Bármilyen USB -eszköz feltöltése kerékpárral: 10 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:44

Kezdésként ezt a projektet akkor kezdtük el, amikor támogatást kaptunk a Lemelson-MIT Programtól. (Josh, ha ezt olvasod, szeretünk.)

Egy 6 fős csapat és egy tanár állította össze ezt a projektet, és úgy döntöttünk, hogy felhelyezzük az Instructables-re, abban a reményben, hogy nyerünk egy lézervágót, vagy legalább egy pólót. A következőkben összeállítottuk bemutatónkat és saját személyes jegyzeteimet. Remélem, annyira élvezni fogja ezt az Instructable -t, mint mi. Ezúton is szeretnék köszönetet mondani Limor Friednek, a MintyBoost áramkör megalkotójának. Projektünkben kulcsszerepet játszott. Jeff Brookins Isteni gyermek InvenTeam tagja

1. lépés: Eredeti szándékunk…

Eredeti projektünk egy olyan termék kifejlesztése volt, amely a Faraday elvét használva lehetővé teszi a futók számára, hogy feltölthessék iPodjaikat futás közben. Ez a koncepció ugyanúgy termelne áramot, mint a Faraday zseblámpák.

Volt azonban egy problémánk. Hogy idézzem a csapattársamat, Nick Ciarellit: "Először azt fontolgattuk, hogy az egyik rázó zseblámpához hasonló konstrukciót használunk, és úgy alakítjuk át, hogy a futó fel tudja kötni egy futásra, és legyen energiája tölteni az iPodját vagy bármilyen eszközt, amit A rázó zseblámpa energiáját a zseblámpában lévő mágnes mozgó mágneses mezőjének és a cső köré tekert huzaltekercsnek a kölcsönhatásából nyeri, amelyen a mágnes átcsúszik. A mozgó mágneses mező hatására a tekercsben lévő elektronok elmozdulnak a vezetéket, elektromos áramot hozva létre. Ezt az áramot egy akkumulátorban tárolják, amelyet aztán a zseblámpa izzójához/LED -jéhez használhatnak. Amikor azonban kiszámítottuk, hogy mennyi energiát tudunk nyerni egy futás során, hogy egy 50 mérföldes futást igényel, hogy elegendő energiát kapjon egy AA elem feltöltéséhez. Ez ésszerűtlen volt, ezért a projektünket kerékpáros rendszerre cseréltük. " Ekkor úgy döntöttünk, hogy inkább kerékpárra szerelhető rendszert használunk.

2. lépés: Találmányunk és a koncepció fejlődése

Kezdetben a kerékpárokon használható regeneratív fékrendszer kifejlesztését és megvalósíthatóságát fogalmaztunk meg. Ez a rendszer egy mobil áramforrást hozna létre, hogy meghosszabbítsa a versenyző által hordozott hordozható elektronikus eszközök akkumulátorának élettartamát.

A kísérleti szakaszban kiderült, hogy a regeneratív fékrendszer nem képes egyszerre ellátni kettős funkcióit. Nem tudott elegendő nyomatékot előállítani a kerékpár leállításához, és nem tudott elegendő energiát generálni az akkumulátorok feltöltéséhez. A csapat ezért úgy döntött, hogy elhagyja a rendszer fékezési aspektusát, és kizárólag a folyamatos töltési rendszer fejlesztésére összpontosít. Ez a rendszer, miután felépítették és megvizsgálták, teljes mértékben alkalmasnak bizonyult a kívánt célok elérésére.

Lépés: Tervezzen áramkört

A kezdéshez meg kellett terveznünk egy olyan áramkört, amely képes levenni a ~ 6 voltot a motorról, tárolni, majd átalakítani az 5 voltra, amire szükségünk volt az USB -eszközhöz.

Az általunk tervezett áramkör kiegészíti a MintyBoost USB töltő funkcióját, amelyet eredetileg Limor Fried, az Adafruit Industries fejlesztett ki. A MintyBoost AA elemeket használ a hordozható elektronikus eszközök töltésére. Önállóan kialakított áramkörünk helyettesíti az AA elemeket, és táplálja a MintyBoost -ot. Ez az áramkör a motorról származó ~ 6 voltot 2,5 voltra csökkenti. Ez lehetővé teszi a motor számára a BoostCap (140 F) feltöltését, amely viszont táplálja a MintyBoost áramkört. Az ultrakondenzátor energiát tárol az USB -eszköz folyamatos töltéséhez, még akkor is, ha a kerékpár nem mozog.

4. lépés: Áramellátás

A motor kiválasztása nagyobb kihívást jelentett.

A drága motorok biztosították a megfelelő nyomatékot a fékforrás létrehozásához, azonban a költségek megfizethetetlenek voltak. Ahhoz, hogy megfizethető és hatékony készüléket készítsünk, egy másik megoldásra volt szükség. A projektet folyamatos töltőrendszerként alakították át, minden lehetőség közül a Maxon motor lenne jobb választás a kisebb átmérője miatt. A Maxon motor 6 voltot is biztosított, ahol a korábbi motorok 20 volt feletti értéket adtak nekünk. Ez utóbbi esetében a motor túlmelegedése óriási probléma lenne. Úgy döntöttünk, hogy maradunk a Maxon 90 -nél, amely gyönyörű motor volt, annak ellenére, hogy ára 275 dollár volt. (Azok számára, akik ezt a projektet szeretnék megépíteni, elegendő egy olcsóbb motor.) Ezt a motort a hátsó fékrögzítőkhöz közel, közvetlenül a kerékpár vázához rögzítettük, egy méter bot segítségével a motor és a keret között, hogy távtartóként működjön. húzza meg 2 tömlőbilincset körülötte.

5. lépés: huzalozás

A motortól az áramkörhöz való huzalozáshoz több lehetőséget is figyelembe vettek: alligátorcsipeszek mintákhoz, telefonkábel és hangszóróhuzal.

Az aligátor klipek jól működtek a tervezési és tesztelési célokra, de nem voltak elég stabilak a végleges kialakításhoz. A telefonkábel törékenynek bizonyult, és nehéz vele dolgozni. A hangszóróhuzal tartóssága miatt tesztelték, így a választott vezetővé vált. Bár sodrott huzal volt, nagyobb átmérője miatt sokkal tartósabb. Ezután csak rögzítettük a vezetéket a kerethez cipzárral.

6. lépés: A tényleges áramkör

Az áramkör kezelése volt a folyamat legnehezebb kihívása. A motorból származó villamos energia először egy feszültségszabályozón halad keresztül, amely lehetővé teszi a folyamatos öt amperes áramot; a többi szabályozónál nagyobb áram folyna át. Innen a feszültség lecsökken 2,5 V -ra, ami a BOOSTCAP maximális tárolási és biztonságos kezelési lehetősége. Amint a BOOSTCAP eléri az 1,2 voltot, elegendő teljesítménye van ahhoz, hogy a MintyBoost 5 voltos forrást biztosítson a töltendő eszközhöz.

A bemeneti vezetékekhez 5A diódát rögzítettünk, hogy ne kapjunk "segédindítási hatást", ahol a motor forogni kezdene a tárolt villamos energia felhasználásával. A 2200uF kondenzátort használtuk a feszültségszabályozó áramellátásának kiegyenlítésére. Az általunk használt feszültségszabályozó, az LM338, beállítható attól függően, hogy hogyan állítja be, amint azt a kapcsolási rajzunk is mutatja. Céljaink szerint a szabályozóhoz csatlakoztatott két ellenállás, 120 ohm és 135 ohm összehasonlítása határozza meg a kimeneti feszültséget. Ezzel csökkentjük a feszültséget ~ 6 voltról 2,5 voltra. Ezután felvesszük a 2,5 voltot, és feltöltjük vele az ultrakondenzátorunkat, a 140 farados, 2,5 voltos BOOSTCAP -ot, amelyet a Maxwell Technologies gyárt. Azért választottuk a BOOSTCAP -ot, mert nagy kapacitása lehetővé teszi a töltés megtartását akkor is, ha a kerékpárt piros lámpánál állítják le. Ennek az áramkörnek a következő része biztos, hogy mindenki ismeri, az Adafruit MintyBoost. Arra használtuk, hogy kivesszük a 2,5 voltot az ultrakondenzátorból, és stabil 5 voltos szintre emeljük, az USB szabványt. MAX756, 5 voltos erősítő átalakítót használ, 22uH induktorral kombinálva. Miután 1,2 voltot kapunk az ultrakondenzátoron, a MintyBoost elkezdi kiadni az 5 voltot. Áramkörünk kiegészíti a MintyBoost USB töltő funkcióját, amelyet eredetileg Limor Fried, az Adafruit Industries fejlesztett ki. A MintyBoost AA elemeket használ a hordozható elektronikus eszközök töltésére. Függetlenül megépített áramkörünk helyettesíti az AA elemeket és táplálja a MintyBoost -ot. Ez az áramkör a motorról származó ~ 6 voltot 2,5 voltra csökkenti. Ez lehetővé teszi a motor számára a BoostCap (140 F) feltöltését, amely viszont táplálja a MintyBoost áramkört. Az ultrakondenzátor energiát tárol az USB -eszköz folyamatos töltéséhez, még akkor is, ha a kerékpár nem mozog.

7. lépés: A ház

Annak érdekében, hogy megvédje az áramkört a külső tényezőktől, burkolatra volt szükség. PVC csőből és zárósapkákból álló "pirulát" választottak, 6 cm átmérőjű és 18 cm hosszú. Bár ezek a méretek nagyok az áramkörhöz képest, ez kényelmesebbé tette az építést. Egy gyártási modell sokkal kisebb lenne. A PVC-t a tartósság, a szinte tökéletes időjárásálló, az aerodinamikai forma és az alacsony költségek alapján választották ki. Kísérleteket végeztek epoxiddal áztatott nyers szénszálból készült tartályokon is. Ez a szerkezet erősnek és könnyűnek bizonyult. Az építési folyamat azonban rendkívül időigényes volt és nehezen elsajátítható.

8. lépés: Tesztelés

A kondenzátorok esetében két különböző típust tesztelünk, a BOOSTCAP -ot és egy szuperkondenzátort.

Az első grafikon a szuperkondenzátor használatát ábrázolja, amely integrálva van az áramkörrel, így amikor a motor aktív, a kondenzátor feltöltődik. Nem használtuk ezt az alkatrészt, mert bár a szuperkondenzátor rendkívüli sebességgel töltődött fel, túl gyorsan lemerült a mi céljainkhoz. A piros vonal a motor feszültségét, a kék vonal a szuperkondenzátor feszültségét, a zöld vonal pedig az USB -port feszültségét jelzi. A második grafikon a BOOSTCAP ultrakondenzátorral gyűjtött adatok. A piros vonal a motor feszültségét, a kék az ultrakondenzátor feszültségét, a zöld vonal pedig az USB -port feszültségét jelzi. Úgy döntöttünk, hogy az ultrakondenzátort használjuk, mert - amint ez a teszt is mutatja - az ultrakondenzátor akkor is megtartja töltését, ha a versenyző megállt. Az USB feszültség ugrásának oka az, hogy az ultrakondenzátor elérte a MintyBoost aktiválásához szükséges feszültségküszöböt. Mindkét tesztet 10 perc alatt végezték el. A versenyző pedálozott az első 5 -ben, majd megnéztük, hogyan reagálnak a feszültségek az utolsó 5 percben. Az utolsó kép egy Google Earth -felvétel, ahol teszteltük. Ez a kép azt mutatja, hogy az iskolánkban kezdtünk, majd két kört tettünk meg a Levagood Parkban, összesen közel 1 mérföldes távolságra. Ennek a térképnek a színei megfelelnek a lovas sebességének. A lila vonal megközelítőleg 28,9 mph, a kék vonal 21,7 mph, a zöld vonal 14,5 mph és a sárga vonal 7,4 mph.

9. lépés: Jövőbeli tervek

Annak érdekében, hogy a készüléket gazdaságilag életképesebbé tegyük fogyasztói termékként, számos fejlesztést kell végrehajtani az időjárás-biztosítás, az áramkörök egyszerűsítése és a költségek csökkentése területén. Az időjárásállóság kritikus fontosságú az egység hosszú távú működése szempontjából. A motor egyik technikája az volt, hogy Nalgene tartályba zárták. Ezek a tartályok vízállóak és szinte elpusztíthatatlanok. (Igen, elgázoltunk egyet autóval, rossz hatás nélkül.) További védelmet kerestek a természeti erők ellen. A habosító hab lezárja az egységet, azonban az anyagnak vannak korlátai. Nem csak a megfelelő elhelyezés nehéz, de megakadályozza a szellőzést is, amely elengedhetetlen a készülék általános működéséhez.

Ami az áramkör áramvonalasítását illeti, a lehetőségek közé tartozik a többfeladatos feszültségszabályozó chip és az egyedi nyomtatott áramköri lap (PCB). A chip több feszültségszabályozót is helyettesíthet, ez csökkenti mind a termék méretét, mind a hőteljesítményt. A NYÁK használata stabilabb alapot biztosít, mivel a csatlakozók közvetlenül a táblán lesznek, és nem lebegnek alatta. Korlátozott mértékben hűtőbordaként fog működni a táblában lévő réz nyomkövetés miatt. Ez a változás csökkentené a túlzott szellőzés szükségességét és megnövelné az alkatrészek élettartamát. A költségek csökkentése messze a legfontosabb és legnehezebb változtatás, amelyet a tervezésen végre kell hajtani. Maga az áramkör rendkívül olcsó, azonban a motor ára 275 dollár. Folyamatban van egy költséghatékonyabb motor keresése, amely továbbra is kielégíti az energiaigényünket.

10. lépés: Fejezd be

Köszönjük, hogy elolvasta az Instructable című dokumentumunkat, ha kérdése van, tegye fel bátran.

Íme néhány kép az MIT -en tartott bemutatónkról.