Kako napuniti bilo koji USB uređaj vožnjom bicikla: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:38

Za početak, ovaj je projekt pokrenut kada smo dobili bespovratna sredstva iz programa Lemelson-MIT. (Josh, ako čitaš ovo, volimo te.)

Tim od 6 učenika i jednog učitelja sastavili su ovaj projekt, a mi smo odlučili staviti ga na Instructables u nadi da ćemo osvojiti laserski rezač ili barem majicu. Slijedi kompilacija naše prezentacije i mojih osobnih bilješki. Nadam se da ćete uživati u ovom Instructableu kao i mi. Također bih želio zahvaliti Limoru Friedu, tvorcu sklopa MintyBoost. Imao je ključnu ulogu u našem projektu. Jeff Brookins Božansko dijete InvenTeam član

Korak 1: Naša izvorna namjera …

Naš je prvotni projekt bio razvoj proizvoda koji je koristio Faradayjevo načelo kako bi trkačima omogućio punjenje iPod -a dok trče. Ovaj bi koncept generirao električnu energiju na isti način kao one Faradayeve svjetiljke.

Međutim, imali smo problem. Citiram mog suigrača Nicka Ciarellija: "Isprva smo razmišljali o korištenju dizajna sličnom jednoj od onih protresanih svjetiljki i pretvorili ga tako da ga trkač može vezati za trčanje i imati energije za punjenje svog iPod-a ili bilo kojeg drugog uređaja upotreba. Potresna svjetiljka svoju energiju dobiva interakcijom pokretnog magnetskog polja magneta u svjetiljci i svitka žice omotane oko cijevi kroz koju magnet klizi. Pokretno magnetsko polje uzrokuje kretanje elektrona u zavojnici žica, stvarajući električnu struju. Ta se struja zatim pohranjuje u bateriju, koja je tada dostupna za korištenje za žarulju/LED diodu. No, kada smo izračunali koliko bismo energije mogli dobiti trčanjem, utvrdili smo da bi trebalo trčati 50 milja da bi se dobilo dovoljno energije za punjenje jedne AA baterije. To je bilo nerazumno pa smo naš projekt promijenili u sustav za bicikle. " Tada smo umjesto toga odlučili koristiti sustav montiran na bicikl.

Korak 2: Naša izjava o izumu i evolucija koncepta

U početku smo teoretizirali razvoj i izvedivost regenerativnog kočnog sustava za upotrebu na biciklima. Ovaj bi sustav stvorio mobilni izvor napajanja za produljenje trajanja baterije prijenosnih elektroničkih uređaja koje nosi vozač.

Tijekom faze pokusa otkriveno je da regenerativni kočioni sustav nije sposoban istodobno ispunjavati svoje dvostruke funkcije. Nije mogao proizvesti dovoljno okretnog momenta da zaustavi bicikl, niti generirati dovoljno energije za punjenje baterija. Tim je stoga odlučio napustiti kočioni aspekt sustava, usredotočiti se isključivo na razvoj sustava za kontinuirano punjenje. Ovaj sustav, jednom izgrađen i istražen, pokazao se potpuno sposobnim za postizanje željenih ciljeva.

Korak 3: Dizajnirajte krug

Za početak smo morali dizajnirati krug koji bi mogao uzeti ~ 6 volti iz motora, pohraniti ga, a zatim ga pretvoriti u 5 volti koji su nam bili potrebni za USB uređaj.

Krug koji smo dizajnirali nadopunjuje funkciju USB punjača MintyBoost, koji je izvorno razvio Limor Fried, iz tvrtke Adafruit Industries. MintyBoost koristi AA baterije za punjenje prijenosnih elektroničkih uređaja. Naš neovisno izgrađen krug zamjenjuje AA baterije i napaja MintyBoost. Ovaj krug smanjuje ~ 6 volti iz motora na 2,5 volti. To omogućuje motoru da napuni BoostCap (140 F), koji pak napaja strujno kolo MintyBoost. Ultrakondenzator skladišti energiju za kontinuirano punjenje USB uređaja čak i dok se bicikl ne kreće.

Korak 4: Dobivanje snage

Odabir motora pokazao se kao izazovniji zadatak.

Skupi motori pružali su odgovarajući zakretni moment potreban za stvaranje izvora kočenja, međutim troškovi su bili previsoki. Za izradu pristupačnog i učinkovitog uređaja bilo je potrebno drugo rješenje. Projekt je redizajniran kao sustav kontinuiranog punjenja, od svih mogućnosti Maxon motor bi bio bolji izbor zbog svog manjeg promjera. Maxon motor je također davao 6 volti gdje su nam prethodni motori davali više od 20 volti. Za potonje bi pregrijavanje motora bilo veliki problem. Odlučili smo se držati našeg Maxona 90, koji je bio prekrasan motor, iako je njegova cijena bila 275 dolara. (Za one koji žele izgraditi ovaj projekt bit će dovoljan jeftiniji motor.) Ovaj smo motor pričvrstili blizu stražnjih nosača kočnice izravno na okvir bicikla koristeći komad metra između motora i okvira da djeluje kao odstojnik, a zatim stegnuo oko njega 2 stezaljke za crijeva.

Korak 5: Ožičenje

Za ožičenje od motora do kruga razmatrano je nekoliko mogućnosti: aligatorske kopče za maketu, telefonski kabel i žica zvučnika.

Aligatorske kopče pokazale su se učinkovitima u svrhu makete i testiranja, ali nisu bile dovoljno stabilne za konačni dizajn. Telefonska žica pokazala se krhkom i s njom je bilo teško raditi. Zvučnička žica testirana je zbog svoje trajnosti pa je postala vodič po izboru. Iako je bila nasukana žica, bila je mnogo izdržljivija zbog većeg promjera. Zatim smo samo pričvrstili žicu na okvir pomoću patentnih zatvarača.

Korak 6: Stvarni krug

Rješavanje sklopova bilo je najteži izazov procesa. Električna energija iz motora prvo putuje kroz regulator napona koji će omogućiti do kontinuirane struje od pet ampera; prošla bi veća struja od ostalih regulatora. Odatle se napon smanjuje na 2,5 volti, što je maksimum koji BOOSTCAP može pohraniti i sigurno rukovati. Nakon što BOOSTCAP dosegne 1,2 volta, ima dovoljno snage da omogući MintyBoostu da osigura izvor od 5 volti za uređaj koji se puni.

Na ulazne žice priključili smo 5A diodu kako ne bismo dobili učinak "potpomognutog pokretanja", gdje bi se motor počeo vrtjeti pomoću uskladištene električne energije. Koristili smo kondenzator od 2200uF za izjednačavanje protoka snage do regulatora napona. Regulator napona koji smo koristili, LM338, podesiv je ovisno o tome kako ste ga postavili, kao što se vidi na našem dijagramu kruga. Za naše potrebe, usporedba dva otpornika, 120ohm i 135 ohm, spojenih na regulator, određuje izlazni napon. Koristimo ga za smanjenje napona sa ~ 6 volti na 2,5 volti. Zatim uzmemo 2,5 volta i njime napunimo naš ultrakondenzator, BOOSTCAP od 140 farada, 2,5 volta, tvrtke Maxwell Technologies. Odabrali smo BOOSTCAP jer će nam njegov veliki kapacitet omogućiti zadržavanje naboja čak i ako je bicikl zaustavljen na crvenom svjetlu. Sljedeći dio ovog kruga je nešto za što sam siguran da vam je svima poznato, Adafruit MintyBoost. Koristili smo ga za uzimanje 2,5 volti iz ultrakondenzatora i pojačavanje na stabilnih 5 volti, USB standard. Koristi MAX756, 5 -voltni pretvarač pojačanja povezan s 22uH induktorom. Nakon što dobijemo 1,2 volta preko ultrakondenzatora, MintyBoost će početi izlaziti 5 volti. Naš krug nadopunjuje funkciju USB punjača MintyBoost, koji je izvorno razvio Limor Fried, iz tvrtke Adafruit Industries. MintyBoost koristi AA baterije za punjenje prijenosnih elektroničkih uređaja. Naš neovisno izgrađen krug zamjenjuje AA baterije i napaja MintyBoost. Ovaj krug smanjuje ~ 6 volti iz motora na 2,5 volti. To omogućuje motoru da napuni BoostCap (140 F), koji zauzvrat napaja strujno kolo MintyBoost. Ultrakondenzator skladišti energiju za kontinuirano punjenje USB uređaja čak i dok se bicikl ne kreće.

Korak 7: Ograđivanje

Kako bi se krug zaštitio od vanjskih elemenata, bilo je potrebno kućište. Odabrana je "pilula" PVC cijevi i završnih kapica, promjera 6 cm i duljine 18 cm. Iako su ove dimenzije velike u usporedbi sa strujnim krugom, to je konstrukciju učinilo prikladnijom. Proizvodni model bio bi mnogo manji. PVC je odabran na temelju trajnosti, gotovo savršene otpornosti na vremenske uvjete, aerodinamičkog oblika i niske cijene. Pokusi su također izvedeni na spremnicima izrađenim od sirovih ugljičnih vlakana natopljenih epoksidom. Ova se struktura pokazala snažnom i laganom. Međutim, proces izgradnje bio je iznimno dugotrajan i teško ga je savladati.

Korak 8: Testiranje

Za kondenzatore testiramo dvije različite vrste, BOOSTCAP i super kondenzator.

Prvi grafikon prikazuje uporabu superkondenzatora, koji je integriran sa krugom tako da se kondenzator napuni kad je motor aktivan. Ovu komponentu nismo koristili jer se superkondenzator punio velikom brzinom, ali se za naše potrebe prebrzo ispraznio. Crvena linija predstavlja napon motora, plava linija predstavlja napon superkondenzatora, a zelena linija predstavlja napon USB priključka. Drugi grafikon su podaci prikupljeni ultrakondenzatorom BOOSTCAP. Crvena linija predstavlja napon motora, plava je napon ultrakondenzatora, a zelena linija predstavlja napon USB priključka. Odabrali smo korištenje ultrakondenzatora jer će, kako pokazuje ovaj test, ultrakondenzator nastaviti zadržavati naboj čak i nakon što se vozač prestane kretati. Razlog skoka napona USB -a je taj što je ultrakondenzator dosegao prag napona potreban za aktiviranje MintyBoost -a. Oba su ispitivanja provedena u razdoblju od 10 minuta. Vozač je pedalirao prvih 5, zatim smo promatrali kako bi naponi reagirali posljednjih 5 minuta. Posljednja slika je snimak programa Google Earth na kojem smo testirali. Ova slika pokazuje da smo počeli u našoj školi, a zatim odradili dva kruga u parku Levagood na ukupnoj približnoj udaljenosti od 1 milje. Boje ove karte odgovaraju brzini vozača. Ljubičasta linija je približno 28,9 km / h, plava 21,7 mph, zelena 14,5 mph, a žuta 7,4 mph.

Korak 9: Planovi za budućnost

Kako bi se uređaj učinio ekonomski isplativijim kao potrošački proizvod, potrebno je uvesti nekoliko poboljšanja u područjima zaštite od vremenskih uvjeta, racionalizacije krugova i smanjenja troškova. Otpornost na vremenske uvjete ključna je za dugotrajni rad jedinice. Jedna tehnika koja se razmatrala za motor bila je umetanje u spremnik Nalgene. Ovi su spremnici poznati po tome da su vodootporni i gotovo neuništivi. (Da, pregazili smo jednog s automobilom bez ikakvih štetnih posljedica.) Tražena je dodatna zaštita od sila prirode. Ekspanzijska pjena zabrtvila bi jedinicu, međutim materijal ima ograničenja. Ne samo da je teško pravilno postaviti, već bi također spriječilo ventilaciju bitnu za cjelokupni rad uređaja.

Što se tiče pojednostavljenja kruga, mogućnosti uključuju višezadaćni čip regulatora napona i prilagođenu tiskanu ploču (PCB). Čip bi mogao zamijeniti više regulatora napona, što bi smanjilo i veličinu proizvoda i toplinsku snagu. Korištenje PCB -a pružit će stabilniju bazu jer će veze biti izravno na ploči, a ne plutati ispod nje. U ograničenoj mjeri djelovat će kao hladnjak zbog tragova bakra u ploči. Ova bi promjena smanjila potrebu za prekomjernom ventilacijom i povećala vijek trajanja komponenti. Smanjenje troškova je daleko najvažnija i najteža promjena koja se mora napraviti u dizajnu. Sam krug je izuzetno jeftin, međutim motor košta 275 USD. U tijeku je potraga za ekonomičnijim motorom koji će i dalje zadovoljiti naše potrebe za energijom.

Korak 10: Završite

Hvala vam što ste pročitali naš Instructable, ako imate pitanja, slobodno pitajte.

Evo nekoliko slika s naše prezentacije na MIT -u.