Kā uzlādēt jebkuru USB ierīci, braucot ar velosipēdu: 10 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:58

Lai sāktu, šis projekts tika uzsākts, kad mēs saņēmām dotāciju no Lemelson-MIT programmas. (Džoš, ja tu šo lasi, mēs tevi mīlam.)

6 skolēnu komanda un viens skolotājs apkopoja šo projektu, un mēs esam nolēmuši to ievietot Instructables, cerot laimēt lāzera griezēju vai vismaz t-kreklu. Tālāk ir apkopota mūsu prezentācija un manas personīgās piezīmes. Es ceru, ka jums patiks šī pamācība tāpat kā mums. Es arī vēlētos pateikties Limoram Frīdam, MintyBoost ķēdes veidotājam. Tam bija galvenā loma mūsu projektā. Džefs Brukins Dievišķais bērns InvenTeam loceklis

1. darbība: mūsu sākotnējais nodoms…

Mūsu sākotnējais projekts bija izstrādāt produktu, kurā izmantots Faradeja princips, lai skrējēji varētu uzlādēt savus iPod, kamēr tie darbojas. Šī koncepcija radītu elektroenerģiju tāpat kā Faraday lukturīši.

Tomēr mums bija problēma. Citējot savu komandas biedru Niku Kiarelli: "Sākumā mēs apsvērām iespēju izmantot dizainu, kas līdzīgs kādam no šiem satricinošajiem lukturīšiem, un pārveidot to, lai skrējējs varētu to piesprādzēt skriešanai un lai viņam būtu enerģija, lai uzlādētu savu iPod vai jebkuru citu ierīci. kratīšanas zibspuldze iegūst enerģiju no zibspuldzes magnēta kustīgā magnētiskā lauka un stieples spoles, kas ietīta ap cauruli, caur kuru magnēts slīd. vadu, radot elektrisko strāvu. Pēc tam šī strāva tiek uzglabāta akumulatorā, ko pēc tam var izmantot zibspuldzes spuldzei/LED. Tomēr, aprēķinot, cik daudz enerģijas mēs varētu iegūt no skrējiena, mēs noteicām ka vajadzēs 50 jūdžu skrējienu, lai iegūtu pietiekami daudz enerģijas, lai uzlādētu vienu AA bateriju. Tas nebija saprātīgi, tāpēc mēs nomainījām savu projektu uz velosipēdu sistēmu. " Pēc tam mēs nolēmām tā vietā izmantot uz velosipēda uzstādītu sistēmu.

2. solis: mūsu izgudrojumu izklāsts un koncepcijas attīstība

Mēs sākotnēji izvirzījām teoriju par velosipēdu izmantojamas reģeneratīvās bremžu sistēmas izstrādi un iespējamību. Šī sistēma radītu mobilo barošanas avotu, lai pagarinātu braucēja pārnēsājamo elektronisko ierīču akumulatora darbības laiku.

Eksperimenta fāzē tika konstatēts, ka reģeneratīvā bremžu sistēma nespēj vienlaikus pildīt savas divkāršās funkcijas. Tas nevarēja radīt pietiekami lielu griezes momentu, lai apturētu velosipēdu, nedz arī radīt pietiekami daudz enerģijas, lai uzlādētu baterijas. Tāpēc komanda izvēlējās atteikties no sistēmas bremzēšanas aspekta, koncentrējoties tikai uz nepārtrauktas uzlādes sistēmas izstrādi. Šī sistēma, tiklīdz tā tika izveidota un izpētīta, izrādījās pilnībā spējīga sasniegt vēlamos mērķus.

3. darbība: izveidojiet ķēdi

Lai sāktu, mums bija jāizstrādā ķēde, kas varētu paņemt ~ 6 voltus no motora, to uzglabāt un pēc tam pārvērst par 5 voltiem, kas nepieciešami USB ierīcei.

Mūsu izveidotā shēma papildina MintyBoost USB lādētāja funkciju, ko sākotnēji izstrādāja Limors Frīds no Adafruit Industries. MintyBoost izmanto AA baterijas, lai uzlādētu pārnēsājamas elektroniskas ierīces. Mūsu patstāvīgi izveidotā shēma aizstāj AA baterijas un piegādā strāvu MintyBoost. Šī ķēde samazina ~ 6 voltus no motora līdz 2,5 voltiem. Tas ļauj motoram uzlādēt BoostCap (140 F), kas savukārt piegādā strāvu MintyBoost shēmai. Ultrakondensators uzglabā enerģiju, lai nepārtraukti uzlādētu USB ierīci, pat ja velosipēds nav kustībā.

4. solis: enerģijas iegūšana

Motora izvēle izrādījās grūtāks uzdevums.

Dārgie motori nodrošināja atbilstošu griezes momentu, kas vajadzīgs bremžu avota radīšanai, tomēr izmaksas bija pārmērīgas. Lai izveidotu pieejamu un efektīvu ierīci, bija nepieciešams cits risinājums. Projekts tika pārveidots kā nepārtrauktas uzlādes sistēma, no visām iespējām Maxon motors būtu labāka izvēle mazākā diametra dēļ. Maxon motors nodrošināja arī 6 voltus, kur, kā iepriekšējie motori, mums deva 20 voltu vairāk. Pēdējam motora pārkaršana būtu milzīga problēma. Mēs nolēmām palikt pie sava Maxon 90, kas bija skaists motors, lai gan tā izmaksas bija 275 USD. (Tiem, kas vēlas uzbūvēt šo projektu, pietiks ar lētāku motoru.) Mēs piestiprinājām šo motoru tuvu aizmugurējiem bremžu stiprinājumiem tieši uz velosipēda rāmja, izmantojot metra stieņa gabalu starp motoru un rāmi, lai tas darbotos kā starplikas. pievelciet 2 šļūtenes skavas ap to.

5. solis: elektroinstalācija

Elektroinstalācijai no motora līdz ķēdei tika apsvērtas vairākas iespējas: aligatora skavas izspēlei, telefona vads un skaļruņu vads.

Aligatora skavas izrādījās labi piemērotas izkārtojuma projektēšanai un testēšanai, taču tās nebija pietiekami stabilas galīgajam dizainam. Tālruņa vads izrādījās trausls un ar to bija grūti strādāt. Skaļruņu vads tika pārbaudīts tā izturības dēļ, tāpēc kļuva par izvēlēto vadītāju. Lai gan tas bija vītā stieple, tā bija daudz izturīgāka, pateicoties lielākam diametram. Pēc tam mēs vienkārši pievienojām vadu rāmim, izmantojot rāvējslēdzējus.

6. darbība: faktiskā shēma

Ķēdes risināšana bija visgrūtākais procesa izaicinājums. Elektrība no motora vispirms pārvietojas caur sprieguma regulatoru, kas nodrošinās nepārtrauktu piecu ampēru strāvu; izietu lielāka strāva nekā citiem regulatoriem. No turienes spriegums tiek samazināts līdz 2,5 voltiem, kas ir maksimālais, ko BOOSTCAP var uzglabāt un droši rīkoties. Kad BOOSTCAP sasniedz 1,2 voltus, tam ir pietiekami daudz jaudas, lai MintyBoost varētu nodrošināt 5 voltu avotu uzlādējamai ierīcei.

Uz ieejas vadiem mēs pievienojām 5A diode, lai mēs nesaņemtu "iedarbināšanas palīdzību", kur motors sāk griezties, izmantojot uzkrāto elektrību. Mēs izmantojām 2200uF kondensatoru, lai izlīdzinātu strāvas plūsmu sprieguma regulatoram. Sprieguma regulators, ko mēs izmantojām, LM338, ir regulējams atkarībā no tā, kā jūs to iestatījāt, kā redzams mūsu shēmā. Mūsu nolūkā divu rezistoru - 120 omu un 135 omu -, kas savienoti ar regulatoru, salīdzinājums nosaka izejas spriegumu. Mēs to izmantojam, lai samazinātu spriegumu no ~ 6 voltiem līdz 2,5 voltiem. Pēc tam mēs uzņemam 2,5 voltus un izmantojam, lai uzlādētu mūsu ultracapacitor - 140 faradu, 2,5 voltu BOOSTCAP, ko izgatavojis Maxwell Technologies. Mēs izvēlējāmies BOOSTCAP, jo tā lielā kapacitāte ļaus mums uzlādēt pat tad, ja velosipēds tiek apstādināts pie sarkanās gaismas. Nākamā šīs shēmas daļa, esmu pārliecināts, ka jūs visi esat pazīstami - Adafruit MintyBoost. Mēs to izmantojām, lai noņemtu 2,5 voltus no ultrakondensatora un palielinātu līdz stabilajam 5 voltiem - USB standartam. Tas izmanto MAX756, 5 voltu palielināšanas pārveidotāju kopā ar 22uH induktoru. Kad ultrakondensatorā būs 1,2 volti, MintyBoost sāks izvadīt 5 voltus. Mūsu shēma papildina MintyBoost USB lādētāja funkciju, ko sākotnēji izstrādāja Limors Frīds no Adafruit Industries. MintyBoost izmanto AA baterijas, lai uzlādētu pārnēsājamas elektroniskas ierīces. Mūsu patstāvīgi izveidotā shēma aizstāj AA baterijas un piegādā strāvu MintyBoost. Šī ķēde samazina ~ 6 voltus no motora līdz 2,5 voltiem. Tas ļauj motoram uzlādēt BoostCap (140 F), kas savukārt piegādā strāvu MintyBoost shēmai. Ultrakondensators uzglabā enerģiju, lai nepārtraukti uzlādētu USB ierīci, pat ja velosipēds nav kustībā.

7. solis: korpuss

Lai aizsargātu ķēdi no ārējiem elementiem, bija nepieciešams korpuss. Tika izvēlēta "tablete" no PVC caurulēm un gala vāciņiem, kuru diametrs bija 6 cm un garums 18 cm. Lai gan šie izmēri ir lieli, salīdzinot ar ķēdi, tas padarīja būvniecību ērtāku. Ražošanas modelis būtu daudz mazāks. PVC tika izvēlēts, pamatojoties uz izturību, gandrīz nevainojamu laika apstākļu izturību, aerodinamisko formu un zemām izmaksām. Eksperimenti tika veikti arī ar konteineriem, kas izgatavoti no neapstrādātas oglekļa šķiedras, kas iemērc epoksīdā. Šī struktūra izrādījās gan spēcīga, gan viegla. Tomēr būvniecības process bija ārkārtīgi laikietilpīgs un grūti apgūstams.

8. darbība: pārbaude

Kondensatoriem mēs pārbaudām divus dažādus veidus - BOOSTCAP un super kondensatoru.

Pirmais grafiks attēlo superkondensatora izmantošanu, kas ir integrēts ķēdē, lai, motoram darbojoties, kondensators uzlādētos. Mēs neizmantojām šo komponentu, jo, lai gan superkondensators tika uzlādēts ar ārkārtēju ātrumu, tas mūsu vajadzībām izlādējās pārāk ātri. Sarkanā līnija apzīmē motora spriegumu, zilā - superkondensatora spriegumu, bet zaļā līnija - USB porta spriegumu. Otrais grafiks ir dati, kas savākti ar BOOSTCAP ultrakondensatoru. Sarkanā līnija apzīmē motora spriegumu, zilā - ultrakondensatora spriegumu, bet zaļā - USB porta spriegumu. Mēs izvēlējāmies izmantot ultracapacitor, jo, kā liecina šis tests, ultracapacitor turpinās saglabāt savu uzlādi pat pēc tam, kad braucējs ir pārstājis kustēties. USB sprieguma lēciena iemesls ir tas, ka ultrakondensators sasniedza sprieguma slieksni, kas nepieciešams, lai aktivizētu MintyBoost. Abi šie testi tika veikti 10 minūšu laikā. Braucējs pedāļoja pirmos 5, pēc tam pēdējās 5 minūtes mēs novērojām, kā spriegums reaģēs. Pēdējais attēls ir Google Earth fotoattēls, kurā mēs pārbaudījām. Šajā attēlā redzams, ka mēs sākām mācīties mūsu skolā un pēc tam veicām divus apļus Levagood parkā, lai kopējais aptuvenais attālums būtu 1 jūdze. Šīs kartes krāsas atbilst braucēja ātrumam. Violetā līnija ir aptuveni 28,9 jūdzes stundā, zilā līnija 21,7 jūdzes stundā, zaļā līnija 14,5 jūdzes stundā un dzeltenā līnija 7,4 jūdzes stundā.

9. solis: nākotnes plāni

Lai padarītu ierīci ekonomiski dzīvotspējīgāku kā patēriņa preci, ir jāveic vairāki uzlabojumi laika apstākļu necaurlaidības, ķēdes racionalizācijas un izmaksu samazināšanas jomā. Izturība pret laika apstākļiem ir būtiska iekārtas ilgstošai darbībai. Viens no motoram izmantotajiem paņēmieniem bija to ievietot Nalgene traukā. Šie konteineri ir pazīstami kā ūdensizturīgi un gandrīz neiznīcināmi. (Jā, mēs ar automašīnu braucām pāri, lai neradītu kaitējumu.) Tika meklēta papildu aizsardzība pret dabas spēkiem. Izplešanās putas noslēdz bloku, tomēr materiālam ir ierobežojumi. Tas ir ne tikai grūti pareizi novietot, bet arī novērstu ventilāciju, kas ir būtiska ierīces vispārējai darbībai.

Attiecībā uz ķēdes racionalizēšanu iespējas ietver daudzuzdevumu sprieguma regulatora mikroshēmu un pielāgotu iespiedshēmas plati (PCB). Mikroshēma varētu aizstāt vairākus sprieguma regulatorus, tas samazinātu gan produkta izmēru, gan siltuma jaudu. Izmantojot PCB, tiks nodrošināta stabilāka bāze, jo savienojumi būs tieši uz tāfeles, nevis peldēs zem tā. Ierobežotā mērā tas darbosies kā siltuma izlietne, jo plāksnī ir vara. Šīs izmaiņas samazinātu nepieciešamību pēc pārmērīgas ventilācijas un pagarinātu detaļu kalpošanas laiku. Izmaksu samazināšana neapšaubāmi ir vissvarīgākā un sarežģītākā izmaiņa dizainā. Ķēde pati par sevi ir ārkārtīgi lēta, tomēr motors maksā 275 USD. Notiek izmaksu ziņā efektīvāka dzinēja meklēšana, kas joprojām apmierinās mūsu enerģijas vajadzības.

10. solis: pabeidziet

Paldies, ka izlasījāt mūsu pamācību. Ja jums ir kādi jautājumi, jautājiet.

Šeit ir daži attēli no mūsu prezentācijas MIT.