Wspólnie projektujemy: Elektronizacja pojazdu dziecka

Nasze dzieci i wnuki korzystają z różnych pojazdów, takich jak hulajnogi, rowery oraz wszelkie samochodziki napędzane siłą mięśni lub elektrycznie. Warto pomyśleć nad możliwościami zwiększenia atrakcyjności takich pojazdów przez zamontowanie w nich rozmaitych układów elektronicznych.

W numerze ZE 3/2024 postawione było zadanie konkursowe YK013:

Zaproponuj, jak wyposażyć pojazd dziecka (rower, hulajnogę, samochodzik, traktorek, itp.) w układy elektroniczne, które zwiększą atrakcyjność korzystania z niego.

Konkurs jest zamknięty, rozwiązania można było nadsyłać do końca kwietnia 2024 roku.

Bezpośrednim impulsem do postawienia tego zadania był e-mail którego fragmenty przypominam:

Dzień dobry,

(…) potrzebowałbym kilku porad w małym projekcie (…) Otóż syn posiada traktor napędzany pedałami (…) jest w nim całkiem sporo miejsca, które można byłoby zagospodarować.

I pojawił się pomysł, aby pojazd ten wyposażyć w oświetlenie LED z przodu i z tyłu, zasilane przez akumulator, z możliwością jego podładowania (…)

Stan akumulatora byłby monitorowany (…) No i dobrze byłoby, gdybym umieścił jakieś gniazdo ładowania do tego akumulatora tak, aby można było podłączyć ładowarkę i spokojnie go podładować bez wyjmowania.

(…) temat wydaje się nieskomplikowany (…) Ale jak to wszystko podłączyć (…) aby wszystko działało jak należy? (….) Czy może Pan podpowiedzieć to i owo?

Z góry dziękuję za pomoc.

Pozdrawiam serdecznie

Bartosz Dudziak

Ponieważ zostałem poproszony o pomoc w projekcie, który zapewne zainteresuje wiele osób, nie tylko napisałem artykuł z teoretycznymi rozważaniami, który był zamieszczony w marcowym numerze ZE. Zamówiłem też szereg gadżetów, które mogą się okazać pomocne do realizacji zadania.

Zmówione gadżety dotarły. Wstępnie je sprawdziłem i chcę przedstawić swoje pierwsze spostrzeżenia na temat ich przydatności.

Poniższy artykuł jest więc kontynuacją wcześniejszego, zawierającego 16 fotografii i rysunków, dlatego teraz numerację ilustracji zaczynam od numeru 17. Jeżeli chodzi o zasilanie, to po uzgodnienia z Autorem e-maila skoncentrowałem się na akumulatorach kwasowo-ołowiowych AGM. Nie zajmowałem się na razie szczegółami dotyczącymi oświetlenia.

Zająłem się tematem wzbogacenia pojazdu w efekty dźwiękowe, o czym za chwilę. Przede wszystkim skupiłem się jednak na kwestiach zasilania: ładowania, kontroli i wytwarzania napięć potrzebnych dla poszczególnych odbiorników.

Wskaźnik napięcia akumulatora

I tak do kontroli stanu naładowania akumulatora za całe 30 złotych kupiłem droższą, bo wodoodporną wersję uniwersalnego wskaźnika napięcia akumulatora. Fabrycznie zaprogramowany jest jako monitor akumulatora kwasowego 12 V, ale przyciskiem można wybrać inny rodzaj i napięcie akumulatora.

Fotografia 17 pokazuje mój egzemplarz, monitorujący stan świeżo naładowanego akumulatorka. Oczywiście cały czas pokazuje też napięcie akumulatora w woltach, ale dla mniej zorientowanych, w tym dla dziecka, bardzo ważny jest 5-belkowy bargraf i wskaźnik procentowy.

Sprawdziłem, że pokazuje on pełne, 100-procentowe naładowanie przy napięciu 12,5 V, co poniekąd potwierdza fotografia 17, natomiast granica rozładowania została ustawiona na 9,7 V, kiedy to wskaźnik pokazuje naładowanie 3%. Oczywiście i ten wskaźnik, i inne odbiorniki powinny być włączane tylko na czas korzystania z pojazdu, tak jak w samochodzie następuje włączanie większości obwodów dopiero po przekręceniu klucza w stacyjce.

Moduł ładowania

Do ładowania można wykorzystać jakąś dedykowaną, fabryczną ładowarkę akumulatorów kwasowych, ale elektronik zapewne zechce zastosować coś bardziej oryginalnego.

Ja w związku z tym zadaniem drogą kupna, za dość dużo jak na chiński portal, bo za ponad 28 złotych, nabyłem moduł, pokazany na fotografii 18.

Pozornie cena jest bardzo wysoka, ale jakość wykonania i funkcje całkowicie ją uzasadniają.

Jest to impulsowa przetwornica obniżająca ze specjalnym kontrolerem. Na jej wejście trzeba podać napięcie stałe w zakresie 15…24 V.

Większość popularnych przetwornic praktycznie nie nadaje się do pracy w roli ładowarki, ponieważ przy braku zasilania pobierają one z akumulatora znaczny prąd. Fotografia 18 pokazuje interesujący mnie test: pobór prądu z akumulatora przez niezasilaną przetwornicę – prąd ten jest mniejszy niż 70 mikroamperów, co jest bardzo dobrym wynikiem.

Sprzedawca deklaruje, że prąd ładowania może sięgnąć 4 amperów. Jest on wyznaczony przez rezystor RS1, według zależności I = 0,12 V / RS1. Moduł dostarczony jest z rezystorem 0,6 Ω, co daje malutki prąd ładowania, tylko 0,2 A. Dla zwiększenia prądu rezystor ten trzeba wymienić lub dolutować równolegle drugi.

Jest to układ przeznaczony właśnie do akumulatorów kwasowych 12 V, a nie do innych odmian. Zapewnia trzystopniowy tryb ładowania. W pierwszej fazie ładuje prądem wyznaczonym przez rezystor RS1. W drugiej fazie, gdy napięcie wzrasta, prąd maleje, ale moduł „dociąga” napięcie na akumulatorze do 14,8 V słusznie uznając, że do pełnego naładowania potrzebne jest takie właśnie napięcie.

Po pełnym naładowaniu następuje faza trzecia – podtrzymywanie: napięcie na akumulatorze zostaje obniżone do około 13,55 V i układ niejako wchodzi w tryb pracy buforowej.

Nie badałem szczegółowo tego interesującego modułu, ale w szybkim teście wszystko wygląda dobrze. Na życzenie mogę ten moduł dokładniej zbadać i opisać.

Zasilacze „dystrybucyjne”

Mnóstwo odbiorników – urządzeń można dołączyć wprost do akumulatora. Przykładem mogą być taśmy LED lub samochodowy wzmacniacz mocy audio. W przypadku akumulatora 12-woltowego prawdopodobnie nie trzeba będzie podwyższać napięcia. Na pewno trzeba będzie obniżyć napięcie dla różnych odbiorników, które wymagają napięcia w zakresie 3 do 5 woltów lub napięcia o jakiejś innej nietypowej wartości.

Oczywiście zawsze można wykorzystać stabilizator liniowy, choćby 7805 lub LM317. Przy większym poborze prądu trzeba wtedy pomyśleć o radiatorze. Dlatego od razu warto rozważyć wykorzystanie jakiegoś modułu przetwornicy impulsowej, co rozwiąże problem z radiatorem. Może to być niemal dowolny moduł przetwornicy obniżającej. Nawet maleńkie moduły mają prąd pracy rzędu 1 ampera lub więcej.

Dowolność jest pełna, tylko warto pamiętać, że niektóre najtańsze przetwornice wytwarzają dużo zakłóceń. W takim przypadku warto sprawdzić inny model z innym układem scalonym.

Ja w ramach tego zadania nie badałem przetwornic obniżających, lecz postanowiłem sprawdzić rozwiązanie bardziej uniwersalne. Zamówiłem mianowicie trzy przetwornice obniżająco–podwyższające, pokazane na fotografii 19.

Z uwagi na lakoniczny opis w chińskich sklepach miałem nadzieję, że może któraś z nich będzie nowoczesną przetwornicą z jedną cewką i czterema MOSFET-ami w układzie pełnego mostka. Niestety, wszystkie okazały się przetwornicami SEPIC, co zresztą nie jest żadną wadą. W zapasach mam też od dość dawna znane i popularne przetwornice SEPIC, pokazane na fotografii 20.

Przetwornice SEPIC mają trochę niższą sprawność od obniżających i podwyższających, ale to w praktyce nie ma znaczenia. Istotne jest, że zależnie od potrzeb mogą albo obniżać, albo podwyższać napięcie.

Moduły dźwiękowe

Przygotowując się do tego zadania straciłem mnóstwo czasu szukając interesujących modułów wytwarzających dźwięki. Szukałem modułu, który wytwarza dźwięk gwizdka parowozu oraz dźwięk rogu mgłowego, używanego na statkach.

Czasu straciłem dużo i okazało się, że owszem, można coś takiego znaleźć, ale albo cena jest bardzo wysoka, albo występują inne poważne wady, w tym techniczne. A zadanie polega na wyposażeniu pojazdu dziecka w atrakcyjne dla niego gadżety. Rozwiązanie powinno być proste i tanie.

Dlatego zdecydowałem się kupić moduły śmiesznie tanie. I nie pomyliłem się – to była dobra decyzja, co potwierdziła reakcja moich wnucząt, gdy mogli się takimi gadżetami pobawić.

Reakcja dzieci (4,5 roku i 9 lat) pokazała, że są to dla nich bardzo atrakcyjne urządzenia i spróbuję bliżej zaprezentować, jak dzieci mogą nie tylko z nich korzystać, ale też je zmontować, bo moduły nie są gotowymi do pracy urządzeniami. A na razie tylko w skrócie przedstawię wyniki moich testów.

I tak fotografia 21 pokazuje moduł „dzwonka ding–dong”. Zasadniczo ma to być dzwonek do drzwi mieszkania, ale może znaleźć zastosowanie w pojeździe dziecka, na przykład zamiast dzwonka rowerowego.

Kupiony za około 10 złotych zestaw zawiera tylko 10 „gołych” płytek. We własnym zakresie trzeba dodać głośnik, przycisk, źródło zasilania i tranzystor. Ja dodałem też kondensator ceramiczny 100 nF.

Podobnie jest z zestawem 10 innych płytek, widocznych na fotografii 22. W tym przypadku, oprócz głośnika, źródła zasilania i tranzystora, trzeba dodać rezystor i przełącznik lub przełączniki.

W moim pierwszym modelu zastosowałem dwa przełączniki trzypozycyjne. Chciałem sprawdzić, na ile prawdziwe są informacje, że z modułu tego można uzyskać aż 16 różnych efektów dźwiękowych. Okazuje się to niemożliwe. Owszem, przynajmniej jedno z wejść sterujących rozróżnia trzy stany i pozwala wybrać trzy dźwięki: karetki pogotowia, dwa policyjne. Drugie wejście sterujące pozwala włączyć dźwięk podobny do karabinu maszynowego. W każdym razie ta wersja zawiera tylko cztery efekty dźwiękowe. Na życzenie mogę szczegółowo opisać ten bardzo atrakcyjny dla dzieci moduł, bowiem lakoniczne opisy w sklepach internetowych nie mówią wszystkiego, co ważne.

Moduły głosowe

Dwa opisane wcześniej tanie moduły wytwarzają zaprogramowane dźwięki. Natomiast inne spośród kupionych z okazji tego zadania, mogą przetwarzać lub odtwarzać głos człowieka lub dowolne inne dźwięki i odgłosy.

I tak do kupionego za 7 złotych modułu pokazanego na fotografii 23 trzeba dołączyć głośnik, źródło zasilania, a także mikrofon elektretowy.

Jest to moduł „przedrzeźniacza”. Gdy „usłyszy” głośniejszy dźwięk, po pierwsze nagra go, ale co ważniejsze – przetworzy, a konkretnie zwiększy jego wysokość – częstotliwość. Odtworzy tak zmieniony głos z opóźnieniem. Dla dzieci taki „przedrzeźniacz” jest bardzo atrakcyjny.

Atrakcyjny jest też kolejny moduł, widoczny na fotografii 24. Jest to dyktafon, który pozwala nagrać i odtworzyć jedno nagranie o czasie trwania do 2 minut. Jak widać, w najprostszej wersji trzeba do niego dołączyć głośnik, źródło zasilania, mikrofon elektretowy oraz dwa przyciski: do nagrywania i odtwarzania. Jakość nagrania jest dość dobra jak na moduł, który kosztuje około 10 złotych.

Przyznam, że na razie nie testowałem bardziej zaawansowanych cyfrowych modułów z fotografii 25. Pozwalają one nagrać i odtworzyć zarówno najrozmaitsze efekty dźwiękowe, jak i komunikaty słowne. Oferują większe możliwości, ale też ich wykorzystanie jest znacząco trudniejsze. Wcześniej opisane efekty warto zmontować i uruchomić wraz z dzieckiem. Natomiast te dwa ostatnie wymagają znacznie więcej wiedzy i przygotowań.

Na wszelki wypadek podkreślam, że wszystkie przedstawione właśnie moduły nie mogą być zasilane napięciem 12 V – trzeba to napięcie obniżyć do 3…5 woltów, zależnie od modułu.

Wybór głośnika

Zaprezentowane właśnie moduły są bardzo tanie, do każdego trzeba dołączyć głośnik. I wybór głośnika okazuje się wręcz najważniejszym zadaniem. Ja przeprowadziłem też wstępne próby z membranami piezo. Jak widać na fotografiach, wypróbowałem współpracę niektórych modułów z zabawkowymi miniaturowymi głośniczkami dynamicznymi. Lepsze to niż nic, ale efekt jest, delikatnie mówiąc, umiarkowany. Występują też bardzo duże różnice między takimi głośniczkami.

Już teraz mogę stwierdzić, że koniecznie trzeba zastosować głośnik o jak najlepszej efektywności. Warto dołączyć jakiś „prawdziwy” głośnik o większych rozmiarach lub kolumnę. Efekt jest zdecydowanie lepszy: dźwięk jest głośniejszy i czystszy.

Na fotografii 26 pokazana jest mała kolumienka, która dawała bardzo dobre efekty. A najgłośniejsze są głośniki tubowe – dają naprawdę bardzo silny dźwięk. Ich zaletą jest też odporność na warunki atmosferyczne, bo zwykle mają plastikowe obudowy.

W podsumowaniu mogę stwierdzić, że moje wstępne testy omówionych tu tanich modułów jak najbardziej potwierdziły ich praktyczną przydatność. Zamierzam poświęcić im więcej uwagi w innych artykułach. ©

Piotr Górecki