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[开源硬件] 制作一个安全的儿童台灯(可用移动电源供电)

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[DIY]制作一个安全的儿童台灯(可用移动电源供电)

今天带大家制作一个安全的台灯,这个台灯不使用220V交流供电,而是低压5V-32V供电(甚至使用电池或移动电源供电),因此对于小朋友是很安全的。另外,LED的发光也不会出现闪烁,因此灯下学习不会使眼睛疲劳。
说是台灯,其实根据它的特性,你还可以配上电池或移动电源,将其改造成野营灯,应急灯等。就看你的发挥了。
工作原理:
好了,废话不说了,先讲一些原理知识。LED又称为发光二极管,本质上是二极管,原理符号如下:

由于LED本质上是二极管,因此这里也一并讲了。二级管具有单向导电的特性,什么意思?看到二极管原理符号种实际上含有一个箭头了吗?这个箭头表明了二极管导通时电流的方向,因此也确定了二极管两端的极性:

有箭头那端,我们称为正极(阳极),另一端称为负极(阴极)。在电子电路种,可统分为两类器件,无极性器件和有极性器件。有极性器件连接时必须注意极性,要将正极接到电压高的一端,负极接到电压低的一端,电流总是从电压高的一端流向电压低的一端。特别注意有极性器件不能接反,否则会损坏器件,甚至引起器件起火,爆炸。无极性器件的管脚则没有区别,你可以不用区分。显然,二极管就是一个有极性的器件。发光二极管也同样是一个有极性器件,我们连接时,要按照其极性连接,才能发光。

我们现在在来看看实物,LED的样子可谓多种多样,在某宝上是多不胜数。但大致也分为两类,一类是用于信号指示的LED(指示灯),这类LED通过发光和不发光指示某种状态,我们常见的家用电器上的电源指示灯,或者路由器上的指示灯就属于这类。这类的LED其功率很小,一般工作电流4mA - 20mA不等。

另一类,就是用于照明的大功率LED了,这类就是我们今天的主角。这类的LED工作电流一般100mA - 十几A不等。由于功率很大,因此工作时需要有一定的散热措施,否则会减少LED的使用寿命。

另一点需要注意的是,由于LED具有二极管的特性,因此,当LED正常工作时,其两端的电压基本不变,维持在正向导通电压附近,此时,LED的亮度由流过LED的电流决定。因此,LED实际上是一个电流型器件。为避免过多的理论吓到各位,我就不解说二极管的伏安特性曲线了,大家记住这个结论就好。
那么,我们来总结一下前面的结论:
1  LED是有极性器件,需要按照极性使用直流电源驱动。
2  LED工作时需要散热,否则将减少LED的使用寿命。
3  LED导通时两端电压基本不再变化,此时通过调节电流控制亮度变化。
再增加一条:
4  LED工作在超过规定的电压或规定的电流状态时,都会缩短其寿命。
LED器件选择:
LED的优点是发光效率高,寿命长。一般来讲,LED的发光效率是节能灯的3-4倍,是白炽灯的10几倍。有人大致做了个对比如下:
1W LED   =  3W 节能灯   =  15W 白炽灯
3W LED   =  8W 节能灯   =  25W 白炽灯
4W LED   =  11W 节能灯  =  40W 白炽灯
8W LED   =  15W 节能灯  =  75W 白炽灯
12W LED  =  20W 节能灯  =  100W 白炽灯
因此,对于台灯,我们选用3W或5W的LED足以,太亮对眼睛也是一种伤害。LED灯的颜色一般有两种,一种是冷白色(节能灯的灯光),另一种是暖白色(白炽灯的灯光)。这两种看你的喜好了,不过给小孩读书的化,还是冷白色比较好。
通过上面的知识可知,高功率的LED工作时,必须要有良好的散热条件,市场上一般都是用铝基板来代替传统的PCB板,因此使用铝基板来散热再加上我们的台灯是个开放的结构,因此基本上散热不成问题。
下面去某宝选购即可,需要提醒大家的是,万能的某宝上既有单独的LED灯珠卖,也有空的铝基板卖,当然还有已经焊好灯珠的铝基板。我这里推荐大家买焊好的灯板,在某宝上使用关键字“LED灯板 5W”应该能够搜到很多。我大致看了下,应该常见有3种:
1 使用5730封装LED的

这种封装的LED每个150mA。1W需要2只LED,因此5W的灯板有10只LED,3W的灯板有6只LED。一般是将灯珠先串后并连接在一起。

2 使用单独1W LED灯珠的灯板:

这个LED灯珠,单独1个就是1W。所有灯珠串联。

3 使用6565或7171封装的LED灯珠

LED灯珠也是1W一个。所有灯珠串联。

显然,第一种使用的LED灯珠偏多,但光分布均匀,不过对于3W,5W的灯板差别不大。第3种拆焊比较麻烦,将来更换灯珠有些麻烦。第2种似乎最优,不过看样子也属于老款了,不过,应该不会淘汰,自己焊接比较容易。LED灯无论宣称的寿命有多长,其实和使用情况有关系,LED灯珠本身很便宜,你可用买一批自己更换。当然,你也可以直接更换新的灯板。价钱差距不大。不过提醒一下,如果,灯珠损坏后,最好整个灯板上所有的灯珠不管好坏都一起更换,否则,新灯珠和旧的混用的化,也很快会坏的。
电源选取:
选好灯板后,就要选电源了。正常情况下,都是选用LED灯的专用电源,这种电源都是220V输入的,有隔离型和非隔离型两种,非隔离型尤其危险,其灯板都是带电的,不可触摸,必须使用在完全封闭的结构内。隔离型电源虽然已经和220V输入端隔离开,但一方面电源质量无法保证不漏电,另一方面,在接线上还要保证完全绝缘,后期的使用上也要避免小孩触碰220V电源端的插头,因此,我这里就没有采用这种传统的电源。

为了安全,我这里直接选用了一款可将3-32V直流电压升压到5-35V的电源模块,XL6009模块。我们应该知道,行业规定安全电压为不高于36V。因此,这个模块的最高输出电压也是小于安全电压的。

这个电源模块也非常便宜,某宝上也就3元左右。模块参数如下:

通过调节电位器可调节输出电压:

IN+, IN-为输入接口这里推荐5V输入,可根据需要焊上不同的电源接头。OUT+, OUT-为输出电压接口,接LED灯板的+/-接口。
5W台灯制作:
万事俱备,我们就可以接线了,这里需要一些焊接工作。在这里还需要决定一些电源输入接口使用什么样的接头,这要根据我们将来使用什么电源来决定,如果使用一些废旧路由器上的9V电源,就使用DC母头线:

如果想使用移动电源或是手机充电器的电源,或者带有USB接口的接线板,就可采用USB接口线:

根据你的需要决定吧。那么,整个连线按下图连接,不过,先不要焊接灯板

图中,用电池代表输入电源,在焊接灯板之前,我们必须先调好电压,否则,电压过高会在上电时损毁灯板上的LED器件,而且,这个毁坏的过程也许快的连你调节的时间都没有。因此,必须先调好电压在连接(焊接灯板)
调节输出电压,还有一个知识点,前面说过,LED实际上是二极管,作为电流器件,其工作时,两端的电压几乎不再变化。那么每个LED两端的电压是多少呢?通过LED参数可知:

对于白色LED灯珠,大概为3V左右。电流350mA左右。对于串联的LED电路:

如果每个LED的电压3V的话,那么对于5W灯板两端应该供给:3V * 5 = 15V电压。如果是3W的灯板,应供给:3V* 3=9V的电压。但是电流又该如何控制在350mA以下呢?正常情况下,我们应该再串接1个限流电阻,以保证电流不大于350mA,别忘了,过流和过压都会减少LED的寿命。如果串接一个电阻的话,还需增加器件,且需要精确计算电阻阻值。另一方案就是使用电流源模块,不过这样成本还会增加,很不划算了。因此,这里我们采用欠压限流的方法,就是让供给电压略小于正常的电压,从而保证灯板电流不会达到饱和状态。这里,我建议对于5W的灯板,先将电源模块的电源调到14.6V左右。然后接上灯板查看效果。应该也非常亮了,当然在灯板亮的情况下还可以略微再调节电压,但不可调过15V。要始终保持略微欠压的状态。此时的亮度也足以晃瞎你的双眼了,因此,不要长时间直视LED灯
线路接好后,就可用装在台灯壳里了,至于台灯外壳,就看各位的手工活了。也可以直接买个现成的台灯外壳改造。也可以通饮料瓶自己改造啦。我的台灯成品如下:

好了,各位今天就到这里了。更多新奇的内容,请继续关注:创客DIY乐园(MakerDIY-Park),您的关注是我前进的动力。

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沙发
| 2019-6-14 11:12 | 只看该作者
非常有趣,谢谢楼主分享

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板凳
| 2019-6-17 08:30 | 只看该作者
厉害哦

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地板
| 2019-6-23 20:22 | 只看该作者
这种普通灯珠不伤眼睛吗

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5
| 2019-6-24 16:05 | 只看该作者
壳件是3D打印的么,还可以做的更有意思一点,可调光的,按键做成触摸的那种~~

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6
| 2019-6-24 16:26 | 只看该作者
这个线暴露在外面,不安全!

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