Mikroprocesorowy sterownik latarki LED - Sterownik Flagiusza™ wersja 3.1 (1,2-3,7V)


I jeszcze jedna przeróbka i kolejna wersja mikroprocesorowego sterownika do latarki.
Układ pod względem elektronicznym jest praktycznie identyczny jak w poprzednim projekcie.
Główne różnice to zastosowane nieco innych komponentów oraz rozbudowanego o nowe funkcje oprogramowania.

Zmiany w stosunku do poprzedniej wersji: A oto jak powstawała ta konstrukcja krok po kroku...

Najpierw projekt

Czyli mierzenie, rysowanie, mierzenie, rysowanie i trzymanie kciuków, że się zmieści ;-)
A później, to już z górki...

Rysunki techniczne przerabianej latarki
  1. głowica latarki (aluminium lotnicze) [O]
  2. korpus latarki (aluminium lotnicze) [O]
  3. końcówka latarki (aluminium lotnicze) [O]
  4. uszczelka (o-ring) fluorescencyjna - fi:18mm [Z]
  5. szybka szklana - fi:18mm [Z]
  6. reflektor - skrócony i dopasowany (ogniskowa) do zastosowanej diody LED - Cree [P]
  7. pierścień z laminatu mocujący diodę LED i zapewniający kontakt z jej wyprowadzeniami [N]
  8. emiter LED - Cree XR-E/P4/WC (80lm@350mA, x=0.308/y=0.311) [Z]
  9. mikowa przekładka izolacyjna posmarowana obustronnie pastą termoprzewodzącą [Z]
  10. radiator aluminiowy - wytoczony przez Midi`ego specjalnie do tego projektu [N]
  11. moduł elektroniki - przetworniczka step-up wraz ze sterownikiem mikroprocesorowym [N]
  12. uszczelki (o-ring) - fi: 18mm [O]
  13. pierścień mocujący wyłącznik [O]
  14. wyłącznik bistabilny typu backward (reverse) clickie [Z]
  15. świecący w ciemności (fluorescencyjny) przycisk wyłącznika [Z]

Projekt i wykonanie obwodów drukowanych

Z uwagi na wymaganą bardzo wysoką precyzję i małe rozmiary ścieżek (najmniejsze z nich mają szerokość 10mils - 0,25mm) do realizacji PCB zastosowałem metodę termotransferową.
Polega ona na przygotowaniu obwodu drukowanego w wesji elektronicznej w lustrzanym odbiciu i wydruku na papierze kredowym przy pomocy drukarki laserowej lub ksera.

Pozytywowy obraz mozajki ścieżek oraz rozmieszczenia elementów (plik wektorowy - wmf)
Warstwa toneru (czarna) oznacza miejsca, w których mają pozostać ścieżki - przestrzenie niezadrukowane (białe) zostaną wytrawione.
Tak przygotowany wydruk zostaje stroną druku przyłożony do warstwy miedzianej dobrze oczyszczonego i odtłuszczonego laminatu, a następnie przy użycia żelazka (temp. ok. 3 kropek) dokładnie "przeprasowany".

Matryca z wydrukiem obwodu i wycięty kawałek laminatu
W poprawnie wykonanym procesie cienka warstwa toneru przylgnie do laminatu powodując "sklejenie" się papieru kredowego z kawałkiem laminatu.
Następnie po kilkudziesięciominutowej kąpieli w wodzie z odrobiną środku do mycia naczyń papier powinien nasiąknąć i z lekką naszą pomocą zejść pozostawiając cały toner na laminacie (papier po odklejeniu powinien być czysty).

Laminat z przeniesioną mozajką ścieżek - tuż po odklejeniu papieru
Drobne niedoskonałości, które czasem mogą się zdarzyć poprawiam ręcznie pisakiem wodoodpornym.
W przypadku niepowodzenia proces ten można powtórzyć.
Starą wastwę toneru można bez problemu usunąć rozpuszczalnikiem acetonowym.
Tu niestety dobrego przepisu na sukces nie ma - trzeba cierpliwie próbować z różnymi ustawieniami temperatury, różnymi rodzajami papieru i nie zniechęcać się. Dlatego też dobrym rozwiązaniem jest wydruk od razu kilku sztuk matryc do każdego z wykonywanych obwodów.

Kolejnym krokiem jest trawienie.
Ja do trawienia używam chlorku żelaza (FeCl3), ale dobre rezultaty daje także wytrawiacz B-327 jak również rozcieńczony wodą kwas solny z wodą utlenioną (może być w tabletkach np. perchydrol lub pertlenon). Roztwór nie powinien być zbyt intensywny, gdyż może dochodzić do podtrawień.

Przy odrobinie wprawy można metodą termotransferową za jednym zamachem wykonywać obie strony obwodu.
Ja jednak z uwagi na wymaganą bardzo wysoką dokładność wykonywałem je w dwóch podejściach. Napierw przygotowałem termotransfer toneru na jedną stronę (druga została tymczasowo zabezpieczona lakierem), a następnie po wytrawieniu, wycięciu płytki "pod wymiar" i wywierceniu kilku kontrolnych otworów ułatwiających ustawienie drugiej warstwy przygotowałem stronę drugą (pierwsza już wytrawiona została oczywiście zabezpieczona w całości lakierem).

W tym projekcie użyte zostały 3 płytki drukowane:

Pierwsze przymiarki płytek do radiatora
W tym projekcie oprócz jeszcze bardziej rozbudowanego oprogramowania i większej mocy układu rozbudowana została także część mechaniczna. W szczególności dzięki uprzejmości Midi`ego wykonany został specjalnie do tego projektu aluminiowy radiator, którego zadaniem jest nie tylko odprowadzanie ciepła z diody LED na obudowę latarki, ale i osłona mocno zintegrowanej elektroniki.
Dzięki temu cały moduł obejmujący kompletną elektronikę wraz z diodą LED stanowi jeden spójny, błyszczący i ślicznie wytoczony moduł (raz jeszcze wielkie Dziękuję dla Midiego!)

Rysunek techniczny radiatora
W międzyczasie w oczekiwaniu na aluminiowy reflektor z DX`a zaadoptowany został oryginalny plastikowy.
Wymagał on rozwiercenia i sporego przypiłowania, tak aby zmieścił on w sobie dobrze zogniskowaną diodę Cree.

Komplet elementów (PCB, radiator z włożoną do testów diodą LED oraz przycięty reflektor z szybką) oraz pierwsza przymiarka całości w obudowie
Jak widać na ostatnim zdjęciu reflektor został tak dopasowany (przycięty), aby cała jego powierzchnia odbijająca skupiała element świecący diody w jednym punkcie położonym centralnie w osi jego symetrii.

Sposób zamocowania diody LED oraz podłączenia jej zasilania jest dość nietypowy.
Spodnia jej część styka się poprzez cienką mikową przekładkę z wypolerowaną powierzchnią radiatora, co zapewnia z jednej strony skuteczne odprowadzanie ciepła, a z drugiej zapewnia izolację elektryczną wyprowadzonych na jej spód elektrod zasilających.
Mikowa przekładka dla polepszenia właściwości została obustronnie pokryta cienką wastrwą pasty termoprzewodzącej.
Kontakt z anodą i katodą diody zapewnia nietypowo przylutowany "od góry" pierścień z laminatu, który dodatkowo pełni rolę centrującą diodę wewnątrz radiatora.

Sposób mocowania diody LED oraz wyprowadzenia jej zasilania
W kolejnym etapie został zlutowany i przetestowany obwód zasilania - w tym projekcie jest to konwerter step-up oparty o standardową implementację układu MAX 1797, czyli popularną "Lambdę".
Wszystkie zastosowane tu komponenty, to niskoprofilowe elementy SMD.

Złożony moduł konwertera typu boost
Lutowanie tak malutkich i wymagających dużej precyzji elementów wymaga dobrego przygotowania płytki PCB (oczyszczenia/odtłuszczenia i zabezpieczenia topnikiem) oraz wprawnej ręki.
Dla obalenia mitów oraz z własnej czystej egoistycznej chędzi sprawdzenia się, tym razem cały układ został zlutowany zwykłą lutownicą transformatorową z klasycznym miedzianym "drutowym" grotem.
Zazwyczaj przy tak precyzyjnym lutowaniu używam malutkiej lutownicy oporowej z regulacją temperatury, ale tym razem postanowiłem wystawić swoje umiejętności na niemałą próbę, którą jak myślę przeszedłem zwycięzko ;-)

Szczegóły precyzyjnego lutowania
Powyżej powiększenia wykonanego ręcznie lutowania (bez soldermaski) wyprowadzeń w gridzie 12 mils (0,65mm) i szerokości ścieżki 10 mils (0,25mm).
Wszystkie 4 nóżki z własnymi osobnymi ścieżkami zajmują powierzchnie ok. 2mm - czyli tyle co wysokość siarki na zapałce.

Oba moduły zlutowane i sprawdzone
Obwód sterownika został wykonany obustronnie na cieniutkim laminacie (0,4mm).
Z jednej jego strony znajduje się mikrokontroler z wyprowadzeniami do programowania ISP oraz tranzystorem sterującym MOSFET, a z drugiej elementy podtrzymania zasilania i detekcji jego zaniku stanowiące część układu sterowania trybami.

Kompletny układ w postaci zintegrowanego modułu
Oba obwody drukowane zostały zaprojektowane tak, aby po złożeniu razem, maksymalnie efektywnie wykorzystywały zajmowane miejsce.
Płytka zewnętrzna ma średnicę 16mm, wewnętrzna 15mm oraz wysokość niespełna 4,8mm.

Zbliżenia złożonego układu sterownika (widoczne połączenia między modułami)
Ostatni etap, to złożenie wszystkiego razem w aluminiowym karkasie-radiatorze...

Efekt kilkugodzinnej ciężkiej pracy - kompletny moduł latarki
Dla chętnych uproszczona instrukcja obsługi ;-)

Diagram menu
I cieszenie się nową "zabawką" ;-)

Latarka w działaniu oraz porównanie jej z Romisenem RC-K4 (1x18650)

Przydatne linki

Jestem pomysłodawcą i autorem przedstawionego tu rozwiązania oraz kodu mikrokontrolera, do których zastrzegam sobie prawa autorskie.
Publikowanie tego artykułu w całości lub części możliwe jest wyłącznie w celach edukacyjnych przy zachowaniu pełnej informacji o autorze Flagiusz oraz ze wskazaniem źródła w postaci odnośnika do niniejszej strony internetowej.
Wykorzystywanie opisów, ich fragmentów, zdjęć, diagramów oraz pomysłów autorskich w celach komercyjnych wymaga zgody autora