Energia do projeto de 5 volts sem bateria: 16 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:40

Agora você pode ter uma fonte de alimentação regulada constantemente ao seu alcance, SEM baterias para substituir ou recarregar! Este Instructable mostra como modificar uma lanterna de dínamo de chaveiro em uma fonte média enxuta que pode substituir as baterias para qualquer projeto que requeira corrente contínua de 5 volts (5 V DC) rápida.

Se você até mesmo incluiu lógica digital, chips analógicos ou um microcontrolador em um projeto, há uma boa chance de que você encontrou uma maneira de fornecer 5 V CC ao seu circuito. Existem poucas fontes primárias de 5 V, então você pode usar uma verruga de parede para converter a energia CA (o que obviamente limita onde você pode levar seu novo gadget) ou você pode gastar mais tempo construindo um circuito regulador para obter várias baterias de 1,5 V para as necessárias Voltagem. Essas soluções são necessárias para alguns circuitos, mas para dispositivos menores, não seria bom ter um estoque sempre pronto para que você possa ir direto para o trabalho em outros aspectos do projeto? Adicionando alguns componentes eletrônicos a uma lanterna dínamo amplamente disponível, você pode alimentar pequenos dispositivos por curtos períodos sem usar tomadas ou baterias. O dínamo aprimorado é ótimo para a bancada de trabalho ou para exibir novos projetos em qualquer lugar. Este Instructable cobre como montar e instalar um conversor DC-DC que transforma a baixa voltagem do gerador do dínamo em 5V constantes. O circuito elevador carrega um grande capacitor que fornece armazenamento de energia e alguma potência mesmo quando o dínamo não está girando. Seguindo as etapas neste Instrutível, você pode realizar tudo isso sem fabricar uma placa de circuito especial ou usar componentes de montagem em superfície difíceis de soldar. Para colocar as peças eletrônicas dentro da caixa do chaveiro, é necessário algum origami de circuito, mas depois de cerca de uma hora de ajustes, você terá um dispositivo bacana que pode fornecer até 50 miliamperes de corrente a 5 V DC constantes enquanto dá corda e miliwatts de energia por minutos depois !

Etapa 1: como funciona

Gerador elétricoA corrente fluindo para um motor cria um campo magnético em bobinas presas ao eixo, que gira na presença de um campo magnético de ímãs fixos. Quando um motor funciona no sentido inverso - a energia é aplicada girando o eixo - uma tensão é induzida na bobina. A lei de Faraday diz que essa tensão é proporcional à taxa de variação do campo magnético na bobina. Assim, quanto mais rápido o eixo é girado, maior a tensão. Relações de engrenagemUma série de engrenagens é usada dentro do chaveiro para fazer o gerador girar o mais rápido possível. Quando você gira a manivela, ela coloca três engrenagens retas compostas em movimento. Metade de cada engrenagem composta tem um raio pequeno e a outra metade tem um raio grande. Quando o raio pequeno é girado, os dentes na borda do raio maior mudam de localização em uma taxa proporcionalmente mais rápida. Ao colocar essas engrenagens compostas em cascata, a taxa de acionamento pode ser multiplicada várias vezes e o eixo do gerador pode ser girado muito mais rápido do que um humano poderia girá-lo. acionamento razoável, mas a tensão não é alta o suficiente para atingir 5V. Esta tensão também varia rapidamente com base na taxa de rotação do eixo. Para obter uma saída estável de 5 V, é necessário um conversor elevador. O circuito integrado específico escolhido - o MAX756 - pode transformar tensões tão baixas quanto 0,7 V em 5 V e vem em um prático pacote de 8 pinos. O circuito elevador é baseado no circuito de aplicação da ficha de dados MAX756. https://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX756-MAX757.pdfMesmo que essas lanternas dínamo sejam anunciadas como não precisando de baterias, elas parecem ter três baterias do tamanho de uma moeda dentro. O gerador é soldado a esta pilha de bateria em um circuito de carga um tanto rudimentar. No entanto, não acho que essas baterias sejam recarregáveis e tendem a se esgotar rapidamente após a descarga inicial. Este Instructable substitui esta pilha de moedas por um grande capacitor que pode ser recarregado com mais frequência e é mais eficiente. Veja o esquema para o layout de todo o circuito. Os componentes específicos foram escolhidos para facilitar a soldagem manual, embora sejam os menores tamanhos que ainda são avaliados para as tensões no circuito. Nota: A folha de dados do MAX756 tem C3 como um capacitor de 150 uF. Os capacitores de 150 uF que encontrei eram fisicamente muito maiores do que os de 100 uF e não cabiam no pequeno chaveiro. Assim, troquei o C3 por um capacitor de 100 uF e parece funcionar bem.

Etapa 2: Peças e Ferramentas

Peças do conversor elevador As peças para o circuito elevador podem ser obtidas em um distribuidor de eletrônicos, como Digikey. U1 - MAX756 Conversor CC-CC 3,3 V / 5 V elevador, pacote DIP de 8 pinos [Digikey # MAX756CPA + -ND] C1 - capacitor 0,33 F 5,5 V, pacote de moedas [Digikey # 604-1024-ND] C2, C3 - capacitor eletrolítico de alumínio 100 uF 6,3 V, mini radial [Digikey # P803-ND] C4 - cerâmica 0,1 uF 25 V capacitor de uso geral, através do orifício [Digikey # BC1148CT-ND] L1 - 22 uH RF choke, axial [Digikey # M8138CT-ND] R1 - 1k, 1 / 4W resistor de filme de carbono de uso geral, axial [Digikey # 1.0KQBK -ND] D2 - Diodo Schottky 1A 20V, axial [Digikey # 1N5817GOS-ND] D3 - Se você não puder reciclar os LEDs originais da lanterna porque os fios foram presos muito curtos, você pode usar qualquer LED de 2 mA, redondo T1 3 mm [por exemplo Digikey # 475-1402-ND] Lanterna com chaveiro dínamoEu usei uma lanterna com LED dínamo que foi marcada como AIDvantage e feita pela LTA, Inc. (item # 02119) para este projeto. Há uma variedade dessas lanternas de tamanho no mercado, feitas por diferentes fabricantes - eu as vi em supermercados (Giant na Costa Leste) e lojas de informática (Microcenter). Você pode encontrá-los online no Google: lanterna chaveiro dínamo. Normalmente custam menos de $ 5. Descobri que existem algumas pequenas variações entre lanternas feitas por diferentes fabricantes. Uma lanterna que comprei no Microcenter não tinha uma placa de circuito para os LEDs - os LEDs foram soldados diretamente na bateria. Esta placa de circuito de LED é boa, mas não é obrigatória. Se você descobrir que não há placa de circuito separada para os LEDs, você pode simplesmente soldar os respectivos terminais positivo e negativo do combo LED + resistor e cabo de saída juntos. Um pouco de cola quente dentro do painel frontal perto do LED e do cabo de saída pode dar ao conjunto alguma resistência mecânica. A outra variação era que os fios do switch nesta versão também eram soldados de forma um pouco diferente na bateria. Caso contrário, era praticamente idêntico. Cabo de saída Usei um cabo USB A macho para mini-B USB macho retirado de um MP3 player morto como o cabo de saída. Escolhi este cabo porque a entrada mini-USB é comum para pequenos circuitos. Uma vez que existem 4 conexões dentro deste cabo, você tem que descobrir quais fios são os terminais positivo e negativo. No entanto, você pode usar qualquer tipo de cabo de saída que desejar, se souber a polaridade. Para testar o circuito, provavelmente você também desejará ter o conector complementar disponível para o adaptador de saída. Desosoldei o receptáculo mini-B do MP3 player inoperante e conectei os fios vermelho e preto para alimentar os pinos de 5V e terra, respectivamente. Ferramentas Você precisará das seguintes ferramentas para construir e testar o dínamo modificado: - descascador de fios - soldagem ferro, solda e fluxo (este Instructable assume que você já soldou antes) - voltímetro e pontas de prova - pequena chave de fenda Phillips (para abrir o estojo da lanterna) - fita isolante - pequenos cortadores de fio - pequenos alicates - pinças (opcional, mas recomendado) - torno de braços ajustáveis, ferramenta de terceira mão (opcional, mas recomendado) - chave de fenda pequena (opcional, mas recomendado) - pistola de cola quente (opcional, mas recomendado) - faca de passatempo (opcional, mas recomendado)

Etapa 3: Circuito Origami: MAX756 e Capacitor de Armazenamento

A. Identifique os 8 pinos no MAX756 e oriente o chip com o pino 1 na parte inferior esquerda.

B. Vire o chip (ou seja, gire 180 graus através do eixo longo) e prenda os pinos 4 e 5. Esses pinos vão para o indicador de bateria fraca do MAX756 e não são usados neste Instructable. Você pode modificar o circuito e usar esses pinos para determinar quando a tensão no capacitor de armazenamento (C1) está baixa. Vire o capacitor de armazenamento de modo que o pino negativo fique à esquerda. C. Coloque o MAX756 no capacitor de armazenamento de forma que o chip fique aproximadamente entre os pinos C1 (-) e C1 (+) negativo do capacitor de armazenamento. D. Dobre os pinos do capacitor de armazenamento em direção ao MAX756 como se fosse prender o chip no lugar. Dobre os pinos 2 e 7 no MAX756 para que eles quase toquem no pino negativo C1 (-) do capacitor de armazenamento. Dobre o pino 6 de forma que ele quase toque o pino positivo C1 (+) do capacitor de armazenamento. E. Solde C1 (-) e os pinos 2 e 7 no MAX756. Em seguida, solde C1 (+) e pino 6 no MAX756. F. Finalmente, corte um pequeno pedaço de fita isolante aproximadamente do tamanho da altura e largura do MAX756. Use esta peça para cobrir as juntas soldadas em E.

Etapa 4: Circuito Origami: Indutor, Capacitor de Referência, Diodo Schottky

A. Coloque o indutor L1 contra os pinos 1 e 8 no MAX756. Pressione os fios L1 contra os pinos do MAX756 para que o componente fique o mais próximo possível do corpo do chip.

B. Solde L1 nos pinos 1 e 8 e prenda o comprimento restante do cabo L1. C. Coloque o capacitor de cerâmica C4 de forma que um cabo toque o pino 3 no MAX756 e o outro pressione contra uma parte exposta do pino 2, que agora está quase totalmente sob a fita isolante. D. Solde o C4 nos pinos 2 e 3 e prenda o comprimento do cabo C4 restante. E. Olhando para MAX756 com o pino 1 no canto superior esquerdo, coloque o diodo Schottky D2 na saliência criada pelo grande capacitor C1. Dobre o pino D2 (-) do cátodo D2 - identificado com uma faixa - em torno do corpo do MAX756 de modo que ele toque o terminal positivo de C1, C1 (+). Dobre o ânodo D2 D2 (+) para cima de modo que ele toque no pino 8 no MAX756. F. Solde os pinos D2 no MAX756 e prenda o comprimento restante do cabo. Corte os pinos 8 e 3.

Etapa 5: Origami do circuito: capacitores eletrolíticos, parte 1

A. Coloque os capacitores eletrolíticos C2 e C3 em suas extremidades de modo que os terminais negativos, C2 (-) e C3 (-), fiquem próximos um do outro.

B. Curve C3 (-) em torno de C2 (-). C. Solde os dois terminais negativos perto de C2. Isso criará um fio terra para os dois capacitores. Certifique-se de não soldar acidentalmente o terminal positivo de C2. Prenda o comprimento restante de C2 (-). D. Vire os capacitores em sua direção. Curve C3 (-) no canal criado entre os dois capacitores. Perto do final dos capacitores, dobre o comprimento restante 90 graus como se estivesse criando um pé para os dois capacitores. E. Com C1 (-) voltado para você, coloque C2 e C3 no lado esquerdo e dobre o pé C3 (-) entre o terminal C1 (-) e o corpo C1. F. Solda C3 (-) a C1 (-). Você está amarrando os pinos de aterramento de C2, C3 e C1 juntos.

Etapa 6: Origami do circuito: capacitores eletrolíticos, parte 2

A. Dobre o terminal positivo de C3, C3 (+) em direção ao pino 1 no MAX756 para que fique dentro dos pinos 1 e 2.

B. Solde C3 (+) no pino 1 no MAX756. Apare o comprimento restante do pino 1. C. Gire o conjunto de modo que fique apoiado no cabo negativo de C1, C1 (-). Corte uma tira de fita isolante que seja mais estreita do que a largura dos capacitores C2 e C3 juntos e cerca de duas vezes mais longa. Coloque esta fita isolante entre C1 e C2 / C3 de forma que cubra os pinos de aterramento C2 / C3. Isso evitará que C2 (+) toque acidentalmente e entre em curto com o aterramento. E. Dobre C2 (+) 90 graus para que fique sobre a junta de solda C2 / C3. Em seguida, dobre-o 90 graus em direção ao terminal C1 (+). F. Solde C2 (+) a C1 (+) e apare o comprimento restante.

Etapa 7: Fazendo o cabo de saída

O processo de fabricação do cabo de saída depende de qual adaptador você escolher para seus projetos. Esta etapa descreve como incorporar um cabo USB mini-B macho, já que é um formato de plugue de alimentação comum. Usei um cabo que veio de um MP3 player morto e tinha terminais USB-A macho e mini-B macho.

Corte o cabo a cerca de 5 polegadas da ponta da extremidade mini-B. Descasque a extremidade USB-A e os 4 fios internos. Para determinar quais fios são positivos e aterrados, conecte o USB-A a uma tomada USB com alimentação. Teste as combinações de fios com um voltímetro - se houver fios vermelho e preto, eles provavelmente fornecem alimentação positiva e aterramento, respectivamente. Descasque o isolador externo na extremidade mini-B em cerca de 1/4 de polegada. Depois de saber quais fios são positivos e aterrados, J1 (+) e J1 (-), descasque esses fios na extremidade mini-B e corte os dois fios restantes.

Etapa 8: desmontando a lanterna

A. Use uma chave de fenda Phillips nos quatro parafusos para desmontar a lanterna.

B. A lanterna deve se separar facilmente. Identifique quais peças são a parte superior da caixa, a parte inferior da caixa e o painel frontal. C. Retire os componentes eletrônicos. D. Prenda os dois fios perto do painel frontal. Você usará o fio soldado ao switch, portanto, mantenha esse fio o maior tempo possível. Em seguida, prenda o fio e a extremidade do diodo D1 (a extremidade negativa do cátodo é marcada com uma linha preta) perto das baterias de moedas empilhadas para que os comprimentos do fio e do diodo que se estendem do motor M1 sejam os maiores possíveis.

Etapa 9: Preparando o painel frontal

Nota: nem todas as lanternas com chaveiro dínamo têm uma placa de circuito de LED. Se o seu não tiver, você pode pular esta etapa.

A. Coloque uma chave de fenda de ponta chata entre o plástico da placa frontal e a placa de circuito do LED. B. Torça a chave de fenda. O painel frontal e a placa de circuito do LED devem se separar. C. Encontre a saliência na placa de plástico. D. Prenda o nó com um alicate. E. O lado do nó ficará voltado para fora no novo dínamo. F. Desolder os LEDs da placa de circuito de LED. Tente extrair os LEDs intactos e deixar os orifícios abertos para futuros pinos.

Etapa 10: fazer o painel frontal

A. Se sua placa de circuito de LED for semelhante à do diagrama, oriente o LED D3 de forma que o pino catódico D3 (-) entre no orifício oposto à extremidade plana do contorno branco redondo do LED1.

B. Dobre o ânodo D3 D3 (+) 90 graus e insira D3 (-) no orifício na placa de circuito do LED. C. Corte D3 (+) após a dobra para que tenha menos de 1/8 de polegada de comprimento. Prenda uma das pontas do resistor R1 de 1k ohm de modo que também tenha cerca de 1/8 de polegada de comprimento. Alimente a extremidade longa de R1, R1 (2), através do orifício na placa de circuito do LED e solde as extremidades curtas de R1 e D3 (+) juntas. D. Vire a placa de circuito do LED. Solde R1 (2) para o orifício não ocupado por D3 (+) e apare o comprimento restante. A tira de cobre R1 (2) agora soldada é o barramento positivo. E. Vire a placa de circuito do LED de volta. Passe o cabo de saída por um dos orifícios na placa de plástico. Observe que a direção do painel agora está invertida e o painel ficará para fora quando você terminar. F. Solde o J1 (+) através do orifício que conecta ao barramento positivo. Solde J1 (-) no barramento de aterramento.

Etapa 11: Concluindo o painel frontal

A. Aplique um pouco de cola quente na rachadura entre a placa de circuito do LED e a placa frontal no lado do cabo. Isso dará ao conjunto alguma resistência mecânica.

B. Uma vez que você não precisa das baterias tipo moeda, retire a solda de um fio da pilha. Solde este fio em R1 (2). Este fio fornecerá energia ao LED e ao cabo de saída após ser conectado à saída do conversor elevador.

Etapa 12: Instalação do interruptor e do circuito conversor de aumento

A. Desolder o interruptor da pilha de bateria de moeda da lanterna.

B. Certifique-se de que a pinagem da chave seja semelhante à foto, com um fio soldado no pino superior SW1 (2) e nenhum nos dois inferiores. Dobre o pino do meio SW1 (1) a cerca de 45 graus do corpo da chave. Você pode prender o pino inferior. C. A metade inferior da caixa tem três recursos de plástico no lado do painel frontal que impediriam o novo circuito de encaixar no interior. Apare-os usando um alicate. D. Você pode precisar usar uma faca de hobby para reduzir esses recursos em linha com o resto do gabinete. E. Coloque a chave na metade inferior da caixa em seu local original. Certifique-se de que o pino com o fio, SW1 (2), está mais próximo da extremidade do painel frontal. F. Coloque todo o circuito conversor elevador na cavidade, com o grande capacitor C1 voltado para a chave e os dois capacitores eletrolíticos C2 e C3 na parte traseira. SW1 (1) deve estar pressionando contra o terminal negativo de C1, C1 (-). Se não estiver, dobre-o em direção ao capacitor. Você pode colocar fita isolante em C1 (-) atrás do pino SW1 (2) para que não haja curto.

Etapa 13: Conectando o painel frontal e o circuito conversor elevador

A. Coloque o motor M1 de volta em seu local original na metade inferior da caixa. Estenda o fio que está saindo do motor - o fio de aterramento M1 (-) - de modo que toque no pino do meio da chave, SW1 (1), e no terminal negativo do capacitor grande, C1 (-).

B. Corte e descasque o fio M1 (-) no comprimento apropriado e solde o fio, SW1 (1) e C1 (-) juntos. Esta é uma conexão importante, portanto, certifique-se de que os três estejam soldados. C. Vire a caixa para que o motor fique à sua esquerda e dobre o cabo catódico de D1, D1 (-), de modo que ele toque uma parte exposta do terminal positivo de C3, C3 (+). D. Solde D1 (-) e C3 (+) juntos e apare o comprimento restante de D1 (-). E. Solde o fio SW1 (2) ao barramento negativo do painel frontal. F. Solde o fio conectado ao barramento positivo do painel frontal ao terminal positivo do capacitor grande, C1 (+).

Etapa 14: Remontagem

Para terminar a montagem, coloque o painel frontal dentro da metade inferior da caixa. A borda do painel frontal deve estar dentro da borda da caixa para mantê-la no lugar.

Você pode querer colocar um pouco de fita isolante no motor se achar que o diodo D1 corre o risco de causar curto na caixa do motor. Coloque as engrenagens e manivela de volta em suas posições originais. Consulte a foto abaixo para ver como eles se orientam no caso. Coloque a metade superior da caixa em cima da metade inferior. As duas partes devem se encaixar bem juntas se o conversor elevador foi feito bem próximo ao deste Instructable. Vire a fonte de alimentação nova e aprimorada e aperte os quatro parafusos.

Etapa 15: Teste

Alterne o botão em direção ao painel frontal. Essa é a posição Ligado.

Segure a fonte de alimentação do dínamo com a mão esquerda e gire a manivela com a mão direita. Cerca de duas rotações por segundo é bom. Você deve encontrar um pouco de resistência - essa é a carga do capacitor. Após alguns segundos, a tensão estará alta o suficiente para acender o LED. Conforme o capacitor se aproxima de 5 V, a resistência cairá. Nesse ponto, o capacitor está carregado. Se você tiver um adaptador complementar com fios de alimentação para o cabo de saída, poderá conectá-lo a um voltímetro. Perto do ponto onde a resistência à partida cai, você deve ver que a tensão se aproxima e permanece perto de 5V. Se você encontrar resistência, mas o LED não acender, verifique as conexões do painel frontal. Se a tensão de saída ultrapassar seriamente 5 V, certifique-se de que os capacitores eletrolíticos estejam soldados corretamente. Se você não encontrar nenhuma resistência e claramente não estiver funcionando, é possível que haja um curto em algum lugar no circuito conversor elevador.

Etapa 16: Aplicação

Usei a fonte de dínamo para alimentar uma placa de avaliação Luminary LM3S811 que imprime "5V - sem bateria!" para um display OLED. Por causa dos chips usados nesta placa, ela puxa uma boa quantidade de corrente… cerca de 80 mA. Conseqüentemente, ele não funciona por muito tempo com a fonte de alimentação do dínamo até precisar de um pouco de acionamento, mas dura o suficiente para exibir um texto diferente na tela. A fonte de alimentação do dínamo funcionará melhor com circuitos que consomem alguns mA de corrente. Os circuitos podem funcionar por até 10 minutos sem dar partida, dependendo de sua tensão mínima de operação.

Também testei o fornecimento de dínamo com um motor de hobby. Durante a partida, o motor estava zumbindo junto com 50 mA de corrente.