磁浮喇叭-無法充電-飄浮原理-維修DIY

上週接到社團同學來電說她的 磁浮喇叭 無法充電,由於原廠已經撤出台灣,沒法找到人維修,所以看我能不能幫她診斷一下,試試有沒有救。

磁浮喇叭 還滿有趣的,它是由一個底座與一個藍牙喇叭所組成,藍牙喇叭可以漂浮在底座上方大約1cm的距離。既然是漂浮的喇叭,那要怎麼充電呢? 它有兩種方式,一種是利用底座對喇叭做無線充電,另一種是利用喇叭本體的USB充電,畢竟直接用USB充電效率比較高,無線充電效率其實很差。

拆解喇叭

既然主訴症狀是喇叭不能充電,而且不管怎麼充電,似乎都無法讓電池充飽電,看來充電線路的嫌疑很大,所以就先從喇叭下手,拆了再說。

如下圖,把美麗的喇叭外罩拿下後,再把四顆螺絲鬆開移除上蓋,就看到下方的電路板了。它基本上就是一個藍牙BT模組,配上一個微處理器,我想這應該就是藍牙喇叭的核心了,不過今天的主角是電池。

拆解無法充電的藍牙喇叭
拆解無法充電的藍牙喇叭

電路板上面似乎看不到有任何與漂浮有關的零件,只有正下方有個強力磁鐵,把電路板移開之後,就只剩下電池、充電線圈以及一顆圓盤型的強力磁鐵。於是想說把底座上電來試看看,果然磁鐵就浮在半空中了,看來磁鐵才是飄浮的主角。

磁浮喇叭 底座看來沒壞
磁浮喇叭 底座看來沒壞

不過這個能夠維持平衡的空間還真是狹小,放置喇叭的時候一個不小心就會讓喇叭掉到底座邊緣被吸住,因為底座也有個超大的永久磁鐵,等會各位就會看到。

檢查充電線路

電池沒電可能是充電線路故障,所以就得先測量一下無線充電的電源電路,這下可真的是很麻煩,它一定得放在底座上才能偵測到電壓,但是如果漂浮的時候用電表探針去觸碰,很容易讓它失去平衡而跌落底座。

所以我拿了個絕緣膠帶俗稱電火布,卡在兩者之間,高度剛剛好,但測量時也不能太用力,它會翻車的,手還是得扶一下,所以我沒有手可以拍照,這裡就沒拍電表讀值的照片了,直接告訴各位結果,無線充電的接頭電壓是5V,它的電路板上也印著+5V,所以電壓正確,表示無線充電這部分沒問題。

固定住喇叭方便測量電壓
固定住喇叭方便測量電壓

接著來看另一個USB充電線路,把USB接上電路板,找到印有BAT的電池接頭,測量電池接頭的電壓,讀到4.087V,這個電壓比鋰電池3.7V要高,所以USB充電線路也沒問題。

USB充電線路正常
USB充電線路正常

檢查電池

如果兩組充電線路都沒問題,那看來內建的鋰電池真的嫌疑很大,於是就把鋰電池拆下來測量,說實在真的很難拆,因為它用膠緊緊地黏在磁鐵邊緣,花了一點力氣才弄下來。

測量後發現電壓只有0.003V,這不叫沒電,這叫做故障,電池再沒電也不應該變成零伏特,沒電的電池雖然已經無法做功,應該是還要有1V、2V之類的電壓,所以確定電池故障。至於電池裡面到底是哪裡故障,我就不想追了,基本上鋰電池還是有一定的危險性,它的能量密度高,還是給專業的來處理比較好。

鋰電池已經故障
鋰電池已經故障

接下來就要換鋰電池了,下圖就是新舊鋰電池的照片,上面是舊電池,還含了接頭,之所以會看起來烏漆嘛黑,那是因為我為了要看到電池規格,必須把黏在上面的黑色泡棉膠帶移除。下面是新電池很閃亮,買來時是沒有接頭的,所以要自己把接頭從舊電池剪下焊到新電池上。剪的時候請不要用斜口鉗把兩條線就一起剪了,這樣會短路的嘿! 務必一次剪一條線,才不會短路,養成好習慣讓你永保安康。

買新鋰電池準備換上
買新鋰電池準備換上

換鋰電池最重要的就是尺寸規格,畢竟空間有限,一定要買個長寬高尺寸相同的才好安裝,以這顆舊電池為例,它的規格是102535 800mAh 3.7V,所謂102535的意思是厚10mm、寬25mm、長35mm、其餘規格如容量800mAh以及3.7V就很直觀了,所以我買新電池的時候就在露天拍賣上面找102535的電池,容量基本上只要在800mAh附近的就可以,我剛好找到有1000mAh的容量,但是它實際上是不是有這麼多,天曉得,這時候尺寸比容量重要。

電池買來的時候記得把正負極測試一下,看看極性有沒有接反,電壓有沒有正確,通常這種尺寸的鋰電池電壓都固定為3.7V,有些大型電池會有14.8V這種電壓,就是把4顆電池單體串聯起來,至於極性反相,目前是還沒有遇過,但我還是會測試,面對電源我習慣謹慎處理,風險控管還是要先做好。

喇叭組裝

接著把電池、電路板、喇叭麥克風等等東西,全部再裝回去,瞬間就看到面板的藍色燈亮了,而且喇叭還會講話,看到它復活真是太棒啦。

磁浮喇叭 燈亮,終於有電了
磁浮喇叭 燈亮,終於有電了

接著就是把喇叭放在底座上方,看看會不會充電。USB孔旁邊有個紅色LED燈,會亮就是有充電,目前紅燈有亮表示修好啦。

紅燈亮表示充電中
紅燈亮表示充電中

由於我有維修潔癖,即便知道充電功能已經恢復,還是得測試到藍牙連線成功才算完工,因為維修過程總是難免有修了A卻壞了B的問題,全部測試一次比較保險。如下圖,經過手機連線確認藍牙連線成功,沒想到它還帶有電量資訊。

藍牙連線成功
藍牙連線成功

漂浮原理

相信很多人會好奇這磁浮到底是甚麼原理,簡單講就是利用磁極的同性相斥來達成磁浮的現象,因為藍牙喇叭底下有個永久強力磁鐵,底座也有強力磁鐵產生互相排斥的磁力,因而讓喇叭漂浮。

但如果你曾經做過磁鐵的同性相斥實驗,所有浮起來的磁鐵最後都會翻車變成同性相吸,為何這裡不會呢? 因為底座裡面有4個電磁鐵Electromagnet、一個環型強力磁鐵,以及一個控制系統Control System彼此合作無間地讓磁場維持平衡。

磁浮喇叭 底座的構造
磁浮喇叭 底座的構造

環形磁鐵的磁化方向是上下極化,如果上方是S,下方就是N,中間的空洞則充滿由下往上的磁力線,所以把電磁鐵放這裡的話,它的鐵心等同於一個N極向上的磁鐵。

漂浮原理說明
漂浮原理說明

繞在4個鐵心外面的線圈Coil則是用來加強或削弱鐵心的磁力,若喇叭飄太遠就抑制磁力,若飄太近就增強一些磁力,控制系統會不斷的調整電磁鐵,於是喇叭便會穩定的待在中間。因此線圈的功能就是拿來調整磁力,而環形磁鐵則是用來把喇叭抬起來。

那麼控制系統是如何知道喇叭飄到哪裡呢? 在四顆電磁鐵的中央有放置磁感應元件,正式名稱為霍爾效應感測器Hall Effect Sensor,它能夠偵測磁場大小。控制系統根據Sensor回報的磁場,比對期望的目標值,用來作為調整電磁鐵的on/off的依據,這整個過程稱為閉迴路控制Close Loop Control,是整個產品的核心,所以這東西並不是裝了四個電磁鐵就會飄了喔,它還需要仰賴精密的控制。

控制系統做得好你就飄飄然上天堂,控制得不好馬上就跌下地獄,我相信當初原廠應該調整了很久,所以控制軟體非常重要。為了防止心血被偷,我發現廠商把控制器做成如下圖這個樣子,你看不到型號,也就不知道該從哪裡Copy軟體,這防偷的招數真的太高竿。

看不到型號的控制器
看不到型號的控制器

這種控制系統和元件的相依性非常高,換了磁鐵廠商或變更電磁鐵的位置,基本上都要重新調整控制系統,所以不難想一些公共運輸系統若胡亂發包一通,就會因為系統之間的不相容,後續造成維修人員困擾,維修經費大幅上升,但你也知道大部分人都只看最初的經費,越便宜越能拿來邀功,反正老闆也看不懂。

最後參觀結束要把底座零件再裝回去,組好之後還是得要測試一下,確保漂浮功能沒問題,如下圖看來非常OK。

漂浮中的 磁浮喇叭
漂浮中的 磁浮喇叭

這麼有趣的原理一定有去登記專利吧,沒錯! 我已經幫大家找到啦,Google上就能找到這個專利Magnetic levitation apparatus,不過專利的用語相當的法律,我沒有耐心將它看完,所以我也幫大家找了相對平易近人的文章Electromagnetic Levitation,各位若也覺得很有趣,也可以自己做一個,網路上有很多套件,但我希望大家可以自己寫控制軟體,有寫過一次的話,相信自動控制的功力會大增。

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