Как зарядить любое USB-устройство, управляя велосипедом: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

Начнем с того, что этот проект был начат, когда мы получили грант от программы Lemelson-MIT. (Джош, если ты это читаешь, мы тебя любим.)

Команда из 6 студентов и одного учителя составила этот проект, и мы решили разместить его на Instructables в надежде выиграть станок для лазерной резки или, по крайней мере, футболку. Далее следует подборка нашей презентации и моих личных заметок. Надеюсь, вам понравится это руководство так же, как и нам. Я также хотел бы поблагодарить Лимора Фрида, создателя схемы MintyBoost. Это сыграло ключевую роль в нашем проекте. Джефф Брукинс, Божественный ребенок, изобретатель, член команды

Шаг 1. Наше первоначальное намерение…

Нашим первоначальным проектом была разработка продукта, в котором использовался принцип Фарадея, позволяющий бегунам заряжать свои iPod во время бега. Эта концепция будет генерировать электричество так же, как эти фонарики Фарадея.

Однако у нас была проблема. Процитирую моего товарища по команде Ника Чиарелли: «Сначала мы подумали об использовании конструкции, похожей на один из этих встряхиваемых фонарей, и переделали его так, чтобы бегун мог надеть его для пробежки и иметь энергию для зарядки своего iPod или другого устройства, которое они Встряхивающий фонарик получает свою энергию от взаимодействия движущегося магнитного поля магнита в фонаре и катушки с проволокой, намотанной вокруг трубки, через которую проходит магнит. Движущееся магнитное поле заставляет электроны в катушке двигаться вдоль провод, создающий электрический ток. Этот ток затем сохраняется в батарее, которую затем можно использовать для лампы / светодиода фонарика. Однако, когда мы подсчитали, сколько энергии мы можем получить от пробежки, мы определили что потребуется 50 миль пробега, чтобы получить достаточно энергии, чтобы зарядить одну батарею AA. Это было неразумно, поэтому мы изменили наш проект на велосипедную систему ». Затем мы решили использовать вместо этого систему, установленную на велосипеде.

Шаг 2: наше заявление об изобретении и развитие концепции

Первоначально мы выдвинули гипотезу о разработке и возможности использования системы рекуперативного торможения на велосипедах. Эта система создаст мобильный источник питания, чтобы продлить срок службы батарей переносных электронных устройств, которые несет гонщик.

Во время фазы экспериментов было обнаружено, что система рекуперативного торможения не может одновременно выполнять свои двойные функции. Он не мог ни производить достаточного крутящего момента, чтобы остановить байк, ни генерировать достаточно энергии для перезарядки аккумуляторов. Поэтому команда решила отказаться от аспекта торможения в системе, чтобы сосредоточиться исключительно на разработке системы непрерывной зарядки. Эта система, однажды построенная и исследованная, оказалась полностью способной достичь желаемых целей.

Шаг 3: спроектируйте схему

Для начала нам нужно было разработать схему, которая могла бы взять ~ 6 вольт от двигателя, сохранить его, а затем преобразовать в 5 вольт, которые нам нужны для USB-устройства.

Разработанная нами схема дополняет функцию зарядного устройства MintyBoost USB, первоначально разработанного Лимором Фридом из Adafruit Industries. MintyBoost использует батареи AA для зарядки портативных электронных устройств. Наша независимо сконструированная схема заменяет батареи AA и обеспечивает питание MintyBoost. Эта схема снижает напряжение на двигателе с ~ 6 вольт до 2,5 вольт. Это позволяет двигателю заряжать BoostCap (140 F), который, в свою очередь, подает питание на схему MintyBoost. В ультраконденсаторе накапливается энергия для непрерывной зарядки USB-устройства, даже когда велосипед не находится в движении.

Шаг 4: получение энергии

Выбор двигателя оказался более сложной задачей.

Дорогие двигатели обеспечивали надлежащий крутящий момент, необходимый для создания источника торможения, однако их стоимость была непомерно высокой. Чтобы сделать доступное и эффективное устройство, потребовалось другое решение. Проект был переработан в систему непрерывной зарядки, из всех возможностей двигатель Maxon был бы лучшим выбором из-за его меньшего диаметра. Двигатель Maxon также давал 6 вольт, тогда как предыдущие двигатели давали нам более 20 вольт. Для последнего перегрев двигателя был бы огромной проблемой. Мы решили остановиться на нашем Maxon 90, который был красивым мотором, хотя его стоимость составляла 275 долларов. (Для тех, кто желает построить этот проект, будет достаточно более дешевого двигателя.) Мы прикрепили этот двигатель рядом с креплениями заднего тормоза прямо на раме велосипеда, используя кусок метровой палки между двигателем и рамой, чтобы действовать как прокладка, затем затянул вокруг него 2 хомута.

Шаг 5: Подключение

Для проводки от двигателя к схеме было рассмотрено несколько вариантов: зажимы типа «крокодил» для макета, телефонный шнур и провод динамика.

Зажимы типа «крокодил» хорошо себя зарекомендовали при проектировании и тестировании макета, но не были достаточно стабильными для окончательного дизайна. Телефонный провод оказался хрупким, и с ним было трудно работать. Акустический провод прошел испытания на прочность, поэтому стал предпочтительным проводником. Хотя это был многожильный провод, он был намного прочнее из-за большего диаметра. Затем мы просто прикрепили проволоку к каркасу с помощью стяжек.

Шаг 6: Фактическая схема

Самой сложной задачей в этом процессе было разобраться со схемами. Электричество от двигателя сначала проходит через регулятор напряжения, который обеспечивает постоянный ток до пяти ампер; больший ток, чем прошли бы другие регуляторы. Оттуда напряжение понижается до 2,5 вольт, что является максимумом, который BOOSTCAP может хранить и безопасно обрабатывать. Как только BOOSTCAP достигает 1,2 В, у него достаточно мощности, чтобы MintyBoost мог обеспечить источник 5 В для заряжаемого устройства.

К входным проводам мы прикрепили диод на 5 А, чтобы не получить «эффекта вспомогательного пуска», когда двигатель начинает вращаться, используя накопленное электричество. Мы использовали конденсатор емкостью 2200 мкФ, чтобы выровнять поток мощности к стабилизатору напряжения. Стабилизатор напряжения, который мы использовали, LM338, можно регулировать в зависимости от того, как вы его устанавливаете, как показано на нашей принципиальной схеме. Для наших целей сравнение двух резисторов 120 Ом и 135 Ом, подключенных к регулятору, определяет выходное напряжение. С его помощью понижаем напряжение с ~ 6 вольт до 2,5 вольт. Затем мы берем 2,5 В и используем его для зарядки нашего ультраконденсатора, BOOSTCAP 140 Фарад, 2,5 В, производства Maxwell Technologies. Мы выбрали BOOSTCAP, потому что его высокая емкость позволяет нам удерживать заряд, даже если мотоцикл остановлен на красный свет. Следующая часть этой схемы - это то, с чем, я уверен, вы все знакомы, Adafruit MintyBoost. Мы использовали его, чтобы взять 2,5 В с ультраконденсатора и повысить его до стабильных 5 В, стандарта USB. В нем используется повышающий преобразователь MAX756 на 5 В в сочетании с катушкой индуктивности 22 мкГн. Как только мы получим 1,2 вольт на ультраконденсаторе, MintyBoost начнет выдавать 5 вольт. Наша схема дополняет функцию зарядного устройства MintyBoost USB, первоначально разработанного Лимором Фридом из Adafruit Industries. MintyBoost использует батареи AA для зарядки портативных электронных устройств. Наша независимо сконструированная схема заменяет батареи AA и обеспечивает питание MintyBoost. Эта схема снижает напряжение на двигателе с ~ 6 вольт до 2,5 вольт. Это позволяет двигателю заряжать BoostCap (140 F), который, в свою очередь, подает питание на схему MintyBoost. В ультраконденсаторе накапливается энергия для непрерывной зарядки USB-устройства, даже когда велосипед не находится в движении.

Шаг 7: Корпус

Для защиты схемы от внешних элементов требовался кожух. Была выбрана «таблетка» из ПВХ-трубок и торцевых заглушек диаметром 6 см и длиной 18 см. Хотя эти размеры велики по сравнению со схемой, это сделало конструкцию более удобной. Серийная модель была бы намного меньше. ПВХ был выбран на основе прочности, почти идеальной защиты от атмосферных воздействий, аэродинамической формы и низкой стоимости. Эксперименты также проводились на контейнерах, изготовленных из необработанного углеродного волокна, пропитанного эпоксидной смолой. Эта конструкция оказалась одновременно прочной и легкой. Однако процесс строительства был чрезвычайно трудоемким и трудным для освоения.

Шаг 8: Тестирование

Что касается конденсаторов, мы тестируем два разных типа: BOOSTCAP и суперконденсатор.

На первом графике показано использование суперконденсатора, который интегрирован в схему, так что, когда двигатель активен, конденсатор будет заряжаться. Мы не использовали этот компонент, потому что, хотя суперконденсатор заряжался с невероятной скоростью, он разряжался слишком быстро для наших целей. Красная линия представляет напряжение двигателя, синяя линия представляет напряжение суперконденсатора, а зеленая линия представляет напряжение порта USB. Второй график - это данные, собранные с помощью ультраконденсатора BOOSTCAP. Красная линия представляет напряжение двигателя, синяя линия - напряжение ультраконденсатора, а зеленая линия представляет напряжение порта USB. Мы решили использовать ультраконденсатор, потому что, как показывает этот тест, ультраконденсатор будет продолжать удерживать свой заряд даже после того, как гонщик перестал двигаться. Причина скачка напряжения USB заключается в том, что ультраконденсатор достиг порогового значения напряжения, необходимого для активации MintyBoost. Оба этих теста проводились в течение 10 минут. Гонщик крутил педали в течение первых 5 минут, затем мы наблюдали, как напряжения будут реагировать в течение последних 5 минут. Последняя фотография - это снимок Google Планета Земля, где мы проводили тестирование. На этом снимке показано, что мы начали в нашей школе, а затем сделали два круга в парке Левагуд, общая приблизительная дистанция составила 1 милю. Цвета этой карты соответствуют скорости всадника. Пурпурная линия составляет приблизительно 28,9 миль в час, синяя линия 21,7 миль в час, зеленая линия 14,5 миль в час и желтая линия 7,4 миль в час.

Шаг 9: планы на будущее

Чтобы сделать устройство более экономически жизнеспособным в качестве потребительского продукта, необходимо внести несколько улучшений в области защиты от атмосферных воздействий, оптимизации схем и снижения затрат. Защита от атмосферных воздействий имеет решающее значение для долгосрочной эксплуатации устройства. Один из методов, который рассматривался для двигателя, заключался в том, чтобы поместить его в контейнер Nalgene. Эти контейнеры известны своей водонепроницаемостью и почти нерушимостью. (Да, мы сбили одного с машиной, но это не повлекло за собой вреда.) Требовалась дополнительная защита от сил природы. Пенопласт может герметизировать устройство, однако у материала есть ограничения. Это не только затрудняет правильное размещение, но и препятствует вентиляции, необходимой для работы устройства в целом.

Что касается оптимизации схемы, возможности включают в себя многозадачный чип регулятора напряжения и специальную печатную плату (PCB). Микросхема может заменить несколько регуляторов напряжения, что уменьшит как размер продукта, так и тепловую мощность. Использование печатной платы обеспечит более стабильную основу, поскольку соединения будут находиться непосредственно на плате, а не плавать под ней. В некоторой степени он будет действовать как теплоотвод из-за медных проводов на плате. Это изменение уменьшит потребность в чрезмерной вентиляции и увеличит срок службы компонентов. Снижение затрат - безусловно, самое важное и трудное изменение, которое необходимо внести в конструкцию. Сама схема крайне недорогая, однако стоит мотор 275 долларов. Ведутся поиски более экономичного двигателя, который по-прежнему будет удовлетворять наши потребности в энергии.

Шаг 10: Готово

Спасибо, что прочитали нашу инструкцию, если у вас есть вопросы, не стесняйтесь их задавать.

Вот несколько фотографий из нашей презентации в Массачусетском технологическом институте.