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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:09

Za početak, ovaj projekat je započet kada smo dobili grant 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. Ono što slijedi je kompilacija naše prezentacije i mojih ličnih bilješki. Nadam se da ćete uživati u ovoj Instructable kao i mi. Također se zahvaljujem Limoru Friedu, tvorcu sklopa MintyBoost. On je odigrao ključnu ulogu u našem projektu. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam Member

Korak 1: Naša prvobitna namjera …

Naš prvobitni projekt bio je razvoj proizvoda koji je koristio Faradayev princip kako bi omogućio trkačima da pune svoje iPod -ove dok trče. Ovaj koncept bi generirao električnu energiju na isti način na koji rade Faradayeve svjetiljke.

Međutim, imali smo problem. Da citiram mog saigrača Nicka Ciarellija: "Isprva smo razmišljali o korištenju dizajna sličnom jednoj od onih protresanih svjetiljki i pretvaranju tako da ga trkač može vezati za trčanje i imati energije za punjenje svog iPod-a ili bilo kojeg drugog uređaja Bljeskalica koja se trese dobiva svoju energiju 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 upotrebu za žarulju/LED lampicu. Međutim, kada smo izračunali koliko bismo energije mogli dobiti od trčanja, utvrdili smo da bi trebalo trčati 50 milja da se dobije dovoljno energije za punjenje jedne AA baterije. To je bilo nerazumno pa smo naš projekt promijenili u sistem za bicikle. " Odlučili smo umjesto toga koristiti sustav montiran na bicikl.

Korak 2: Naša izjava o pronalasku i evolucija koncepta

U početku smo teoretizirali razvoj i izvodljivost regenerativnog kočnog sistema za upotrebu na biciklima. Ovaj sistem bi stvorio mobilni izvor napajanja za produženje trajanja baterije prenosivih elektronskih uređaja koje nosi vozač.

U fazi eksperimentiranja otkriveno je da regenerativni kočioni sistem nije sposoban istovremeno 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 aspekt kočenja u sistemu, fokusirati se isključivo na razvoj sistema za kontinuirano punjenje. Ovaj sistem, 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 originalno razvio Limor Fried, iz Adafruit Industries. MintyBoost koristi AA baterije za punjenje prijenosnih elektroničkih uređaja. Naš nezavisno izgrađen krug zamjenjuje AA baterije i napaja MintyBoost. Ovaj krug smanjuje ~ 6 volti iz motora na 2,5 volti. To omogućava motoru da napuni BoostCap (140 F), koji zauzvrat daje napajanje MintyBoost krugu. Ultrakondenzator skladišti energiju za kontinuirano punjenje USB uređaja čak i dok se bicikl ne kreće.

Korak 4: Dobijanje snage

Odabir motora pokazao se kao izazovniji zadatak.

Skupi motori pružali su odgovarajući okretni moment potreban za stvaranje izvora kočenja, međutim troškovi su bili previsoki. Za izradu pristupačnog i efikasnog 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 ostati pri svom Maxonu 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 2 stezaljke za crijeva oko njega.

Korak 5: Ožičenje

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

Aligatorske štipaljke pokazale su se dobrima za lažni dizajn i testiranje, ali nisu bile dovoljno stabilne za konačni dizajn. Telefonska žica se pokazala krhkom i s njom je bilo teško raditi. Žica zvučnika testirana je zbog svoje izdržljivosti pa je postala provodnik 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 neprekidne 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, on ima dovoljno snage da dozvoli MintyBoostu da osigura izvor od 5 volti za uređaj koji se puni.

Na ulazne žice priključili smo 5A diodu kako ne bismo dobili efekt "potpomognutog pokretanja", gdje bi se motor počeo vrtjeti pomoću uskladištene električne energije. Koristili smo kondenzator od 2200uF da izjednačimo protok snage do regulatora napona. Regulator napona koji smo koristili, LM338, može se podesiti ovisno o tome kako ste ga postavili, kao što se vidi na našem dijagramu kola. 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 V koji je proizvela kompanija 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 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, pretvarač pojačanja od 5 V, povezan s induktorom od 22 uH. Nakon što dobijemo 1,2 volta preko ultrakondenzatora, MintyBoost će početi izlaziti 5 volti. Naš krug nadopunjuje funkciju USB punjača MintyBoost, koji je originalno razvio Limor Fried, iz Adafruit Industries. MintyBoost koristi AA baterije za punjenje prijenosnih elektroničkih uređaja. Naš nezavisno 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 daje napajanje MintyBoost krugu. Ultrakondenzator skladišti energiju za kontinuirano punjenje USB uređaja čak i dok se bicikl ne kreće.

Korak 7: Ograđivanje

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

Korak 8: Testiranje

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

Prvi grafikon prikazuje upotrebu superkondenzatora, koji je integriran sa krugom, tako da će se, kada je motor aktivan, kondenzator puniti. Ovu komponentu nismo koristili jer se superkondenzator punio velikom brzinom, ali se prebrzo ispraznio za naše potrebe. 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 porta. Odabrali smo korištenje ultrakondenzatora jer će, kako pokazuje ovaj test, ultrakondenzator nastaviti zadržavati naboj čak i nakon što se vozač prestane kretati. Razlog za skok napona USB -a je taj što je ultrakondenzator dosegao prag napona potreban za aktiviranje MintyBoost -a. Oba ova testa provedena su u trajanju od 10 minuta. Vozač je pedalirao prvih 5, a 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 udaljenosti od 1 milju. 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 uređaj bio ekonomski isplativiji kao potrošački proizvod, potrebno je izvršiti nekoliko poboljšanja u područjima zaštite od vremenskih uvjeta, pojednostavljenja kola i smanjenja troškova. Otpornost na vremenske uvjete ključna je za dugotrajan rad jedinice. Jedna tehnika koja se razmatrala za motor bila je umetanje u Nalgene kontejner. Ovi su spremnici poznati po tome što su vodootporni i gotovo neuništivi. (Da, pregazili smo jednog s automobilom bez ikakvih posljedica.) Tražena je dodatna zaštita od sila prirode. Ekspanzijska pjena bi zapečatila jedinicu, međutim materijal ima ograničenja. Ne samo da je teško pravilno postaviti, već bi spriječilo i ventilaciju neophodnu za cjelokupni rad uređaja.

Što se tiče pojednostavljenja kola, mogućnosti uključuju čip regulatora napona za više zadataka i prilagođenu štampanu ploču (PCB). Čip bi mogao zamijeniti više regulatora napona, što bi smanjilo 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 na ploči. Ova promjena smanjila bi potrebu za pretjeranom ventilacijom i povećala vijek trajanja komponenti. Smanjenje troškova je daleko najvažnija i najteža promjena koja se mora izvršiti 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 što ste pročitali naš Instructable, ako imate pitanja, slobodno pitajte.

Evo nekoliko slika sa naše prezentacije na MIT -u.