Indukcyjna stacja dokująca, na przykładzie LG G3

Cześć!

Jakiś czas temu wpadłem na pomysł zbudowania stacji dokującej indukcyjnie ładującej telefon.

Rozwiązanie sprawdziło się, więc po długotrwałych testach w tym materiale postaram się jak najlepiej opisać wrażenia, korzyści, wymagania sprzętowe, a także poinstruować w uproszczony sposób jak zaprojektować własną stację do dowolnego telefonu.

Spis treści:

1. Po co?
2. QI – wymagania sprzętowe
3. Pomiary i projekt modeli do druku
4. Przygotowanie i montaż elementów

1.Po co?

Głównym założeniem było przedłużenie życia, zarówno baterii jak i gniazda usb w telefonie. Nie jestem ekspertem, ale producenci pakując w nasze sprzęty coraz szybsze metody ładowania zmniejszają żywotność naszych baterii. Ładowanie bezprzewodowe ogranicza prąd ładowania do bezpiecznego jednego ampera, co prawda telefon ładuje się dłużej ale nie jest to strasznym problemem gdyż zazwyczaj nasze sprzęty podłączone do sieci mamy całą noc, a istotą stacji dokującej jest zapewnienie komfortowego miejsca w które będziemy odkładać telefon doładowując go przy okazji. 

Na początku korzystałem z taniej chińskiej ładowarki QI, odciążyłem tym sposobem usb, a szukanie kabelka a następnie podłączanie telefonu szczególnie w nocy myślę że nie należą do przyjemnych czynności, tak więc byłem wstępnie zadowolony… problemem jakiego nie sposób nie zauważyć jest fakt iż telefon musi być odpowiednio ułożony na podstawce by ładowanie było efektywne, co więcej nie jest ona zbyt stabilna i telefon potrafi się zsunąć, a samej ładowarki nie można zawiesić np. na ścianie.

Pierwszą stację zbudowałem z drewna, nie wyglądała najlepiej i szybko się rozpadła wpadłem więc na pomysł wydruku 3D. Przy pomocy środowiska SolidWorks przygotowałem modele, które następnie wydrukowałem co opiszę w dalszej części, następnie nieco przerobiłem ładowarkę i poskładałem całość. Ze stacji korzystam już ładnych kilka miesięcy, polecam każdemu!

2.QI – wymagania sprzętowe

Na czym to polega? W skrócie wykorzystujemy fakt przesyłania prądu między dwiema cewkami na małe odległości, jedna z nich znajduje się w telefonie, druga w ładowarce. Oprócz cewki niezbędny jest specjalny układ, który przekształca prąd stały jakim normalnie ładujemy nasze telefony na prąd zmienny dzięki któremu możemy bezprzewodowo przesyłać naszą energię. Układ generujący prąd zmienny znajduje się w ładowarce QI, natomiast telefon oprócz cewki posiada układ prostujący, który jest niejako odwrotnością poprzednika. Niestety takie przekształcenia jak i sam fakt przesyłania energii na odległość generuje straty łącznie na poziomie osiągającym nawet 50%, dlatego też mimo iż telefon ładujemy prądem 1A potrzebujemy ładowarki o wydajności zwiększonej do 1,5A.

Telefon:

Niezbędnym elementem jest wsparcie dla ładowania bezprzewodowego przez nasz telefon, jeśli telefon nie obsługuje tego typu ładowania domyślnie, można dostosować urządzenie kupując specjalną uniwersalną naklejkę z usb, warto jednak poczytać o danym modelu, gdyż niektóre telefony są wstępnie przystosowane do ładowania QI, w takiej sytuacji należy jedynie dokupić odpowiednią tylną klapkę bądź samą cewkę do przyklejenia po wewnętrznej stronie klapki (np. LG G4). Swój poradnik oprę o aktualnie posiadany przeze mnie G3 który fabrycznie wspiera ładowanie indukcyjne.Ładowarka:

Tutaj mamy sporą dowolność, ważne by standard ładowania jaki obsługuje nasz telefon był kompatybilny z ładowarką, najczęściej jest to QI. Polecam tanie niewielkie ładowarki jak ta posiadana przeze mnie, nie warto przepłacać. Źródłem zasilania dla ładowarek indukcyjnych może być dowolna ładowarka 5V o wydajności co najmniej 1,5A.

Ponadto potrzebujemy dostępu do drukarki 3D i oprogramowania CAD, w zasadzie to wszystko możemy przystąpić do projektowania :)

3.Pomiary i projekt modeli do druku

Do przygotowania plików wykorzystam oprogramowanie SolidWorks, w pierwszym kroku należy określić gabaryty ładowarki, do wymiarowania telefonu przyda się suwmiarka lub chociaż dane producenta, stosujemy luzy gdyż w modelu musimy uwzględnić filc lub inny materiał który ma zapobiec rysowaniu się telefonu w stacji, a także niedoskonałości wydruku 3D które zależą od wielu czynników.

Postanowiłem krok po kroku opisać proces budowania prostego modelu, pliki które finalnie wykorzystuję w swoim projekcie udostępnię na samym końcu.

Po uruchomieniu programu wybieramy Plik->Nowy zaznaczamy Część i zatwierdzamy przyciskiem OK.

Wybieramy Szkic i narzędziem prostokąt ze środka zaznaczamy płaszczyznę przednią.

Rysujemy prostokąt ze środka układu współrzędnych, rysunek możemy powiększać i obracać myszką, lub możemy skorzystać z narzędzia orientacji widoku znajdującego się ponad rysunkiem.

Szerokość mojego telefonu to 75 mm, dodajmy 1 mm luzu na filc, 0.5 mm na dokładność drukarki, oraz grubość ścianek bocznych, ja zdecydowałem się na ścianki 5mm, tak więc szerokość jaką będzie mieć nasza ładowarka to około 86.5mm. By zmienić rozmiar naszego szkicu skorzystamy z narzędzia inteligentnego wymiaru, wybieramy linie między którymi chcemy ustalić daną odległość i wprowadzamy dane. Ustalmy także wysokość, telefon ma 146 mm, dodajmy luz i ścianki jak poprzednio a otrzymamy 157.5 mm.

Aby z rysunku wydobyć bryłę, skorzystamy z narzędzia wyciągnięcie dodania/bazy znajdującego się w operacjach, po wybraniu narzędzia należy wskazać kierunek i odległość na jaką chcemy wyciągnąć nasz szkic, na początek proponuję znaleźć miejsce na ładowarkę QI, jej głębokość to 10 mm, dodajmy 2 na ściankę tylną i wyciągnijmy element.

Kolejnym krokiem jest dobranie idealnego miejsca na ładowarkę, aby mieć pewność polecam wyciąć prostokąt z papieru o wymiarach naszego szkicu ustawić telefon na środku, następnie znaleźć idealne miejsce w którym ładowanie odbywa się bez żadnych problemów i ustalić gdzie ma znajdować się środek ładowarki. Dla mojego telefonu miejsce lekko przesunięte ku górze względem środka okazało się idealne, ustaliłem że środek okręgu wypadnie na 70 mm od górnej krawędzi. Klikamy prawym przyciskiem na przedniej ściance i z menu wybieramy szkic. przy pomocy narzędzia linia środkowa, rysujemy oś symetrii.

Następnie rysujemy okrąg gdzieś na linii, ale nie na jej środku.

Teraz wymiarujemy okrąg i wskazujemy odległość jego środka od górnego brzegu bryły. Ładowarka ma 69.5 mm średnicy więc okrąg ustalmy na 71 mm.

Następnie wybierzmy narzędzie wyciągnięcie wycięcia z operacji, wytnijmy na 10 mm, zostawimy tym samym ściankę o grubości 2 mm.

Korzystając z tych prostych narzędzi i kolejnych szkiców, dodajmy wygodne ścianki boczne, po ich wykonaniu zajmiemy się tunelem na przewód, oraz zaokrągleniami. Do wykonania elementów symetrycznych możemy posłużyć się osią symetrii i narzędziem lustro elementów.

Aby wyciągnąć kilka elementów musimy wybrać narzędzie wyciągania, a następnie wskazać poszczególne pola do wyciągnięcia, jeśli chodzi o wysokość to wybrałem ścianki wyższe o 1 mm od grubości telefonu co dało mi 11 mm.

Przejdźmy do zaokrągleń i ewentualnych fazowań na froncie ładowarki, aby je wykonać posłużymy się narzędziem zaokrąglenia które znajdziemy w operacjach, po jego wybraniu należy określić promień i wskazać interesujące nas kontury.

Tym sposobem uzyskamy odpowiednie krzywizny na krawędziach.

Jeśli będziemy już zadowoleni z przedniej części urządzenia zajmijmy się poprowadzeniem przewodu i spodem stacji. Możemy zmierzyć grubość przewodu, tutaj proponuję nie stosować luzu co pozwoli na wprasowanie przewodu, by ten nie wypadał. Ustaliłem że mój przewód ma  4 mm średnicy. Warto narysować kontur ładowarki od spodu, ułatwi nam to przygotowanie tunelu.

Wytnijmy tunel, pamiętajmy że mamy 2 mm tylnej ścianki więc głębokość jaką ustalimy dla danego przewodu należy zwiększyć o wartość grubości ścianki. Po wycięciu tunelu zostaje nam zaokrąglić tylną część naszej ładowarki.

Jeśli jesteśmy już zadowoleni i uznamy że nasz projekt jest skończony, należy wyeksportować plik by był on rozpoznawalny przez oprogramowanie drukarek 3d.

Z menu plik wybieramy zapisz jako, ustalamy typ pliku na *.stl, a w opcjach ustawiamy rozdzielczość siatki. Im większa tym lepiej, ale od pewnych wartości drukarki nie są w stanie osiągnąć żądanej jakości, tak więc przesadzając spowalniamy jedynie proces generowania pliku na drukarkę, poniżej moje wartości.

Tworząc swoją stację indukcyjną dodałem także 2 mocowania na dystanse, po 1 na stronę urządzenia, tak by mieć możliwość ułożenia telefonu pod kątem. Dodałem także miejsce w którym można wspomniany dystans przechowywać, oraz dodatkowy kanał na kabel, gdybym czasami chciał wypuścić przewód z innej strony. Do urządzenia zrobiłem także ścienne mocowania z tacką zapobiegającą rysowaniu się ściany przy zakładaniu, a samą stację wyposażyłem w otwory pozwalające na jej zawieszenie. Poniżej wstawiam zdjęcia elementów dodatkowych, pliki udostępniam i zachęcam do wykorzystania :)

4.Przygotowanie i montaż elementów

Elementy można wydrukować na dowolnej drukarce 3D lub w punkcie druku 3D, ja swoje wydrukowałem na urządzeniu o nazwie zortrax m200, a materiał z jakiego korzystałem to dedykowany filament zortrax ultrat. Producent dostarcza nam oprogramowanie które maksymalnie upraszcza proces drukowania.Po uruchomieniu dedykowanego oprogramowania, przeciągamy wcześniej przygotowane pliki na okno programu. 

Elementy możemy przesuwać i obracać tak by zoptymalizować proces druku, aby wygenerować plik niezbędny do wydruku przechodzimy do opcji PRINT. Należy określić tutaj podstawowe parametry druku, wybrać materiał, grubość warstwy, jakość, wypełnienie czyli ilość materiału wewnątrz drukowanego elementu, oraz podpory które drukarka doda do naszych elementów by zwiększyć jakość wydruku, po wszystkim należy je wyłamać. W zasadzie to wszystko co prawda są jeszcze opcje zaawansowane ale ta drukarka jest banalna w swej prostocie, co jest zarówno wielką zaletą jak i wadą…

Po wciśnięciu PREPARE TO PRINT, program wygeneruje nam plik który możemy zapisać na kartę pamięci i wydrukować elementy.

Oprogramowanie odróżnia model od supportu zaznaczając go kolorem niebieskim, jak widać w dolnej części ładowarki są niewielkie uchwyty które wychodzą zdecydowanie lepiej z podporami, zaokrąglenia od spodu jak i specyfika stołu drukarki powodują pojawienie się raftu, czyli podpory pod elementem która dodatkowo pomaga nie odrywać się elementom od stołu podczas pracy drukarki.

Proces drukowania trwał około 13h, a podczas niego zużyłem około 70 gram materiału, długi czas jest skutkiem zastosowania minimalnej warstwy, zyskałem za to na jakości wydruku.Po wydrukowaniu elementów zabrałem się za składanie całości, postanowiłem wykorzystać ładowarkę od telefonu i jakiś stary kabel usb, należy zwrócić uwagę na jakość kabla, chińskie przewody często nie radzą sobie nawet z prądem 1A a tutaj potrzebujemy 1,5A.

Postanowiłem zamontować kabelek na sztywno do ładowarki bym zbytnio nie musiał przy niej już grzebać, nie jest to konieczne ale myśleć o tym musimy już podczas projektowania korpusu, więc poniżej opiszę co i jak należało by zrobić by zamontować przewód bezpośrednio do ładowarki.

Przewód obcinamy i zdejmujemy wierzchnią warstwę izolacji, tak by odsłonić wewnętrzne przewody, jak widać usb posiada 4 kabelki o znormalizowanych kolorkach, obcinamy przewody odpowiadające za transmisję danych (ZIELONY, BIAŁY), a dwa pozostałe odpowiadające za zasilanie wstępnie cynujemy by łatwiej było nam przylutować je do ładowarki.Normy normami, ale dobrą praktyką jest sprawdzenie miernikiem czy na przygotowanych kabelkach jest napięcie i czy przewód czerwony jest biegunem dodatnim 5v, do testów polecam podłączyć przewód do jakiejś taniej ładowarki usb na której nam nie zależy na wypadek gdybyśmy niechcący zwarli kabelki i uszkodzili ładowarkę.Nie zapomnijmy przełożyć kabelka przez otwór w ładowarce przed lutowaniem, niby oczywiste ale chyba każdy kiedyś na czymś takim się wyłożył, jeśli planujemy wykorzystać koszulkę termokurczliwą to też jest odpowiedni moment na jej założenie. Korpus warto zaopatrzyć w filc lub inny materiał który uniemożliwi rysowanie się telefonu, umożliwi zamocowanie na ciasno ładowarki, a także spowoduje że telefon nie będzie przemieszczał się wewnątrz stacji.Kolejnym krokiem jest rozebranie i dostosowanie ładowarki bezprzewodowej, w jej wnętrzu widzimy wspomnianą wcześniej cewkę wraz z płytką sterującą którą teraz się zajmiemy. W pierwszym kroku jeśli posiadamy lutownicę typu hot-air możemy pokusić się o wylutowanie gniazda usb, ale nie jest to mimo wszystko konieczne.

W kolejnym kroku zidentyfikuję gdzie możemy się przylutować by bezpiecznie zasilać nasz układ.GND (Masa) – kolor czarny, jeśli na płytce nie było by oznaczenia można poznać po tym iż jej pole obejmuje miejsca montażu elementów takich jak obudowa USB albo miejsca pod śrubki, VCC (5V) – kolor czerwony w przypadku ładowarek tego typu wyprowadzone są zazwyczaj tylko dwa wyprowadzenia, ale rozpoznać można je po tym że zazwyczaj połączone jest z masą jakimś kondensatorem filtrującym lub jest opisane jak tutaj. Zalecam zachować odstęp przy lutowaniu elementów tak by z czasem kabelki nam się nie zwarły wewnątrz urządzenia, przylutujmy więc przewody do miejsc nieco oddalonych od siebie.Mając tak przygotowany układ zajmijmy się wycięciem w obudowie ładowarki indukcyjnej otworu na przewód, a następnie złożeniem całość.Pozostało nam tylko upchnąć ładowarkę QI w stacji dokującej i upakować kabel w jeden z przeznaczonych na niego kanałów, a następnie przetestować czy wszystko działa :)Na koniec wrzucam zdjęcie ładowarki wiszącej na ścianie, a także wszystkie wygenerowane przeze mnie pliki. Pozdrawiam i zachęcam do wykonania własnych projektów!

Pliki załączone do artykułu:

• pliki-do-druku.zip
• przykladowy-projekt.zip