Jak nabít jakékoli zařízení USB jízdou na kole: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Tento projekt byl zahájen, když jsme obdrželi grant z programu Lemelson-MIT. (Joshe, pokud to čteš, milujeme tě.)

Tým 6 studentů a jednoho učitele sestavil tento projekt a my jsme se rozhodli jej umístit na Instructables v naději, že vyhrajeme laserovou řezačku nebo alespoň tričko. Následuje kompilace naší prezentace a mých vlastních poznámek. Doufám, že si tento Instructable užijete stejně jako my. Také bych chtěl poděkovat Limorovi Friedovi, tvůrci okruhu MintyBoost. V našem projektu to hrálo klíčovou roli. Jeff Brookins, člen Divine Child InvenTeam

Krok 1: Náš původní záměr…

Naším původním projektem bylo vyvinout produkt, který by podle Faradayova principu umožnil běžcům nabíjet své iPody za běhu. Tento koncept by generoval elektřinu stejným způsobem jako ty Faradayovy baterky.

Měli jsme však problém. Abych citoval mého týmového kolegu Nicka Ciarelliho: „Nejprve jsme zvažovali použití podobného designu jako u jedné z těch třesoucích se baterek a jeho převedení tak, aby si jej běžec mohl připoutat na běh a mít energii na nabíjení svého iPodu nebo jakéhokoli zařízení, které Shake-up baterka získává energii ze souhry pohybujícího se magnetického pole magnetu ve svítilně a cívky drátu omotaného kolem trubice, kterou magnet klouže. Pohybující se magnetické pole způsobuje pohyb elektronů v cívce vodič, který vytváří elektrický proud. Tento proud je pak uložen v baterii, která je pak k dispozici pro použití pro žárovku/LED svítilny. Když jsme však vypočítali, kolik energie bychom byli schopni při běhu získat, určili jsme že k získání dostatečné energie k nabití jedné baterie AA by zaběhl běh na 50 mil. To bylo nerozumné, proto jsme změnili náš projekt na cyklistický systém. “Poté jsme se rozhodli místo toho použít systém upevněný na kole.

Krok 2: Naše prohlášení o vynálezu a vývoj konceptu

Původně jsme teoretizovali vývoj a proveditelnost regenerativního brzdového systému pro použití na kolech. Tento systém by vytvořil mobilní zdroj energie, který by prodloužil životnost baterie přenosných elektronických zařízení přenášených jezdcem.

Během experimentální fáze bylo zjištěno, že regenerativní brzdový systém není schopen plnit své dvojí funkce současně. Nemohlo to ani produkovat dostatečný točivý moment k zastavení motocyklu, ani generovat dostatek energie k dobití baterií. Tým se proto rozhodl upustit od brzdného aspektu systému a soustředit se výhradně na vývoj systému nepřetržitého nabíjení. Jakmile byl tento systém zkonstruován a prozkoumán, ukázal se jako plně schopný dosáhnout požadovaných cílů.

Krok 3: Navrhněte obvod

Na začátku jsme museli navrhnout obvod, který by mohl odebrat ~ 6 voltů z motoru, uložit ho a poté jej převést na 5 voltů, které jsme potřebovali pro zařízení USB.

Obvod, který jsme navrhli, doplňuje funkci USB nabíječky MintyBoost, původně vyvinuté Limorem Friedem z Adafruit Industries. MintyBoost používá baterie AA k nabíjení přenosných elektronických zařízení. Náš nezávisle konstruovaný obvod nahrazuje baterie AA a dodává energii do MintyBoost. Tento obvod snižuje ~ 6 voltů z motoru na 2,5 voltů. To umožňuje motoru nabíjet BoostCap (140 F), který zase dodává energii do obvodů MintyBoost. Ultrakondenzátor ukládá energii pro nepřetržité nabíjení zařízení USB, i když kolo není v pohybu.

Krok 4: Získání energie

Výběr motoru se ukázal jako náročnější úkol.

Drahé motory poskytovaly správný točivý moment potřebný k vytvoření brzdného zdroje, ale náklady byly neúměrné. Aby bylo dostupné a efektivní zařízení, bylo nutné jiné řešení. Projekt byl přepracován jako systém nepřetržitého nabíjení, ze všech možností by motor Maxon byl díky svému menšímu průměru lepší volbou. Motor Maxon také poskytoval 6 voltů, kde nám jako u předchozích motorů bylo více než 20 voltů. U posledně jmenovaného by bylo přehřátí motoru obrovským problémem. Rozhodli jsme se zůstat u našeho Maxonu 90, což byl krásný motor, přestože jeho cena byla 275 $. (Pro ty, kteří chtějí postavit tento projekt, bude stačit levnější motor.) Tento motor jsme připevnili v blízkosti úchytů zadní brzdy přímo na rám kola pomocí kusu metrové tyče mezi motorem a rámem, aby fungoval jako distanční vložka. kolem něj utáhly 2 hadicové spony.

Krok 5: Zapojení

Pro zapojení z motoru do obvodu bylo zvažováno několik možností: krokosvorky pro makety, telefonní kabel a reproduktorový vodič.

Ukázalo se, že aligátorové klipy fungovaly dobře pro účely simulovaného designu a testování, ale nebyly dostatečně stabilní pro konečný návrh. Ukázalo se, že telefonní kabel je křehký a obtížně se s ním pracuje. Reproduktorový drát byl testován kvůli své trvanlivosti, a proto se stal zvoleným vodičem. Přestože se jednalo o splétaný drát, byl díky většímu průměru mnohem odolnější. Potom jsme jen připevnili drát k rámu pomocí zipů.

Krok 6: Skutečný obvod

Řešení obvodů bylo nejtěžší výzvou celého procesu. Elektřina z motoru nejprve prochází napěťovým regulátorem, který umožní až nepřetržitý proud pěti ampérů; projde větší proud než jiné regulátory. Odtud je napětí sníženo na 2,5 voltů, což je maximum, které může BOOSTCAP uložit a bezpečně zvládnout. Jakmile BOOSTCAP dosáhne 1,2 voltů, má dostatek energie, aby umožnil MintyBoost poskytnout 5 voltový zdroj pro nabíjené zařízení.

Na vstupní vodiče jsme připojili 5A diodu, abychom nedostali „efekt asistovaného startu“, kde by se motor začal točit pomocí uložené elektřiny. K vyrovnání toku energie do regulátoru napětí jsme použili kondenzátor 2200uF. Regulátor napětí, který jsme použili, LM338, je nastavitelný v závislosti na tom, jak jej nastavíte, jak je vidět na našem schématu zapojení. Výstupní napětí pro naše účely určuje srovnání dvou rezistorů, 120 ohmů a 135 ohmů, připojených k regulátoru. Používáme ho ke snížení napětí z ~ 6 voltů na 2,5 voltů. Poté odebereme 2,5 voltů a použijeme je k nabíjení našeho ultrakondenzátoru, 140 farad, 2,5 voltového BOOSTCAP vyrobeného společností Maxwell Technologies. Vybrali jsme si BOOSTCAP, protože jeho vysoká kapacita nám umožní udržet nabití, i když je kolo zastaveno na červenou. Další část tohoto okruhu je něco, co jste určitě všichni obeznámeni, Adafruit MintyBoost. Použili jsme to k odebrání 2,5 voltů z ultrakondenzátoru a zvýšení stabilních 5 voltů, standardu USB. Používá převodník MAX756, 5 voltů boost spojený s 22uH induktorem. Jakmile dostaneme 1,2 voltu přes ultrakondenzátor, MintyBoost začne vydávat 5 voltů. Náš obvod doplňuje funkci USB nabíječky MintyBoost, původně vyvinuté společností Limor Fried z Adafruit Industries. MintyBoost používá baterie AA k nabíjení přenosných elektronických zařízení. Náš nezávisle konstruovaný obvod nahrazuje baterie AA a dodává energii do MintyBoost. Tento obvod snižuje ~ 6 voltů z motoru na 2,5 voltů. To umožňuje motoru nabíjet BoostCap (140 F), který zase dodává energii do obvodů MintyBoost. Ultrakondenzátor ukládá energii pro nepřetržité nabíjení zařízení USB, i když kolo není v pohybu.

Krok 7: Příloha

Aby byl obvod chráněn před vnějšími prvky, bylo nutné pouzdro. Byla zvolena „pilulka“hadiček z PVC a koncových uzávěrů o průměru 6 cm a délce 18 cm. Přestože jsou tyto rozměry ve srovnání s obvodem velké, konstrukce byla díky tomu pohodlnější. Produkční model by byl mnohem menší. PVC bylo vybráno na základě trvanlivosti, téměř dokonalé odolnosti proti povětrnostním vlivům, aerodynamického tvaru a nízké ceny. Experimenty byly také prováděny na nádobách vyrobených ze surových uhlíkových vláken namočených v epoxidu. Tato struktura se ukázala být silná a lehká. Proces stavby byl však časově velmi náročný a těžko zvládnutelný.

Krok 8: Testování

U kondenzátorů testujeme dva různé typy, BOOSTCAP a super kondenzátor.

První graf zobrazuje použití superkondenzátoru, který je integrován s obvodem, takže když je motor aktivní, kondenzátor se nabije. Tuto součástku jsme nepoužili, protože superkapacitor nabitý extrémní rychlostí se pro naše účely vybíjel příliš rychle. Červená čára představuje napětí motoru, modrá čára představuje napětí superkondenzátoru a zelená čára představuje napětí USB portu. Druhý graf jsou data shromážděná pomocí ultrakondenzátoru BOOSTCAP. Červená čára představuje napětí motoru, modrá je napětí ultrakondenzátoru a zelená čára představuje napětí USB portu. Rozhodli jsme se použít ultrakondenzátor, protože, jak ukazuje tento test, ultrakondenzátor bude i nadále držet náboj i poté, co se jezdec přestal pohybovat. Důvodem přeskočení napětí USB je to, že ultrakondenzátor dosáhl prahu napětí nezbytného k aktivaci MintyBoost. Oba tyto testy byly prováděny po dobu 10 minut. Jezdec šlapal prvních 5, pak jsme pozorovali, jak napětí bude reagovat posledních 5 minut. Poslední obrázek je záběr Google Earth, kde jsme prováděli testování. Tento obrázek ukazuje, že jsme začali v naší škole a poté jsme udělali dvě kola v parku Levagood na celkovou přibližnou vzdálenost 1 míli. Barvy této mapy odpovídají rychlosti jezdce. Fialová čára je přibližně 28,9 mph, modrá čára 21,7 mph, zelená čára 14,5 mph a žlutá čára 7,4 mph.

Krok 9: Plány do budoucna

Aby bylo zařízení ekonomicky životaschopnější jako spotřební výrobek, je třeba provést několik vylepšení v oblasti odolnosti proti povětrnostním vlivům, zefektivnění obvodu a snížení nákladů. Odolnost proti povětrnostním vlivům je zásadní pro dlouhodobý provoz jednotky. Jednou z zvažovaných technik pro motor bylo jeho zabalení do kontejneru Nalgene. Tyto kontejnery jsou známé tím, že jsou vodotěsné a téměř nezničitelné. (Ano, jeden jsme přejeli s autem, aniž by to mělo nějaký špatný účinek.) Byla hledána další ochrana proti přírodním silám. Expanzní pěna by jednotku utěsnila, materiál má však omezení. Nejen, že je obtížné správně umístit, ale také by to zabránilo ventilaci zásadní pro celkový provoz zařízení.

Pokud jde o zefektivnění obvodu, možnosti zahrnují čip pro víceúlohový regulátor napětí a vlastní desku plošných spojů (PCB). Čip by mohl nahradit více regulátorů napětí, což by snížilo jak velikost produktu, tak tepelný výkon. Použití desky plošných spojů poskytne stabilnější základnu, protože připojení bude přímo na desce a nebude se pod ní vznášet. V omezené míře bude fungovat jako chladič kvůli měděnému trasování v desce. Tato změna by snížila potřebu nadměrného větrání a prodloužila životnost součástí. Snížení nákladů je zdaleka nejdůležitější a nejobtížnější změnou, kterou je třeba v návrhu provést. Samotný obvod je extrémně levný, ale motor stojí 275 dolarů. Probíhá hledání nákladově efektivnějšího motoru, který by stále vyhovoval našim energetickým potřebám.

Krok 10: Dokončete

Děkujeme, že jste si přečetli náš Instructable, pokud máte nějaké dotazy, klidně se ptejte.

Zde jsou některé obrázky z naší prezentace na MIT.