Проектирование и изготовление автономного турбинного воздуходува на базе экосистемы Parkside 20V

В рамках данной работы автор описывает процесс создания высокопроизводительного ручного устройства для бесконтактной очистки поверхностей (воздуходува). Проект базируется на использовании импеллера (EDF — Electric Ducted Fan) и аккумуляторной платформы Parkside X20V Team. Ключевой особенностью разработки является применение технологий аддитивного производства (3D-печати) для создания эргономичного корпуса, не требующего сложной постобработки. Устройство позиционируется как универсальный инструмент для уборки рабочих верстаков, компьютерной техники и бытовых помещений.

1. Обзор компонентной базы и теоретическое обоснование

Перед началом практической сборки автор проекта провел тщательный подбор комплектующих, исходя из требований к компактности и мощности.

1.1. Силовая установка и драйверы

Основой системы выступает 50-миллиметровый электрический канальный вентилятор (EDF). Выбор в пользу EDF, а не классического осевого вентилятора, обусловлен необходимостью создания высокого статического давления и ламинарного потока воздуха на выходе из сопла. Используемый двигатель имеет показатель KV (обороты на вольт) равный 3300, что при номинальном напряжении аккумулятора обеспечивает чрезвычайно высокие обороты ротора.

Для управления бесколлекторным двигателем автор применил электронный регулятор скорости (ESC) на 45 Ампер с поддержкой питания от 5 ячеек Li-Ion (5S). Запас по току необходим для предотвращения перегрева ключей регулятора при длительной работе под нагрузкой.

1.2. Система управления и питание логики

В качестве "мозга" устройства разработчик выбрал микроконтроллер ATtiny85. Этот 8-битный чип был выбран за его миниатюрность (корпус DIP-8) и достаточный функционал для генерации ШИМ-сигнала (PWM), необходимого для управления ESC. Так как напряжение аккумулятора составляет 20 В, а микроконтроллер работает от 5 В, в схему был внедрен линейный стабилизатор напряжения LM7805. Несмотря на низкий КПД линейных стабилизаторов, в данном проекте его использование оправдано малыми токами потребления логической части схемы.

1.3. Список необходимых материалов и инструментов

Для воспроизведения проекта автором был составлен исчерпывающий перечень компонентов:

Электронные компоненты:

• Турбина EDF 50 мм (мотор 3300KV).
• Регулятор оборотов (ESC) 45A (поддержка 5S LiPo/Li-Ion).
• Тактовая кнопка или микропереключатель (Trigger switch).
• Силовые клеммы типа "папа" (6.3 мм) — 2 шт. (для подключения к АКБ).
• Силовые провода (калибр 14AWG) для цепи питания мотора.
• Монтажные провода (26-28AWG) для сигнальных цепей.
• Микроконтроллер ATtiny85 (DIP-корпус).
• Стабилизатор напряжения L7805CV.
• Конденсаторы обвязки (опционально, 0.1 мкФ и 10 мкФ) для фильтрации помех.

Инструментарий:

• FDM 3D-принтер (область печати от 150x150 мм).
• Паяльная станция с регулировкой температуры (рекомендуется 300-350°C для бессвинцовых припоев).
• Кримпер (инструмент для обжима клемм).
• Термоклеевой пистолет и стержни к нему.
• Набор отверток и кусачки.
• Программатор (Arduino Uno в режиме ISP или USBasp).
• Персональный компьютер с установленной средой разработки (VS Code + PlatformIO или Arduino IDE).

2. Технологический процесс изготовления корпуса (3D-печать)

Первым этапом физической реализации проекта стало изготовление несущей конструкции. Автор разработал 3D-модель таким образом, чтобы исключить необходимость использования поддерживающих структур (support), что существенно экономит материал и время печати.

2.1. Параметры слайсинга

Для подготовки G-кода разработчик использовал следующие настройки, оптимальные для пластика PLA (полилактид):

• Ориентация модели: Строго вертикальная или горизонтальная в зависимости от вектора нагрузки слоев (согласно приложенным иллюстрациям в исходном репозитории).
• Периметры (Стенки): 2 линии. Это минимально необходимое значение для обеспечения герметичности воздушного канала.
• Горизонтальные оболочки (Верх/Низ): 3 слоя.
• Заполнение (Infill): 7.5%. Автор отмечает, что для подобных корпусных деталей плотность заполнения играет меньшую роль, чем количество стенок, поэтому низкий процент заполнения позволяет снизить вес устройства без потери жесткости.
• Высота слоя: 0.2 мм — баланс между скоростью печати и качеством поверхности.

Инженер подчеркивает, что использование PLA допустимо для бытового применения, однако если устройство планируется оставлять в нагретом автомобиле или на солнце, рекомендуется использовать PETG или ABS для повышения термостойкости.

3. Интеграция силовой установки (EDF)

Следующим шагом автор приступил к монтажу импеллера. Это критически важный этап, так как любые вибрации на высоких оборотах (до 40-50 тыс. об/мин) могут привести к разрушению корпуса или самого вентилятора.

3.1. Фиксация и демпфирование

Турбина диаметром 50 мм помещается в специально спроектированное посадочное место. Для фиксации автор предлагает использовать горячий клей, однако делает важное замечание: силиконовый герметик является более предпочтительным вариантом. Силикон после полимеризации сохраняет эластичность, выступая в роли демпфера, гасящего высокочастотные вибрации от мотора.

3.2. Кабель-менеджмент

Три фазных провода, выходящие из мотора, необходимо аккуратно проложить через предусмотренные каналы внутри корпуса по направлению к рукоятке. Автор обращает внимание на то, что провода не должны перекрывать воздушный поток или касаться ротора. Герметизация стыков между корпусом EDF и печатным корпусом обязательна для предотвращения паразитного подсоса воздуха, снижающего КПД устройства.

4. Электромонтаж силовой части (ESC и Двигатель)

На данном этапе разработчик выполнил соединение бесколлекторного двигателя с регулятором скорости.

4.1. Пайка фаз

Двигатель имеет три вывода (фазы A, B, C), которые припаиваются к соответствующим площадкам или проводам ESC. Автор поясняет, что порядок подключения проводов на данном этапе не имеет принципиального значения для работоспособности, но влияет на направление вращения.

4.2. Настройка направления вращения

После черновой пайки необходимо провести кратковременный тест. Если крыльчатка вращается не в ту сторону (выдувает воздух вперед, а не назад), автор рекомендует поменять местами любые два из трех фазных проводов. Это стандартная процедура для трехфазных машин переменного тока, управляемых частотными преобразователями (роль которого играет ESC).

5. Организация системы питания

Для обеспечения совместимости с аккумуляторами Parkside серии X20V Team, автор реализовал самодельный контактный блок, интегрированный в рукоятку.

5.1. Изготовление контактов

Использование стандартных плоских клемм "папа" шириной 6.3 мм является проверенным решением в DIY-сообществе. Клеммы обжимаются на проводах калибра 14AWG (достаточного для токов до 20-30А) и вставляются в пазы печатной детали.

5.2. Механическая фиксация

Важным моментом, который отмечает автор, является надежность фиксации клемм. В видеоуроках, на которые ссылается разработчик, демонстрируется использование термоклея для закрепления контактов после их установки. Это предотвращает продавливание клемм внутрь корпуса при подключении тугого разъема аккумулятора.

6. Программное обеспечение и прошивка микроконтроллера

Наиболее технически сложной частью проекта является программирование микроконтроллера ATtiny85. Этот чип должен преобразовывать нажатие кнопки в управляющий сигнал для ESC.

6.1. Выбор среды разработки

Хотя Arduino IDE является стандартом де-факто для любителей, автор предпочел использовать профессиональный редактор VS Code с расширением PlatformIO. Это решение было продиктовано проблемами совместимости пакетов плат ATtiny в новейших версиях Arduino IDE на момент написания статьи. Тем не менее, для превращения платы Arduino UNO в программатор (ISP) по-прежнему используется Arduino IDE.

6.2. Алгоритм прошивки

Процесс, описанный автором, состоит из следующих этапов:

1. Подготовка программатора: В плату Arduino UNO загружается скетч ArduinoISP из стандартных примеров. Это превращает плату в мост между компьютером и целевым чипом.
2. Коммутация: ATtiny85 подключается к Arduino согласно протоколу SPI (MOSI, MISO, SCK, RESET, VCC, GND).
3. Настройка проекта: В файле конфигурации platformio.ini задаются параметры частоты (обычно 1 МГц или 8 МГц) и протокол загрузки stk500v1.
4. Загрузка кода: Скомпилированный файл main.cpp загружается в память микроконтроллера.

6.3. Логика работы кода

Программа выполняет следующие функции:

• Инициализация порта ввода для кнопки (с подтяжкой к питанию).
• Инициализация порта вывода для ESC.
• Отслеживание состояния кнопки. При нажатии генерируется импульс длительностью около 2000 мкс (максимальный газ), при отпускании — 1000 мкс (стоп). Также может быть реализован плавный разгон (Soft Start) для снижения пусковых токов.

7. Финальная сборка электронной схемы

После прошивки микроконтроллера автор перешел к объединению всех электронных компонентов в единую цепь. Схема подключения требует внимательности, так как ошибки могут привести к выходу из строя дорогостоящих компонентов.

7.1. Подсистема питания 5В

Поскольку аккумулятор выдает 20В, прямое подключение ATtiny85 невозможно. В схему внедряется линейный стабилизатор LM7805:

• Вход (Input): Подключается к плюсу аккумулятора (+20В).
• Земля (GND): Общая точка для аккумулятора и микроконтроллера.
• Выход (Output): Стабильные +5В подаются на 8-ю ножку (VCC) ATtiny85.

Автор рекомендует использовать термоусадку для изоляции ножек стабилизатора, так как короткое замыкание в этой цепи фатально для микроконтроллера.

7.2. Управляющие сигналы

• Сигнал на ESC: Вывод PB0 (5-я ножка) микроконтроллера соединяется с сигнальным проводом регулятора (обычно белого или оранжевого цвета).
• Управление кнопкой: Один контакт кнопки подключается к выводу PB2 (7-я ножка), второй — к земле (GND). Программная подтяжка (INPUT_PULLUP) исключает необходимость внешних резисторов.

8. Сборка устройства и эксплуатационные испытания

Завершающий этап включает в себя укладку проводов ("кабель-менеджмент") внутри тесного пространства рукоятки.

8.1. Монтаж

Автор советует действовать аккуратно, чтобы не пережать провода при закрытии корпуса. Кнопка запуска устанавливается в специальное отверстие и фиксируется клеем. Регулятор скорости (ESC) должен располагаться в потоке воздуха (если конструкция это предусматривает) или иметь достаточный объем вокруг для пассивного охлаждения, хотя в кратковременных режимах работы ручного инструмента перегрев маловероятен.

8.2. Первичный запуск и тестирование

Алгоритм проверки, предложенный автором:

1. Убедиться в отсутствии коротких замыканий (желательно прозвонить силовые клеммы мультиметром).
2. Подключить аккумулятор Parkside.
3. Ожидать звуковой индикации от ESC. Обычно это серия "бипов", означающая, что регулятор получает корректный сигнал нулевого газа от микроконтроллера и готов к работе. Если звука нет или он непрерывный — проблема в отсутствии сигнала или неправильной калибровке диапазона газа.
4. Кратковременно нажать на курок. Турбина должна создать мощный поток воздуха.

8.3. Результаты и выводы

В результате проделанной работы автор получил функциональное, мощное и эргономичное устройство. Благодаря использованию стандартных аккумуляторов и доступных компонентов, проект легко воспроизводим. Устройство демонстрирует высокую эффективность при уборке опилок, пыли в системных блоках и очистке рабочего места, полностью оправдывая затраченные усилия на проектирование и сборку.

Техника безопасности и рекомендации

Автор настоятельно рекомендует при работе с Li-Ion аккумуляторами соблюдать осторожность. Не допускать глубокого разряда ячеек (хотя оригинальные батареи Parkside имеют встроенную защиту, дополнительный контроль напряжения не повредит). При пайке силовых разъемов необходимо избегать перегрева, который может деформировать пластик коннектора. Во время испытаний турбины обязательно использование защитных очков, так как на высоких оборотах возможен вылет мелких частиц.