Ako nabiť akékoľvek zariadenie USB jazdou na bicykli: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Na začiatku bol tento projekt zahájený, keď sme získali grant z programu Lemelson-MIT. (Josh, ak to čítaš, milujeme ťa.)

Tím 6 študentov a jeden učiteľ zostavili tento projekt a my sme sa ho rozhodli dať na Instructables v nádeji, že vyhráme laserovú rezačku alebo aspoň tričko. Nasleduje kompilácia našej prezentácie a moje osobné poznámky. Dúfam, že sa vám tento návod bude páčiť rovnako ako nám. Chcel by som tiež poďakovať Limorovi Friedovi, tvorcovi okruhu MintyBoost. V našom projekte zohralo kľúčovú úlohu. Jeff Brookins, člen Divine Child InvenTeam

Krok 1: Náš pôvodný zámer …

Našim pôvodným projektom bolo vyvinúť produkt, ktorý pomocou Faradayovho princípu umožnil bežcom nabíjať svoje iPody počas behu. Tento koncept by generoval elektrickú energiu rovnakým spôsobom ako tie Faradayove baterky.

Mali sme však problém. Citujem môjho tímového kolegu Nicka Ciarelliho: „Najprv sme uvažovali o použití dizajnu podobného jednej z týchto roztrasených bateriek a o jeho premene, aby si ho bežec mohol pripnúť na beh a nabiť energiou na nabitie svojho iPodu alebo akéhokoľvek zariadenia. otrasená baterka získava svoju energiu zo súčinnosti pohybujúceho sa magnetického poľa magnetu vo baterke a cievky drôtu omotanej okolo trubice, cez ktorú magnet kĺže. Pohybujúce sa magnetické pole spôsobuje pohyb elektrónov v cievke drôt, ktorý vytvára elektrický prúd. Tento prúd je potom uložený v batérii, ktorá je potom k dispozícii na použitie pre žiarovku/LED diódu. Keď sme však vypočítali, koľko energie by sme mohli získať behom, určili sme že na získanie dostatočnej energie na nabitie jednej batérie AA bude trvať 50 míľ. To bolo nerozumné, preto sme zmenili náš projekt na cyklistický systém. “Potom sme sa rozhodli použiť namiesto toho systém upevnený na bicykli.

Krok 2: Naše vyhlásenie o vynáleze a vývoj koncepcie

Pôvodne sme teoretizovali vývoj a uskutočniteľnosť regeneratívneho brzdového systému na použitie na bicykloch. Tento systém by vytvoril mobilný zdroj energie na predĺženie výdrže batérie prenosných elektronických zariadení, ktoré nosí jazdec.

Počas experimentálnej fázy sa zistilo, že regeneratívny brzdový systém nie je schopný súčasne vykonávať svoje dve funkcie. Nemohol vytvoriť ani dostatočný krútiaci moment na zastavenie motocykla, ani generovať dostatok energie na dobitie batérií. Tím sa preto rozhodol upustiť od brzdného aspektu systému a zamerať sa výlučne na vývoj systému nepretržitého nabíjania. Tento systém, raz skonštruovaný a preskúmaný, sa ukázal ako plne schopný dosiahnuť požadované ciele.

Krok 3: Navrhnite obvod

Na začiatku sme museli navrhnúť obvod, ktorý by mohol odoberať ~ 6 voltov z motora, uložiť ho a potom ho previesť na 5 voltov, ktoré sme potrebovali pre zariadenie USB.

Okruh, ktorý sme navrhli, dopĺňa funkciu nabíjačky USB MintyBoost, pôvodne vyvinutej spoločnosťou Limor Fried z Adafruit Industries. MintyBoost používa batérie AA na nabíjanie prenosných elektronických zariadení. Náš nezávisle skonštruovaný obvod nahrádza batérie AA a dodáva energiu do systému MintyBoost. Tento obvod zníži ~ 6 voltov z motora na 2,5 voltov. To umožňuje motoru nabíjať BoostCap (140 F), ktorý zase dodáva energiu do obvodov MintyBoost. Ultrakondenzátor ukladá energiu na nepretržité nabíjanie zariadenia USB, aj keď nie je bicykel v pohybe.

Krok 4: Získanie energie

Výber motora sa ukázal byť náročnejšou úlohou.

Drahé motory poskytovali potrebný krútiaci moment potrebný na vytvorenie zdroja bŕzd, náklady však boli neúnosné. Na výrobu cenovo dostupného a efektívneho zariadenia bolo potrebné iné riešenie. Projekt bol prepracovaný ako systém nepretržitého nabíjania, zo všetkých možností by bol motor Maxon vďaka svojmu menšiemu priemeru lepšou voľbou. Motor Maxon tiež poskytoval 6 voltov, kde nám ako predchádzajúce motory poskytli viac ako 20 voltov. Pre druhý menovaný motor by bolo prehriatie obrovským problémom. Rozhodli sme sa zostať pri našom Maxone 90, ktorý bol krásnym motorom, aj keď jeho cena bola 275 dolárov. (Pre tých, ktorí chcú postaviť tento projekt, bude stačiť lacnejší motor.) Tento motor sme pripevnili blízko držiakov zadnej brzdy priamo na rám bicykla pomocou kusu metrovej tyčinky medzi motorom a rámom, aby pôsobil ako rozpera. okolo neho utiahli 2 hadicové spony.

Krok 5: Zapojenie

Pri zapojovaní z motora do obvodu sa zvažovalo niekoľko možností: aligátorové spony pre makety, telefónny kábel a reproduktorový drôt.

Aligátorové klipy sa osvedčili dobre pri simulovanom dizajne a testovacích účeloch, ale neboli dostatočne stabilné pre konečný návrh. Telefónny drôt sa ukázal byť krehký a ťažko sa s ním pracovalo. Reproduktorový drôt bol testovaný kvôli svojej trvanlivosti, a preto sa stal zvoleným vodičom. Napriek tomu, že išlo o lankový drôt, bol vďaka väčšiemu priemeru oveľa odolnejší. Potom sme drôt len pripevnili k rámu pomocou suchých zipsov.

Krok 6: Skutočný obvod

Riešenie obvodov bolo najťažšou výzvou procesu. Elektrická energia z motora najskôr prechádza regulátorom napätia, ktorý umožní až päťprúdový prúd; prešiel by väčší prúd ako ostatné regulátory. Odtiaľ sa napätie zníži na 2,5 voltov, čo je maximum, ktoré môže BOOSTCAP uložiť a bezpečne zvládnuť. Akonáhle BOOSTCAP dosiahne napätie 1,2 V, má dostatok energie, aby MintyBoost mohol poskytovať 5 voltový zdroj pre nabíjané zariadenie.

Na vstupné vodiče sme pripevnili diódu 5A, aby sme nedostali „efekt asistovaného štartu“, kde by sa motor začal otáčať pomocou uloženej elektriny. Na vyrovnanie toku energie do regulátora napätia sme použili kondenzátor 2200uF. Regulátor napätia, ktorý sme použili, LM338, je nastaviteľný v závislosti od toho, ako ho nastavíte, ako je vidieť na našej schéme zapojenia. Na naše účely porovnanie dvoch rezistorov, 120 ohmov a 135 ohmov, pripojených k regulátoru, určuje výstupné napätie. Používame ho na zníženie napätia z ~ 6 voltov na 2,5 voltov. Potom odoberieme 2,5 voltov a použijeme ich na nabíjanie nášho ultrakondenzátora, 140 farad, 2,5 voltového BOOSTCAP od spoločnosti Maxwell Technologies. Vybrali sme si BOOSTCAP, pretože jeho vysoká kapacita nám umožní udržať nabitie, aj keď je bicykel zastavený na červenú. Ďalšia časť tohto okruhu je vec, ktorú určite všetci poznáte, Adafruit MintyBoost. Použili sme to na odobratie 2,5 voltov z ultrakondenzátora a zvýšenie na stabilných 5 voltov, štandard USB. Používa prevodník MAX756, 5 voltov na zvýšenie výkonu, spojený s 22uH induktorom. Akonáhle dostaneme 1,2 voltu cez ultrakondenzátor, MintyBoost začne produkovať 5 voltov. Náš obvod dopĺňa funkciu nabíjačky USB MintyBoost, pôvodne vyvinutej spoločnosťou Limor Fried z Adafruit Industries. MintyBoost používa batérie AA na nabíjanie prenosných elektronických zariadení. Náš nezávisle skonštruovaný obvod nahrádza batérie AA a dodáva energiu do systému MintyBoost. Tento obvod zníži ~ 6 voltov z motora na 2,5 voltov. To umožňuje motoru nabíjať BoostCap (140 F), ktorý zase dodáva energiu do obvodov MintyBoost. Ultrakondenzátor ukladá energiu na nepretržité nabíjanie zariadenia USB, aj keď nie je bicykel v pohybe.

Krok 7: Príloha

Na ochranu obvodu pred vonkajšími prvkami bol potrebný kryt. Bola zvolená „pilulka“z PVC hadičiek a koncoviek s priemerom 6 cm a dĺžkou 18 cm. Aj keď sú tieto rozmery v porovnaní s obvodom veľké, stavba bola vďaka tomu pohodlnejšia. Sériový model by bol oveľa menší. PVC bolo vybrané na základe odolnosti, takmer dokonalej odolnosti voči poveternostným vplyvom, aerodynamického tvaru a nízkych nákladov. Experimenty sa uskutočnili aj na nádobách vyrobených zo surových uhlíkových vlákien namočených v epoxidovej živici. Táto štruktúra sa ukázala ako silná a ľahká. Stavebný proces bol však časovo veľmi náročný a ťažko zvládnuteľný.

Krok 8: Testovanie

Pre kondenzátory testujeme dva rôzne typy, BOOSTCAP a super kondenzátor.

Prvý graf zobrazuje použitie superkondenzátora, ktorý je integrovaný s obvodom, takže keď je motor aktívny, kondenzátor sa nabije. Tento komponent sme nepoužili, pretože zatiaľ čo sa superkondenzátor nabíjal extrémnou rýchlosťou, na naše účely sa vybíjal príliš rýchlo. Červená čiara predstavuje napätie motora, modrá čiara predstavuje napätie superkondenzátora a zelená čiara predstavuje napätie USB portu. Druhý graf sú údaje zozbierané ultrakondenzátorom BOOSTCAP. Červená čiara predstavuje napätie motora, modrá je napätie ultrakondenzátora a zelená čiara predstavuje napätie portu USB. Rozhodli sme sa použiť ultrakondenzátor, pretože, ako ukazuje tento test, ultrakondenzátor si udrží svoj náboj aj vtedy, keď sa jazdec prestane pohybovať. Dôvodom skokového zvýšenia napätia USB je to, že ultrakondenzátor dosiahol prah napätia potrebný na aktiváciu MintyBoost. Oba tieto testy boli vykonávané počas 10 minút. Jazdec šliapal do pedálov prvých 5, potom sme pozorovali, ako počas posledných 5 minút reaguje napätie. Posledný obrázok je záber z Google Earth, kde sme testovali. Tento obrázok ukazuje, že sme začali v našej škole a potom sme urobili dve kolá v parku Levagood na celkovú približnú vzdialenosť 1 míľu. Farby tejto mapy zodpovedajú rýchlosti jazdca. Fialová čiara má rýchlosť približne 28,9 mph, modrá čiara 21,7 mph, zelená čiara 14,5 mph a žltá čiara 7,4 mph.

Krok 9: Plány do budúcnosti

Aby bolo zariadenie ekonomicky životaschopnejšie ako spotrebný výrobok, je potrebné vykonať niekoľko vylepšení v oblasti odolnosti voči poveternostným vplyvom, zefektívnenia obvodov a zníženia nákladov. Odolnosť voči poveternostným vplyvom je rozhodujúca pre dlhodobú prevádzku jednotky. Jednou z zvažovaných techník pre motor bolo jeho zabalenie do kontajnera Nalgene. Tieto kontajnery sú známe tým, že sú vodotesné a takmer nezničiteľné. (Áno, jeden sme autom prešli, ale bez následkov.) Proti prírodným silám sa hľadala dodatočná ochrana. Expanzná pena by jednotku utesnila, materiál má však obmedzenia. Nielenže je ťažké správne umiestniť, ale tiež by to zabránilo vetraniu zásadnému pre celkový chod zariadenia.

Pokiaľ ide o zefektívnenie obvodu, možnosti zahŕňajú čip viacúlohového regulátora napätia a vlastnú dosku s plošnými spojmi (PCB). Čip by mohol nahradiť viacero regulátorov napätia, čo by znížilo veľkosť produktu aj tepelný výkon. Použitie DPS poskytne stabilnejšiu základňu, pretože pripojenia budú priamo na doske a nebudú sa pod ňou vznášať. V obmedzenej miere bude pôsobiť ako chladič kvôli medenému sledovaniu v doske. Táto zmena zníži potrebu nadmerného vetrania a zvýši životnosť komponentov. Zníženie nákladov je zďaleka najdôležitejšou a najťažšou zmenou, ktorú je potrebné v návrhu vykonať. Samotný obvod je extrémne lacný, motor však stojí 275 dolárov. Prebieha hľadanie nákladovo efektívnejšieho motora, ktorý bude stále spĺňať naše energetické potreby.

Krok 10: Dokončite

Ďakujeme, že ste si prečítali náš návod, ak máte otázky, pokojne sa pýtajte.

Tu sú niektoré obrázky z našej prezentácie na MIT.