手电筒小记
本帖最后由 科学人 于 2014-4-5 19:16 编辑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。
据商家说法，此灯珠系采用美国Cree（科锐）公司芯片封装而成，单价25元。至于是否被奸商坑害，不得而知，因没有相关测量仪器，且灯珠荧光材料不同，可能会造成差别，要请各位明鉴。不过，笔者买到手之后就后悔了，因为随后上网浏览发现，Cree公司Xlamp系列的XM-L和XM-L2，驱动电流可高达3000mA，亮度也逾越惊人的1000流明（http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Applications/Portable/HighEnd）。一个有风机主动散热的系统，与两只U3相配，何乐不为！但项目所剩时间极少，无法等待快递寄送，只得作罢。责怪自己是手电白痴的同时，让此事成为了不小的遗憾。
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。
之所以设计迟滞特性，是出于散热有效性和使用舒适性的考虑。关于迟滞（滞回），笔者认为无庸赘述，如需更多了解，请参阅维基百科：http://en.wikipedia.org/wiki/Hysteresis。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。网上查阅NTC阻值表可得相应阻值，代入计算即可。如果对计算精度要求不高，还可使用在线计算器，如：http://www.daycounter.com/Calculators/Comparator-Hystereses-Calculator.phtml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http://lygte-info.dk/贴出了各种常见18650电池的详细评测：http://lygte-info.dk/review/batteries2012/Common18650Summary%20UK.html
如果希望查阅某一款电池的放电曲线，可进入比较页面：http://lygte-info.dk/review/batteries2012/Common18650comparator.php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。
故意断开风扇电源，散热器60摄氏度左右时，热保护动作，黄灯亮。
接入外调制，输出关闭，白灯亮。
调试未见异常。
将测试线更换为细排线。
之所以引入了“测试线”，是因为电路安装和测试时需要反复挪动位置，同时本品结构较为紧凑，如果直接使用线径较细的排线，可能会造成铜芯扭断，或弱化成为隐患，为今后的使用造成不便。因此，先用粗线完成初步组装，待要装成时再逐条更换为细线，以满足空间要求。
环氧胶固定电位器。
整理电线，热熔胶固定。上下两板扣和。
安装铜柱、螺丝、弹垫。大功告成。
（图中没有垫片，现已加上。）
一些照片：
（尾部电线不是很美观，稍后再作整理。）
前几日去登山，也随手拍摄了手电筒的使用效果。照片Exif已删除，没有调色，权当很主观的参考吧。
昨晚又心血来潮，随手拿两条扎带，将手电捆在自行车把上。绕着小城恣意骑行一圈，偌大的道路虽有路灯照明，但似乎没有一盏灯光比眼前的更明亮，即便汽车的卤素前灯，也显得有些黯然失色。
功能如此强大的手电，制作成本仅不到一百元，同时又长进了动手能力，着实划算。不过，本电筒仍有些许不足之处，主要在设计时期遗留下来，如不防水不防潮、难以拆解维护、调光调焦不灵活、美观性差等，这些缺陷尚有改进的空间。
充电电池都会随时间而逐渐老化，且由于维修难度很大，暂时不打算修理任何新的故障。尽管如此，笔者还是衷心地希望，这只小巧实用的手电筒能伴随自己度过一段有意义的时光。
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这才是手电爱好者，我等只能算使用者 很牛可惜看不懂 楼主确实神人 不顶对不住我认真的看完此贴 灯珠可以采用美国Cree（科锐）公司的，单价不用25元。这个”手电筒“电路做得好复杂 风扇比LED功耗大不值当 国产大粉团也就算了，显色性太差正装芯片热阻大，光衰快。
建议到DIY商家买点果冻瑕疵版CREE灯珠很便宜的，而且垂直电流芯片比国产的耐用。 神帖{:5_639:}
此贴会火炎焱燚 天啊！楼主如此流弊，你家里人知道吗？？！！ 天啊，撸主介么牛笔你家人知道摸？ {:3_106:} 牛逼。 动手能力不是一般的强啊{:5_639:} 绝对高大上啊{:3_101:} 这么多线，需要多大的毅力和热情？佩服！ 太厉害了，我也很喜欢方方正正的手电 谢谢大家！ 你真厉害！！！ 动手能力太强了。 动手能力很强 为楼主赞一个！ 牛逼贴必须留名。 太厉害了 透镜的那个帽子是什么？