手电筒是重要的生产生活工具。笔者没有可用的手电,利用最近时间做出一只,著文备忘自娱同时,愿与大家分享制作过程及经验心得。
设计伊始,从实用性角度出发,考虑了以下几方面:
1.能提供较理想的续航;
2.正白光,还原真实色彩,最好不偏黄;
3.大功率,能在夜晚欣赏丁达尔现象;
4.远近光兼顾,如配备调焦机制;
5.可调光,做到节电、舒适;
6.对于大功率光源,应有良好的散热;
7.体积适中。
综合以上要求,首先选定大功率发光二极管作为光源。
笔者对手电筒接触甚少,而LED光线复杂,其反光灯杯的设计,并不是一个简单的抛物线就可解决的。为使光学部分的制作简单易行,直接采用了市面上一种有机玻璃聚光透镜,直径约20mm,出光角可在5°到120°间自由选择。
(网络图片)
既然透镜已定,要选择与之配套的光源。这种聚光镜是为“仿流明”灯珠所设计,“仿流明”是常见的大功率LED封装,因仿冒飞利浦公司Lumileds系列而得名,常见的最大功率为5W。5W LED由于功率较大,为减少外部硬件成本,有时将管芯串接起来,因此分为内部串联或并联两种结构。
(“仿流明”灯珠(网络图片))
(5W LED内部的两种连接模式)
串联结构的,额定电压约6-7V;并联结构的,额定电压约3-4V。一般情况下,并联的较少见,但考虑到供电环境的限制,本次需使用并联灯珠。
笔者在自己的电子制作中,经常偏好使用一种70*100mm的环氧树脂万能板。经过简单估算,认为本次将制作的手电筒,与该尺寸的电路板也非常般配,容下两颗大功率LED的同时,还得以展现粗犷的“电路美”。遂决定将双层万能板作为手电筒的基础结构。
(70*100mm环氧树脂万能板)
LED功耗较大,发热可观,必须安装在散热器上使用。经过选型比较,确定了一款28×28×20mm的铝散热器,体积适中。如果可选颜色,最好用黑色,但实际区别不大。
(两只散热器用瞬干胶粘合定位)
散热器等部件与PCB基板间需要用胶水粘接。常用的氰基丙烯酸胶,如“502”、“瞬干胶”等,脆性太大,不建议使用,而宜用丙烯酸树脂胶。笔者在业余制作中一直使用3M公司的DP-105,其特点是柔软透明,粘接快速,剪切强度高,粘度适中(6500cps)。当然,使用这种胶粘剂的成本投入稍高,有兴趣的朋友可寻找其他的替代办法。
(3M DP-105)
(万能板上粘好的散热器,以及同时焊接的开关、电源插座和充电板)
根据以往经验,所用的LED散热器体积偏小,无法满足两颗5W灯珠的散热要求。为防止高温下LED发生光衰等损害,最好配置一枚散热风扇。笔者为此翻出了以前在大功率激光器上使用的轴流风机,该风机由台湾协喜公司生产,规格为3010,代表其边长30mm,厚度10mm。
(曾修补过的风扇)
受制于28mm的散热器,手电筒的高度已超过预期。为防止美观和实用性受影响,将30mm风扇拆除外框,撕掉保护贴纸,直接粘到散热器背部。
(拆除边框前、后对比)
(粘接好的风扇)
在本地电子市场购买了如下图的灯珠两颗,色温4500K,额定电流1400mA。
锂电池的电势可能在2.5-4.2V之间,如果用单级电压供电,若非采用Buck-Boost或SEPIC电路,不能充分利用LED的功率,也可能无法将电池用完;如果开关电源工作在低电压,效率也较低;同时考虑到散热风扇的设置,单级电压亦不能满足风扇的供电要求。最终,确定以两节串联锂电池作为电源。
电池种类的选择,主要在外包装,即“硬壳”与“软包”之间。笔者曾失手损坏过一些软性包装的锂电池,深感此类电池娇贵脆弱,很容易破裂泄露,若在手电筒这样相对恶劣的使用环境里,恐怕不能维持长久。目前,硬质外壳的安全性问题已经得到良好解决,可以放心使用。根据已确定的各部件尺寸,购买了常见的18650电池。电池为三洋公司产品,型号不详,容量2600mAh,外表红蓝相间,爱好者俗称“红皮蓝头”或“红袍”。为方便固定和焊接,同时点焊了镍带。
(三洋 2600mAh 18650电池)
电池保护板和充电板,直接使用成品。因串联供电,所选的保护板必须带有均衡功能。
(商家图片)
笔者选择的保护板芯片采用电荷泵原理进行电压均衡,相比一般电阻均衡电路更为高效,且在2.8V设置过放保护,有利于电池寿命。充电板输入电压最高20V,充电电流1.5A。
本次没有增设充电电流调节,而高达1.5A的电流算不上“电源友好”,目前只有用笔者自己的12V 1.25A适配器才能供电,是有待改进之处。
2.1mm电源接口是专用贴片产品,焊接后较为牢靠。也可将直插插座改装成贴片结构,但将有一个引脚无法焊接,需用胶水等固定好再使用。
为了在尽量提高LED功率的同时不致使其烧坏,需要设计恒流驱动电路。电池电压与LED电压相差较大,为保证效率和续航能力,电路形式必须是开关电源。KGCOMP公司生产的KIS-3R33S模块,作为爱好者耳熟能详的老牌电源方案受到青睐。3R33内置Monolithic Power Systems(MPS)公司MP2307芯片,功能强大,且其“白菜”售价仅2元左右,有“神器”称誉。
(购买的3R33)
模块用作LED驱动时,输出电压在3-4V,与原本设计的工作状态非常相近,因此效率很高。3R33之恒流,采用了互联网上流传较广的电路方案,原作者佚名,在此感谢。
重绘原理图如下:
(许久未绘制电路,双联电位器画得不三不四,见谅)
两只大功率LED无法直接并联,否则将因电流不均衡而损坏。驱动电路因此也分成两路。TL431提供的2.5V电压基准,经分压器分压后,与检流电阻获得的电压叠加,并始终保持与MP2307内部基准电压(0.925V)相同。电路分析时,可用叠加定理,但不必要刻意。需要注意,叠加定理与戴维宁定理是不同的。
电位器可设置在分压器的上臂或下臂。本电路设在上臂,主要考虑了电位器日久老化、触头断开的情况,使接触不良时依然能够获得最大输出,不会黑灯瞎火。但应注意,实际连接电位器时,要将不用的一端和触头端连接在一起,防止分压器断路烧毁LED。至于电位器内部的电阻体,因发生断路故障的概率极低,其影响可忽略。双联密封电位器,阻值通常有1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ。本电路在功耗和稳定性间权衡损益,选择10kΩ。电位器两端加入一颗103电容,有滤波和缓启动作用。
顺便一提,市面上有一种伸缩杆电位器,不用时旋转轴收在内部,欲调节时,按压杆顶部即弹出,非常灵活,建议考虑采用。本制作因空间限制,不得已而求其次了。
(伸缩电位器)
R1、R2的值需要通过计算得出。首先,列出分压电路的两个工作状态:
得方程如下:
可利用在线工具解方程,如Wolfram Alpha:
得到解:
这两个阻值,可以通过查EIA阻值表、拼固定电阻的方法得到,但实际中很可能需要微调。例如,买到手的电位器,阻值永远不会是理想的10kΩ,而可能是9至11kΩ,进而影响到R1、R2。因此,拼凑电阻更适用于大规模生产、对元件参数控制较稳定的情况。本例中,用两个3296型精调电位器替代了R1、R2。由于使用电位器代替固定电阻,必须选用质量较好的产品,以避免阻值漂移。本次使用了美国Bourns(邦士)公司,台湾生产的原装产品。
(3296电位器)
驱动电路的几点说明:
与LED并联的103电容可省。
TL431最好采用精度高的A级或B级,偏置电阻为省电可取得大些,但不宜太大,要保证阴极电流在1mA以上。也可将TL431替换为串联基准源,效果更佳。
检流电阻是本地购买的,选择余地不多,因此用常见的0.1Ω,封装为贴片0805,精度1%。经计算,满足该封装耗散功率的要求。
考虑到3R33板上已有输入滤波电容,且供电电源是电池,输入端不再加电容。
两只3R33的使能端并联后引出,具体作用将稍后提及。
对电源模块进行的改动,如下图所示:
(原图来自网络)
其中,“拆除”表示必须拆除,“无影响”表示拆除与否均可。两只5.1kΩ电阻和一只10kΩ电阻构成原有的反馈分压器,需要拆除。一只3.3kΩ电阻与外部相接,负责调整输出电压,但其他元件去除后,反馈引脚输入阻抗很高,可以保留。右下5.6V稳压管作保护用途,LED工作电压低,可以保留。板上其他元件,不需要作改动。
(驱动电路测试,调整电位器阻值)
恒流调节完毕后,将LED接入电路,用上唇部位接近透镜,就能感受到光线强烈的灼热。笔者一直认为,现在的手电常以亮度为标榜,功率越来越大,如果能稍稍地改变光学设计,增添一个聚光点火功能,将是非常实用的。
电位器调好后,需要使用胶水固定,以防振动、热胀冷缩等因素造成阻值变化。定位胶可使用氯丁溶剂胶,如常用的电子红胶,少量施用。也可蜡封,一般方法是置碎蜡块于电位器旋钮处,用烙铁熔化即可。仍要避免使用502等氰基丙烯酸酯胶,原因是:此类胶大多渗透性强,胶水可能会渗进触点,导致电位器失效;易挥发,挥发后与水汽接触即产生白化,若电位器内部发生白化,同样影响阻值和稳定性;固化后,电位器不可再调,不利于维护。
(胶封好的电位器)
手电已有了散热风扇,但如果风扇电源常通,会产生可观的噪音,影响使用体验。笔者用NTC热敏电阻和常见比较器芯片LM393设计了滞回温控电路。
热敏电阻的阻值为10kΩ,精度无较高要求, B值选择了相对较大的3950,以期对温度变化更为敏感。经过热水龙头下的主观感受测试,确定以45℃作为启动温度,温度回差设定为5℃,使风扇在45-40摄氏度之间工作。
393、风扇使用的5V电源由台湾沛亨(AIC)公司低压差稳压器AIC1722-50提供。AIC1722是优秀的LDO芯片,最大输出电流300mA,稳压精度约2%,-50型号输出100mA时,压差仅为130mV。请注意,此稳压芯片不能用滥大街的“1117”代用,否则性能指标将不合要求。
关于迟滞比较器电路的设计,笔者从ADI公司网站上摘得一张图片,可供各位参考。
(迟滞比较器的典型电路(ADI))
因LM393是集电极开路输出,有2kΩ上拉电阻,R3、R4取值要大些,用1MΩ电位器。为省电,其他电阻用100kΩ,但受潮后稳定性将略有降低,大家可根据需要选择。
笔者使用的LM393是ST公司正品行货,输出饱和电压极低,且经过实测验证,计算时忽略。如果用其他公司产品或仿冒品,要看对应的数据手册、实际测量,并考虑饱和电压的影响。
AO3401担任风扇供电。Alpha&Omega半导体公司的AO340X是笔者常用的MOS管,性能优异,物美价廉。MOSFET对静电较敏感,而电筒几乎裸露,须有ESD防护措施,为此在G-S极间加入TVS二极管。若仍不放心,D-S间可再加。
为了应对密闭的工作环境和散热系统可能的故障情况,又使用另一半LM393搭建了过热关机保护电路,保护门限为60摄氏度。虽然LM393型号较老,没有内部滞回,但传感器、散热器有一定热惯性,不需要再作额外处理,仅在NTC处并联了一只电容滤波(图中未画)。
每只LED指示灯的回路上,都串接了一只小型(3×3)1kΩ可调电阻,用作亮度调节和视觉效果的均衡。
(对温控电路进行测试)
为了今后增添更多实用功能,在手电尾部预留了一个外部控制接口,并加入自恢复保险丝、TVS二极管等保护器件。1N5819肖特基二极管用于防止输入不正确或恶意信号对电路造成的损害。由于信号端连到3R33模块的使能引脚,任何OC/OD输出的器件和硬件开关都可以与其相接。简单地接入一个非稳电路,就能使灯光闪烁;接遥控接收模块,就可以进行远程控制;接上一个8脚单片机,可以实现各种丰富功能。目前想到的还有:定时开/关、光控、线控、音乐节奏灯、自动SOS/CQD等。
到这里尚意犹未尽,为进一步增加实用性,有必要加入对电池电压的简单指示功能。
如何确定电量与电池电压的关系?要感谢一位来自丹麦的手电玩家,他在自己的网站
如果希望查阅某一款电池的放电曲线,可进入比较页面:
选择“Sanyo 18650 2600mAh (Red)”即可。手电筒的驱动电路,电流在1.56A左右,因此勾选1A和2A复选框。网页自动加载两节被测电池的放电曲线,可谓极其方便。
最终确定以3.7V作为50%电量电压点,3.6V作为20%电量电压点。绘制原理图如下:
LED是红绿双色灯,利用两种颜色组合,指示三种电量状态。TL431电压基准与LED驱动电路共用一个,不会造成浪费。细心的朋友可能发现,指示灯的电路绕了弯子,因为根据电路设计,应购买共阳极LED,但在电子市场一时大意,买了共阴极。本着节约材料爱护地球的精神,用常见的8550型PNP三极管做了简单的反相转换。
注:采用LM393的各电路模块,均使用了最基本的比较器应用电路,原理不再详细解释。
开关电路的设计,使按钮和开关并联,实现两种操作模式。
470Ω电阻为防电池短路而设置,场效应管工作频率极低,可不加。100kΩ电阻是极电容泄放电阻。
待所有电路测试完成后,可以进行总装工作。
先将两颗LED灯珠用导热硅胶粘到散热器上。等待一段时间让硅胶固化。为节省时间,可使用快干导热硅胶,笔者所用产品,定位仅需1小时。
热敏电阻焊接导线,热缩管包裹。
注意:树脂封装的热敏电阻相对脆弱,不要用力拉扯引脚,否则可能损坏。装机前后要进行测试,确保热敏电阻状态正常。
热敏电阻尖端涂抹少量导热硅胶,用强力胶固定于散热器中心。确保与散热器接触良好。
焊接LED导线,用强力胶把导线固定成美观的形状。
为防止风扇扇叶与电线相冲突,搭建了一个金属线卡。
粘接电位器,焊接固态电容。电容器用环氧胶固定。
焊接红绿LED、排母。排母用元件废脚加固。
继续焊接指示灯。
焊接电压基准。
LED与固态电容连接。
焊接3R33模块。
布局时,分压电阻、电压反馈等敏感电路朝向内部。
LED与模块输出连接。
焊接可调电阻、测试用线
焊接电位器103陶瓷电容和白色LED。指示灯用环氧胶固定。
焊接电池、保护板、按钮。
透镜是设计直接安装在PCB上的,没有为焊接电线留出空间,要打线槽。
焊接电源电路。
搭棚工艺焊接的LM393、电位器,及稳压电路。
指示灯、风扇驱动及端口相关电路。
通过调节限流电位器,对所有指示灯进行视觉效果均衡。
联合调试。
散热器达到45度左右时,风扇启动。