X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройство для зарядки USB-гаджетов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мурашкин Е.А. 1

---

1МБОУ "Яковлевская СОШ"

Дручинина О.А. 1

---

1МБОУ "Яковлевская СОШ"

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы живем в эпоху электронных устройств. Быстрыми темпами развивается мир гаджетов, без которых сложно представить жизнь современного человека. Смартфоны, плееры, фото и видеокамеры, навигаторы и фонарики ? все это настолько незаменимые и привычные вещи, как вилка с ложкой во время обеда. К сожалению, вся эта сложная электроника не может работать продолжительное время без подзарядки. Энергии встроенного источника хватает ненадолго. Иногда случается, что устройство разряжается в самый неподходящий момент и не функционирует. Особенно это критично, когда нет доступа к электросети, и нет возможности подзарядить свой гаджет. Например, уходя в поход или на долгую велопрогулку, вы вряд ли найдёте место для подзарядки, где бы вы смогли зарядить свой смартфон. Для таких особенных случаев необходимо иметь специальное портативное зарядное устройство, которое поможет оставаться "онлайн", и вести активную социальную жизнь даже вдали от цивилизации.

На сегодняшний день существуют различные зарядные устройства, позволяющие подзарядить наши гаджеты. PowerBank, так часто рекламируемый в повседневной жизни, имеет как свои преимущества, так и недостатки. Он поможет пару раз зарядить телефон или любое другое устройство, но после исчерпания его заряда, он будет совершенно бесполезным тяжелым балластом. А все, кто хоть раз пробовал ездить на велосипеде на большое расстояние знают, как важно возить с собой поменьше ненужных вещей, которые только усложняют велосипедную жизнь.

В последнее время на рынке появилось большое количество работающих от динамо-генератора велосипедных зарядных устройств для различных гаджетов. Однако стоимость их оказалась достаточно высокой. Мне стало интересно сделать аналогичное, но более экономически доступное устройство самостоятельно.

Поэтому целью моей работы являлось создание работающего от динамо-генератора простого портативного устройства с низкой себестоимостью для зарядки USB-гаджетов.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Изучить информацию по существующим портативным зарядным устройствам для мобильных телефонов.

Выбрать базовую схему устройства;

Разработать и описать этапы изготовления изделия;

Изготовить и представить устройство для зарядки USB-гаджетов.

Проанализировать и обобщить результаты работы;

Определить практическую значимость и рекомендации по использованию

Объект исследования: процесс зарядки устройства для USB-гаджетов.

Предмет исследования: разработка и изготовление портативного устройства, работающего от динамо-генератора.

Этапы исследования:

Изучение и анализ литературы и других источников информации;

Выбор базовой схемы зарядного устройства:

проведение анализа существующих технических решений и выбор наиболее оптимального варианта изготовления устройства;

использование инженерных методик расчета электрических цепей и платформы для создания схемы устройства;

подбор оптимальных по цене и качеству электрических деталей и модулей устройства;

Изготовление устройства;

Экспериментальная проверка работоспособности изделия.

Анализ и оформление результатов исследования.

Значимость и новизна проекта заключается в том, что создано простое портативное устройство с низкой себестоимостью для зарядки USB-гаджетов..

1. ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ ТЕЛЕФОНОВ

1.1. Виды зарядных устройств для мобильных телефонов

Каждый когда то сталкивался с таким моментом в жизни, когда ждешь очень важного телефонного звонка и в самый ответственный момент телефон отключается. Чтобы этого не произошло, нужно чаще заряжать свой телефон. Зарядное устройство служит для зарядки какого либо аккумулятора, будь то аккумуляторная батарея мобильного телефона, или аккумулятор автомобиля. Рассмотрим зарядные устройства (ЗУ) для мобильных телефонов.

По принципу работы зарядные устройства для мобильных телефонов делят следующим образом:

Аккумуляторные – работают по принципу накопления заряда и последующей передачи заряда устройству.

Сетевые – питаются от центральной электросети мощностью 220 В и преобразовывают это напряжение в подходящее для устройства.

Автомобильные – работают от прикуривателя в автомобиле. В качестве питания используют бортовую сеть автомобиля.

Универсальные – представляют собой провод со специальным разъемом для подключения телефона с одной стороны и с USB-разъемом с другой стороны, что позволяет заряжать телефон от ПК и ноутбука.

Беспроводные – устройство не контактирует напрямую с электрическим током, а просто кладется на специальную платформу.

Велосипедные - комплект для установки на велосипед, позволяющий заряжать мобильный телефон во время движения велосипеда.

1.1.1. Сетевое зарядное устройство.

СЗУ (сетевое зарядное устройство) служит для зарядки сотового телефона от электросети (рис. 1). Все мобильные телефоны комплектуются СЗУ. Сетевые зарядные устройства бывают двух видов: трансформаторные и импульсные. Импульсные ЗУ боятся скачков напряжения, что обычно бывает при подключении других устройств в электросеть или при плохом контакте.

Рисунок 1. Импульсное сетевое зарядное устройство

Трансформаторное ЗУ сделано с защитой и имеют запас по току. Не вдаваясь в подробности электрической схемы этих зарядок, однозначно можно сказать, что зарядное устройство трансформаторного типа предпочтительней импульсного.

1.1.2. Автомобильное зарядное устройство

АЗУ (автомобильное зарядное устройство) применяется исключительно в автомобиле (рис. 2). Автомобильная зарядка ? это преобразователь напряжения автомобильных 12 вольт в требуемое напряжение для зарядки мобильного телефона.

У каждого автомобилиста АЗУ ? обязательный аксессуар для мобильного телефона. Способ подключения АЗУ осуществляется в гнездо прикуривателя.

Рисунок 2. Автомобильное зарядное устройство

Выбирать следует оригинальную зарядку, потому как качественная сборка значит много. Проблемой у дешевых зарядок является то, что они не выдают нужного тока на выходе, которого не хватает для питания телефона. Из этого следует, что аккумулятор телефона будет заряжаться дольше, чем от оригинальной зарядки. Даже, используя дешевую автомобильную зарядку, Вы не рискуете навредить своему телефону, так же как и автомобилю. В телефонах довольно большой запас по перепадам напряжения. А в автомобиле максимум придется заменить предохранитель на цепи питания прикуривателя.

1.1.3. Универсальное зарядное устройство

Одним из универсальных устройств является всем известное зарядное устройство, называемое в народе «лягушка» (рис. 3). Зарядное устройство «лягушка» - это устройство, которое подходит для зарядки практически всех моделей аккумуляторов мобильных телефонов [4]. У «лягушки» есть два контакта «+» и«−», которые соединяются с одноименными клеймами на аккумуляторе.

Универсальность этой зарядки заключается в том, что эти контакты могут перемещаться до нужной клеммы аккумулятора. Вставив аккумулятор в зарядку «лягушка» и подключив контакты к нужным клеймам, зарядное устройство подключается к электросети.

Рисунок 3. Универсальное зарядное устройство

Также существуют универсальные зарядки, которые подключаются в электросеть и гнездо прикуривателя в автомобиле (рис. 4). Эти зарядные устройства имеют гнездо USB к которому подключается кабель с различными коннекторами.

Рисунок 4. Универсальное USB зарядное устройство

В комплекте присутствуют все виды разъемов, которые подходят для большинства моделей мобильных телефонов.

К универсальным зарядным устройствам также можно отнести и портативную динамо-зарядку (рис.5). Вспомните фонарик-динамо, у которого при нажатии на ручку начинала светиться лампочка вот по этому принципу и работают зарядки

Рисунок 5. Зарядное устройство динамо-машина

Зарядка аккумулятора телефона, например, осуществляется за счет вращения ручки или нажатия рычага динамо-зарядки. Такие зарядки тоже снабжены кабелем с различными переходниками для популярных моделей сотовых телефонов.

1.1.4. Зарядные устройства, работающие от солнечной батареи

Зарядные устройства на солнечных батареях предназначено для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов (рис.6). Они преобразуют солнечный свет в электричество, которое заряжает встроенный аккумулятор зарядки. От встроенного аккумулятора зарядного устройства можно зарядить аккумулятор мобильного телефона, mp3 – плеера, Ipod, КПК и т.д.

Рисунок 6. Зарядное устройство на солнечных батареях

Зарядное устройство на солнечных батареях − это необходимое устройство, если приходится часто выезжать на природу, где отсутствует возможность заряжать свои устройства от сетевого электричества.

1.1.5. Беспроводные зарядные устройства

Данный тип зарядных устройств представляет собой платформу, на которой заряжается телефон (рис. 7). Достаточно просто положить телефон на платформу без использования, каких-либо соединительных проводов. Беспроводные зарядные устройства работают по индукционному принципу. Одним из лидеров, ставших выпускать первые беспроводные зарядные устройства, была американская компания WildCharge. Данные устройства стали всё чаще появляться у разных производителей. Для использования беспроводной зарядки WildCharge требуется использовать специальный адаптер, подключаемый в телефон.

Рисунок 7. Гальваническое зарядное устройство

Модельный ряд мобильных телефонов, mp3 плееров и других гаджетов, которые можно заряжать на беспроводных платформах, довольно ограничен. Производители работают над тем, чтобы больше моделей девайсов были совместимы с их беспроводными зарядными устройствами.

1.2. Велосипедные зарядные устройства

Велосипедная зарядка – это устройство, преобразующее механическую или другую энергию, возникающую при движении велосипеда, в электричество, которое затем применяется для перезарядки аккумуляторов портативных электронных приборов [6].

Чаще всего она используется для зарядки телефона, хотя, в зависимости от выходной мощности, типа разъёма и прочих параметров, может подойти и для прочих гаджетов – цифровых камер, аудиоплееров, планшетов, GPS-навигаторов и многого другого.

Полное время зарядки телефона зависит от его модели и от скорости движения велосипеда. Процесс зарядки начинается на скорости примерно 6 км/ч (скорость пешехода), максимальная мощность достигается на скорости 25 км/ч. На скорости 12 км/ч эффективность устройства становится такой же, как у обычных стационарных зарядных устройств, работающих от электросети. Зарядка останавливается, если скорость превышает 50 км/ч. Например, велосипедный комплект для зарядки Nokia прост в установке и подходит для самых разных велосипедов (рис.8 а,б).

а) б)

Рисунок 8 Велосипедный комплект (а) и велозарядка (б)

Комплект состоит из трех компонентов: цилиндра динамо-машины, зарядного устройства и держателя для телефона. Цилиндр динамо-машины устанавливается в передней части велосипеда при помощи кронштейна. Зарядное устройство и держатель телефона надежно крепятся на руле. Зарядное устройство, держатель для телефона и сам телефон легко можно снять, например, если вы оставляете велосипед без присмотра.

Таким образом, на основании анализа литературы и информации из сети Интернет я пришел к выводу, что важным элементом велосипедной зарядки является преобразователь энергии. Самым простым и экономически доступным является динамо-генератор, работающий на основе фрикционной передачи. Такие генераторы еще называют «бутылочными» из-за характерной формы. В них для передачи энергии вращения велосипедного колеса используется ролик, который прижимается к покрышке. Зарядное устройство, изготовленное на основе такого генератора, будет наиболее дешёвым и лёгким в установке [7]. Кроме того, необходимо разработать конструкцию зарядного устройства для работы под открытым небом, в условиях загрязнения и повышенной влажности.

2. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ USB-ГАДЖЕТОВ

2.1. Устройство для зарядки USB-гаджетов

Анализ литературы показал, что зарядное устройство должно состоять из преобразователя энергии, встроенного аккумулятора и контроллера [7].

Динамо-генератор вырабатывает электричество, контроллер служит выпрямителем и управляет процессом зарядки аккумулятора, от которого затем перезаряжается сам телефон.

Общий вид разработанного мной портативного устройства для зарядки USB-гаджетов, работающего от динамо-генератора, представлен на рис.9.

Рисунок 9. Портативное устройство для зарядки USB-гаджетов

Назначение

Устройство для зарядки представляет собой прибор для подзарядки аккумуляторной батареи любого USB-гаджета. Основные его технические характеристики представлены в табл.1

Предполагается два варианта работы данного устройства. Во-первых, можно использовать его как обычный PowerBank, предварительно заряжая дома от сети переменного тока через блок питания. Во-вторых, использовать непосредственно как велозарядку. В последнем случае устройство достаточно закрепить на велосипеде, подключить его к динамо-генератору, затем установить штекер устройства в гнездо зарядки мобильного телефона и переключателем режима включить подачу питания зарядки в телефон, и спокойно отправляться в велопутешествие.

Таким образом, с помощью данного устройства можно в любой момент осуществить подзарядку своего мобильного телефона (или любого другого USB-гаджета), оставаясь при этом всегда на связи.

Таблица 1. Основные технические характеристики устройства

2.2. Структурная и принципиальная схема устройства

Структурная схема зарядного устройства представлена на рис. 10. Она показывает, из каких функциональных узлов состоит прибор, их назначение и взаимосвязи.

Принципиальная схема зарядного устройства, представленная на рис.11, показывает схематичное расположение элементов, функциональные узлы и связи. Устройство для зарядки USB-гаджетов работает следующим образом.

При вращении динамо-генератора вырабатывается переменный ток, который с помощью диодного моста преобразуется в постоянный. Используя стабилизатор напряжения L7805, мы можем понизить напряжение до 5 В и тока в 1 А. Для защиты литиевых аккумуляторов от перегрузки в цепь включен модуль заряда и защиты.

Рисунок 10. Структурная схема устройства

Рисунок 11. Принципиальная схема устройства

Поскольку для питания портативной техники от USB-порта нужно 5 В, а в нашем случае напряжение одного литиевого аккумулятора составляет 3,7 В, то далее в схему был включен повышающий модуль. Для подзарядки разных моделей телефонов устройство имеет два USB-выхода: порт №1 для зарядки различных гаджетов, а порт №2 для зарядки телефонов модели Samsung. Поэтому в первом случае нужно закоротить между собой выходы D- и D+ (USB порт №1), во втором случае поставить резистор на 30 кОм между выходами 5v и D-, а между D+ и GND резистор на 10 кОм (USB порт №2).

Во время движения на велосипеде происходит зарядка и гаджета, и самого устройства (аккумулятора). После остановки ? гаджет заряжается непосредственно от устройства, как от обычного PowerBank.

2.3. Принцип изготовления устройства для зарядки USB-гаджетов

Данное устройство было изготовлено в следующей последовательности:

Выполнение подготовительных работ.

Разработка принципиальной схемы.

Подбор элементов для монтажа.

Выполнение монтажа устройства.

Экспериментальная проверка работы устройства.

Выполнение заключительных работ.

Рассмотрим каждый этап более подробно.

Выполнение подготовительных работ

Для монтажа устройства необходимо иметь набор отверток, паяльник, припой, флюс, круглогубцы, кусачки, мультиметр. Небольшая часть этих инструментов представлена на рис.12.

Рисунок 12. Оборудование, инструменты и приспособления, необходимые для изготовления изделия.

Разработка принципиальной схемы

Принципиальная схема разрабатывалась с учетом подбора элементной базы с помощью программы EasyEDA [5]. Это кросс-платформенная веб-ориентированная среда автоматизации проектирования электроники, включающая в себя редактор принципиальных схем, редактор топологии печатных плат, SPICE-симулятор, облачное хранилище данных, систему управления (рис.13).

Рисунок 13. Разработка принципиальной схемы устройства

Подбор элементов для монтажа

Элементная база, необходимая для изготовления устройства, и стоимость деталей представлены в табл. 2. Анализ показал, что изготовленное мной устройство является экономически более доступным, чем иностранные велозарядки, например, «BIKECHARGE DYNAMO».

Выполнение монтажа устройства

По принципиальной схеме я выполнял монтаж устройства. Ход изготовления устройства для зарядки USB-гаджетов (велозарядки) представлен в Приложении 1.

Экспериментальная проверка работы устройства производилась сначала от сети переменного тока, а потом в реальных условиях ? с использованием велосипеда.

Таблица 2. Элементная база для изготовления устройства

Выполнение заключительных испытаний

Заключительный этап моего проекта ? тестирование устройства в реальных условиях эксплуатации. Мне необходимо было убедиться на практике, работает оно или нет.

Рисунок 14. Тестирование устройства для зарядки USB-гаджетов в реальных условиях эксплуатации

Для этого я установил на колесо велосипеда динамо-генератор, закрепил на руле мое устройство для зарядки USB-гаджетов, подсоединил к генератору и прокатился по тротуару вдоль дома (рис.14). Испытания показали, что устройство работает ? оно заряжается во время езды на велосипеде.

Преимущества зарядного устройства

Данное устройство предназначено для автономной подзарядки любых USB-гаджетов. Его можно заряжать как стационарно, от сети переменного тока через блок питания и использовать его как обычный PowerBank, так и от динамо-генератора при велопрогулке.

Устройство имеет низкую себестоимость, удобно в эксплуатации.

Рекомендации по эксплуатации

Использовать в домашних условиях как обычный PowerBank, а в комплекте в динамо-генератором в качестве велозарядки.

Не использовать во влажную погоду.

Не допускать нагрев свыше 50°С.

Заключение

В процессе выполнения проекта было разработано портативное устройство, которое представляет собой прибор для подзарядки аккумуляторной батареи любого USB-гаджета.

Данное устройство можно использовать как обычный PowerBank, предварительно заряжая его дома от сети переменного тока через блок питания, или как велозарядку в комплекте с динамо-генератором. В этом случае блок устройство достаточно закрепить на велосипеде, подключить его к динамо-генератору, затем установить штекер устройства в гнездо зарядки мобильного телефона и переключателем режима включить подачу питания зарядки в телефон.

Устройство имеет низкую себестоимость, удобно в эксплуатации.

Использование в зарядном устройстве аккумуляторов вышедших из строя мобильных телефонов, позволяет решить проблему утилизации литий-ионных батарей. Емкость зарядного устройства можно регулировать количеством соединенных параллельно аккумуляторов.

В перспективе можно использовать данную велозарядку для создания велотренажера в школьном спортзале, дополненного, например, световой, звуковой индикацией или иллюминацией. Подобные эффекты позволят вызвать интерес учащихся к велотренажеру, что даст возможность решить проблему гиподинамии школьников во время перемен.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя // Наука и техника

Санкт-Петербург 2003г.

2. Л.Н. Токарев. Дифференциальные уравнения (электрических цепей, машин, преобразователей): Учебник, Изд-во Литео, 2017г

3. Г.В. Ярочкина. Радиоэлектронная аппаратура и приборы: Монтаж и

регулировка: Учебник для НПО, ПрофОбрИздат 2002 г.

4. Источник в сети Интернет: https://akkummaster.com/vidy-akkumulyatory/zaryadka/zaryadnoe-ustrojstvo-lyagushka.html

5. Источник в сети Интернет: https://esp8266.ru/easyeda-quick-start/.;

Sonic EasyEDA gives makers pcb layout in a browser. seeedstudio.com

6. Источник в сети Интернет: http://nootropos.ru/blogs/digiz/velosipednaya_zaryadka_dlya _mobilnogo_telefona/

7. Источник в сети Интернет: https://velofans.ru/vibor/zaryadnoe-ustroystvo-velosipeda

Приложение 1. Этапы изготовления устройства

Таблица 1. Ход изготовления устройства для зарядки USB-гаджетов