Jak naładować dowolne urządzenie USB, jadąc na rowerze: 10 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:33

Na początek ten projekt został rozpoczęty, gdy otrzymaliśmy dotację z programu Lemelson-MIT. (Josh, jeśli to czytasz, kochamy cię.)

Zespół składający się z 6 uczniów i jednego nauczyciela opracował ten projekt, a my zdecydowaliśmy się umieścić go na Instructables w nadziei na wygranie wycinarki laserowej lub przynajmniej koszulki. Poniżej znajduje się kompilacja naszej prezentacji i moich osobistych notatek. Mam nadzieję, że spodoba ci się ten Instructable tak samo jak my. Chciałbym również podziękować Limor Fried, twórcy układu MintyBoost. Odegrał kluczową rolę w naszym projekcie. Jeff Brookins Członek Divine Child InvenTeam

Krok 1: Nasza pierwotna intencja…

Nasz pierwotny projekt polegał na opracowaniu produktu, który wykorzystywał zasadę Faradaya, aby umożliwić biegaczom ładowanie iPodów podczas biegu. Ta koncepcja generowałaby energię elektryczną w taki sam sposób, jak robią to latarki Faradaya.

Mieliśmy jednak problem. Cytując mojego kolegę z zespołu, Nicka Ciarelli: „Na początku rozważaliśmy użycie projektu podobnego do jednej z tych wstrząsających latarek i przekształcenie go tak, aby biegacz mógł go przypiąć do biegu i mieć energię do ładowania swojego iPoda lub innego urządzenia, które Latarka wstrząsająca czerpie energię z oddziaływania pola magnetycznego poruszającego się magnesu w latarce i cewki drutu owiniętego wokół tuby, przez którą przesuwa się magnes. Ruchome pole magnetyczne powoduje, że elektrony w cewce poruszają się wzdłuż drut, tworząc prąd elektryczny. Prąd ten jest następnie przechowywany w baterii, która jest następnie dostępna do użycia w żarówce latarki/LED. Jednak kiedy obliczyliśmy, ile energii będziemy w stanie uzyskać z biegu, ustaliliśmy że naładowanie jednej baterii AA wymaga przejechania 50 mil. Było to nierozsądne, więc zmieniliśmy nasz projekt na system rowerowy”. Następnie zdecydowaliśmy się zamiast tego na system montowany na rowerze.

Krok 2: Oświadczenie o naszym wynalazku i ewolucja koncepcji

Początkowo przedstawiliśmy teorię rozwoju i wykonalności układu hamulcowego z odzyskiem energii do użytku w rowerach. Ten system stworzyłby mobilne źródło zasilania, aby przedłużyć żywotność baterii przenośnych urządzeń elektronicznych przewożonych przez rowerzystę.

W fazie eksperymentów stwierdzono, że układ hamulcowy z odzyskiem energii nie jest w stanie pełnić jednocześnie swoich podwójnych funkcji. Nie mógł ani wytworzyć wystarczającego momentu obrotowego, aby zatrzymać rower, ani wygenerować wystarczającej mocy, aby naładować akumulatory. Dlatego zespół zdecydował się porzucić aspekt hamowania systemu, aby skupić się wyłącznie na opracowaniu systemu ciągłego ładowania. System ten, raz skonstruowany i zbadany, okazał się w pełni zdolny do osiągnięcia zamierzonych celów.

Krok 3: Zaprojektuj obwód

Na początek musieliśmy zaprojektować obwód, który mógłby pobierać ~6 woltów z silnika, przechowywać je, a następnie przekonwertować na 5 woltów, których potrzebowaliśmy do urządzenia USB.

Zaprojektowany przez nas obwód uzupełnia funkcję ładowarki USB MintyBoost, pierwotnie opracowanej przez Limor Fried z Adafruit Industries. MintyBoost wykorzystuje baterie AA do ładowania przenośnych urządzeń elektronicznych. Nasz niezależnie skonstruowany obwód zastępuje baterie AA i zasila MintyBoost. Obwód ten zmniejsza napięcie ~6 woltów z silnika do 2,5 wolta. Pozwala to silnikowi na ładowanie BoostCap (140 F), który z kolei dostarcza energię do obwodów MintyBoost. Ultrakondensator magazynuje energię, aby stale ładować urządzenie USB, nawet gdy rower nie jest w ruchu.

Krok 4: Zdobywanie mocy

Wybór silnika okazał się trudniejszym zadaniem.

Drogie silniki zapewniały odpowiedni moment obrotowy potrzebny do wytworzenia źródła hamowania, jednak koszt był wygórowany. Aby stworzyć niedrogie i efektywne urządzenie, potrzebne było inne rozwiązanie. Projekt został przeprojektowany jako system ciągłego ładowania, spośród wszystkich możliwości silnik Maxon byłby lepszym wyborem ze względu na mniejszą średnicę. Silnik Maxon dostarczał również 6 woltów, podczas gdy poprzednie silniki dawały nam ponad 20 woltów. W przypadku tego ostatniego przegrzanie silnika byłoby ogromnym problemem. Zdecydowaliśmy się pozostać przy naszym Maxonie 90, który był pięknym silnikiem, mimo że jego koszt wynosił 275 USD. (Dla tych, którzy chcą zbudować ten projekt, wystarczy tańszy silnik.) Przymocowaliśmy ten silnik blisko tylnych mocowań hamulca bezpośrednio do ramy roweru, używając kawałka metrowego patyka między silnikiem a ramą, aby działał jako podkładka dystansowa zacisnął wokół niego 2 opaski zaciskowe.

Krok 5: Okablowanie

W przypadku okablowania od silnika do obwodu rozważono kilka opcji: zaciski krokodylkowe do makiety, przewód telefoniczny i przewód głośnikowy.

Zaciski krokodylkowe sprawdziły się dobrze przy projektowaniu makiety i testowaniu, ale nie były wystarczająco stabilne do ostatecznego projektu. Przewód telefoniczny okazał się delikatny i trudny w obsłudze. Przewód głośnikowy został przetestowany ze względu na jego trwałość, dlatego stał się preferowanym przewodnikiem. Mimo, że był to drut pleciony, był znacznie trwalszy ze względu na większą średnicę. Następnie po prostu przymocowaliśmy drut do ramy za pomocą opasek błyskawicznych.

Krok 6: Rzeczywisty obwód

Najtrudniejszym wyzwaniem w całym procesie było poradzenie sobie z obwodami. Energia elektryczna z silnika najpierw przepływa przez regulator napięcia, który pozwala na ciągły prąd o natężeniu pięciu amperów; większy prąd niż przepuszczają inne regulatory. Stamtąd napięcie jest obniżane do 2,5 V, czyli maksimum, jakie BOOSTCAP może przechowywać i bezpiecznie obsługiwać. Gdy BOOSTCAP osiągnie napięcie 1,2 V, ma wystarczającą moc, aby umożliwić MintyBoost dostarczenie źródła 5 V dla ładowanego urządzenia.

Do przewodów wejściowych dołączyliśmy diodę 5A, aby nie uzyskać „efektu wspomaganego startu”, w którym silnik zacząłby się obracać, wykorzystując zmagazynowaną energię elektryczną. Użyliśmy kondensatora 2200uF, aby wyrównać przepływ mocy do regulatora napięcia. Zastosowany przez nas regulator napięcia, LM338, można regulować w zależności od ustawienia, jak widać na naszym schemacie obwodu. Dla naszych celów porównanie dwóch rezystorów 120ohm i 135ohm podłączonych do regulatora określa napięcie wyjściowe. Używamy go do obniżenia napięcia z ~6 woltów do 2,5 woltów. Następnie pobieramy napięcie 2,5 V i używamy go do ładowania naszego ultrakondensatora, 140 faradowego, 2,5 V BOOSTCAP firmy Maxwell Technologies. Wybraliśmy BOOSTCAP, ponieważ jego duża pojemność pozwoli nam utrzymać ładunek, nawet jeśli rower zatrzyma się na czerwonym świetle. Następna część tego obwodu to coś, co na pewno wszyscy znacie, Adafruit MintyBoost. Użyliśmy go do pobrania 2,5 V z ultrakondensatora i podniesienia go do stabilnego 5 V, standardu USB. Wykorzystuje konwerter doładowania MAX756, 5 V w połączeniu z cewką indukcyjną 22uH. Gdy uzyskamy 1,2 wolta na ultrakondensatorze, MintyBoost zacznie generować 5 woltów. Nasz obwód uzupełnia funkcję ładowarki USB MintyBoost, pierwotnie opracowanej przez Limor Fried z Adafruit Industries. MintyBoost wykorzystuje baterie AA do ładowania przenośnych urządzeń elektronicznych. Nasz niezależnie skonstruowany obwód zastępuje baterie AA i zasila MintyBoost. Obwód ten zmniejsza napięcie ~6 woltów z silnika do 2,5 wolta. Pozwala to silnikowi na ładowanie BoostCap (140 F), który z kolei dostarcza energię do obwodów MintyBoost. Ultrakondensator magazynuje energię, aby stale ładować urządzenie USB, nawet gdy rower nie jest w ruchu.

Krok 7: Obudowa

W celu ochrony układu przed elementami zewnętrznymi konieczna była obudowa. Wybrano „pigułkę” z wężyków PVC i zaślepek o średnicy 6cm i długości 18cm. Chociaż te wymiary są duże w porównaniu z obwodem, sprawiło to, że konstrukcja jest wygodniejsza. Model produkcyjny byłby znacznie mniejszy. PVC został wybrany ze względu na trwałość, prawie doskonałą odporność na warunki atmosferyczne, aerodynamiczny kształt i niski koszt. Eksperymenty przeprowadzono również na pojemnikach wykonanych z surowego włókna węglowego nasączonego żywicą epoksydową. Ta konstrukcja okazała się zarówno mocna, jak i lekka. Jednak proces budowy był niezwykle czasochłonny i trudny do opanowania.

Krok 8: Testowanie

W przypadku kondensatorów testujemy dwa różne typy, BOOSTCAP i superkondensator.

Pierwszy wykres przedstawia zastosowanie superkondensatora, który jest zintegrowany z układem, dzięki czemu podczas pracy silnika kondensator będzie się ładował. Nie używaliśmy tego komponentu, ponieważ superkondensator ładował się z ekstremalną prędkością, ale rozładowywał się zbyt szybko dla naszych celów. Czerwona linia reprezentuje napięcie silnika, niebieska linia reprezentuje napięcie superkondensatora, a zielona linia reprezentuje napięcie portu USB. Drugi wykres to dane zebrane za pomocą ultrakondensatora BOOSTCAP. Czerwona linia reprezentuje napięcie silnika, niebieska to napięcie ultrakondensatora, a zielona linia reprezentuje napięcie portu USB. Zdecydowaliśmy się na użycie ultrakondensatora, ponieważ, jak wskazuje ten test, ultrakondensator będzie nadal utrzymywał swój ładunek nawet po zatrzymaniu rowerzysty. Powodem skoku napięcia USB jest to, że ultrakondensator osiągnął próg napięcia niezbędny do aktywacji MintyBoost. Oba te testy przeprowadzono w ciągu 10 minut. Rowerzysta pedałował przez pierwsze 5 minut, a następnie obserwowaliśmy, jak napięcia będą reagować przez ostatnie 5 minut. Ostatnie zdjęcie to ujęcie Google Earth przedstawiające miejsce, w którym przeprowadziliśmy nasze testy. To zdjęcie pokazuje, że zaczęliśmy w naszej szkole, a następnie zrobiliśmy dwa okrążenia w Levagood Park na łączny dystans około 1 mili. Kolory tej mapy odpowiadają prędkości jeźdźca. Fioletowa linia ma około 28,9 mil na godzinę, niebieska 21,7 mil na godzinę, zielona linia 14,5 mil na godzinę, a żółta linia 7,4 mil na godzinę.

Krok 9: Plany na przyszłość

Aby uczynić urządzenie bardziej opłacalnym ekonomicznie jako produkt konsumencki, należy wprowadzić kilka ulepszeń w obszarach zabezpieczenia przed warunkami atmosferycznymi, usprawnienia obwodów i redukcji kosztów. Odporność na warunki atmosferyczne ma kluczowe znaczenie dla długotrwałej pracy urządzenia. Jedną z technik rozważanych w przypadku silnika było umieszczenie go w pojemniku Nalgene. Te pojemniki są znane z tego, że są wodoodporne i prawie niezniszczalne. (Tak, przejechaliśmy jednego samochodem bez złego efektu.) Poszukiwano dodatkowej ochrony przed siłami natury. Pianka rozprężna uszczelniłaby urządzenie, jednak materiał ma swoje ograniczenia. Utrudniłoby to nie tylko prawidłowe ustawienie, ale również uniemożliwiłoby wentylację niezbędną do ogólnego działania urządzenia.

Jeśli chodzi o usprawnienie obwodu, możliwości obejmują wielozadaniowy układ regulatora napięcia i niestandardową płytkę drukowaną (PCB). Chip mógłby zastąpić wiele regulatorów napięcia, co zmniejszyłoby zarówno rozmiar produktu, jak i moc cieplną. Zastosowanie płytki drukowanej zapewni stabilniejszą podstawę, ponieważ połączenia będą znajdować się bezpośrednio na płytce i nie będą pod nią pływać. W ograniczonym stopniu będzie działał jako radiator ze względu na miedzianą ścieżkę na płycie. Ta zmiana zmniejszyłaby potrzebę nadmiernej wentylacji i wydłużyła żywotność komponentów. Redukcja kosztów jest zdecydowanie najważniejszą i najtrudniejszą zmianą, jaką należy wprowadzić w projekcie. Sam obwód jest niezwykle tani, ale silnik kosztuje 275 USD. Trwają poszukiwania bardziej ekonomicznego silnika, który nadal będzie zaspokajał nasze zapotrzebowanie na energię.

Krok 10: Zakończ

Dziękujemy za przeczytanie naszej instrukcji, jeśli masz jakieś pytania, możesz je zadać.

Oto kilka zdjęć z naszej prezentacji na MIT.