Co to jest i do czego to potrzebne?
Czasami zdarza się, że niespodziewanie zachodzi potrzeba wyjścia z domu, a w telefonie jest tylko 10-20% energii w baterii. Dawniej, bateria w telefonie był elementem wymiennym, więc najlepszym sposobem było posiadanie drugiego na zapas, utrzymywanego w stanie pełnego naładowania. W większości współcześnie używanych smartfonów, bateria jest elementem niewymiennym przez użytkownika, jednak jest kilka sposobów na poratowanie się w takiej sytuacji:
1. Zabranie ładowarki – ma to sens tylko w przypadku, gdy poza domem będzie się mieć dostęp do gniazda elektrycznego lub gniazda zapalniczki lub gniazda USB. Zależy to od charakteru sprawy i celu opuszczania domu.
2. Funkcja „ultrabateria” – znacznie zmniejsza zużycie energii przez telefon, jednak jego funkcjonalność jest ograniczona do bardzo podstawowej. Użyteczność zależy od ilość energii w akumulatorze, czasu przebywania poza domem i funkcjonalności telefonu, jaka będzie potrzebna.
3. Zabranie powerbank – wydaje się to być najlepsza opcją, gdyż powerbank zwykle pozwala dwa lub trzy razy naładować telefon. Ja posiadam jeden powerbank wyprodukowany w Chinach i zauważyłem, że po naładowaniu i przeleżeniu kilku miesięcy wciąć trzyma ok. 75%, więc wciąż jest użytecznym urządzeniem. Jednak i to rozwiązanie nie jest pozbawione wad. Powerbank jest osobnym urządzeniem dyndającym na przewodzie, nawet, jak on ma kształt zbliżony do telefonu, to po położeniu telefonu na nim, całość robi się gruba i jeszcze do tego dochodzi kabel. Noszenie takiego czegoś np. w kieszeni spodni za wygodne nie jest, jest też zawsze ryzyko rozłączenia urządzeń podczas rozmowy. Również sama rozmowa, czy pisanie na czymś takim (telefon połączony z powerbankiem) komfortowe nie jest.
Ja wymyśliłem coś co łączy funkcję powerbanku i plastikowego etui na telefon, żeby cały czas mieć jeden, zwarty przedmiot, tyle, że trochę większy i cięższy zamiast dwóch połączonych przedmiotów. Założeniem jest, że telefon z takim powerbankiem po prostu ma gabaryty podobne do pancernego telefonu lub do telefonu z czytnikiem kodów kreskowych u góry (w dyskontach spożywczych czasami widuję pracownika z takim grubym telefonem, którym odczytuje kody kreskowe wszystkich towarów po kolei, nie wiem, po co to robi). Warto nadmienić, że niektóre skóropodobne etui z klapką również wyraźnie pogrubiają telefon.
Ciekaw jestem, jak to jest, że etui jest do wyboru, do koloru, na praktycznie każdy istniejący telefon, ale nikt nie produkuje etui zintegrowanego z powerbankiem. To byłoby bardzo przydatne urządzenie w przypadku telefonu z niewymienną baterią jako alternatywa dla zwykłego powerbanku i przewodu. Jednak postanowiłem sam sobie wyprodukować taki powerbank. W odróżnieniu od większości amatorskich konstrukcji elektronicznych, w których obudowę traktuje się po macoszemu, w przypadku tego powerbanku, to właśnie kształt obudowy ma decydujący wpływ na sukces tego przedsięwzięcia, obudowa jest najbardziej pracochłonnym elementem całości.
Wymyślone przeze mnie etui zawiera tak naprawdę baterie, przetwornicę DC/DC i wtyczkę USB. Zaczynając od baterii, to jest możliwych kilka opcji. Można wykorzystać jakiś standardowy akumulator Li-Ion lub Li-Po, najlepiej, jak on jest płaski i ma pojemność pozwalającą na co najmniej jedno naładowanie telefonu. Najbardziej standardowym ogniwem jest 18650, jednak do tego celu ma za duże gabaryty (telefon z kilkoma takimi ogniwami zrobiłby się wielkości cegły). Inną opcją jest wykorzystanie zwyczajnych baterii alkalicznych AAA. Takie baterie są łatwo dostępne w większości kiosków, w wielu sklepach spożywczych. W ich miejsce można wykorzystać akumulatory Ni-MH, jednakże akumulatory mają mniejszą pojemność.
Co jest potrzebne do wykonania?
Mając już wybrane źródło energii (w moim przypadku 6 ogniw AAA), można przystąpić do budowy przedmiotowego etui-powerbanku.
Do tego potrzebne będą następujące materiały:
1. Cyna do lutowania – to oczywiste, będzie trzeba parę rzeczy polutować.
2. Dowolny kabel z wtyczką taką, która pasuje do telefonu, np. Micro-USB. Najlepiej nadaje się taki kabel, w którym ta wtyczka wykonana jest z tworzywa podatnego na cięcie nożem.
3. Trzy sprężynki od długopisów, najlepiej od identycznych. Jedna sprężyna na dwa ogniwa AAA.
4. Nieizolowany drut miedziany lub inny dający się lutować, o średnicy od 0.5mm do 1mm. Ja wykorzystałem drut o średnicy 0.7mm. Może to być drut pozyskany z przewodu elektrycznego.
5. Przetwornica DC/DC, która daje na wyjściu 5V, wydajność prądowa minimum 600mA. Najprościej wykorzystać przetwornicę typu buck, która na wejściu może przyjąć napięcie 1,6V pomnożone przez liczbę ogniw i może pracować przy napięciu nieznacznie wyższym od 5V. Lepiej wykorzystać przetwornicę typu boost/buck, która może prawidłowo pracować (oddając napięcie 5V) w zakresie napięć wejściowych co najmniej od 0,7V pomnożone przez liczbę ogniw do 1,6V pomnożone przez liczbę ogniw. Należy zwrócić uwagę, czy przetwornica zapewnia potrzebną wydajność prądową w całym tym zakresie napięć wejściowych. Ja do tego celu użyłem przetwornicę Pololu 4084 (S13V15F5), kupioną w Botland.
6. Tworzywo do drukarki 3D do wytworzenia etui, będzie potrzeba zrobienia dużej ilości wyrobów próbnych w celu przymierzenia. Ja wykorzystałem ASA, można też wykorzystać PLA.
7. Dowolny miniaturowy przełącznik jednobiegunowy.
8. Taśma izolacyjna lub ewentualnie zwykła taśma klejąca.
Ja osobiście potrzebowałem kupić przetwornicę i trzy najtańsze długopisy w celu pozyskania sprężynek. Wszystkie pozostałe materiały i narzędzia już posiadałem.
Do przedsięwzięcia potrzebne będą (lub mogą być) następujące narzędzia:
1. Drukarka 3D dowolnego typu. Ja posiadam drukarkę typu FDM i pod taką zaprojektowałem obudowę.
2. Zasilacz 5V umożliwiający podłączenie odizolowanych przewodów, najlepiej mający krokodylki.
3. Lutownica, suwmiarka, mały śrubokręt z płaską końcówką, nożyk z ostrą końcówką, szczypce, obcinaczki, nożyczki.
Przygotowanie wtyczki USB
Na początku, należy przygotować sobie wtyczkę do ładowania telefonu. Jest to ważna czynność, gdyż w obudowie należy przygotować wnękę pod posiadaną wtyczkę. W posiadanym kablu Micro-USB należy ostrożnie, poprzez rozcinanie lub odłamywanie, zdjąć obudowę tak, żeby nie uszkodzić wtyczki. Powinna zostać odsłonięta cała wtyczka, wraz z miejscami, w których jest przylutowany kabel.
Należy odlutować wtyczkę i odciąć pozostałości po niej. Następnie, należy zdjąć zewnętrzną izolacje na całej długości przewodu, uzyskując cztery żyły, które przydadzą się w budowie etui. Na początku należy uciąć dwa odcinki o długości ok. 5cm, odizolować z obu stron i przylutować do linii zasilania i masy wtyczki. Jeżeli zamiast zwykłej przetwornicy chce się wykorzystać moduł szybkiego ładowania, potrzebne będą cztery odcinki, przylutowane do wszystkich pinów. Po przylutowaniu w telefonie należy zainstalować aplikację AccuBattery (dostępna w Google Play), podłączyć telefon do zwykłej ładowarki (nie może to być ładowarka wykorzystująca mechanizm szybkiego ładowania). W aplikacji odczytać prąd ładowania baterii w telefonie.
Następnie, przygotowaną wtyczkę należy podłączyć do telefonu i przewody podłączyć do zasilacza i włączyć zasilacz. Telefon również powinien się ładować i aplikacja AccuBattery powinna pokazywać podobną wartość natężenia. Jeżeli wartość natężenia jest znacznie niższa, prawdopodobnie doszło do zanieczyszczenia lub uszkodzenia wtyczki, lub przewody są bardzo niskiej jakości.
Ja miałem taki przypadek, jednak faktem jest, że ja testowałem trochę inaczej. Przylutowałem przewody elektryczne, które zostały z wtyczką USB-A i podłączyłem do zwykłego zasilacza s gniazdem USB-A. Przyczyną niepowodzenia było napięcie 4,75V mierzone na polach lutowania przy wtyczce Micro-USB. Nie chciałem już szukać, czy przyczyną był duży opór przewodów, czy problem w zasilaczu. Przewody przylutowane do wtyczki wymieniłem na inne, trochę grubsze (też takie posiadałem) i sprawdziłem działanie za pomocą zasilacza laboratoryjnego. W tym przypadku natężenie prądu pokazywane przez aplikację znacznie wzrosło do spodziewanej wartości.
Szybkie ładowanie
W międzyczasie stwierdziłem, że na portalu sprzedażowym można kupić moduł będący gotową ładowarką zgodną ze standardem QuichCharge. Większość takich modułów wymaga napięcia stałego od 6V do 12V i ma też dość duże gabaryty z powodu obecności gniazda USB-A. Gniazdo USB można zdemontować i skrócić PCB, jednak wciąż pozostaje problem z zasilaniem. Albo trzeba zadowolić się minimalnym napięciem 6V, albo dodać do tego jeszcze przetwornicę typu boost podnosząca napięcie na dowolne ponad 1,6V razy liczba ogniw (co przy 6 ogniwach wynosi 9,6V), ale nie wyższe niż 12V, albo potrzebna będzie przetwornica typu boost/buck zapewniająca dowolne napięcie z zakresu od 6 do 12V. Dodatkowym problemem jest potrzebna większa wydajność prądowa dodatkowej przetwornicy wynikająca ze zwiększonego poboru mocy przez ładowarkę QuickCharge.
W odróżnieniu od zwykłych zasilaczy i powerbanków, budowane przeze mnie etui ma być częścią telefonu, podobnie, jak standardowe etui, więc nie ma ograniczenia, że trzeba będzie odłączyć jakimś momencie niezależnie od stopnia naładowania. Z powyższego wynika, że w tym przypadku tempo ładowania telefonu nie ma znaczenia, dlatego poprzestałem na standardowym ładowaniu za pomocą pojedynczej przetwornicy DC/DC.
Instalowanie modułu szybkiego ładowania miałoby sens tylko w przypadku, gdybym często wykorzystywał telefon w sposób powodujący większy pobór mocy niż moc dostarczona podczas standardowego ładowania, co w moim przypadku ma miejsce bardzo sporadycznie. Ponadto, w większości przypadków można ściemnić wyświetlacz, co znacznie zmniejsza pobór mocy (można to sprawdzić za pomocą wspomnianej apki AccuBattery) i możliwe jest uzyskanie dodatniego bilansu energii przy standardowym ładowaniu.
Jednakże, nie byłem ostatecznie zdecydowany na brak szybkiego ładowania i dolutowałem przewody do pinów sygnałowych, jednak nie odizolowywałem ich z drugiej strony. Jak kiedyś będę miał potrzebę zainstalowania QuickCharge w tym etui (na 90% nie będę miał w przewidywalnej przyszłości), to wtyczka jest już przygotowana, pozostaje tylko przeorganizować wnętrzności, w najgorszym wypadku zrobić nową obudowę.
Założenia projektowe
Do zaprojektowania obudowy wykorzystuję program OpenSCAD. Ten program jest darmowy i pozwala tworzyć konstrukcje w sposób matematyczno-logiczny. Cała obudowa w większości opiera się na prostych kształtach i operacjach CSG. Jedyną bardziej skomplikowaną operacją jest suma Minkowskiego walca i bryły, o której będzie niżej.
Program OpenSCAD cały czas zachowuje logikę tworzenia wyrobu, co pozwala w dowolnej chwili zmodyfikować każdy element.
Obudowa składa się logicznie z części górnej i części dolnej. Granicą między częściami jest płaszczyzna tylnej ścianki telefonu, bez uwzględniania wystających elementów.
W technologii FDM nie jest możliwe prawidłowe wykonanie okrągłych otworów w płaszczyźnie pionowej, możliwe jest wykonanie otworu jedynie w płaszczyźnie poziomej. Z tego względu, wszystkie otwory mają kształt kwadratowy lub ewentualnie ośmiokątny.
Nie będę teraz opisywać całego przebiegu budowania obudowy, tylko opiszę, z czego składają się poszczególne jej części.
Opis części górnej
Jest to część okalająca telefon i utrzymująca etui na telefonie. Od tej części rozpoczyna się budowanie obudowy. Powinna być to ramka, która ma taki sam kształt, jak sam telefon i jest takiej samej wysokości, jak telefon, bez uwzględniania wystających elementów z przodu i z tyłu. Patrząc na zewnętrzne wymiary, obudowa jest szersza od telefonu o 4mm, po 2mm na każdą stronę. Dłuższa jest o 13 mm od telefonu ze względu na konieczność umieszczenia wtyczki Micro-USB podłączonej do telefonu i to ta wtyczka determinuje, o ile obudowa będzie dłuższa od telefonu. Górna część ramki również ma szerokość 2mm. W moim przypadku, telefon ma kształt prostokąta z zaokrąglonymi narożnikami, więc górna część obudowy jest sumą Minkowskiego prostopadłościanu i walca. Wnętrze mieszczące telefon, to również suma Minkowskiego, która odpowiada kształtowi telefonu.
Przy dolnej i górnej krawędzi jest występ, który pełni funkcję zaczepu. Od górnej strony, przez całą wysokość tej części są dwa nacięcia umożliwiające włożenie i wyjecie telefonu poprzez ugięcie tej części obudowy. Z prawej strony jest wnęka mieszcząca przyciski na telefonie i otwory. Grubość ścianki pozostałej po wykonaniu wnęki powinna wynosić minimum 0,7mm. Przy próbie zrobienia 0,5mm, otwór na przycisk jest odkształcony, powstają dodatkowe małe, niechciane otwory. Osobno należy wykonać przyciski, które należy włożyć do tych otworów. Przy zbyt małych wymiarach, takie małe elementy wychodzą odkształcone. W praktyce, między wykonaniami dwóch przycisków należy odczekać co najmniej 5 minut, jak robi się jeden po drugim, to ten drugi wychodzi znacznie odkształcony.
Od góry jest otwór, w którym przypada mikrofon. Od dołu są otwory na mikrofon i głośnik, rozmieszczone w sposób symetryczny. Głośnik jest częściowo zasłonięty, jednak nie ma to wpływu na słyszenie dźwięków z tego głośnika. Od dołu jest też wnęka na wtyczkę Micro-USB, czyli najważniejszy element tego etui.
Nie przygotowałem otworu i tym samym nie mam możliwości podłączenia słuchawek do gniazda minijack. Wynika to z faktu, że ja nie używam tego gniazda i rzadko kiedy cokolwiek do niego podłączam.
Opis części dolnej
Jest to część zawierająca baterie i przetwornice. Dla zwiększenia ergonomii, tą część chciałem mieć fazowaną ze wszystkich czterech stron, więc to też jest suma Minkowskiego, ale walca o bardzo małej wysokości z bryłą w kształcie podobnym do nisko ściętego ostrosłupa. Wszystkie fazy i inne skośne powierzchnie mają płaszczyznę pod kątem 45 stopni.
W przypadku ogniw w kształcie walca, warto sprawić, że one częściowo wystają na zewnątrz. Dzięki temu, obudowa może być cieńsza o 2-3 milimetry. Szerokość otworów na baterie dobrałem eksperymentalnie tak, żeby baterie nie wypadały, bieguny były dostępne wewnątrz. W efekcie ta część ma grubość 8mm. Gdyby baterie miałyby być niewidoczne, ta część obudowy musiałaby mieć co najmniej 11mm, a więc 3mm różnicy. Dolna powierzchnia obudowy ma grubość 1mm. Jakby nie było, wystające ogniwa nie zajmują całej powierzchni obudowy, więc taka obudowa powinna być wygodniejsza. Jak się okaże, że wystające baterie przeszkadzają, to wtedy zrobię nową obudowę, już grubszą, jednak mało prawdopodobne, żeby to było potrzebne.
Ogniw jest sześć, przy każdym otworze, z jednej strony jest zaczep do owinięcia drutem (biegun dodatni), a z drugiej strony jest wnęka do włożenia połówki sprężynki od długopisu, która będzie dociskać biegun ujemny. Sprężynka jest włożona „zagęszczoną” stroną (czyli oryginalnym końcem) do wnęki, że ogniwa dotyka tym końcem, który jest miejscem przecięcia. Po włożeniu nieizolowanego drutu w poprzek, nie ma ryzyka, że sprężynka sama się wykręci i wypadnie. Nacisk sprężyny na drut zapewnia pewny kontakt drutu ze sprężyną. Kawałki nieizolowanego drutu pełnią funkcję połączeń poszczególnych ogniw, a także połączenia skrajnych ogniw z przetwornicą i wyłącznikiem. Do pozostałych połączeń jest wykorzystany drut izolowany pozyskany z kabla USB wykorzystanego do budowy etui.
Wyłącznik jest umieszczony w wycięciu na obiektyw po to, żeby nie był to wystający element, ale też, żeby ryzyko przypadkowego włączenia lub wyłączenia zasilania ograniczyć do zera, a zarazem te wyłącznik był łatwo dostępny w razie konieczności zamierzonego włączenia lub wyłączenia urządzenia.
Na końcu obudowy jest przygotowana wnęka na przewody do wtyczki Mini-USB, dopasowana do wnęki w górnej części obudowy, w okolicy jest również specjalna wnęka na przetwornicę, aby uniemożliwić jej przemieszczanie się.
Telefon ma tylną ściankę metalową, pomalowaną, jednak w miejscach punktowo obśrupanych przewodzi prąd. Z tego powodu, tak na wyrost, przetwornica jest zaklejona taśmą izolacyjną. Wszystkie baterie alkaliczne i akumulatory są obciągnięte folią nieprzewodząca prądu, więc przy dotykaniu ich do metalowej powierzchni, nie ma ryzyka zwarcia.
Przyciski użyte w górnej części obudowy są bardzo małe i można je zgubić bez większego trudu, dlatego po prawej stronie wycięcia do obiektywu jest kwadratowa wnęka będąca schowkiem na zapasowe przyciski. Aby uniknąć grzechotania, wnękę można wypełnić kawałkiem chusteczki lub papieru toaletowego.
Zauważyłem, że na większej powierzchni, tworzywo lekko ugina się. Z tego powodu, po lewej stronie wycięcia do obiektywu jest słupek dystansowy. Z tego samego powodu, a także w celu zapobieżenia „wychodzenia” przewodów do baterii, są dwa słupki przy przetwornicy.
Efekt końcowy
Pusta obudowa:
Pomiar napięcia świeżych ogniw AAA na końcach drutów:
Przyciski, które będą naciskać boczne przyciski telefonu, potrzebne są 3 sztuki, ale zrobiłem 2 sztuki na zapas:
Kompletny powerbank przygotowany do użytku:
Ogólny widok telefonu z powerbankiem:
Prąd ładowania i rozładowania pokazywany przez aplikację AccuBattery przy maksymalnej jasności wyświetlacza:
Prąd ładowania i rozładowania przy minimalnej jasności wyświetlacza:
Masa elementów
Pusta obudowa: 40g
Cały powerbank z bateriami: 110g
Telefon: 170g
Testy i uwagi końcowe
Testowanie w praktyce, zarówno pod względem wygody użytkowania, jak i pojemność tego powerbanku (czyli ile razy można naładować telefon na jednym komplecie baterii) dopiero przede mną.
W przypadku drukarki FDM, do wykonania obudowy lepiej użyć płyty teksturowanej, gdyż na takiej powierzchni niedoskonałości wydruku są mniej widoczne, również mniej widoczne są zarysowania dokonane ostrą końcówką metalowego przedmiotu. Przyciski lepiej wykonać na gładkiej powierzchni, gdyż wygląd dolnej części nie ma znaczenia, a na powierzchni innej niż gładka, bardzo trudno jest wykonać taki mały przedmiot.
Jak już wspomniałem, OpenSCAD pozwala wykonywać operacje CSG z zachowaniem elementów składowych, warto wstawić prostopadłościan obejmujący całą obudowę i wykonać część wspólną z obudową. Taki prostopadłościan znacznie ułatwia obejrzenie renderowanego wyrobu w przekroju lub wykonanie wydruku fragmentu w celu przetestowania jednego elementu (nie ma sensu drukować całej obudowy w tym celu). Do wyboru przekroju lub fragmentu, wystarczy odpowiednio zmieniać wymiary i położenie tego prostopadłościanu.
Załączam pliki źródłowe z programu OpenSCAD i pliki STL dla poglądu.
Cool? Ranking DIY
