咖啡罐行動電源

Description

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作者:郭世豐

一開始是因為女兒在賣場看到類似的行動電源很喜歡,但因為價格很貴所以沒買;為了讓女兒開心,所以我試著自己用3D printer和3D軟體做出一個,整個過程很有趣,大家可以試試看!

製作前準備

咖啡罐或相同尺寸的果汁飲料空罐一個,罐子尺寸約直徑52mm高104.5mm,您需要3D 列印機印出3D列印件,工具
3D列印件下載位置:https://www.thingiverse.com/thing:1844667
作法分成以下4個步驟:

Step1:開罐

材料:咖啡罐或相同尺寸的果汁飲料罐一個,罐子尺寸約直徑52mm高104.5mm ,3D列印件(下圖),砂紙。

工具:平口鉗(尖嘴),新的開罐器,黑色奇異筆(油性0.5mm)。

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1.使用開罐器時速度要小心緩慢以開小孔方式開罐如下圖。

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2.取出上蓋後用平口鉗修整開口請小心以緩慢的速度往罐內壓,注意力道是剛好壓入如太用力會壓壞罐子的!建議新手請先拿其它罐子練習哦。

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下圖左是是壓好一半,下圖右是全壓完樣子。

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3.最後用奇異筆修飾刮傷的白白地方,修飾過後就不容易發現刮痕了!

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處理罐子的訣竅是多買幾瓶多做幾次吧!

4.在放入3D列印件前先用400/100號砂紙磨掉表面凸出的顆粒後再放入罐內

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3D列印件先往內交錯擠壓變小後插入罐內往下壓進去。

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最後3D列印件在罐內密合卡住了!

5第一步完成。

3D列印件下載位置:https://www.thingiverse.com/thing:1844667

Step2:電池座

原本是想設計2件式比較好列印,但考慮到加上蓋子組合時有傾鈄要檢查3件列印件比較麻煩,現在的電池座組合時如發現蓋子歪歪的表示「柱子」或「孔」沒清乾淨,只要拆開檢查這2件處理清乾淨比較好解決問題,另外3D列印支架建議是先找一個小一點檔案測試調整設定可以省下很多時間哦!
需要材料:電池彈片包x2、3D列印件、Li-ion電池保護板、 26 AWG電線、迴紋針、焊錫、砂紙。

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工具:尖嘴鉗、電烙鐵、工刀或雕刻刀 、斜口鉗、熱熔槍。

1. 檢查3D列印件用雕刻刀或砂紙(100/400號)去除支架和毛邊,大面積支架可以用斜口鉗,先剪除後再用雕刻刀修平,注意側面按壓3D列印件的3根支架容易折斷請小心!

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下圖是不好示範哦!使用刀具時請小心和帶上手套 (常常手套沒帶手上好多刀疤 )

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用砂紙磨一下電池座邊緣比較不會割手,表面如有顆粒也要磨掉或用刀子去除。

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因相鄰的電池座通孔是走圓弧形式所以用迴紋針通孔時必須先將迴紋針彎出弧度後再通孔。

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2.電池彈簧彈片包內有3片不同的型式彈片,使用斜口鉗剪開彈片修整成如下圖。

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3.接下來用熱熔膠固定彈片方便焊接,先點一些些膠在座的中央區後再將彈片壓上,底部的彈簧要剪掉2圈後,放進電池看看狀況,如果太緊須要再剪掉1圈直到緊度適中電池不易掉出為止。

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拉直迴紋針後彎出弧度穿孔和彈片接觸後用烙鐵焊接,也可直接用電線穿孔和彈片接觸後焊接。

兩者差異是迴紋針穿孔快不好焊接,電線焊接容易比較不好穿孔,建議用電線焊彈片比較不會出問題!焊接正極彈片時要注意焊錫用量錫高度不可超過凸點,先用尖嘴鉗夾扁電線後焊接比較容易成功(用26AWG電線也可以先焊好彈片再用膠黏在電池座上)。

注意:焊接時不可超過3秒焊好時要立即吹氣降溫避免PLA變形,建議您先在壞掉PLA上練習焊接。

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注意:正極彈片焊錫高度如超過凸點會造電池正極接觸不到彈片。

4.拿一顆平頭鋰電池各別放入電池座檢查,用電表量一下電壓確認檢查完後取下電池。

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5. 26 AWG電線,紅線接電池保護板VB+,黑線接電池保護板VB- 最後用熱熔膠固定電池保護板,這電池保護板的作用是防止電池過充,過放和電路短路。

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第二步完成!

Step3: 上蓋組裝

材料:3D列印件、4顆紅色3mm LED、一個6x6x7mm開關(push button switch) 、一個SL34 Schottky DIODE 、

1個USB type-A Female 180-Degree Socket,、一些0.3mm漆包線。

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工具:尖嘴鉗、電烙鐵、美工刀或雕刻刀、斜口鉗、熱熔槍。

1. 3D列印上蓋請使用美工刀或雕刻刀清除乾淨,如不用電池電位指示請用2顆LED的上蓋,列印時請使用上蓋更新版有增加USB母座卡件伸縮空間比較容易插拔USB cable。

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在賣場上有看到下圖兩種USB母座形式都可以使用,但這兩種USB母座因型式相反在接線是相反的請注意參考下圖右USB定義接線,本範列是使用下圖左有「插板」字樣在其它賣場也有比較容易找到。

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2.使用斜口鉗剪去兩側彈片後用尖嘴鉗在剪斷處夾壓一下(因剪斷時金屬會變形而不好上件須要整形)

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3.將上蓋放上電池座後放進咖啡罐檢查高度平整,高度可由3D列印的ring或pad來調整如下圖。

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咖啡罐底部不是平的請使用ring件調高.

這步驟主要檢查一下列印件和咖啡罐組合是否符合您的想像,先看看裝完大約樣子可以提前看出問題,因為組到最後要修改是很麻煩的你可能要重做一次!

4.開關孔座清除乾淨後在黏上熱熔膠前請先合上按看看是否有卡住情況確定按壓正常才能上膠.

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如下圖LED是最後黏上長腳在左邊,黏開關時要注意接腳不要黏到膠,在USB母座要避開卡件機構不用上很多膠因為在最後USB會再上一次熱熔膠固定.

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5.如下圖USB中間兩腳直接焊在一起即可,將LED長腳(陽極)接在一起用短腳剪短剩約3mm再用

0.3mm漆包線焊出,SL34的陽極直接焊在開關上另一端用漆包線和LED長腳(陽極)接在一起.

LED的漆包線請留長一些大約13cm, 開關漆包線留長約6cm即可.

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開關和二極體電路如下,焊接前請先用三用電表確認開關接腳和二極體極性.另外USB母座的中間兩腳

也可接成pull up/down電阻方式底下有提拱參考資料.

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6.如下圖在二極體和焊接的漆包線點上熱熔膠固定請在漆包線貼上標籤供識別用.

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4顆LED上蓋完成

另一個2顆LED上蓋是用在不須要電池電位指示上,同上圖只須接2顆LED紅/綠色各1顆不用接

開關和二極體, LED接腳上的漆包線留約7cm接到鋰電池充電板上即可如下:

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參考資料:

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USB type A socket在D+/D-信號pull up/down處理請參考:

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5801

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Step4: 組合

材料: Step1~Step3 ,TP4056鋰電池充電板x1 ,MP2155 DCDC x1 ,電池電位指示板x1,18650鋰電池x3, ,

一些26AWG電線和0.3mm漆包線 ,快乾膠(膏狀).

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工具:尖嘴鉗,電烙鐵,美工刀或雕刻刀 , 斜口鉗,夾零件攝子, 熱熔槍

作法:1. 先做TP4056鋰電池充電板熱改善,如下圖您買到的TP4056模組充電電流設定電阻是1.2K ohm,充電電流設定1A在電池充電時模組會產生高熱,罐內是封閉空間沒有對流空氣幫助散熱,罐內溫度高可能會影響到電池充放電,所以建議電流設在0.58~0.78A左右且注意組裝時留出空隙增加散熱空間.

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  1. TP4056充電板增加Chip Enable控制是option項如對以下做法沒把握可不做請跳到第3步,這是

想再增加一級過充保護方式.利用電位比較電路在充電到4.12V左右時關掉充電,設定值請依照自己

電池規格決定關掉電壓. TP4056 IC規格的第8腳是CE信號利用將信號拉地即可關掉充電,使用

斜口鉗剪斷第8腳後用膠帶貼在PCB PAD上避免焊接時又短路一起如下圖.

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焊上漆包線留約6cm接腳點快乾膠固定如下圖

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3.充電板點上熱熔膠(不用太多)固定在上蓋.(圖失焦,抱歉!) 設計留了板子散熱空間所以會有角度傾斜到電池座上,可以先放好上蓋到電池座上調好充電板位置後再左右各點熱熔膠固定.

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4.MP2155 DCDC接上26AWG電線如下,5V輸出線長留7cm左右Vi輸入線長留10cm左右.

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將板子放在電池座上方中央點上熱熔膠固定.(請注意方向)

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註:1圖中MP2155 module各位也可以用其DC to DC module來替換.

  1. 圖中MP2155 module的disable信號可以用漆包線接到TP4056充電板的IN+

做充電時USB不供應5V功能!

放上電池座上蓋點上熱熔膠固定, 5V,GND的電線和5V_Vo標籤的漆包線穿過柱子和USB座之間.

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漆包線用刀子輕輕刮去表面絕緣後繞在USB座5V接腳上和5V輸出電線一起焊接在一起.(請注意不可以焊接到鐵殼)

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焊上GND電線.(最後等USB座測試OK後才點上熱熔膠固定)

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電位指示板用熱熔膠點在板子邊緣上固定(膠不要太多哦!), 這部分各位也可以用AVR or MCU內含ADC設計電位指示板.我原本想用這顆來做可惜沒拿到Samples.

http://www.silabs.com/products/mcu/8-bit/c8051f30x/pages/c8051f30x.aspx

圖中的電位指示板是簡單的電位比較器電路,可參考後面的資料自行用製做.

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MP2155 DCDC 的Vi+接到TP4056的BAT+最後接到電池保護板的P+

MP2155 DCDC 的Vi-(GND)接到TP4056的BAT-最後接到電池保護板的P-

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5.如下圖焊一條漆包線連接電位指示板電源輸入(SL34的陽極).

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同樣用漆包線連接電位指示板的GND和CE信號

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上蓋V+標籤漆包線(LED陽極)接到電位指示板的SL34另一端

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用漆包線連接電位指示板的VP+到TP4056的BAT+(電容端)

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最後將上蓋LED1~LED4標籤漆包線接到電位指示板的LED1~LED4完成所有接線. @_@

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6.裝上一顆電池測試LED,USB座是否都正常

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USB座測試OK後點上熱熔膠固定

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裝上電池和內部保護罩再用膠帶固定

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61g完成

7.安全注意事項:

1.行動電源初次使用或長期儲存後,行動電源可能已自動逐漸放電,在使用前應先給它充滿電,請使用5V/1A(含)以上標準USB充電器(通過安全規範)及標準USB充電連接線進行充電
2.請勿在過高或過低的溫度和高濕環境中使用,如廚房,浴室,雪地,.
3.充電時行動電源外殼會輕微發熱,這是正常現象
4.請勿扔擲強烈揮打震動或搖晃行動電源,否則可能會破壞內部精密的零件和完好的結構
5.請妥善保存行動電源,避免置於兒童容易觸及的地方
6.因輸出電流最大1A請勿使用在平板產品充電

參考資料:
原本用LM3914設計電位指示

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LM3914 circuit please refer to: http://www.electronicshub.org/battery-level-indicator/

後來改用LM2904重新設計燈亮表示電池位準是幾伏特,以下圖表是亮燈指示方式.

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設計好電路先模擬先跑一次後再焊到洞洞板實測結果.

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(注意TLV431的Vref=1.24V)

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Output ripple voltage

如果您想用XL6009 module做USB 5V輸出最好增加LC電路在輸出可降低輸出ripple電壓.說明如下:

在XL6009 module 輸出接上USB LED耗電約在5V/0.13A所量測波型如下,p-p約在161mV

(ripple電壓會隨輸出負載增加明顯增大.)

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XL6009 DC/DC module 5Vo/0.13A (without LC circuit)

在輸出端加上電感和電容得到很好的直流p-p約在24mV.

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XL6009 DC/DC module 5Vo/0.13A ( 1uH and 330uF )

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XL6009 DC-DC module 用在3.5~4.2V轉5V效率約在80~85%平均約在82%左右.

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