Jag såg ett par trådar härom veckan som handlade om solceller och USB-laddare. Tänkte att jag kunde dela med mig av erfarenheterna från mitt senaste GDS-projekt. Vet med mig att det kanske blev ett inlägg i längsta laget, men det kanske roar någon ändå.
--> Observera att jag på inget sätt uppmanar någon att bygga enligt mina slutliga resultat. Även om det fungerar bra i min setup så är den smartphone jag har med mig på mina vandringar just med därför för att den är gammal, sliten och kan ersättas. Var noggrann med dina mätningar så att din eventuella lösning inte steker den enhet du tänkt ladda <--
Med det sagt, låt oss börja
PROBLEMFORMULERING:
Precis som många andra har jag letat efter ett fungerande laddningssystem för utrustning med USB-interface. Det jag upplevde som högst irriterande var att jag inte kunde hitta någon bra kommersiell lösning som passade för mig. Det mesta (det enda?) som säljs är solcellsbaserat, men antingen är det för tungt (>400 gram), för dyrt (>1000 spänn), för ineffektivt (>12 timmars laddning för 1200mAh), för otympligt (30 * 120 cm) eller en kombination av dessa.
Man skulle kunna säga att det här utvecklades till ett lysande tillfälle att starta ett GDS-projekt!
Grundtanken var att bygga något som var relativt effektivt vid låg vikt, samt inte kostade mer än motsvarande kommersiella produkter, så under 200 gram för mindre än 350 spänn och en laddningstid på 4 - 6 timmar för min gamla HTC HD2 smartphone som har ett batteri på 1250mAh. Prototypen måste alltså producera runt 300-600 mA i laddningsström. En intressant utmaning.
PROJEKTET; SOL, VIND och VATTEN
Det blev i slutänden ett rätt blandat projekt med två sidoprojekt, två lösningar på problemet samt ytterligare ett fortsättningsprojekt.
Jag började med att titta på lite GDS-projekt på nätet. Det finns en hel del att titta på och få inspiration från. Jag försökte utforska alla alternativ, och solceller är inte nödvändigtvis den självklara lösningen på problemet. Man kan även tänka sig vindsnurror, vindbälten eller olika typer av vattenkraft. Fjällvandrar man sommartid så har man en varierad tillgång på sol, nästan obegränsat tillgång till vind, och nästan alltid tillgång till strömmande vatten i närhet till sovplatsen. Eller, man kan i alla fall lätt sträva efter det.
Eftersom jag utgick från att solen är opålitlig på våra breddgrader så började jag med vind och vatten.
Fast först letade jag rätt min gamla formelsamling och en repetitionskurs i ellära för gymnasiestudenter...
VIND.
Vind- och vattenförsöket baserades på en liten och lätt(3 cm diameter, 30-35 gram) generator/motor för hobbyflyg som jag lindade om med en 0.1 mm tråd(för att få fler varv per spole => mer spänning). För att kunna få upp generatorns varvtal så den genererar tillräckligt hög spänning var jag tvungen att bygga en växellåda. Utväxlingen blev ungefär 1x12. Utan att gå för djupt in på detaljerna fick jag ut ungefär 4-6 volt och 60-90 mA, vilket tekniskt sett kan ladda en smartphone med 1200mAh batteri om man får 14-20 timmar på sig. Även om det är sämre än laddningskravet jag satt upp är det fortfarande OK om man kan sätta upp sin laddare över kvälls- och nattvilan.
Tyvärr blev vridmomentet för högt i min prototyp för att använda vinden som källa - en propeller med tillräckligt stor kraft får så stor diameter att den antingen är för tung och/eller blir för otymplig. Jag gick istället vidare med vattenkraft.
VATTEN.
För vattenkraftsförsöket behövdes ett vattenhjul. Det fungerade riktigt bra faktiskt, trots min ringa kunskap för hur ett optimalt vattenhjul ska konstrueras. Tyvärr gjorde vikten på hjulet att jag föll utanför kravparametrarna även denna gång, så jag valde att bryta sidoprojekten där - även om jag hade dubblat viktkravet till 400 gram hade det inte fungerat.
Givetvis kan man utgå från en annan typ av generator, alternativt serie- eller parallellkoppla ett antal av dem, men jag ansåg mig ha testat gränserna tillräckligt för att göra ett försök med solenergi istället.
SOL
Åter började jag med en snabb utvärdering av hur andra innan mig löst problemet. Det är kanske inte det bästa sättet om man vill kunna tänka utanför ramarna, men med tanke på att jag börjat det hela med att repetera gymnasiefysik är det en rimlig och logisk start.
En lösning jag fastnade vid var ett antal solcellspaneler, i serie- eller parallellkoppling, som kopplas till någon form av spänningsreglering och alternativt även med extern batterikapacitet för att ta vara på eventuellt överflöd av soliga dagar, alternativt en möjlighet att ta med sig lite extra via laddade batterier.
Jag införskaffade i två solcellspaneler (6V/400mA och 6V/900mA) samt en mix av komponenter och påbörjade bygget av en prototyp. Denna innehåller en solcellspanel, en krets bestående av en 7805 voltregulator(formfaktor TO220), två kondensatorer samt en slaktad USB kabel.
Solcellslösningen blev den mest lyckade, utifrån dom begränsningar jag satte upp, och även det koncept som jag tar med mig ut på någon helgvandring senare i vår för att sluttesta.
RESULTAT
Solcellslösningen är den enda jag tänker beskriva i detalj(se bifogade bilder sist i inlägget).
Voltregulatorn är en helt vanlig 7800. Två mindre kondensatorer krävs för att undvika ett oscillerande beteende hos kretsen, dessutom behöver man ha minst 2 volt högre spänning in än den man vill ha ut. Min 5 volts 7805 kräver alltså enligt specifikation 7V in för att ge en stabil 5V ut. Det passar tyvärr rätt dåligt med en 6V solpanel, två stycken seriekopplade fungerar bättre.
Efter att ha testat den första prototypen med en 6V panel blev resultatet inte enligt förväntningarna. Lite experimenterande med seriekopplade dioder (för att få ner spänningen till 5V utan regulatorkretsen) visade att voltregulatorn inte behövs alls i det enklaste utförandet. Panelerna jag införskaffat ligger på ca 6.8V i olastat läge samt direkt solsken, men tappar i mer än man kanske förväntar sig under pågående laddning. Spänningen dras ned till strax under 5V, vilket är precis inom vad USB-standarden anger(5V +- 0.25V). Jag kan alltså koppla solpanelen direkt mot en USB-port.
För att vara säker på att solcellspanelen inte ska dränera telefonens batteri när solen inte ger tillräckligt med energi för att mata telefonen(skugga etc) väljer jag att lägga in en Schottkydiod efter +-ledaren även här.
Nästa del är att få en USB-laddad enhet/smartphone att "suga i sig" så mycket ström som panelen kan ge. Normalt sett tillåts max 100mA i laddningsström enligt standard. En senare utgåva definierar ett koncept med "laddningsportar"(USB-port märkt med en blixt) där det går att förhandla om hur mycket ström man får ta. Förhandlingen görs över D+ och D- i USB-kabeln. Kortsluter man dessa två kommer USB-enheten tolka det som att det är OK att plocka ut så mycket ström den orkar.
Så här funkar i princip alla USB-baserade enheter utom Apples. Apple följer inte gällande USB-standard, utan har en egen lösning. Ska man få Apple-produkter att ta mer ström måste man till med mer komplicerad lösning. Eftersom jag inte äger någon Iphone så går jag inte in djupare än så här, men det finns massor att läsa online och inkluderar egentligen bara ett par extra, men exakta, resistorer.
Förra helgen testkörde jag min kraftfullare setup, baserad på 6V/900mA-panelen. På strax under 60 minuter laddades ca 50% av HTC:ns 1250mAh batteri. Telefonen var i normalt uppkopplad mode, alltså med radioenheten påslagen, men skärmen av. Solpanelen låg i direkt solsken större del av tiden. Detta ger en genomsnittlig effektiv laddningsström på 625mA från panelen. En app, "Mobadi", mätte konstant laddningsströmmen till batteriet, och mättes som högst ca 640mA.
Den mindre panelen, baserat på storleksförhållandet mellan laddningsströmmarna, borde ge ungefär 275mA under samma förhållande. Jag har inte testat den mindre under samma tid, men kort bekräftat strömmen m.h.a. multimeter och "Mobadi".
SLUTSATS
Det går att uppfylla samtliga av de krav jag listade i början av projektet. Följande gäller för det mindre solpanelsbygget:
Vill man få mer kraft i bygget passar den större panelen bättre, men då kostar det givetvis också mer.
Vill man bygga in extern batteriladdning enligt schemat ovan krävs kanske sammanlagt 12V från panelerna för 8.4V batteri, eller motsvarande om man väljer att koppla ihop andra laddningsbara batterityper.
SUMMERING
Det var allt för denna gång - nu ska jag packa upp ett paket tyg från Tyskland
--> Observera att jag på inget sätt uppmanar någon att bygga enligt mina slutliga resultat. Även om det fungerar bra i min setup så är den smartphone jag har med mig på mina vandringar just med därför för att den är gammal, sliten och kan ersättas. Var noggrann med dina mätningar så att din eventuella lösning inte steker den enhet du tänkt ladda <--
Med det sagt, låt oss börja
PROBLEMFORMULERING:
Precis som många andra har jag letat efter ett fungerande laddningssystem för utrustning med USB-interface. Det jag upplevde som högst irriterande var att jag inte kunde hitta någon bra kommersiell lösning som passade för mig. Det mesta (det enda?) som säljs är solcellsbaserat, men antingen är det för tungt (>400 gram), för dyrt (>1000 spänn), för ineffektivt (>12 timmars laddning för 1200mAh), för otympligt (30 * 120 cm) eller en kombination av dessa.
Man skulle kunna säga att det här utvecklades till ett lysande tillfälle att starta ett GDS-projekt!
Grundtanken var att bygga något som var relativt effektivt vid låg vikt, samt inte kostade mer än motsvarande kommersiella produkter, så under 200 gram för mindre än 350 spänn och en laddningstid på 4 - 6 timmar för min gamla HTC HD2 smartphone som har ett batteri på 1250mAh. Prototypen måste alltså producera runt 300-600 mA i laddningsström. En intressant utmaning.
PROJEKTET; SOL, VIND och VATTEN
Det blev i slutänden ett rätt blandat projekt med två sidoprojekt, två lösningar på problemet samt ytterligare ett fortsättningsprojekt.
Jag började med att titta på lite GDS-projekt på nätet. Det finns en hel del att titta på och få inspiration från. Jag försökte utforska alla alternativ, och solceller är inte nödvändigtvis den självklara lösningen på problemet. Man kan även tänka sig vindsnurror, vindbälten eller olika typer av vattenkraft. Fjällvandrar man sommartid så har man en varierad tillgång på sol, nästan obegränsat tillgång till vind, och nästan alltid tillgång till strömmande vatten i närhet till sovplatsen. Eller, man kan i alla fall lätt sträva efter det.
Eftersom jag utgick från att solen är opålitlig på våra breddgrader så började jag med vind och vatten.
Fast först letade jag rätt min gamla formelsamling och en repetitionskurs i ellära för gymnasiestudenter...
VIND.
Vind- och vattenförsöket baserades på en liten och lätt(3 cm diameter, 30-35 gram) generator/motor för hobbyflyg som jag lindade om med en 0.1 mm tråd(för att få fler varv per spole => mer spänning). För att kunna få upp generatorns varvtal så den genererar tillräckligt hög spänning var jag tvungen att bygga en växellåda. Utväxlingen blev ungefär 1x12. Utan att gå för djupt in på detaljerna fick jag ut ungefär 4-6 volt och 60-90 mA, vilket tekniskt sett kan ladda en smartphone med 1200mAh batteri om man får 14-20 timmar på sig. Även om det är sämre än laddningskravet jag satt upp är det fortfarande OK om man kan sätta upp sin laddare över kvälls- och nattvilan.
Tyvärr blev vridmomentet för högt i min prototyp för att använda vinden som källa - en propeller med tillräckligt stor kraft får så stor diameter att den antingen är för tung och/eller blir för otymplig. Jag gick istället vidare med vattenkraft.
VATTEN.
För vattenkraftsförsöket behövdes ett vattenhjul. Det fungerade riktigt bra faktiskt, trots min ringa kunskap för hur ett optimalt vattenhjul ska konstrueras. Tyvärr gjorde vikten på hjulet att jag föll utanför kravparametrarna även denna gång, så jag valde att bryta sidoprojekten där - även om jag hade dubblat viktkravet till 400 gram hade det inte fungerat.
Givetvis kan man utgå från en annan typ av generator, alternativt serie- eller parallellkoppla ett antal av dem, men jag ansåg mig ha testat gränserna tillräckligt för att göra ett försök med solenergi istället.
SOL
Åter började jag med en snabb utvärdering av hur andra innan mig löst problemet. Det är kanske inte det bästa sättet om man vill kunna tänka utanför ramarna, men med tanke på att jag börjat det hela med att repetera gymnasiefysik är det en rimlig och logisk start.
En lösning jag fastnade vid var ett antal solcellspaneler, i serie- eller parallellkoppling, som kopplas till någon form av spänningsreglering och alternativt även med extern batterikapacitet för att ta vara på eventuellt överflöd av soliga dagar, alternativt en möjlighet att ta med sig lite extra via laddade batterier.
Jag införskaffade i två solcellspaneler (6V/400mA och 6V/900mA) samt en mix av komponenter och påbörjade bygget av en prototyp. Denna innehåller en solcellspanel, en krets bestående av en 7805 voltregulator(formfaktor TO220), två kondensatorer samt en slaktad USB kabel.
Solcellslösningen blev den mest lyckade, utifrån dom begränsningar jag satte upp, och även det koncept som jag tar med mig ut på någon helgvandring senare i vår för att sluttesta.
RESULTAT
Solcellslösningen är den enda jag tänker beskriva i detalj(se bifogade bilder sist i inlägget).
Voltregulatorn är en helt vanlig 7800. Två mindre kondensatorer krävs för att undvika ett oscillerande beteende hos kretsen, dessutom behöver man ha minst 2 volt högre spänning in än den man vill ha ut. Min 5 volts 7805 kräver alltså enligt specifikation 7V in för att ge en stabil 5V ut. Det passar tyvärr rätt dåligt med en 6V solpanel, två stycken seriekopplade fungerar bättre.
Efter att ha testat den första prototypen med en 6V panel blev resultatet inte enligt förväntningarna. Lite experimenterande med seriekopplade dioder (för att få ner spänningen till 5V utan regulatorkretsen) visade att voltregulatorn inte behövs alls i det enklaste utförandet. Panelerna jag införskaffat ligger på ca 6.8V i olastat läge samt direkt solsken, men tappar i mer än man kanske förväntar sig under pågående laddning. Spänningen dras ned till strax under 5V, vilket är precis inom vad USB-standarden anger(5V +- 0.25V). Jag kan alltså koppla solpanelen direkt mot en USB-port.
För att vara säker på att solcellspanelen inte ska dränera telefonens batteri när solen inte ger tillräckligt med energi för att mata telefonen(skugga etc) väljer jag att lägga in en Schottkydiod efter +-ledaren även här.
Nästa del är att få en USB-laddad enhet/smartphone att "suga i sig" så mycket ström som panelen kan ge. Normalt sett tillåts max 100mA i laddningsström enligt standard. En senare utgåva definierar ett koncept med "laddningsportar"(USB-port märkt med en blixt) där det går att förhandla om hur mycket ström man får ta. Förhandlingen görs över D+ och D- i USB-kabeln. Kortsluter man dessa två kommer USB-enheten tolka det som att det är OK att plocka ut så mycket ström den orkar.
Så här funkar i princip alla USB-baserade enheter utom Apples. Apple följer inte gällande USB-standard, utan har en egen lösning. Ska man få Apple-produkter att ta mer ström måste man till med mer komplicerad lösning. Eftersom jag inte äger någon Iphone så går jag inte in djupare än så här, men det finns massor att läsa online och inkluderar egentligen bara ett par extra, men exakta, resistorer.
Förra helgen testkörde jag min kraftfullare setup, baserad på 6V/900mA-panelen. På strax under 60 minuter laddades ca 50% av HTC:ns 1250mAh batteri. Telefonen var i normalt uppkopplad mode, alltså med radioenheten påslagen, men skärmen av. Solpanelen låg i direkt solsken större del av tiden. Detta ger en genomsnittlig effektiv laddningsström på 625mA från panelen. En app, "Mobadi", mätte konstant laddningsströmmen till batteriet, och mättes som högst ca 640mA.
Den mindre panelen, baserat på storleksförhållandet mellan laddningsströmmarna, borde ge ungefär 275mA under samma förhållande. Jag har inte testat den mindre under samma tid, men kort bekräftat strömmen m.h.a. multimeter och "Mobadi".
SLUTSATS
Det går att uppfylla samtliga av de krav jag listade i början av projektet. Följande gäller för det mindre solpanelsbygget:
- Total vikt ca 120 gram - inkluderar panel, diod, USB-port, kopplingsbitar, plasthylsa och persienlinor för att fästa på säcken.
- Laddningstid för 1250mAh - 4,5 h
- Total kostnad för laddningsenheten - under 350 :-, inklusive 50 :- i frakt. Minimalt jobb tillkommer.
Vill man få mer kraft i bygget passar den större panelen bättre, men då kostar det givetvis också mer.
Vill man bygga in extern batteriladdning enligt schemat ovan krävs kanske sammanlagt 12V från panelerna för 8.4V batteri, eller motsvarande om man väljer att koppla ihop andra laddningsbara batterityper.
SUMMERING
- Om man bara ska vara ute ett par dagar är nog den enklaste lösningen att ta med sig ett eller ett par extra batterier till sin smartphone.
- Om man är på längre turer fungerar båda mina solcellsladdare utmärkt.
- Lösningen med spänningsreglerare och extra batterikapacitet fungerar sannolikt mycket bra så länge man slipper bära omkring på schabraket. Tippar på att vikten landar runt 300-400 gram beroende på batterilösning. Jag vill definitivt få modellen med en extern batteribank att fungera, så jag införskaffade ytterligare en 6V/400mA-panel och fortsätter projektet en liten tid till.
Det var allt för denna gång - nu ska jag packa upp ett paket tyg från Tyskland
