Antorcha de diodos Led's

1.1 Propósito
Este documento pretende ser una guía de del método seguido para el
desarrollo de una antorcha de diodos leds o como ya veremos posteriormente la
evolución hacia una linterna llavero de bolsillo.

1.2 Alcance

Este documento tiene sentido entre aquellas personas que usen los
laboratorios de electrónica y necesiten una de estas maravillosas linternas.

1.3 Responsabilidades

La responsabilidad de efectuar cualquier tipo de cambio corresponde a toda
persona involucrada en el proyecto y particularmente al autor.

1.4 Términos y Acrónimos

Término/Acrónimo	Significado
LED	Diodo que es capaz de transformar la corriente en intensidad luminosa. Los podemos encontrar de distintos diámetros, según la aplicación. Vamos a utilizar los que tienen un diámetro de 5 mm.
Pila AAA/ LR03	Tipo de pila utilizada como fuente de alimentación. Será de tipo alcalina no recargable. *Forma cilíndrica con las siguientes características: Longitud: 44,5 mm. Diámetro: 0,9 mm. Masa: 11,5 g. *Características eléctricas: Voltaje: 1,5 V. Capacidad: 900-1155 mAh.

 

El presente apartado pretende ser una guía de la evolución seguida durante
todo el proyecto, una primera idea que se ha ido desarrollando hasta lo que
finalmente ha acabado siendo el producto del que se ha hecho esta documentación.

2.1 Primera versión.

La primera versión es la inicial que tomé de la revista. Al leer el artículo se
comenta la posibilidad de adquirir la placa por medio de la página web de Elektor (Los
links en el apartado del final de enlaces). Fue publicada en junio de 2002.
Las dimensiones de la PCB propuesta por Elektor son:

Longitud	Ancho
29,642 mm	68,377 mm

 

PCB del diseño de Elektor.

No pude encontrar la caja que he puesto en la primera imagen de presentación,
pero en las especificaciones de la revista la caja "1551k" era igualmente válida.

Caja 1551k.

Los planos de la caja se facilitan en el link que lleva al datasheet de la misma.
Para hacer una idea al lector, las medidas de las aristas exteriores eran las siguientes:

Longitud	Ancho	Altura
80 mm	40 mm	20 mm

2.2 Segunda versión
La segunda versión se basa en un gran cambio en el aspecto de la caja y el
cierre de la misma. Con respecto al diseño de la PCB, seguía basándome en el uso de
componentes de tecnología TH para el diseño. La modificación más significativa en
esta versión es que decidí no utilizar la pila de botón, que era una alternativa que se
propone en la revista. Esta decisión repercute en el diseño de la placa, eliminando el
espacio requerido en la placa, que se corresponde con la parte central que en la
imagen de la pcb vemos rodeada.
Realizando esta modificación se podría reducir el tamaño unos 12 mm debido a
que el radio de esta pila es de 11,6 mm, sumándole la parte metálica y diámetro el
tornillo de sujeción.
Recordando el ortoedro que había elegido como caja para la linterna, pensé en
la opción de evitar utilizar tornillos como fijación de la tapadera al cuerpo de la caja.
La solución fue disponer 6 cilindros de 5 mm de diámetro y de una altura de 15
mm por el borde de la caja. Estos cilindros serían una especie de patillas que se
podrían colocar de la misma manera se insertan los pines de este microprocesador en
la placa base.

2.3 Tercera versión
Se produce un cambio de tecnología y pasamos de la tecnología THT a la SMD,
para así poder optimizar el espacio en la placa y ganar en estética.
Puesto que este debe ser el punto fuerte del proyecto, ya que por su
simplicidad requería de ingeniar una caja más agradable a la vista del cliente.

El cambio de tecnología supone un ahorro considerable en el área de la PCB
que vamos a utilizar, además de un cambio en la manera de fabricación. En una tabla comparativa veremos el espacio ganado con el cambio de tecnología.

Dispositivo	THT	SMD
Resistencia	3,5 x 10 mm	2 x 1,3 mm
Transistores	4,6 x 4,6 x 3,6 mm	2,5 x 3 x 1,1 mm
Switch	19 x 13 mm	3,1 x 3,1 mm
Bobina	5,2 x 11,2 mm	3,2 x 2,5 mm
Condensador electrolítico	6,3 Ø mm x 11 mm	2 x 1,3 mm
Condensador cerámico	7,6 x 4 mm	2 x 1,3 mm

Basándonos en una marca conocida en el sector de los juguetes, hemos
aprovechado su diseño estrella para ganar en estética, teniendo un pensamiento de
marketing, la compañía es LEGO.

El bloque de esta pieza junto con los pequeños salientes tiene las siguientes
medidas aproximadas:

Longitud	Ancho	Altura
32 mm	16 mm	11,5 mm

2.4 Cuarta versión
Se puede ver en la siguiente imagen la PCB con los componentes y la caja
finalmente diseñada y montada. En la captura de Altium, se puede apreciar que
los componentes ya se han orientado correctamente para trazar las pistas y
rutearlas.
La pieza se verá mejor en el apartado de diseño mecánico, dónde se muestra
los planos con las cotas. Para hacer una idea al lector podría asemejarse a un
ortoedro o vulgarmente llamado "Caja de zapatos" con las siguientes medias:

Longitud	Ancho	Altura
60mm	20mm	30mm

 

3.1 Evolución del diseño mecánico

La primera versión tenía estas características:

La siguiente versión no he hecho los planos ya que iba sobreescribiendo el mismo archivo, lo que es un error. Con lo que sólo vemos un croquis de la idea:

Finalmente el diseño final de la pieza, con los planos generados en solidworkds:

3.2 Fabricación

Para completar este apartado en el que vamos a colocar unas capturas del programa que utiliza la impresora 3D con el que podemos ver capa a capa como va a construir las piezas que son necesarias para el diseño de la caja. Además se ha compilado para directamente pulsar y empezar a imprimir la pieza. Vemos en las imágenes los tiempos de impresión de cada una de ellas, una escala orientativa y en el pie de foto se encuentra la masa de la pieza. Primero vemos la tapadera slider que tiene 988 tapas y he hecho la captura de la capa 480. La pieza tiene una masa de 3,65g.

Visualización 3D de la tapadera slider en Cura. Capa a capa.

Para la caja tenemos un total de 997 capas y aquí se muestra la capa 751. Con
una masa total de masa 13,79 g.

Visualización 3D de la caja de LEGO en Cura. Capa a capa.

El pulsador tiene 105 capas de plástico para la impresión y he aquí una captura
de la capa 43. Con una masa de 0,62 g.

Visualización 3D de la caja de LEGO en Cura. Capa a capa.

4.1 Explicación del funcionamiento

Este proyecto está basado en el que se encuentra en la revista Elektor
en el mes de Agosto de 2009. Su funciona debido a la configuración de un
multivibrador astable.
Quiere decir que cuando pulsamos el switch se aplica una corriente de
base al primer transistor a través de las resistencias R3 y R2, lo que hace que el
primer transistor empiece a conducir. La resistencia R2 nos asegura que la
tensión en el colector de Q1 sea sensiblemente superior a la tensión de base.
Por lo tanto el transistor Q2 también conducirá y circulará la corriente por L1.
En la base de Q1 será suficiente la existencia de ruido eléctrico para conducir
haciendo que la tensión de colector de Q1 caiga a potencial de masa y conmute
Q2 completamente a corte.
La corriente a través de L1 será interrumpida y la tensión en el colector
de Q2 subirá por encima de la tensión de alimentación. Cuando esta subida de
tensión exceda la tensión de conducción directa el LED, D1, se iluminará. El
condensador C1 acopla este pulso positivo de tensión a la base de Q1
reforzando su estado en ON.

Imagen 1. Boceto que encontramos en la revista del circuito.
4.2 Simulación

Ahora pasamos con la simulación que se ha realizado en "Proteus 8
Professional". En ella vemos que hemos representado el voltaje del LED cuando
pulsamos el switch. Se aprecia en la captura que el voltaje máximo que pasa por el
diodo es de 800 mV y el periodo de la señal cuadrada que se produce es de 7,50 μs.
Además según las especificaciones de la revista el circuito consume unos 20 mAh con
lo que al utilizar la Pila AAA tendríamos unas 45 horas de funcionamiento.

Datasheet de los componentes
http://www.alldatasheet.com

Aquí vemos el esquemático del circuito, junto con la PCB.

.

En la primera versión, el diseño de la PCB ya venía especificado en la revista. Luego pasamos a la segunda versión, en la que podemos ganar espacio en la PCB, lo que se tradujo en una optimización de la caja.

En la tercera versión ya tuve un problema a la hora de pensar en la colocación de la PCB en el interior de la pieza. Este problema ya lo solucioné en la cuarta versión. La solución que tomé fue crear el slider unido a una cara lateral, para así meter la PCB en el interior de la caja de manera sencilla. También ayuda para que los botones se queden encima del switch y para cambiar la pila más fácilmente.

La siguiente imágen es el top layer de la PCB con las cotas

Que en unidades del sistema internacional son:
-Longitud : 50mm.
-Ancho: 14 mm.

PCB sin caja

Captura con caja en altium

Enlace a youtube del vídeo creado con Altium.

http://www.youtube.com/watch?v=7RjEoZ9XR5k

Para la primera versión si realizamos una estimación del presupuesto

Cantidad	Producto	(€)	Precio
1	Interruptor INTPNLMINI	0,72	0,72 €
2	TRANSISTOR BC548	0,1	0,20 €
1	LED5MMBLAL	0,78	0,78 €
2	RS1401K	0,022	0,04 €
1	RS1402K2	0,022	0,02 €
2	CCR470PF	0,08	0,16 €
1	CEL100UF25	0,1	0,10 €
1	BOBINA	0,32	0,32 €
1	PILA LR03	1,51	1,51 €
1	CAJA 1551K	1,69	1,69 €
1	PCB	12,13	12,13 €
		TOTAL(IVA INC)	21,39 €

La mano de obra para el montaje es gratuita, ya que cada uno se va a montar la suya, así que será una de las pocas cosas sin coste. Además la fabricación de la pieza y PCB será por gentileza de la UGR.

Para conseguir los materiales en SMD de los que se compondrá la PCB, hemos recurrido a buscarlos en la caja de material de Andrés Roldan, que previamente ordenó

Javier Benavides, compañero de clase.

Primer prototipo de caja
http://www.hammondmfg.com/pdf/1551K.pdf
Primer prototipo de PCB
http://be.eurocircuits.com/shop/Offtheshelf/product.aspx?&ano=010130-
1&ad=10677&lang=en&r=elektor-pcb-service
Pilas AAA baratas
http://www.pilasmasbaratas.com/pilas-alcalinas-4lr44-10-11-23-27a/pilaalcalina-
lr1-n-1-5v-evergreen-165.html

Portapilas visto en el 3D de altium

http://www.shoptronica.com/834-portapilas-baterias-1-x-aaa-lr03-10440-411a.html

Tienda para comprar los componentes de la primera versión
http://www.micropik.com

Transistores BC848C en el encapsulado SOT23

http://www.digikey.com/product-detail/es/BC848C-TP/BC848C-TPMSDKR-ND/1960580?noredir=

Switch en SMD, debajo de la descripción del producto se adjunta el datasheet

http://es.rs-online.com/web/p/interruptores-tactiles-resistivos/7561824/

La bobina en SMD las podemos encontrar por EBAY

http://www.ebay.com/itm/20x-1210-SMD-CHIP-INDUCTORS-ASSORTMENT-/181285667796?pt=UK_BOI_Electrical_Components_Supplies_ET&hash=item2a3577c3d4

Las resistencias y condensadores requeridos serían donados por: Andrés Roldán

 

Aquí está una captura de la revista:

 

Seguidamente se muestra la idea en la que me inspiré para el diseño:

No ha sido un proyecto muy difícil en lo que a cocepción del producto se refiere, puesto que he unido el proyecto propuesto por la revista Elektor y la comodidad de llevar en el bolsillo algo tan pequeño como una pieza de lego.

El diseño de la caja si ha sido una dura tarea, ya que no hemos contado con unos equipos que estaban totalmente calibrados y desconocíamos las tolerancias de impresión.

Algunas de las mejoras que se pueden plantear son:

- Reducción del tamaño de la pieza de lego.

- Controlar la intensidad de iluminación. Podríamos poner más LED's como opción.

- Cambiar la tonalidad de la luz que emitimos e incluso utilizar un plástico fosforescente para el diseño mecánico de la pieza.

- Incluso cambiar la concepción de una pieza de LEGO y poder innovar en el diseño mecánico, por ejemplo, un anillo. Ya que disponemos de tecnología para crear PCB flexibles.

Quizás el trabajo en cuanto a nivel de aplicar conocimientos aprendidos no ha sido muy laborioso. Lo complicado ha sido tener que aprender a manejar el software de diseño de PCB, Altium,. y diseño mecánico como ha sido solidworks.

También ha sido difícil desarrollar el proyecto, puesto que ha sido el primer año que se ha impartido esta asignatura y ha habido un poco de descoordinación.