ไฟกลางคืนที่ขับเคลื่อนด้วย USB พร้อมแบตเตอรี่สำรอง (สองรูปแบบ): 3 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

ไม่นานมานี้ ฉันค้นพบความต้องการไฟกลางคืนที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่สำหรับห้องของฉัน แนวคิดก็คือฉันไม่อยากลุกจากเตียงทุกครั้งที่ต้องการปิดไฟเพื่อเข้านอน ฉันยังต้องการแสงที่ไม่สว่างเท่าไฟในห้องนอนของฉันด้วยเพราะว่าการเปลี่ยนจากที่สว่างมากไปเป็นความมืดจริงๆ นั้นไม่สนุกเลย และเหนือสิ่งอื่นใด บริษัทพลังงานของเรามีช่วงระยะเวลาหนึ่งที่พลังงานของเราจะดับทุกสองสามสัปดาห์ครั้งละหลายนาที…หลายครั้งในสัปดาห์นั้น ความคิดของฉันคือถ้าพลังจะสุ่มหมดลงโดยไม่มีเหตุผลในช่วงฤดูร้อน ตลอดเวลา ฤดูหนาวจะเป็นอย่างไร

นี่คือความต้องการบางส่วนของฉัน:

• ขั้นแรกให้ใช้พลังงานต่ำ ฉันยังคงทำงานในส่วนนี้อยู่ แต่ก็ค่อนข้างต่ำอยู่แล้ว
• ฉันรู้สึกราวกับว่าฉันสามารถทำได้ดีกว่านี้ในขณะเดียวกันก็ทำให้ราคาถูกลง ซึ่งเป็นเป้าหมายที่สอง
• แน่นอนว่าใช้พลังงานจากแบตเตอรี่
• ความสว่าง - ประมาณระดับกลางถึงต่ำ สว่างจนมองเห็นทุกสิ่ง สว่างแค่ไหนสำหรับคุณ คุณจะต้องทดสอบมัน ถ้ามันสว่างเกินไป มันจะแสบตานิดหน่อย โดยเฉพาะถ้าคุณต้องเปิดมันขึ้นมาใหม่หลังจากที่ปิดไปซักพักนึงแล้ว!
• การออกแบบที่กะทัดรัด - ฉันต้องการให้สิ่งนี้วางอยู่บนขอบโต๊ะที่รก เพราะนั่นเป็นที่ที่เตียงของฉันนั่ง ไม่ใช่บนโต๊ะ - ข้างๆ
• ชิ้นส่วนน้อยที่สุดเนื่องจากรายการก่อนหน้าในรายการและช่วยรายการที่สาม

ฉันมากับการออกแบบที่พื้นฐานสุดๆ ฉันคิดเกี่ยวกับมันและเกิดสถานการณ์ต่างๆ ที่จะทำให้การออกแบบดูน่ารำคาญในการใช้งาน ตัวอย่างเช่น หากไฟฟ้าดับในขณะที่มืด ฉันต้องการวิธีดูสวิตช์เปิดปิดเพื่อเปิดใช้งาน ฉันคิดว่าจะใช้สวิตช์ที่มีแอคทูเอเตอร์ที่ส่องสว่างและใส่กระแสไฟเข้าไปให้เพียงพอเพื่อให้มันเรืองแสง มันจะใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย แต่อาจจะชดเชยได้ในภายหลังในการออกแบบ และที่เกี่ยวข้อง ฉันจะไม่รอจนกว่าจะมืดสนิทก่อนเปิดเครื่อง ฉันจะทำบางอย่างก่อนที่มันจะจำเป็นจริงๆ แล้วถ้าลืมปิดเครื่องก่อนนอนล่ะ? ฉันต้องการวิธีปกป้องแบตเตอรี่

หลังจากคิดมากขึ้น ผมก็ได้ออกแบบ Basic Design ที่จะแก้ปัญหานี้ได้มากมาย มีไว้เพื่อเสียบเข้ากับผนังเพื่อตรวจสอบว่ามีไฟดับผ่านวงจรทรานซิสเตอร์หรือไม่ ฉันตัดสินใจใช้สิ่งนี้เพื่อจ่ายไฟให้กับรีเลย์แทน และรีเลย์จะเลือกระหว่างแบตเตอรี่กับแหล่งพลังงานอื่น (โดยเฉพาะอันที่จ่ายไฟให้กับรีเลย์) สำหรับ LED

เมื่อฉันพูดถึงโครงการนี้กับคนสองสามคน พวกเขายอมรับว่ากลัวความมืดและสิ่งนี้จะเป็นประโยชน์ สิ่งนี้ทำให้ฉันมีแรงจูงใจที่จะทำงานในโครงการต่อไป ตั้งแต่นั้นมาฉันก็ได้ใช้เวอร์ชันขั้นสูงที่เป็นมิตรกับเขียงหั่นขนม (ส่วนใหญ่) แต่ฉันกระโดดตรงไปที่การติดตั้งบนแผงวงจรแบบกำหนดเองดังนั้นฉันจึงไม่มีคำแนะนำในการประกอบเขียงหั่นขนม หากคุณรู้วิธีเขียงหั่นขนมและสามารถทำตามแผนผังได้ คุณไม่ควรมีปัญหาในการเดินสาย

เสบียง:

หากคุณต้องการใช้เวอร์ชันพื้นฐานที่ฉันเริ่มใช้ ให้ใช้รายการนี้:

1. หูดที่ผนัง Sacrificial™ 1 อัน (ลองนึกถึงที่ชาร์จโทรศัพท์เก่าหรือปลั๊กไฟหลายร้อยอันที่คุณมีในลิ้นชักหรือกล่องที่ไหนสักแห่งที่คุณไม่รู้ว่ามันไปไว้ที่ไหน)
2. รีเลย์ SPDT หนึ่งตัวที่จัดอันดับตามแรงดันไฟฟ้าของรายการก่อนหน้า ฉันใช้รีเลย์ HVAC แบบเก่าที่ช่างเปลี่ยนมาเมื่อหลายปีก่อน (โดยส่วนตัวฉันพบว่าไม่มีอะไรผิดปกติ) รีเลย์ HVAC มีความอึดอัดเล็กน้อย: เป็นแบบ DPST แต่หน้าสัมผัสชุดหนึ่งเปิดตามปกติและอีกชุดหนึ่งปิดตามปกติ พวกเขายังได้รับการจัดอันดับสำหรับ 24 VAC และปลั๊กผนังที่ฉันเลือกไว้จะจ่ายไฟ 12 VDC
3. แถบ LED สีขาว 12 โวลต์หนึ่งแถบ: ฉันใช้หนึ่งในนั้น แต่เว็บไซต์ไม่ขายแล้ว คุณมีอิสระในการปรับให้เข้ากับสิ่งที่คุณมีหรือเข้าถึงได้ หรือแม้แต่ออกแบบของคุณเอง
4. สวิตช์ SPST หนึ่งตัว
5. แบตเตอรี่อย่างน้อยหนึ่งก้อน ฉันใช้แบตเตอรี่ตะเกียง 6 โวลต์สองก้อนเป็นชุด แต่ฉันต้องการใช้แบตเตอรี่ตะเกียง 12 โวลต์เพียงก้อนเดียว
6. วิธีเชื่อมต่อทั้งหมดเข้าด้วยกัน

หากคุณต้องการสร้างเวอร์ชันปรับปรุง ให้ใช้รายการนี้:

1. แหล่งพลังงาน 5 VDC ภายนอกหนึ่งแหล่ง การออกแบบนี้ตรงไปที่ PCB (เพิ่มเติมในภายหลัง) ดังนั้นฉันจึงตบปลั๊กตัวเมีย USB ชนิด B ที่นั่น คุณสามารถตัดปลายสาย Sacrificial™ USB และดึงสายไฟออกได้ (ต้องใช้เพียงสายไฟ 5 โวลต์และ GND)
2. แหล่งพลังงานสำรองหนึ่งแหล่ง เช่น แบตเตอรี่
3. รีเลย์ DPDT ขนาด 5 โวลต์หนึ่งตัว ฉันใช้สิ่งนี้ มันเป็นมิตรกับเขียงหั่นขนม!
4. สวิตช์ DPST หนึ่งตัว
5. ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า LM7805 หนึ่งตัว (ที่นี่)
6. ตัวเก็บประจุ 0.22uF หนึ่งตัว (อุปกรณ์เสริม) แผ่นข้อมูลบอกเป็นนัยว่าควรเป็นประเภทเซรามิก แต่ไม่ได้ระบุอย่างชัดเจนว่าควรเป็นเช่นเดียวกับตัวเก็บประจุเอาต์พุต (ซึ่งฉันไม่ได้เพิ่ม)
7. ตัวต้านทานจำกัดกระแสไฟห้าตัวสำหรับ LED หรือ (ควรเป็น) ตัวต้านทานบัส ไฟ LED ในรายการนี้มีแรงดันตก 3.3V และฉันคำนวณ 85 โอห์มตามความต้านทานที่ต้องการ ฉันใช้บัสตัวต้านทานที่มีความต้านทาน 150 โอห์ม ที่นี่
8. ไดโอด 1N4004 หนึ่งตัว
9. ไฟ LED สีขาวห้าดวง (3v3 @ 20mA)
10. วิธีเชื่อมต่อทั้งหมดเข้าด้วยกัน

หากคุณต้องการ Circuit Board Version โดยทั่วไปจะเป็นรายการเดียวกันข้างต้น แต่มีข้อแตกต่างบางประการ:

1. เห็นได้ชัดว่า PCB ขณะนี้การออกแบบอัปโหลดไปยัง OSH Park เท่านั้น และพวกเขาขายกระดานเป็นชุดสามชุด คุณสามารถรับบอร์ดได้ที่นี่
2. มีจุดสำหรับเทอร์มินัลบล็อก แต่สามารถบัดกรีสายไฟเข้ากับบอร์ดได้โดยตรง ฉันใช้สไตล์นี้
3. คลิปแบตเตอรี่หนึ่งอัน (ฉันใช้แบตเตอรี่ 9V)
4. ขั้วต่อ USB ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ฉันเลือกประเภท B ไม่ใช่ mini หรือ micro B เพราะทั้งสองนั้นบอบบางเกินไปสำหรับความชอบของฉัน

ขั้นตอนที่ 1: เวอร์ชันพื้นฐานสุดขีด

เพราะสิ่งที่ฉันทำงานด้วยในขณะนั้น ฉันต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย รีเลย์ที่ฉันมีถูกดึงออกมาในรูปแรก แม้ว่าสิ่งที่ฉันคิดจะไม่สมบูรณ์แบบ แต่ก็ใช้ได้ผล (รูปที่สอง) ฉันแปลงรีเลย์ DPST ที่น่าอึดอัดใจของฉันเป็น SPDT โดยย่อสองเทอร์มินัลเข้าด้วยกันเพื่อสร้างพินทั่วไป การเชื่อมต่อนี้ไปที่สวิตช์ จากนั้นไปที่แถบ LED จากนั้นกราวด์ แบตเตอรีแบตที่ฉันทำ - ด้านบวกไปที่การเชื่อมต่อ NC บนรีเลย์ ขดลวดของรีเลย์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟภายนอก ซึ่งจะทำให้รีเลย์อยู่ในตำแหน่ง "เปิด" แหล่งจ่ายไฟยังเชื่อมต่อกับการเชื่อมต่อ NO บนรีเลย์ พื้นดินทั้งหมดเชื่อมต่อกัน

ทฤษฏีคือในขณะที่ได้รับพลังงานจากภายนอก รีเลย์ยังคงอยู่ในสถานะ "เปิด" ดังนั้นจึงปิดการเชื่อมต่อ NO และการเชื่อมต่อ NC เปิดอยู่ ซึ่งหมายความว่าการเชื่อมต่อทั่วไปได้รับพลังงานจากแหล่งภายนอก หากไฟฟ้าดับ รีเลย์จะกลับสู่สถานะ "ปิด" และการเชื่อมต่อทั่วไปจะเริ่มรับพลังงานจากแบตเตอรี่ ไม่ว่าจะมาจากแหล่งใด สวิตช์จะควบคุมพลังงานที่แถบ LED พื้นร่วมระหว่างทุกสิ่งช่วยให้วงจรสมบูรณ์ในทั้งสองสถานการณ์

ฉันใช้ขั้วต่อสายไฟจริงกับวงจรส่วนใหญ่ ดังนั้นฉันจึงไม่ต้องบัดกรีอะไรเลย ในการต่อแบตเตอรี่ (มีขั้วแบบสปริง) ฉันใช้สายวัดทดสอบ Sacrificial™ (คลิปจระเข้พร้อมสายไฟ) โดยผ่าครึ่งแล้วปอกสายไฟ (และเพิ่มขั้วต่อสายไฟ) อันที่ใช้ต่อแบตทั้งสองก้อนเข้าด้วยกันยังคงเป็นก้อนเดียว ทุกอย่างถูกติดตั้งไว้ที่กล่องจัดส่ง SparkFun สีแดง

ฉันไม่มีรูปภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย แต่ฉันจะถ่ายบางส่วนหากมีการร้องขอ

ขั้นตอนที่ 2: เวอร์ชันขั้นสูง

ในที่สุดฉันก็สามารถสั่งชิ้นส่วนที่จำเป็นเพื่อสร้างวงจรเวอร์ชันที่ดีจริงๆ (ซึ่งฉันได้วาดออกมาแล้ว) การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในการออกแบบนี้คือการออกแบบให้ทำงานโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ 5V ที่ได้รับการควบคุมและรีเลย์ไม่ได้ได้รับพลังงานอย่างต่อเนื่อง ฉันต้องเปลี่ยนสวิตช์เป็นประเภท DPST ด้วย ทฤษฎีการดำเนินการเป็นเพียงการสัมผัสที่ซับซ้อนมากขึ้น

ดูที่แบตเตอรี่ครึ่งหนึ่งของวงจร สมมุติว่าสวิตช์ปิดอยู่ รีเลย์ยังคงต่อสายอยู่เพื่อให้สถานะ "ปิด" ทำให้แบตเตอรี่เชื่อมต่อกับตัวควบคุม 5 โวลต์ จากนั้นเอาต์พุตของตัวควบคุมจะถูกป้อนกลับเข้าไปในรีเลย์ (หนึ่งในการเชื่อมต่อ NC) จากนั้นไฟ LED สวิตช์มีสายระหว่างแบตเตอรี่และรีเลย์เพื่อตัดวงจรและป้องกันไม่ให้กระแสไหล หากเปิดสวิตช์ กระแสก็จะสามารถไหลผ่านวงจรได้

เมื่อมองไปที่อีกครึ่งหนึ่งของวงจร เราจะเห็นว่ากำลังจาก USB ถูกวิ่งเข้าไปในสวิตช์ทันที จากนั้นขดลวดของรีเลย์และหนึ่งในการเชื่อมต่อ NO บนรีเลย์ พินทั่วไปของการเชื่อมต่อนี้แชร์กับการเชื่อมต่อ NC ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ดังนั้น นี่คือชุดของผู้ติดต่อที่สลับระหว่างแหล่งจ่ายไฟจริงๆ หน้าสัมผัสอีกชุดใช้สำหรับป้องกันตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า หากเปิดสวิตช์ รีเลย์จะเปิดและส่งพลังงานภายนอกไปยัง LED

ไดโอดเชื่อมต่อแบบขนาน (แต่ย้อนกลับ) กับรีเลย์เพื่อลดแรงดันย้อนกลับเมื่อรีเลย์เปลี่ยนจากตำแหน่ง "เปิด" เป็น "ปิด" เมื่อสูญเสียพลังงาน นี่คือการปกป้องแหล่งพลังงาน: เช่น ที่ชาร์จโทรศัพท์แบบ USB หรือพอร์ต USB ของ PC

ตัวเก็บประจุอาจถูกแยกออกได้ แผ่นข้อมูลสำหรับตัวควบคุมไม่ได้ระบุว่า "อยู่ห่างจากตัวกรองแหล่งจ่ายไฟ" แค่ไหน ดังนั้นฉันจึงคิดว่าฉันจะรวมไว้ด้วย

ขั้นตอนที่ 3: เวอร์ชัน PCB

PCB Version เหมือนกับ Advanced Version แต่อยู่บนแผงวงจร ชิ้นส่วนทั้งหมดติดตั้งอยู่ที่ด้านบนของบอร์ดและมีหมายเลขชิ้นส่วนกำกับอยู่ (หรือข้อมูลสำคัญอื่นๆ) เพื่อให้คุณสามารถหาอะไหล่ทดแทนหรืออะไหล่ได้ตามต้องการ อินพุตแบตเตอรี่ (แยกจากอินพุตสวิตช์) มีอินพุต (+) และอินพุต (-) ด้าน (+) จะมีเครื่องหมาย (+) กำกับอยู่

อินพุตของสวิตช์มีส่วน A และส่วน B ซึ่งมีป้ายกำกับว่า A และ B ขั้วทั้งสองรอบ "A" คืออินพุต A ในทำนองเดียวกัน ขั้ว B จะล้อมรอบตัว "B"

นอกจากนี้ยังมีรูยึดสองรูใกล้กับปลั๊ก USB พวกเขาไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับสิ่งใดแม้แต่กันและกัน

ทั้งสามภาพถูกถ่ายในเวลาที่ต่างกัน อย่างแรกคือกระดานเปล่า ประการที่สองคือกระดานที่มีประชากรบางส่วนที่มีส่วนผสม ที่สามคือกระดานที่เสร็จสมบูรณ์โดยใช้ทุกส่วนที่เรียกว่า

แก้ไขก่อนโพสต์:

ฉันพยายามแนบไฟล์ KiCAD (เป็นไฟล์ zip) แต่พบข้อผิดพลาด เดี๋ยวจะหาทางแนบมาให้ทีหลัง