Cum să încărcați orice dispozitiv USB mergând cu bicicleta: 10 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Pentru a începe, acest proiect a fost început atunci când am primit o subvenție de la Programul Lemelson-MIT. (Josh, dacă citești asta, te iubim.)

O echipă de 6 elevi și un profesor au pus la cale acest proiect și am decis să îl punem pe Instructables în speranța de a câștiga un tăietor cu laser sau cel puțin un tricou. Ceea ce urmează este o compilație a prezentării noastre și a propriilor note personale. Sper să vă bucurați de acest Instructable la fel de mult ca și noi. Aș dori, de asemenea, să mulțumesc Limor Fried, creatorul circuitului MintyBoost. A jucat un rol cheie în proiectul nostru. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam Membru

Pasul 1: Intenția noastră originală …

Proiectul nostru inițial a fost de a dezvolta un produs care a folosit principiul Faraday pentru a permite alergătorilor să-și încarce iPod-urile în timp ce rulează. Acest concept ar genera electricitate la fel ca și lanternele Faraday.

Cu toate acestea, am avut o problemă. Pentru a-l cita pe colegul meu de echipă Nick Ciarelli, „La început ne-am gândit să folosim un design similar cu unul dintre acele lanterne cu agitare și să îl convertim astfel încât un alergător să poată să-l fixeze pentru o alergare și să aibă energie pentru a-și încărca iPod-ul sau orice alt dispozitiv Lanterna cu agitare își obține energia din interacțiunea câmpului magnetic în mișcare al magnetului în lanternă și bobina de sârmă înfășurată în jurul tubului prin care glisează magnetul. Câmpul magnetic în mișcare determină mișcarea electronilor din bobină de-a lungul firul, creând un curent electric. Acest curent este apoi stocat într-o baterie, care este apoi disponibilă pentru a fi utilizată pentru becul lanternei / LED. că ar fi nevoie de o alergare de 50 de mile pentru a obține suficientă energie pentru a încărca o baterie AA. Acest lucru a fost nerezonabil, așa că am schimbat proiectul nostru în sistemul de biciclete. Am decis apoi să folosim în schimb un sistem montat pe bicicletă.

Pasul 2: Declarația invenției noastre și evoluția conceptului

Am inițiat teoretic dezvoltarea și fezabilitatea unui sistem de frânare regenerativă pentru utilizare pe biciclete. Acest sistem ar crea o sursă de energie mobilă pentru a prelungi durata de viață a bateriei dispozitivelor electronice portabile transportate de călăreț.

În timpul fazei de experimentare, sistemul de frânare regenerativă sa dovedit a fi incapabil să își îndeplinească simultan funcțiile duale. Nu poate produce suficient cuplu pentru a opri bicicleta și nici nu poate genera suficientă energie pentru a reîncărca bateriile. Prin urmare, echipa a ales să abandoneze aspectul de frânare al sistemului, pentru a se concentra exclusiv pe dezvoltarea unui sistem de încărcare continuă. Acest sistem, odată construit și cercetat, s-a dovedit pe deplin capabil să atingă obiectivele dorite.

Pasul 3: Proiectați un circuit

Pentru a începe, a trebuit să proiectăm un circuit care să poată lua ~ 6 volți de la motor, să-l stocheze și apoi să-l convertească la 5 volți de care aveam nevoie pentru dispozitivul USB.

Circuitul pe care l-am proiectat completează funcția încărcătorului USB MintyBoost, dezvoltat inițial de Limor Fried, de la Adafruit Industries. MintyBoost folosește baterii AA pentru a încărca dispozitive electronice portabile. Circuitul nostru construit independent înlocuiește bateriile AA și alimentează MintyBoost. Acest circuit reduce ~ 6 volți de la motor la 2,5 volți. Acest lucru permite motorului să încarce BoostCap (140 F), care la rândul său furnizează energie circuitelor MintyBoost. Ultracondensatorul stochează energie pentru a încărca în mod continuu dispozitivul USB chiar și în timp ce bicicleta nu este în mișcare.

Pasul 4: Obținerea puterii

Selectarea unui motor s-a dovedit o sarcină mai provocatoare.

Motoarele scumpe au oferit cuplul adecvat necesar pentru a crea sursa de frânare, însă costul a fost prohibitiv. Pentru a face un dispozitiv accesibil și eficient, era necesară o altă soluție. Proiectul a fost reproiectat ca un sistem de încărcare continuă, din toate posibilitățile, motorul Maxon ar fi o alegere mai bună datorită diametrului său mai mic. Motorul Maxon a oferit, de asemenea, 6 volți, în cazul în care, la fel ca motoarele anterioare, ne-au dat peste 20 de volți. Pentru ultimul motor supraîncălzirea ar fi o problemă uriașă. Am decis să rămânem cu Maxon 90, care era un motor frumos, chiar dacă costul său era de 275 de dolari. (Pentru cei care doresc să construiască acest proiect, va fi suficient un motor mai ieftin.) Am atașat acest motor aproape de suporturile de frână din spate direct pe cadrul bicicletei, folosind o bucată de un stick de metru între motor și cadru pentru a acționa ca distanțier, apoi a strâns 2 cleme de furtun în jurul său.

Pasul 5: Cablare

Pentru cablarea de la motor la circuit au fost luate în considerare mai multe opțiuni: cleme de aligator pentru machetă, cablu telefonic și fir de difuzor.

Clemele de aligator s-au dovedit a funcționa bine pentru proiectarea machetei și scopurile de testare, dar nu au fost suficient de stabile pentru proiectarea finală. Cablul telefonic s-a dovedit fragil și greu de lucrat. Sârma difuzoarelor a fost testată datorită durabilității sale, devenind astfel conductorul ales. Deși era sârmă eșuată, era mult mai durabilă datorită diametrului său mai mare. Apoi am atașat firul la cadru folosind fermoare.

Pasul 6: Circuitul real

Abordarea circuitelor a fost cea mai dificilă provocare a procesului. Electricitatea motorului circulă mai întâi printr-un regulator de tensiune care va permite până la un curent continuu de cinci amperi; ar trece un curent mai mare decât alți regulatori. De acolo, tensiunea este redusă la 2,5 volți, ceea ce este maximul pe care BOOSTCAP îl poate stoca și manipula în siguranță. Odată ce BOOSTCAP atinge 1,2 volți, are suficientă putere pentru a permite MintyBoost să furnizeze o sursă de 5 volți pentru dispozitivul încărcat.

Pe firele de intrare am atașat o diodă 5A, astfel încât să nu obținem un „efect de pornire asistată”, în care motorul ar începe să se rotească folosind energia electrică stocată. Am folosit condensatorul 2200uF pentru a uniformiza debitul de putere către regulatorul de tensiune. Regulatorul de tensiune pe care l-am folosit, un LM338, este reglabil în funcție de modul în care l-ați setat, așa cum se vede în schema noastră de circuite. În scopurile noastre, comparația a două rezistențe, 120ohm și 135 ohm, conectate la regulator determină tensiunea de ieșire. O folosim pentru a reduce tensiunea de la ~ 6 volți la 2,5 volți. Luăm apoi 2,5 volți și îl folosim pentru a încărca ultracondensatorul nostru, un BOADTCAP de 140 farad, 2,5 volți fabricat de Maxwell Technologies. Am ales BOOSTCAP, deoarece capacitatea sa ridicată ne va permite să menținem o încărcare chiar dacă bicicleta este oprită la lumină roșie. Următoarea parte a acestui circuit este ceva ce sunt sigur că sunteți familiarizați cu Adafruit MintyBoost. L-am folosit pentru a lua 2,5 volți de la ultracondensator și pentru a-l ridica la 5 volți stabil, standardul USB. Folosește un convertor de creștere MAX756, 5 volți, cuplat cu un inductor de 22 uH. Odată ce obținem 1,2 volți peste ultracondensator, MintyBoost va începe să producă cei 5 volți. Circuitul nostru completează funcția încărcătorului USB MintyBoost, dezvoltat inițial de Limor Fried, de la Adafruit Industries. MintyBoost folosește baterii AA pentru a încărca dispozitive electronice portabile. Circuitul nostru construit independent înlocuiește bateriile AA și alimentează MintyBoost. Acest circuit reduce ~ 6 volți de la motor la 2,5 volți. Acest lucru permite motorului să încarce BoostCap (140 F), care la rândul său furnizează energie circuitelor MintyBoost. Ultracondensatorul stochează energie pentru a încărca în mod continuu dispozitivul USB chiar și în timp ce bicicleta nu este în mișcare.

Pasul 7: Incinta

Pentru a proteja circuitul de elementele externe, era necesară o carcasă. A fost aleasă o „pastilă” din tuburi din PVC și capace de capăt, cu un diametru de 6cm și o lungime de 18cm. În timp ce aceste dimensiuni sunt mari în comparație cu circuitul, acest lucru a făcut construcția mai convenabilă. Un model de producție ar fi mult mai mic. PVC-ul a fost selectat pe baza durabilității, rezistentei la intemperii aproape perfecte, a formei aerodinamice și a costului redus. Experimentele au fost efectuate și pe recipiente fabricate din fibră de carbon brută înmuiată în epoxidic. Această structură sa dovedit a fi atât puternică, cât și ușoară. Cu toate acestea, procesul de construcție a fost extrem de consumator de timp și a fost dificil de stăpânit.

Pasul 8: Testare

Pentru condensatori, testăm două tipuri diferite, BOOSTCAP și un super condensator.

Primul grafic descrie utilizarea supercondensatorului, care este integrat cu circuitul, astfel încât atunci când motorul este activ, condensatorul se va încărca. Nu am folosit această componentă deoarece, în timp ce supercondensatorul s-a încărcat cu viteză extremă, s-a descărcat prea repede pentru scopurile noastre. Linia roșie reprezintă tensiunea motorului, linia albastră reprezintă tensiunea supercondensatorului, iar linia verde reprezintă tensiunea portului USB. Al doilea grafic este datele colectate cu ultracondensatorul BOOSTCAP. Linia roșie reprezintă tensiunea motorului, albastrul este tensiunea ultracondensatorului, iar linia verde reprezintă tensiunea portului USB. Am ales să folosim ultracondensatorul deoarece, după cum indică acest test, ultracondensatorul își va menține sarcina chiar și după ce călărețul a încetat să se miște. Motivul saltului la tensiunea USB este că ultracapacitorul a atins pragul de tensiune necesar pentru activarea MintyBoost. Ambele teste au fost efectuate pe o perioadă de 10 minute. Pilotul a pedalat pentru primele 5, apoi am observat cum ar reacționa tensiunile în ultimele 5 minute. Ultima poză este o fotografie Google Earth a locului în care am făcut testarea. Această imagine arată că am început la școala noastră și apoi am făcut două ture la Levagood Park pentru o distanță totală aproximativă de 1 mile. Culorile acestei hărți corespund vitezei călărețului. Linia mov este de aproximativ 28,9 mph, linia albastră 21,7 mph, linia verde 14,5 mph și linia galbenă 7,4 mph.

Pasul 9: Planuri de viitor

Pentru a face dispozitivul mai viabil din punct de vedere economic ca produs de consum, trebuie făcute mai multe îmbunătățiri în domeniile impermeabilizării, eficientizării circuitelor și reducerii costurilor. Rezistența la intemperii este esențială pentru funcționarea pe termen lung a unității. O tehnică luată în considerare pentru motor a fost încorporarea acestuia într-un container Nalgene. Aceste containere sunt cunoscute pentru că sunt impermeabile și aproape indestructibile. (Da, am dat peste unul cu o mașină fără efect negativ.) Sa căutat o protecție suplimentară împotriva forțelor naturii. Spuma de expansiune ar sigila unitatea, totuși materialul are limitări. Nu numai că este dificil de poziționat corect, dar ar preveni și ventilația esențială pentru funcționarea generală a dispozitivului.

În ceea ce privește eficientizarea circuitului, posibilitățile includ un cip regulator de tensiune multitasking și o placă de circuite imprimate personalizate (PCB). Cipul ar putea înlocui mai multe regulatoare de tensiune, ceea ce ar reduce atât dimensiunea produsului, cât și puterea de căldură. Utilizarea unui PCB va oferi o bază mai stabilă, deoarece conexiunile vor fi direct pe placă și nu plutesc sub ea. Într-o măsură limitată, acesta va acționa ca un radiator datorită urmăririi cuprului din placă. Această modificare ar reduce necesitatea unei ventilații excesive și ar crește durata de viață a componentelor. Reducerea costurilor este de departe cea mai importantă și mai dificilă modificare care trebuie făcută la proiectare. Circuitul în sine este extrem de ieftin, cu toate acestea motorul costă 275 USD. Este în curs de căutare pentru un motor mai eficient din punct de vedere al costurilor, care să satisfacă în continuare nevoile noastre de energie.

Pasul 10: Termină

Vă mulțumim că ați citit Instructable-ul nostru, dacă aveți întrebări, nu ezitați să întrebați.

Iată câteva dintre pozele prezentării noastre la MIT.