Yale Doorman älylukon virtalähde ja paristovarmennus

Kuvassa on Yale Doorman Älylukko
Yale Doorman Älylukko (linkki)

Tämä rakentelu lähti liikkeelle siitä, kun sain tämän vuoden alussa talvella (2020) Villeltä yhteydenoton, missä hän haaveili hankkimiinsa Yale Doorman älylukkoihin paristojen tilalle virtalähdettä. Internetistä luetuin tiedoin ja ihmisten käyttökokemuksen mukaan, laitteiden paristot (4kpl AA = 6V) tyhjenevät turhan nopeasti ja tämä tuntuikin olevan ongelma, joka kaipaa ratkaisua. Tottakai paristojen kestoon vaikuttaa käyttötaajuus, mutta hyvin ymmärrettävä asia mielestäni.

Aluksi en päässyt tämän ongelman kimppuun muiden projektien takia, mutta kun sain muita töitä pois alta, niin ideoita ongelman ratkaisemiseksi alkoi syntymään. Yksi ehdoton vaatimus tälle rakentelulle oli, että itse lukkoon ei saisi mitään modauksia tehdä. Tämä asia toi alkuun haastetta, mutta sittemmin asiat hieman selkeytyivät.

Sain Villeltä itselleni yhden lukon tutkittavakseni ja suoritin sille mittauksia, joiden pohjalta sain muodostettua elektroniikalle speksin. Koska laitteessa piti olla myös paristovarmennus, niin tein "bonuksena" laitteeseen myös elektronisen paristotesterin.

Kytkennät tuli tehdä myös erilliseen koteloon ja virtaliittimet piti laitteeseen myös itse valita. Villen toivomuksena oli PoE (Power-over-Ethernet) liityntä, mitä aluksi yritinkin, mutta se ajatus sai sittemmin väistyä.

Rakentelussa jouduin käyttämään 3D-printteriä liitinlevyn ja dummy-paristojen tekoon, mutta muutoin kaikki osat ovat ns. "kaupan hyllyltä" saatavaa tavaraa.

Tässä rakentelut-kirjoituksessa käyn siis asiat lyhkäisesti kuvien kanssa läpi ja esittelen osat joita tarvitaan tämän laitteen rakentamiseen. Jos haluat tällaisen itsellesikin tehdä, niin tässä ainakin yksi malli. Periaate laitteen "patterittomalle" toiminnalle on hyvin yksinkertainen, yhdistetään vain virtalähde paristojen kanssa ja varmistetaan diodeilla, ettei virta kulje väärään suuntaan.

Idea numero yksi

Yale Doorman Älylukon paketin avattuani, aloitin hahmottelemaan asiaa niin että jos paristoliittimen tilalle olisikin tullut omatekoinen piirilevy. Piirilevyssä olisi ollut samanlainen liitin kuin alkuperäisessäkin ja siitä olisi lähtenyt liitin nuolen osoittamaan paikkaan.

Yale Doorman paristokannen ja lukon takapuoli
Yale Doorman paristokannen ja lukon takapuoli

Hahmottelin yhtenä iltana luonnostelmaa piirtopöydän avulla ja idea lähti tästä jalostumaan.

Aloitin selvittelemään mikähän mahtaisi olla virtaliittimen tyyppi, joka lukossa itsessään on. Käytin tämän etsimiseen aikaa useita iltoja ja jopa työkontaktejani, mutta etsintä ei tuottanut tulosta. Lopulta piti viheltää peli poikki ja siirtyä toisenlaiseen suunnitelmaan.

Virranmittauksia

Jätin liitinasiat hetkeksi hautumaan ja aloitin testaamaan lukon toimintaa ja virrankulutusta oskilloskoopin ja laboratoriovirtalähteen avulla. Aluksi testasin sitä kuinka lukko saadaan toimimaan elektronisella avaimella ja kuinka paljon virtaa lukko 6 voltin jännitelähteestä eri tilanteissa. Alla skoopin kuvakaappauksia eräältä toiselta illalta.

(Lisää virran mittaamisesta oskilloskoopin avulla voit lukea esim. tästä linkistä: https://articles.saleae.com/oscilloscopes/how-to-measure-current-with-an-oscilloscope)

Oskilloskooppi virran mittaus kuva 1
Wakeup-virta Yale Doorman älylukolla (1 ruutu = 0,1A)
Oskilloskooppi virran mittaus kuva 2
Elektronisen avaimen näyttäminen lukolle (1 ruutu = 0,5A)
Oskilloskooppi virran mittaus kuva 3
Älylukko poistaa lukituksen kun elekronista avainta näytetään (1 ruutu = 0,5A)
Oskilloskooppi virran mittaus kuva 4
Lukituksen aktivointi kun ovi on avattu ja lukittu kahvasta (1 ruutu = 0,5A)

Virranmittauksista paljastui, että lukon ottamat virrat virtalähteestä olivat jopa 3A luokkaa, mutta vain hyvin lyhytaikaisesti. Mittausten tekemiseen meni vain muutama hetki, mutta suurin aika kului lukon toiminnan hoksaamisessa (varsinkin ilman ovea ja ovenkarmeja).

Verkkovirtalähde Yale Doormaniin

Seuraavaksi piti etsiä sopiva verkkovirtalähde, minkä avulla lukon toimintaa voisi testata. Sopivia muuntajia on tarjolla kahta eri luokkaa eli säädettäviä ja kiinteällä jännitteellä olevia. Valitsin virtalähteen tyypiksi jälkimmäisen eli kiinteällä jännitteellä olevan.

Motonet 6V muuntaja
Verkkovirtalähde 6V (2A)

Verkkokaupoista ei jostain syystä alkanut sopivaa löytymään, kunnes puoliksi sattumalta törmäsin riistakameran ulkoiseen verkkovirtalähteeseen motonetin sivuilla: https://www.motonet.fi/fi/tuote/565587/Riistakameran-ulkoinen-verkkovirtalahde-6V. Sivuilla ei mainittu, kuinka paljon virtaa kyseinen verkkovirtalähde antaa ulostulojännitteeseen, joten tämä piti käydä tarkastamassa paikan päällä.

Virtaa näkyi tulevan ulos maksimissaan 2 ampeeria, joten ostin laitteen paikallisesta Motonetistä ja testasin lukon toimintaa banaanijohtojen ja hauenleukojen avulla ja hyvin tuntui toimivan.

Dummy-paristojen teko

Seuraavaksi oli vuorossa virtalähteen virtojen saaminen lukkoon niin, ettei kumpaakaan laitetta tarvitse muokata. Sopivan DC-liittimen löydettyäni itse virtalähteeseen aloitin miettimään, kuinka lukkoon saadaan virrat. Niin sanotusti "karvaperse"-virityksiä ei voinut alkaa harrastamaan, joten piti keksiä muuta.

Pienen pohdiskelun jälkeen päädyin 3D-tulostamaan muovisia tekopattereita, joiden päähän tulee yksisäikeistä sähkölankaa. Thingiversestä löytyi sopiva malli tähän (linkki: https://www.thingiverse.com/thing:1872669).

Omat paristot, Virransyöttöadapterit Yale Doorman älylukkoon
+6V verkkovirtamuuntajasta syötettynä. Ylempi "paristo" on +6V, alempi GND.

Tekoparistoja tarvitaan vain 2 kpl / lukko ja kontakti molempiin päihin niin, että lukkoon voidaan syöttää +6V ja GND.

Viimeistelin paristot sopivilla merkinnöillä (paperia ja kirkasta teippiä) sekä ruuviliittimillä pienelle palalle näkkäriä juotettuna. Printtasin Villelle myös ylimääräiset varaparistot.

Virransyöttöadapterit Yale Doorman älylukkoon
Virransyöttöadapterit Yale Doorman älylukkoon

Keskusyksikkö

Jos kyse olisi ollut vain yhdestä lukosta, niin rakentelu olisi ollut tässä. Mutta koska tarvittiin virtalähde (sekä paristovarmistus) yhteensä kolmelle lukolle, niin järkevintä olisi tehdä jonkinlainen keskuslaite, mikä syöttää virrat kaikille tarvittaville lukoille.

Luonnostelua keskusyksiköstä

Paristovarmennos tulisi C-paristoilla, koska niissä on kolmeen lukkoon hieman enemmän kapasiteettia kuin AA-paristoissa. D-paristot olisivat olleet koonsa puolesta jo hieman liian suuria mielestäni, sillä ymmärsin että tämä saisi olla mahdollisimman pieni. Li-Ion akku olisi tietenkin järkevä vaihtoehto myös, mutta sitten tarvittaisiin latauspiirejä ja lämpötila-antureita yms. elektroniikkaa enemmän turvalliseen toimintaan. Kun tämä hahmotelma oli valmis aloitin tavaroiden tilaamisen.

Tarvikelista ja tilaus Radioduosta

Tarvittiin ensimmäisenä siis C-paristokotelo neljälle paristolle, jotka ovat kytketty sarjaan 6:een volttiin. Lisäksi rakenteluun tarvittiin DC-liittimiä, painonappi, koekytkentälevyä, vastuksia, yksisäikeistä ja monisäikeistä sähköjohdinta, 5mm ledejä (keltainen, punainen, vihreä), yms. tarviketta. Alla on listattu tärkeimmät tarvikkeet, joita rakentelussa on tarvinnut (mukaanlukien paristotesterin kytkentä).

Linkit ovat kaikki samaan verkkokauppaan sen vuoksi, että jos joku tämän haluaa rakennella itselleen niin on helpompi tilata samasta paikasta kaikki tavarat. Radioduo ei ole ollut missään markkinointiyhteistyössä hutasu.net:in kanssa artikkelin kirjoituksen aikana tai ennen sitä. Kaikkien komponenttien tyypit ja speksit eivät ole kriittisiä vaan niitä voidaan soveltaa halutessaan.

  • Kotelo 87x137x67mm (linkki)
  • Sulakepesä piirikortille (linkki)
  • 4/1,7mm DC-liitinplugi motonetin virtalähteelle (linkki esim.)
  • 5,5/2,1mm DC-liittinplugi (linkki esim.)
  • DC-Liitin juotettava kaapeliin (linkki)
  • Paristokotelo C-paristoille (linkki)
  • Painonappi voi olla mikä tahansa normaalitilassa auki (linkki esim.)
  • Eri värisiä ledejä (linkki esim.)
  • Kytkentälankaa (linkki esim.)
  • Koekytkentälevyä 50x70mm (linkki esim.)
  • Vastuksia: 3x560 ohmia, 1 x 10k, 1x 15, 2x100k (linkki)
  • 2,5 voltin jännitereferenssi LM285Z-2.5 (linkki)
  • LM311 Komparaattori (linkki)
  • NPN-transistori (BJT) BC337. Myös logiikkatason N-MOSFET käy. (linkki)
  • 2 kpl >2A Schottcky-diodi (linkki esim.)

Kotelon rakentaminen

Kotelon rakentaminen alkoi merkitsemällä koteloon poistettavat kohdat. Jos edullisesti löytyy täysin tyhjä kotelo, niin se on aina parempi. Tämä ABS-kotelo on alunperin tarkoitettu jonkinlaisen muuntajan ja kenties pienen piirilevyn kotelointiin, minkä vuoksi kotelossa on hieman ylimääräistä muovia haitolla.

C-paristokotelon sovitus laitekotelon pohjalle.

Ylimääräiset muovit joita ei tarvita, voidaan poistaa tässä tapauksessa jyrsimen avulla (dremelillä onnistunee myös).

Poistettavat kohdat tussattu
Ylimääräisten kohtien merkitseminen tussilla

Jyrsimeen kiinnityksen vuoksi kotelo kiinnitetään ensin alustalevyyn kotelossa olemassa olevista ruuvien rei'istä.

Kotelon kiinnitys jigiin
Kotelon kiinnittäminen eli jigin teko jyrsimelle

Kotelon kiinnityksessä on hyvä ottaa huomioon pohjan epätasaisuudet (kotelo ei väänny tai jopa halkea kiinnityksessä).

Kotelon alapinnan tuenta jigissä
Kotelon alapinnan tuenta kiinnityksen aikana onnistuu muovipalalla

Sitten vain jigi kiinni jyrsimen pöytään, silmämääräisesti suoraan ja jyrsimään!

Muovikotelon kiinnitys jyrsimeen
Jigi kiinni jyrsimen pöydässä
Jyrsitty kotelo
Jyrsitty kotelo

Jyrsimisen jälkeen kotelon eri osiin jää väkisellä hienoja "höntyviä" kuten täällä päin ruukataan sanoa. Näiden poistaminen onnistuu exacto-veitsen avulla:

Paristokotelon kiinnitystä kokeilin aluksi kuumaliiman avulla, mutta vaikka liima oli kiinnitetty puhdistettuihin pintoihin ei se tahtonu pysyä paikallaan. Senpä vuoksi paristokotelon kiinnitykseen tarvittiin M3-kierresisäkkäitä (kierreinsertti):

M3 kierreinsertti kierresisäkäs
Paristokotelon kiinnitys laitteen sisälle

Laitteen piirilevyn tekoon pääsin jo muutaman tunnin puuhastelun jälkeen ja protokytkentä onkin kasatta täpläkuparilevylle. Alla olevassa kuvassa näkyy valmis sisusta vedonpoistoineen. Kytkennöistä ja muista yksityiskohdista on selitetty alemmissa kappaleissa tarkemmin.

Laitteen kytkentäkaavio ja paristotesteri

Paristotesterin ajattelin lisätä kytkentään sen vuoksi, että siitä on hyötyä varsinkin kun haluaa tarkastaa onko paristoissa virtaa jäljellä. Paristot eivät ole ikuisia, joten ajan saatossa ne itsekseen hiipuvat, vaikka kytkentä ei ota paristoista yhtään virtaa, ellei kytkintä S1 paineta.

Yale Doorman älylukon kytkentäkaavio virransyötölle
Kytkentäkaavio virransyötölle sekä paristotesterille. Kuvassa komparaattorin käyttöjännite on paristojännite.

Paristotesterin kytkennän toiminta kun kytkin S1 sulkeutuu...

Kytkentä toimii niin, että ensiksi jännitejako (R2/R1) muodostavat käyttöjännitteestä alemman, 3,6 voltin jännitteen. Koska jännitejako on ratiometrinen, sen jännite alenee kun paristot tyhjenevät. Kun paristojen jännite on enää vain 4 volttia (1 voltti per kenno), on jännitejaossa enää 2,4 volttia. Jännitejako on kytketty komparaattorin positiiviseen tuloon ja jännitereferenssi puolestaan negatiiviseen tuloon. Jännitereferenssipiiri tekee sen, että se yhdessä vastuksen R3 avulla muodostaa komparaattorin pinniin 2,5 voltin suhteellisen tarkan jännitteen. Tätä muuttumatonta jännitettä käytetään komparaattorissa hyödyksi kahden eri jännitteen vertailemiseen.

Kun komparaattorin positiivinen tulo (pinni 2) on jännitteeltään suurempi kuin negatiivinen, niin komparaattorin ulostulossa (pinni 7) on lähes täysi komparaattorin käyttöjännite, joka on siis sama kuin paristojännite. Tällöin punainen led ei voi palaa, koska virtaa ei kulje sen lävitse (todellisuudessa kulkee mutta hyvin hyvin vähän). Komparaattorin lähdössä oleva paristojännite aiheuttaa transistorin Q1 johtamisen, mikä sytyttää vihreän ledin toiminnan ja pariston OK kunnon merkiksi. Suuri kantavastus R4 on tärkeä siksi, ettei punainen led loista kun transistori Q1 johtaa.

Jos taas komparaattorin negatiivisessa tulossa on suurempi jännite, niin komparaattorin lähtö asettuu "0"-tilaan ja se alkaa johtamaan virtaa maahan. Tällöin punaisen ledin läpi alkaa kulkemaan virta ja punainen led syttyy pariston vähän jännitteen merkiksi.

Kasaamisen (tai purkamisen) helpottamiseksi kytkentä on rakennettu liitinten avulla ja piirilevy on kiinnitetty vain kuumaliimalla nurkista koteloon. Kytkennässä ei ole mitään lämpeneviä komponentteja, joten esimerkiksi palovaaraa ei ole. Lisäksi kytkentä on verkkovirtalähteen jälkeen suojattu sulakkeella (paristoille ei ole sulaketta).

Kun virtalähde on kytketty ja sähköissään, niin laitteen keltainen led loistaa ja tämä on merkiksi siitä, ettei olla paristojen varassa.

Viimeistely - merkinnät

Viimeistelin kotelon tulostetuilla merkinnöillä sekä laitteen päälle että pohjaan. Pohjasta ei ole nyt kuvaa, mutta siinä on käytännössä vain päivämäärä ja linkki tähän artikkeliin, sekä ledien selitykset.

Yale Doorman älylukon virtalähde
Yale Doorman älylukon virtalähde

Mikäli sinua kiinnostaa rakentaa itse tällainen laite, niin laita osat tilaukseen haluamastasi paikasta ja ala tuumasta toimeen. 3D-tulosteita voi kysyä esimerkiksi tältä sivulta: https://www.hutasu.net/3d-tulostus/3d-tulostuspalvelu/ tai sitten muista 3D-tulostuspalveluista, esimerkkinä: https://www.viikinkikone.fi/palvelut/.

Lopuksi vielä pyörivää videokuvaa, olkaa hyvät: