Сделай сам №1: «RD-SW-01» - блок коммутации с подсветкой

03.06.20

В данной заметке мы рассмотрим, как можно добавить на переднюю панель Renault Duster дополнительные кнопки с подсветкой, которые при этом не будут сильно выделяться на общем фоне:

Сразу отмечу, что для крепления кнопок к панели придется делать печатные платы. При этом сами по себе платы - простейшие, но если никогда их не делал, то это будет серьезным аргументом против изготовления представленной поделки. Ну а если ранее с печатными платами сталкивался, то проблем в работе точно не возникнет.

Постановка задачи

Как говорил ранее, третьего дня был приобретен автомобиль Renault Duster в самой убогой комплектации «Authentique», которая дает владельцу практически пустой корпус на колёсиках. И тогда же было принято решение набивать новую машину всякой дополнительной электроникой. А для того, чтобы в дальнейшем с этой электроникой работать, нам потребуются различные кнопки (как можно больше кнопок). Поэтому я сразу прикинул, куда бы их можно было установить. И взгляд мой упал на заглушку выключателя центрального замка, а также на еще одну заглушку, которая находится справа от индикатора непристегнутого ремня:

Измерив габариты заглушек со стороны морды, я понял, что в каждую из них можно уместить аж две тактовых кнопки (т.н. микриков) размера 6х6мм, да еще и с нарядными колпачками А17. Поэтому одним махом с двух заглушек у нас получается целых четыре дополнительных кнопки, что для начала весьма и весьма неплохо. Осталось только придумать, как эти кнопки в заглушки запихать. Ну и еще сразу надо бы прикинуть, как завести в эти кнопки подсветку, ибо в темноте они будут совсем не видны. При этом отмечу, что в мыслях есть переделка всей подсветки панели автомобиля с убогой оранжевой на нарядную RGB, поэтому в данных кнопках должна быть сделана именно разноцветная подсветка.

Понятно, что в более богатых комплектациях вместо вышеупомянутых заглушек установлено то, что надо (уж выключатель-то центрального замка вместо левой заглушки стои́т наверняка). В связи с этим данная заметка может кому-то показаться бесполезной. Но с другой стороны, точно такие же заглушки есть и около прикуривателя, так что может приведенная ниже информация и пригодится – кнопка включения/выключения системы помощи при парковке и кнопка включения режима ESP есть далеко не у всех.

Теория, подготовка

В реальности для того, чтобы более-менее удобно засунуть кнопки в заглушки, пришлось неслабо подумать. Изначально я хотел просто сделать по 4 дырки для выводов кнопки в само́й заглушке, после чего припаять к ним провода и, вставив микрик в эти дырки, приклеить его к заглушке. Однако, точно разметить дырки оказалось тем еще геморроем, да к тому же общее удобство изготовления конструкции оставляло желать лучшего. В итоге я остановился на таком варианте – под каждую кнопку будет изготавливаться печатная плата, на которой и будет зафиксирован микрик при помощи пайки. А вот уже эта плата будет устанавливаться в заглушку. Благодаря такому подходу мы получим возможность «настраивать» положение кнопки в заглушке, немного сдвигая плату влево/вправо и вверх/вниз, для того, чтобы точно совместить колпачок кнопки и дырку в заглушке под него. Это можно будет сделать, если отверстия под крепеж платы будут большего диаметра, чем требуется (см. раздел «Изготовление блока коммутации»).

Плата, на которую будут устанавливаться кнопки, элементарна до ужаса и представляет собой просто посадочное место под микрик 6х6мм, к ногам которого подключены площадки для последующего монтажа проводов:

Поскольку заглушек у нас две, и в каждую из них влезет по две кнопки, то плат для микриков нам потребуется 4 штуки. Проще всего их будет изготовить единым блоком за один раз (слева – вид «со стороны фольги», справа – вид «со стороны деталей»):

Для изготовления данных плат можно воспользоваться моим файлом (формат файла - DipTrace, есть полностью бесплатная версия Freeware), а можно просто вырезать заготовки из текстолита, насверлить в них дырок в нужных местах, а затем прорезать фольгу. Как видно из последнего рисунка, достаточно будет всего одного реза, точно по линии горизонтальной симметрии платы. Ну а дырки нужно будет расположить в соответствии с этим рисунком:

Для реализации разноцветной подсветки будем использовать RGB-светодиод(ы). Сразу отметим, что самый правильный и красивый вариант подсветки – это когда засвечен ободок вокруг колпачка кнопки:

Однако, нам он не светит, т.к. используемые колпачки непрозрачны. Я пробовал подсвечивать сами платы, на которые установлены кнопки, и если смотреть прямо на морду заглушки, то подсветка получается довольно сносной (по крайней мере, по колпачку микрика в темноте точно не промахнешься). Однако в реальной жизни мы смотрим на кнопку сверху вниз, и такая подсветка просто теряется в глубине конструкции. Поэтому остается лишь один путь – вывести на лицевую сторону заглушки светящуюся точку (вернее, небольшой круг), чтобы хоть как-то обозначить местоположение кнопок. При этом следует учитывать то, что колпачки микриков занимают почти всю морду конструкции, и подсветку можно вывести только в небольшое пространство между ними. И здесь наиболее простым решением было бы просто высунуть линзу круглого светодиода наружу, да вот беда – так получается только с 3мм-выми светиками, на 5мм-вые тупо не хватает места. А поскольку 3мм-вых RGB-светодиодов лично я поблизости не нашел, то было решено в разрабатываемом блоке коммутации использовать SMD-светики – они гораздо дешевле и более распространены, а как-то исхитряться с выводом света на морду заглушки придется в любом случае (см. далее про световод).

Для подсветки кнопки я взял светодиод TO-5050BC-MRPBFGF (в «Чип-Дипе» по 5р. за штуку на октябрь 2018г.):

Размер выбранного светодиода – 5х5мм, и это как раз влезет в свободное место в заглушке. «Плюсы» светодиодов надо будет спаять вместе, а к «минусам» припаять токоограничивающие резисторы. Объединять будем именно «плюсы», потому что наиболее простой вариант управления светодиодами – обычный полевой транзистор N-типа, а в такой схеме к стоку полевика должен идти именно «минус» светика. Ну а номинал и мощность токоограничивающих резисторов мы сейчас рассчитаем.

Для начала зададимся максимально возможным и минимально возможным значением напряжения бортовой сети автомобиля. Максимально возможное напряжение будет наблюдаться при работающем генераторе (т.е. на заведенном авто) и в любом случае не превысит

•  V_MAX=+15,0В,

(иначе там с электрикой такой пиздец, что уже не до подсветки кнопочек). Минимальное же примем равным

•  V_MIN=+10,5В,

(это напряжение на шести свинцовых элементах, каждый из которых разряжен до предельного значения +1,75В, ниже которого их разряжать тупо нельзя).

Далее посмотрим на характеристики светодиода TO-5050BC-MRPBFGF – нас интересует максимально допустимый прямой ток и падение напряжения на красном, зеленом и синем светике по отдельности. Предельный ток у каждого из светодиодов составляет 30мА при работе в непрерывном режиме, поэтому с запасом примем, что прямой ток через светики не должен превышать

•  I_MAX=15мА

(по опыту знаю, что при большем токе светодиоды в автомобилях живут существенно меньше, чем ожидается - видимо, сказываются различные броски напряжения в бортовой сети).

Падение напряжения для красного, зеленого и синего светика будет лежать в пределах

•  V_{RED_MIN}=+1,8В; V_{RED_MAX}=+2,4В;

•  V_{GREEN_MIN}=+2,8В; V_{GREEN_MAX}=+3,4В;

•  V_{BLUE_MIN}=+2,8В; V_{BLUE_MAX}=+3,4В

(значения приведены для тока 20мА). Поэтому минимально возможное сопротивление токоограничивающих резисторов составит (красный/зеленый/синий светики соответственно):

•  R_{RED_MIN}=(V_MAX–V_{RED_MIN})/I_MAX=(15,0В–1,8В)/15мА=880 Ом;

•  R_{GREEN_MIN}=(V_MAX–V_{GREEN_MIN})/I_MAX=(15,0В–2,8В)/15мА=813 Ом;

•  R_{BLUE_MIN}=(V_MAX–V_{BLUE_MIN})/I_MAX=(15,0В–2,8В)/15мА=813 Ом.

Отметим, что при меньшем сопротивлении может быть превышен максимальный ток через светодиоды, выбранный ранее (т.е. 15мА). Мощность же, которая выделится на таких резисторах будет равна

•  P_{RED_MAX}=(V_MAX–V_{RED_MIN})²/R_{RED_MIN}=(15,0В–1,8В)²/880Ом=0,198Вт;

•  P_{GREEN_MAX}=(V_MAX–V_{GREEN_MIN})²/R_{GREEN_MIN}=(15,0В–2,8В)²/813Ом=0,183Вт;

•  P_{BLUE_MAX}=(V_MAX–V_{BLUE_MIN})²/R_{BLUE_MIN}=(15,0В–2,8В)²/813Ом=0,183Вт,

откуда мы можем сделать вывод, что в подсветке нам нужно использовать резисторы как минимум на 0,25Вт. И здесь я решил для каждого светодиода (независимо от цвета) применить SMD-резистор типоразмера 1206 – это достаточно доступный размер, а использование SMD-элементов позволит уменьшить место, занимаемое подсветкой в заглушке. Номинал каждого из резисторов возьмем равным 1кОм±5%, что даст диапазон 950Ом…1050Ом. (Отмечу, что номинал 910 Ом не подходит из-за точности 5% – минимально возможное сопротивление такого резистора составит 95%*910Ом=864,5 Ом). И при этом максимальный ток, который потечет через красный, зеленый и синий светодиод, будет равен соответственно

•  I_{RED_MAX}=(V_MAX–V_{RED_MIN})/R_MIN=(15,0В–1,8В)/950Ом=13,9мА;

•  I_{GREEN_MAX}=(V_MAX–V_{GREEN_MIN})/R_MIN=(15,0В–2,8В)/950Ом=12,8мА;

•  I_{BLUE_MAX}=(V_MAX–V_{BLUE_MIN})/R_MIN=(15,0В–2,8В)/950Ом=12,8мА.

Видим, что максимальный ток у каждого светодиода не превышает 15мА, которыми мы задались чуть выше. Ну а нам осталось посмотреть, какой ток в наихудшем случае потечет через светики при выключенном генераторе и полностью разряженном аккумуляторе:

•  I_{RED_MIN}=(V_MIN–V_{RED_MAX})/R_MAX=(10,5В–2,4В)/1050Ом=7,8мА;

•  I_{GREEN_MIN}=(V_MIN–V_{GREEN_MAX})/R_MAX=(10,5В–3,4В)/1050Ом=6,8мА;

•  I_{BLUE_MIN}=(V_MIN–V_{BLUE_MAX})/R_MAX=(10,5В–3,4В)/1050Ом=6,8мА.

Отметим, что результат получился очень даже неплохой, ибо современные яркие светодиоды вполне нормально светят при токе выше 5…7мА. Так что можно сказать, что выбор резисторов номиналом 1кОм в качестве токоограничивающих довольно удачен.

Теперь по поводу вывода излучения от светодиода на морду заглушки. Понятно, что надо использовать какой-нибудь световод, вопрос лишь в том, как его сделать. На самом деле я перепробовал три или четыре варианта, но в итоге остановился на самом первом (который по совместительству является еще и самым простым и дешевым). В этом варианте в качестве световода используется винт (т.е. торчок с резьбой М3) от пластиковых стоек HTS-306:

Торчок этот элементарно срезается канцелярским ножом. Стойку можно взять любую другую типа HTS, только они будут длиннее и поэтому дороже (скорее всего). А крепить такой световод в заглушке можно либо нарезав резьбу М3 в соответствующей дырке на морде, либо подогнав диаметр этой дырки под внешний диаметр торчка.

Ну и последнее. Как говорилось выше, заглушка вставляется в консоль машины, и для того, чтобы при последующих разборах консоль можно было легко отсоединить от остального автомобиля, разрабатываемый коммутационный блок должен подключаться к проводке машины при помощи разъемов. При этом логично сделать по одному разъему на каждую кнопку и отдельный разъем на подсветку, а тип разъемов выбрать «WF/HU» – во-первых, они довольно дешевы, а во-вторых, имеют некое подобие защелки (это тоже лишним не будет, хотя, конечно, в современных машинах колбасит далеко не так, как в бричках 80-х…90-х годов). Со стороны наших блоков коммутации установим «папы», поскольку они являются потребителями энергии, а со стороны автомобиля – «мамы», ибо он является ее источником. Количество же контактов разъемов определится количеством электрических линий, требуемых для подключения к сети машины того или иного элемента блока. Например, кнопка имеет всего два контакта, поэтому для нее возьмем двух-контактные разъемы (WF-02 на блок и HU-02 со стороны прово́дки). А вот для подсветки используем пяти-контактные разъемы (WF-05 на блок и HU-05 на проводку авто):

Можно возразить, что для подключения RGB-светодиода достаточно всего четырех проводов – один «плюс» и три управляемых «минуса» для каждого из трех RGB светиков. Однако, я всегда предпочитаю смотреть немного вперед. Один «лишний» контакт сделает разъем HU-05 универсальным и позволит подключать к себе как трехцветный, так и обычный (т.е. одноцветный) светодиод. В последнем случае «плюс» будет браться с того же контакта, что и в случае RGB, а вот для подключения «минуса» светика понадобится обычная «масса», для чего и необходим "лишний" пятый контакт.

В завершение данного пункта хотелось бы остановиться на паре моментов. Во-первых, как показывает практика, далеко не всем нравится возиться с SMD-резисторами, т.к. они достаточно мелкие. Я их использовал в данном проекте исключительно для того, чтобы уменьшить место, занимаемое подсветкой в заглушке. Однако, в реальности оказалось, что SMD-резисторы могут быть заменены на обычные выводные мощностью 0,25Вт (я специально это проверял – всё нормально размещается внутри блока коммутации). Так что если не нравятся поверхностные элементы, вполне можно использовать трухольные. А во-вторых, кому-то может показаться, что надежность механического соединения у разъемов типа «WF/HU» недостаточна для автомобильного применения. На самом деле это не так (у меня за полтора года езды ничего не разъединилось), но если есть сомнения, можно вместо данных коннекторов выбрать разъемы типа «CWF/CHU», у которых защелка связывает «маму» и «папу» еще крепче. В нашем случае потребуются разъемы CWF-2, CHU-2, CWF-5, CHU-5 (каждого по одной штуке), при этом сто́ят они примерно столько же, сколько соединители типа «WF/HU».

На этом процесс подготовки можно считать завершенным. Настало время перейти к практике.

Схема блока коммутации

Для начала неплохо бы нарисовать полную схему разрабатываемого блока коммутации. Конечно, здесь всё будет элементарно, однако для порядку схему всё-таки изобразить надо (хотя бы для того, чтобы расписать все контакты используемых разъемов). Напомню, что блок состоит из двух плат с кнопкой (называются они RD-SW-01-A1) и RGB-светодиода с токоограничивающими резисторами. Поэтому схема поделки будет такой:

Ну а теперь можно начать изготовление нашего блока коммутации в соответствии с вышеприведенной схемой.

Изготовление блока коммутации

Последовательность действий для изготовления блока коммутации RD-SW-01 с подсветкой кнопок будет следующая. Сперва изготавливаем платы RD-SW-01-A1, на которые будут устанавливаться кнопки (одна плата – одна кнопка). Все четыре платы проще всего изготавливать в едином блоке, как показано на соответствующем рисунке в разделе «Теория, подготовка».

Далее в крепежных отверстиях плат режем резьбу М3. Затем набираем деталюхи для сборки плат. Для каждой платы нам потребуется:

•  сама печатная плата RD-SW-01-A1;

•  два провода длиной около 10см;

•  кнопка тактовая 6х6мм высотой 7мм (я использовал KAN0610-0731B, но есть куча аналогов);

•  колпачок А17 требуемого цвета (я взял черные, т.к. они наиболее подходят к цвету заглушки);

•  две стойки PCHSN-6 (длина стойки 6мм, резьба М3);

•  разъем WF-2 (как говорил выше, можно использовать разъемы типа CWF);

•  два куска термоусадки диаметра 2мм длиной примерно 1см;

•  и еще на всякий случай лучше сразу запастись двумя гроверными шайбами М3 (на фото ниже не показаны):

После этого к плате припаиваем кнопку (со стороны фольги!), затем провода, а после к проводам припаиваем разъем WF-2 в соответствии со схемой. На места пайки проводов к разъему крайне рекомендую надеть термоусадку, чтобы уж точно ничего ими не коротнуть впоследствии. Ну а после вкручиваем стойки в крепежные отверстия платы:

Отметим, что возможно (возможно) между стойкой и платой придется проложить по одной гроверной шайбе М3. Сделать это нужно будет в том случае, если степень заглубленности колпачка А17 в заглушку покажется слишком большой, и искать кнопку на ощупь будет сложно.

После этого можно приступить к изготовлению подсветки. Если подсветка нужна одноцветная, предлагаю не измудряться со световодами, а просто взять обычный светодиод диаметра 3мм требуемого цвета и припаять к нему токоограничивающий резистор (как его рассчитать, показано выше) и разъем WF-05 («плюс» светика должен идти к контакту №1, «минус» - к контакту №2). Ну а если хочется сделать подсветку разноцветной (как мне), придется немного заморочиться - во-первых, резисторов понадобится не один, а три, а во-вторых, без световода здесь уже никак не обойдешься.

Сначала набираем остальные деталюхи для изготовления подсветки. Общий список запчастей будет выглядеть так:

•  светодиод TO-5050BC-MRPBFGF: 1шт.;

•  токоограничивающие резисторы 1кОм (1206): 3шт.;

•  разъем WF-05: 1шт. (как говорил выше, можно использовать разъемы типа CWF);

•  провод длиной 10см: 4шт.;

•  термоусадка (диаметр 2мм, длина 10мм): 4шт.:

Следующим шагом припаиваем токоограничивающие резисторы к RGB-светодиоду. Для этого кладем светик на стол (а), прижимаем его чем-нибудь тяжелым (б), лудим минусовые контакты светодиодов (в) и припаиваем к ним 1кОм-ные резюки (г):

Далее необходимо припаять к светодиоду провода. При этом один провод должен припаиваться сразу ко всем трём оставшимся контактам светика (это будет общий «плюс»), а остальные - к каждому токоограничивающему резистору (это будут «минусы» красного, зеленого и синего диодов). Ну и в завершении данного этапа работ припаиваем другие концы проводов к разъему WF-05 в соответствии со схемой коммутационного блока, показанной выше (не забываем про термоусадку!):

На этом с подсветкой пока всё. Далее можно заняться само́й заглушкой. Для начала с нее надо убрать всё лишнее (всего удаляется три элемента):

Ненужные элементы проще всего обкусить кусачками, но можно, наверное, применить и канцелярский нож. После данных манипуляций заглушка должна выглядеть так:

Далее нам надо разметить морду заглушки для того, чтобы просверлить в ней дырки под колпачки кнопок. От края морды (именно морды, а не тонкого кантика за ней) я отступил с каждой стороны вбок по горизонтали на 8,5мм. По вертикали же центр размечается точно посередине высоты морды (это примерно 6,0…6,1мм). Ну а далее сверлим по разметке дырки глубиной около 2мм тонким сверлом. Я использовал сверло диаметром 2мм:

После разметки нам нужно удалить пластмассовые ребра жесткости, иначе плата с колпачком не влезет в заглушку. Лично я сначала сфрезеровал ребра начерно, а потом получившийся кошмар аккуратно доработал напильником:

Но можно, конечно, убрать ребра жесткости и как-то по-другому.

Далее рассверливаем размеченные дырки до диаметра 10,0мм…10,2мм. Крайне рекомендую во-первых, делать это на станке (чтобы сверло шло строго перпендикулярно плоскости основания заглушки), а во-вторых – рассверливать несколькими сверлами, постепенно увеличивая диаметр (я увеличивал диаметры так: 2мм, 4мм, 6мм, 8мм, 10мм, 10,2мм). Если сразу взять большое сверло, то его может подорвать на выходе. К тому же после уничтожения ребер жесткости морда заглушки вихляется туда-сюда, и использование сразу большого сверла это только усугубляет. Заглушка с просверленной мордой будет выглядеть примерно так:

Следующим этапом необходимо просверлить дырки для крепления плат с кнопками к заглушке. Размечать центры отверстий можно хоть по месту (установив плату с кнопкой в заглушку и нацепив на нее сверху колпачок А17), хоть на основании присоединительных размеров платы RD-SW-01-A1:

Дырки рекомендую сверлить сверлом 4,2мм…4,5мм для того, чтобы плату впоследствии можно было немного сдвигать туда-сюда (это необходимо, т.к. абсолютно точно разметить отверстия вряд ли получится из-за идиотской «закругленной» формы заглушки). Если же дырки не совпали довольно сильно, то их всегда можно будет расточить надфилем, благо пластмасса, из которой сделана заглушка, весьма мягкая. Результаты трудов на этом этапе должны выглядеть примерно так:

Далее круглым напильником делаем две выемки под провода от кнопок и от подсветки (сверху и снизу заглушки). После этого сверлим сверлом 2,5мм две дырки под хомут, который данные провода будет держать:

Расстояние между дырками под хомут у меня сделано равным примерно 8мм, но это не очень принципиально – главное, чтобы впоследствии этим хомутом провода нормально прижимались.

Ну и последний штрих – дырка для подсветки. Сначала необходимо убрать примерно одну треть высоты перемычки, при помощи которой морда крепится к остальной заглушке:

Перемычку можно сфрезеровать, можно просто выломать кусачками или пассатижами – главное, чтобы лишняя высота была убрана, поскольку она в дальнейшем будет мешать установке подсветки в коммутационный блок.

После этого необходимо разметить центр дырки для подсветки. По горизонтали, понятно, он должен располагаться симметрично (т.е. на одинаковом расстоянии от правого и левого края морды заглушки). А вот сколько отступить сверху – это зависит от диаметра световода, через который излучение светодиода будет выводиться наружу. В моем случае, когда в качестве оного используется винт от стойки HTS-306, данное расстояние составило около 2,3мм, у вас же всё может получиться несколько по-другому. При этом диаметр подсветочного отверстия рекомендую выбрать так, чтобы световод входил в него с достаточным трением – тогда не придется применять какие-либо дополнительные способы крепления (клей, китайские сопли и т.д.). В случае стойки HTS-306 диаметр дырки оптимально сделать равным 2,8мм:

И на этом доработка корпуса заглушки завершена. После всех вышеописанных операций заглушка будет выглядеть примерно так:

Теперь мы можем установить платы с кнопками. Для этого вставляем в заглушку собранную плату RD-SW-01-A1 (вместе со стойками) и прикручиваем плату к заглушке винтами М3х5мм (можно подлиньше, просто у меня были именно такие). Пока винты не затягиваем. После этого сверху на кнопку вешаем колпачок А17 и прижимаем его. Далее выравниваем плату так, чтобы кнопка отчетливо щелкала (т.е. чтобы колпачок нигде не терся об край отверстия), а затем затягиваем винты М3х5мм:

То же самое проделываем с другой платой RD-SW-01-A1, и в итоге получаем собранную заглушку с двумя кнопками:

Осталось только добавить в блок коммутации подсветку. Для этого сначала подготавливаем световод (в моем случае – просто тупо срезаем канцелярским ножом винт со стойки HTS-306). Затем вставляем световод в дырку на морде заглушки (если надо – дополнительно фиксируем его в дырке клеем, соплями и т.д.). После этого берем ранее изготовленный светодиод с проводами и вставляем его в заглушку так, чтобы он практически вплотную прижимался к платам с кнопками:

Ну и осталось только прижать провода от кнопок и подсветки к корпусу заглушки при помощи хомута. Я использовал проволочный хомут, но, думаю, вполне может сойти и пластиковый:

На этом изготовление блока коммутации с подсветкой RD-SW-01 завершено. Если есть какие-то опасения, можно зафиксировать положение светодиода герметиком, клеем, китайскими соплями или еще чем-нибудь подобным. Однако, лично я в этом особого смысла не вижу – светодиод и так довольно жестко зафиксирован проводами и хомутом. Ну а общий вид изготовленной поделки будет примерно таким:

А у меня на этом всё. Желаю удачи при изготовлении блока коммутации RD-SW-01!


Обсудить эту заметку можно здесь