;
-Антистатический браслет (рекомендуется использовать при работе с полевыми МОП-транзисторами).

Программное обеспечение
-AVRDude;
-AVR GCC;
-OpenSCAD;

Шаг первый: схема
Мастер приводит схему устройства и описывает ее работу.

Питание подается на J1. Оно подается непосредственно на порт V + измерителя мощности INA260.
Питание проходит через V-порт INA260. INA260 измеряет ток, который проходит через V + и V-, и напряжение между V + и GND.
V- INA260 подключается к 2 устройствам.

Один — регулятор напряжения LM2936 (U2). Этот регулятор понижает напряжение до 3,3 В, которое требуется для Arduino pro mini, INA260 и OLED. Несмотря на то, что pro mini имеет встроенный регулятор 3,3 В, этот встроенный регулятор не может выдерживать максимальное напряжение 30 В на V-. Регулятор pro mini также имеет более высокий «ток покоя», что означает, что он менее эффективен, когда pro mini находится в режиме низкого энергопотребления.

Другое устройство, подключенное к V-, это полевой транзистор (Q1). Он используется для отключения питания всех светодиодных драйверов PicoBuck. Нагрузочный резистор 47 кОм (R3) по умолчанию подтягивает затвор к V-, что означает, что PFET ( р-канальный полевой транзистор) по умолчанию выключен.

Резисторы и Q2 (NFET) необходимы для включения PFET. Pro mini не может включить PFET напрямую, потому что напряжение на затворе транзистора слишком высокое, поэтому NFET (Q2) используется в качестве посредника. Резисторы R3 и R4 используются для поддержания PFET в пределах допустимого диапазона. Резистор R2 по умолчанию отключает Q2. Чтобы включить Q2, arduino pro mini должен установить на D7 высокий уровень.

Возвращаясь к Q1, PFET либо блокирует (почти весь) ток, либо разрешает (почти весь) ток, в зависимости от его состояния. Приемниками этого тока являются 3 драйвера светодиодов PicoBuck, которые используются для управления 9 светодиодами мощностью 3 Вт.
Теперь перейдем к контактам интерфейса pro mini.
A4 (SDA), A5 (SCL) : они используются для связи как с INA260, так и с OLED через I2C .
A0 : подключается к центральной ножке потенциометра для уменьшения яркости светодиодов .
D4 : подключается к правой ножке потенциометра. Можно подключить эту ножку напрямую к источнику питания 3,3 В, но тогда потенциометр будет просаживать батарею, даже когда свет выключен. Используя D4, pro mini может отключать питание потенциометра, когда устройство выключено, экономя 330 мкА потребляемого тока.
D2 : подключается к «зеленой» кнопке. Другая сторона кнопки подключена к GND. Эта конфигурация называется «открытый сток». По сути, подтягивающий резистор, встроенный в pro mini, поддерживает D2 на высоком уровне 3,3 В, но это напряжение можно легко подтянуть к земле с помощью кнопки.
D3 : тоже что и D2, но для красной кнопки
D7 : Arduino подает на этот вывод 3,3 В для включения Q2, который, в свою очередь, включает Q1, который включает светодиоды.
D9 : этот вывод отправляет сигнал ШИМ. Он «сообщает» PicoBucks, насколько затемнить светодиоды . Прошивка принимает это решение, учитывая состояние лампы (горит ли она? напряжение в норме?), и считывая значение потенциометра.
3.3V VCC, GND : требуется для питания чипа
Шаг второй: сборка на макетной плате
На этом этапе подключаем Arduino Pro mini к OLED и загружаем прошивку в pro mini.
Устанавливаем pro mini и OLED на макетную плату.
Подключаем к дисплею:
Pro Mini GND → OLED GND
Pro Mini VCC → OLED VCC
Pro Mini A4 → OLED SDA
Pro Mini A5 → OLED SCL
Теперь подключаем программатор FTDI 3,3 В к контактам мини-интерфейса Arduino Pro, как показано на фото, и подключите кабель USB к компьютеру.
Загружаем файл прошивки led_lamp.hex. Для этого на компьютере должен быть установлен avrdude.
Мастер использовал следующую команду:
avrdude -Cavrdude.txt -v -patmega328p -carduino -P/dev/ttyUSB0 -b57600 -D -Uflash:w:led_lamp.hex:i
led_lamp.hex
avrdude.txt

Шаг третий: настройка монитора тока INA260
Датчик тока INA260 используется для измерения напряжения и тока светодиода.
Подключаем его к макетной плате.
Pro Mini GND → INA260 GND
Pro Mini VCC → INA260 VCC
Pro Mini A4 (SDA) → INA260 SDA
Pro Mini A5 (SCL) → INA260 SDL

Шаг четвертый: регулятор напряжения
До сих пор напряжение 3,3 В обеспечивала плата программирования FTDI. Дальше устанавливаем регулятор напряжения, чтобы можно было использовать батарею.

Ошибки при подключении могут привести к сгоранию деталей. Один из способов избежать этого — использовать регулируемый источник питания и установить минимальный/максимальный ток (на данный момент достаточно 20 мА). Другой способ — подключить к батарее предохранитель.
Основная схема подключения следующая:
Аккумулятор + → V + на INA260
Аккумулятор — → GND
INA260 V- → Регулятор Vin
Регулятор Vout → шина 3,3 В (к которой подключены pro mini, OLED и INA260)
Регулятор GND → GND
Устанавливаем конденсаторы на регулятор, как описано в инструкции.
В таблице данных LM2936 указано, что Vin → 100nF → GND и Vout → 10uF → GND.

Шаг пятый: кнопки
Дальше добавляем кнопки и потенциометр на макетную плату.
Подключение следующее:
Pro Mini D2 → Красная кнопка (левая сторона)
Красная кнопка (правая сторона) → GND
Pro Mini D3 → Зеленая кнопка (слева)
Зеленая кнопка (правая сторона) → GND
Потенциометр (левый контакт) → GND
Pro Mini A0 → Потенциометр (центральный контакт)
Pro Mini D4 → Потенциометр (правый контакт)
Теперь можно управлять устройством.
Мастер добавил временный светодиод и резистор (1 кОм) между D9 и GND. D9 — это выход ШИМ, для регулировки яркости светодиодов. В окончательном варианте D9 — это просто сигнал для преобразователей Picobuck, но здесь он использует его для подачи питания через светодиод для проверки работы.

Шаг шестой: плата ввода
Для платы мастер использовал прототип печатной платы размером 70×30 мм. Потенциометр приклеивается к плате эпоксидной смолой.
Чтобы подключить входную плату к основной плате (и макетной плате), он использовал 8-контактный штекер JST XH.

Шаг седьмой: драйверы и светодиоды
На фото показан драйвер в сборе со светодиодами. Мастер использовал JST-соединения между светодиодами и драйвером.

Шаг седьмой: печатная плата
После проверки работы схемы на макетной плате мастер изготавливает печатную плату. Файлы для изготовления платы можно скачать здесь.
Обратите внимание, что схема kicad содержит подтягивающие резисторы 4,7 кОм для SDA и SCL.

Шаг восьмой: 3D-печать и сборка
Сначала мастер печатает переднюю и базовую детали.
При печати он использовал PLA. Высота слоя 0,15 мм. Также можно использовать высоту 0,2 мм. Вместо PLA можно использовать ПЭТГ или другой материал. Лицевая сторона печатается с опорами.
В середине основания есть отверстие под шестигранную гайку.
Передняя часть крепится к основанию болтами М2,5.
Файлы для печати можно скачать ниже.
base_plate.stl
front_face.stl

Драйверы крепятся болтами M2,5. Болты не нужно сильно затягивать иначе пластик повредится.
Файл для печати крепления можно скачать ниже.
picobuck_mount_plate.stl