Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo)

Keep calm & prepara una lampada di emergenza a LED!

DIY-led-emergency-lamp-770x1024 Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo) Fai da te (DIY) Il progetto di questa lampada di emergenza è partito dalla mia semplice esigenza di non sbattere contro spigoli vari quando salta la corrente mentre io sono in cantina a fare cose.

Dopo aver valutato varie soluzioni al problema quali:

  1. rimuovere o foderare tutti gli spigoli in casa,
  2. diventare un gatto, così il buio sarebbe un problema relativo,
  3. spendere n-mila soldi e tempo per installare delle lampade di emergenza commerciali,

ho pensato che per pochi spiccioli potevo fare tutto da solo, assemblando una cella li-ion 18650 recuperata, un LED, un p-mosfet, un TP4056, un vetusto caricabatterie di un vetusto cellulare e un po’ di cavetti qualunque. Già che c’ero ho anche pensato di fare in modo che non servissero componenti “esotici”, in modo che questo progettino possa essere l’ideale anche per i neofiti, in più permette di recuperare vecchi componenti perchè è può essere fatto riciclando quasi tutto.

3D-led-lamp-component-18650-TB4056-Li-ion-1024x632 Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo) Fai da te (DIY)
Componenti lampada

Riciclare è bello: una apprezzabile “feature” di questo progetto è che da una seconda vita a tutti quei vecchi caricabatteria per cellulari, perfettamente funzionanti, ma che ormai non sono più adatti ai nuovi modelli. Io, che non mi voglio rassegnare a buttarli in discarica, ne ho una scatola piena. Ho sempre pensato che, prima o poi, li avrei usati per qualcosa ma finora praticamente ogni altro progetto richiedeva o più tensione, o più corrente, o qualcos’altro. Per questo progetto invece andranno benissimo!

3D-led-lamp-reclaimed-charger-1024x596 Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo) Fai da te (DIY)

Qualche delucidazione per i neofiti sui nomi meno comuni:

  • Cella 18650:

    cella agli ioni di litio che, affiancata ad altre celle, forma il 99% delle batterie dei portatili in commercio fino a un paio di anni fa. Con un po’ di attenzione queste celle possono essere recuperate dalle batterie esauste dei notebook. Infatti, generalmente, una singola cella dell’intera batteria batteria si degrada, e questo rende l’intera batteria inutilizzabile. Le altre celle potrebbero avere ancora una certa funzionalità residua, e infatti molti le recuperano.

  • TP4056:

    comodissimo integrato, acquistabile come modulino già pronto, che può prendersi cura della carica e della buona salute di una singola cella li-po/li-ion. Prevede dei contatti di input, per caricare la cella, e dei contatti di output, per usare l’energia della cella. I lettori più svegli avranno già ipotizzato l’esistenza anche di contatti per collegare la cella, confermo che sono disponibili. Sfortunatamente non è un modulo recuperabile da vecchia elettronica, non saprei proprio dove trovarlo, e purtroppo va acquistato.

  • P-mosfet:

    qua la storia si farebbe molto lunga ma taglierò corto dicendo che il p-mosfet è solo un particolare tipo di transitor. Per noi sarà una specie di interruttore, con la particolarità di essere comandato elettricamente invece che meccanicamente. Questo componente, in base alla tensione che legge su uno dei suoi tre terminali, lascia passare la corrente tra gli altri due.

Nota: io uso le celle 18650 perché mi è comodo, ma andrebbero bene anche delle normalissime batterie da cellulare, se le volete recuperare insieme al caricabatteria. Non descriverò nel dettaglio come usare le batterie da cellulare ma concettualmente, una volta rimosso il loro circuito di protezione integrato, il funzionamento è esattamente lo stesso. Sempre celle li-ion sono, alla fine…

Il piano è semplice: il caricabatterie per tiene alimentato il modulo TP4056 che, a tempo perso, carica la batteria. Poi collego il mosfet (l’interruttore elettronico) in modo che, quando manca la tensione dal caricabatteria, l’output del TP4056 alimenti il LED. Un semplice interruttore a levetta regolerà il funzionamento della lampada.  Più facile a farsi che a dirsi, davvero.

Costo del progetto?

Quasi zero visto che, se avete pazienza, tutto quello che vi può servire è recuperabilissimo da elettronica altrimenti destinata all’isola ecologica. L’unica cosa che serve per forza comprare è il modulo TP4056.  In base alla quantità dei pezzi comprati (prendere un TP4056 lo fa costare molto di più che prenderne 5 insieme), e a dove lo si compra, questa lampada vi può tranquillamente costare meno di un euro.

Il caricabatterie, la 18650, lo switch e il mosfet nel mio caso sono di recupero. Per recuperare facilmente i vari pezzi un tester di componenti può essere un buon investimento, guarda caso ne ho preso e upgradato uno. Qui trovate un articolo su di lui.

Piccolo upgrade: suggerisco di mettere un connettore dc sull’alimentazione dal caricabatteria. Con questo simpatico gadget da qualche centesimo posso lasciare il caricabatterie sempre collegato alla rete e posso staccare solo la lampada, rendendola una torcia portatile (dovrò pur andare a “tirar su le valvole” non è che posso stare in cantina per sempre).

Purtroppo il TP4056 non può essere recuperato ed è l’unica cosa che va per forza acquistata. La buona notizia è che questo modulo è molto economico. In ogni caso su questa pagina ho raccolto tutti i componenti che vi possono servire, nel caso non li riusciste a recuperare. Gli attrezzi necessari a realizzare questo progetto sono il minimo sindacale per un hobbista elettronico, non è richiesto niente di più complessi di qualche saldatura a stagno. Gli attrezzi che uso io li ho raccolti qui, prendete pure spunto.

NB: se volete recuperare la cella 18650 dovete assicurarvi che sia in buono stato. Ci sono dozzine di tutorial su internet che spiegano come controllarne lo stato, guardatene almeno due o tre per essere sicuri di non fare cavolate. Non sottovalutate queste celle, se maltrattate diventano pericolose quindi se non vi sentite sicuri semplicemente acquistatene una.

Dovrei stampare il case in plastica?

DIY-EMERGENGCY-LED-LAMP-RECLAIMED-3d-printing-1024x595 Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo) Fai da te (DIY)

Secondo me si, ne vale proprio la pena.

Il primo motivo è che vi aiuta parecchio nell’assemblaggio. C’ho investito una non trascurabile quantità di tempo nel disegnarlo e la parte centrale (a sinistra nell’immagine) è letteralmente un “circuito stampato”, solo che questa volta è stampato in 3D. Ci sono “tracce” per i cavi e sedi fatte apposta per i componenti. Comodo, no?

Il secondo motivo è che la stampa di questo case è abbastanza semplice e quindi potrebbe essere un’ottima scusa per introdursi nella stampa 3D. 😀 Questo è un semplice modello che può essere stampato con praticamente qualunque stampante 3D e con (quasi) qualunque filamento, io comunque consiglio il PLA.

I file per stampare il case li trovate qui.

Se non avete una stampante e proprio non volete fare la fatica di trovarne una non c’è problema, non è un circuito difficile da fare su millefori o potete farlo anche direttamente “in aria” saldando solo i componenti tra di loro.

Schema elettrico:

DIY-EMERGENGCY-LED-LAMP-RECLAIMED-WIRING Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo) Fai da te (DIY)
Schema elettrico lampada di emergenza

Non spaventatevi, non c’è niente di complesso e, soprattutto con l’aiuto del case stampato, il cablaggio è molto semplice. Ora, se avete preso i miei stessi componenti potrebbe anche non interessarvi il prossimo paragrafo, se avete invece deciso di recuperare i pezzi fareste molto meglio a dedicare un po’ di tempo alla…

Spiegazione del design e scelta dei componenti:

Cella 18650: molto diffusa, relativamente facile da recuperare e di dimensioni standard (non come le batterie dei cellulari). La tensione nominale è praticamente perfetta per alimentare un led e la sua capacità di accumulare energia è tra le migliori.

Modulo TP4056: lo standard per i piccoli progettini con celle al litio (ioni o polimeri, non importa). Fate attenzione, bisogna prendere quello con integrato anche il chip DW01, che si occupa di proteggere la cella da cortocircuiti, sovratensioni e altre brutte cose.

P-mosfet: questo è il componente centrale di tutto il progetto. Questo componente “sente” la presenza o meno della tensione di rete perchè uno dei suoi terminali (gate) è collegato ai 5V in uscita dal caricabatterie. Essendo un mosfet di tipo P lascia passare corrente tra drain e source solo quando non c’è  tensione sul gate, cioè quando è andata via la corrente in casa. Esattamente quando serve a noi. Io ho usato un IRF4905 in formato TO-220, con aletta metallica limata via. Non è esattamente la scelta ottimale ma è un componente economico e non batte ciglio per gestire il leggerissimo lavoro che è chiamato a fare. Anche senza tutta l’aletta metallica prevista dal formato TO-220 non c’è nessun problema dissipativo. L’ideale sarebbero P-mosfet LL (logic level), ma non sono molto diffusi e non è necessario far passare tutta questa corrente per accendere un led.

Interruttore a tre posizioni: io ne ho usato uno a levetta ma questo non è importante. L’importante è che abbia tre posizioni stabili: on/off/on. Le tre posizioni servono per comandare la nostra lampada nelle tre modalità di funzionamento previste:

  1. sempre spenta,
  2. accesa solo durante un blackout,
  3. sempre accesa.

Alimentatore: qualunque vecchio alimentatore con un’uscita tra 4 e 8V andrà bene. Tutto quello che poteva alimentare una USB è perfetto.

supply-input-TP4056 Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo) Fai da te (DIY)

Questo componente dovrebbe assolutamente essere recuperato.

LED: questo componente si trova un po’ dappertutto ormai, quindi è facilissimo da recuperare. Serve un led con un minimo di potenza, cioè chein origine illuminasse qualcosa. I led che vengono usati come indicazione, come spie luminose, non sono molto utili perchè fanno davvero pochissima luce. Per il nostro sistema il limite di potenza teorico è 5W, ma un led del genere è probabilmente troppo grosso, scalda a un disastro e i 5W li potremmo sfruttare solo per un brevissimo periodo. Un buon compromesso è un led da 3W in giù, anche con 1W si riesce a fare qualcosa di carino senza preoccuparsi troppo.

Resistenza di limitazione della corrente nel LED: resistenza obbligatoria da mettere in serie ad ogni LED, nello schema è chiamata R1. I LED infatti devono essere pilotati in corrente, non in tensione, e ogni led ha una sua corrente massima (Id) a cui è previsto che funzioni. Oltre a questa corrente ogni led ha la sua caduta di tensione tipica (Vf). Dopotutto è comunque un diodo.

Alcuni produttori potrebbero riportare numeri diversi dai seguenti, in questo caso seguite le loro indicazioni, ma in mancanza di meglio la Vf usuale dipende dal colore della luce del led, e ha questi valori [V]:

  • IR – infrarosso: 1.3
  • rosso: 1.8
  • giallo: 1.9
  • verde: 2.0
  • arancio: 2.0
  • bianco: 3.0
  • blu: 3.5
  • UV – ultravioletto: 4 – 4.5

Per calcolare il giusto valore R della resistenza di limitazione dobbiamo prendere in considerazione la tensione di alimentazione massima, nel nostro caso 4.2V, e applicare questa formula:

R = (Va – Vf) / Id

I componenti che ho usato io sono un led da 3W, con una Vf di 3.5V, quindi ho una Id di 3÷3.5 = 0.85A. Id si calcola come potenza nominale fratto Vf. La resistenza richiesta nel mio caso è trascurabile: 

R = (4.2V – 3.5V) / 0.85A = 0.82 Ohm

Dovrei usare una resistenza da 1 Ohm, ma nella realtà i cavi hanno una loro resistenza intrinseca e, assorbendo quasi un ampere di corrente dalla batteria, la tensione in ingresso scende in fretta (voltage sag).  Rifacendo i conti con un voltaggio più aderente alla realtà (Va = 3.8V) risulta come la resistenza di limitazione in questo caso sia davvero poco significativa. Vi ho detto che i componenti scelti erano particolarmente adatti all’alimentazione, no? Io comunque metterò una resistenza da 1ohm, questo è un tutorial e devo dare il buon esempio.

Ok, facciamo un’altro esempio: stesso tipo di led, ma da 1W. I numeri diventano:

Id = 1W / 3.5V = 0.285A

R = (4.2V – 3.5V) / 0.285A = 2.8Ohm

Ok, di nuovo la resistenza è poca cosa, devo cambiare radicalmente. Ipotesi: voglio usare un piccolo led trovato a random, quindi senza specifiche. Che faccio? Un generico led può accendersi con 3V e 10mA. Ovviamente questo non vale per TUTTI i led, però per non se non si sa nulla di puù a è ragionevole provare così. In questo esempio i numeri sono:

R = (4.2V – 3V) / 0.01A = 120Ohm

ci è capitato di nuovo un valore di resistenza standard, se così non fosse scegliete il valore appena superiore.

NB: la resistenza dissipa potenza sottoforma di calore e anche la sua “grossezza” deve essere controllata. La potenza Wd che deve dissipare si calcola con:

Wd = (Va – Vf) * Id

Poichè scorrono solo 0.01A (10mA) attraverso la resistenza, vengono dissipati  solo 0.012W di calore.

Wd = (4.2V – 3V) * 0.01A = 0.012W

Una comune resistenza da  ¼W sarà più che sufficiente.

PS:  Wd si può anche calcolare come:

Wd = R * Id * Id = 120 * 0.01 * 0.01 = 0.012W

Resistenza di pull-down: R2 nello schema. Non ha altra funzione che forzare a zero volt la tensione sul gate del transistor quando non c’è tensione di rete. Rende solo più veloce e stabile l’accensione della lampada. Qualunque resistenza nel range 1K-10K andrà bene.

Connettore DC: opzionale, io l’ho messo perchè voglio che l’alimentazione sia scollegabile facilmente e non voglio riservare un caricabatterie micro USB fisso su questo progetto (il modulo TP4056 ha una porta microusb dedicata per la ricarica, volendo).

Magneti: opzionali ma potenzialmente utili per illuminare qualcosa di preciso durante il blackout. Ho previsto due slot per magneti 10x1mm tondi sotto al case, così posso attaccare la lampada a qualunque superficie metallica, anche verticale se serve. Usate una goccia di colla per fissarli.

Come funziona il circuito?

Ho speso qualche ora per capire come conciliare lo scopo iniziale del progetto (fare una lampada di emergenza) con le altre idee che mi sono venute in mente durante il progetto, cioè l’essere fattibile con materiali di recupero e l’essere realizzabile anche da chi ha poca esperienza.

Si, avrei potuto metterci un microcontrollore, ce ne sono di piccoli ed economici come l’ATtiny85, e magari avrei potuto disegnare un PCB custom, da incidere o da acquistare da uno dei service su internet. Questo però avrebbe tagliato fuori un buon 98% (a naso) delle persone interessate alla cosa, quindi ne sono uscito con questa trovata: grazie alla combinazione di TP4056, p-mosfe e switch a tre posizioni posso impostare la lampada in tre diverse modalità.

Primo modo: lo switch è in posizione centrale, quindi il suo pin centrale non è connesso a niente. La lampada rimane spenta indipendentemente dalla presenza o meno di corrente sulla rete. Il processo di carica non è inibito, quindi finchè c’è alimentazione in ingresso la batteria si ricaricherà. Questo vi serve perchè, se dovete spostare la lampada o se la volete mettere via per qualche tempo, appena staccato il caricabatterie il led si accenderebbe, e rimarrebbe acceso finchè la batteria non sarà esaurita. Meglio evitare…

Secondo modo: per darci un riferimento univoco definiamo che il contatto dello switch connesso al led sia il “destro”. Quando lo switch mette in comunicazione questo terminale con quello centrale in pratica bypassa il mosfet, e quindi il led resterà acceso fintanto che ci sarà carica nella batteria, e questo succederà indipendentemente dalla presenza dell’alimentazione dalla rete. Questo può essere utile se vi serve una torcia e non volete scollegare l’alimentatore. Purtroppo è meglio non usare la lampada a lungo in questa modalità. La maggior parte dei “tutorial” in rete ignora questo dettaglio ma è una cosa da evitare, spiego più avanti.

Terzo modo: il terminale centrale questa volta è collegato a quello “sinistro”. In questa configurazione il mosfet prende il controllo e lascerà passare corrente verso il led solo quando vedrà che manca alimentazione dalla rete, esattamente quello che serve per una lampada di emergenza! Il led sarà acceso finchè il TP4056 potrà fornire energia e non appena l’alimentazione ritorna parte il processo (autonomo) di ricarica della batteria.

Non male per un semplice interruttore+transistor! ^_^

Assemblaggio, è ora di sporcarsi le mani:

3D-led-lamp-wiring-18650-TB4056-Li-ion-866x1024 Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo) Fai da te (DIY)
Vi ricorda un po’ lo schema elettrico? ^_^

Per sfruttare il mio case dovete togliere in qualche modo l’aletta metallica del mosfet, potete segarla, limarla, ecc… Piegando a 90° il suo pin centrale potrete sfruttare la traccia sotto la plastica. Tagliate tutto il resto a misura, potete andare a occhio.

NB: saldare sui terminali della 18650 è una cosa potenzialmente pericolosa, non è difficile e molti “guru” scelgono di saldare invece di usare altri metodi, ma è importante sapere cosa si sta facendo.  Il saldatore deve rimanere sulla batteria il meno possibile (per non scaldarla troppo). Purtroppo però allo stesso tempo è necessario che la saldatura sia consistente, e per questo serve tempo, quindi c’è da trovare un compromesso. Internet è pieno di avvertenze e consigli su come svolgere al meglio questo passaggio, non starò a riscrivere di nuovo cose già dette, vi ricordo solo di usare il saldatore al massimo della potenza e per pochissimo tempo. Ci sono molte altre accortezze per evitare rogne in questo passaggio, potrebbe esservi utile leggere quanto ho già scritto per la realizzazione del mio alimentatore portatile variabile, che usa lo stesso sistema di alimentazione.

Fatto questo il resto del cablaggio è abbastanza facile, non ci sono altre cose particolari. Seguite schema e foto e in poco tempo avrete finito. Quando tutto sarà saldato nel posto giusto usate qualche goccia di colla a caldo per fissare i vari componenti.

3D-case-parts-gluing-1024x645 Lampada di emergenza a led, fai da te (con componenti di riciclo) Fai da te (DIY)
Un po’ di colla (attack) sui bordi e si può chiudere il case

Io ho stampato, e consiglio di stampare, il case in PLA, perchè anche se scaldato non emette fumi nocivi. Se invece avete usato un altro materiale, magari ABS, cercate di non scaldare il case col saldatore, perchè la plastica potrebbe emettere fumi tossici (difficile morire per questo, chiaro, ma non è neanche piacevole).

Mettere la lampada in funzione:

Qua viene il difficile.

Scherzo: mettete lo switch in modalità automatica e collegate il caricabatterie alla corrente. Fine… Ora non resta che aspettare il prossimo blackout per apprezzare quanto è bello continuare ad evitare gli spigoli.

In questo video potete vedere come si comporta la lampada, pollice in su e/o iscrizione per supportare altri progetti in futuro!

PS e NB insieme: questa lampada è stata pensata per essere una lampada di EMERGENZA, non per essere (anche) una normale lampada da tavolo. Il punto è semplice, ed è tutta “colpa” del TP4056. Se impostate lo switch per lavorare nella seconda modalità, quella dove il mosfet è bypassato, non è il caso di avere l’alimentazione collegata. Tranquilli, per un breve periodo (es: 10-20 min) non succede proprio nulla, non esploderete. Con l’alimentazione collegata il TP4056 mette in carica la batteria, bene, ma se il led è forzato attivo consuma tot corrente. A causa di questa corrente il TP4056 non capisce più quando la batteria è completamente carica, quindi non si sgancia al momento giusto, e purtroppo alle celle al litio piace molto poco essere sovraccaricate (potrebbero innervosirsi e reagire male, quindi evitate). Questa è una “feature” intrinseca del TP4056. Ciò nonostante scommetto che, nei primi 10 progetti che avete visto con questo integrato, non avevate ancora letto di questa cosa:

Non si devono usare contemporaneamente (a lungo) l’ingresso e l’uscita del TP4056!

Volete evitare di rischiare di dimenticarvi questo dettaglio e far danni? Semplice: tagliate (o non mettete direttamente) il cavo giallo che va dallo switch al led.

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