Kako napolniti katero koli napravo USB z vožnjo s kolesom: 10 korakov (s slikami)

2025 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2025-01-23 15:09

Za začetek se je ta projekt začel, ko smo prejeli nepovratna sredstva iz programa Lemelson-MIT. (Josh, če to bereš, te imamo radi.)

Ekipa 6 učencev in enega učitelja sta sestavila ta projekt, zato smo se odločili, da ga postavimo na Instructables v upanju, da bomo osvojili laserski rezalnik ali vsaj majico. Sledi zbirka naše predstavitve in mojih osebnih zapiskov. Upam, da boste uživali v tem Instructableu tako kot mi. Prav tako bi se rad zahvalil Limorju Friedu, ustvarjalcu vezja MintyBoost. Pri našem projektu je imel ključno vlogo. Jeff Brookins Božanski otrok InvenTeam član

1. korak: Naš prvotni namen …

Naš prvotni projekt je bil razviti izdelek, ki je uporabljal Faradayjevo načelo, ki je tekačem omogočal polnjenje iPod -a med tekom. Ta koncept bi proizvedel električno energijo na enak način kot svetilke Faraday.

Imeli pa smo težavo. Če citiram mojega soigralca Nicka Ciarellija: "Sprva smo razmišljali o uporabi modela, ki je podoben eni od tistih pretresenih svetilk, in ga pretvorili tako, da bi ga tekač lahko privezal za tek in imel energijo za polnjenje iPod-a ali katere koli druge naprave pretresljiva svetilka pridobiva energijo iz interakcije gibljivega magnetnega polja magneta v svetilki in tuljave žice, ovite okoli cevi, skozi katero magnet drsi. Gibljivo magnetno polje povzroči premikanje elektronov v tuljavi žica, ki ustvarja električni tok. Ta tok se nato shrani v baterijo, ki je nato na voljo za uporabo za žarnico/LED svetilko. Ko pa smo izračunali, koliko energije bi lahko dobili s tekom, smo ugotovili da bi potrebovali 50 milj, da bi dobili dovolj energije za polnjenje ene baterije AA. To je bilo nerazumno, zato smo projekt spremenili v sistem koles. " Nato smo se odločili, da namesto tega uporabimo sistem za montažo na kolo.

2. korak: Naša izjava o izumu in razvoj koncepta

Sprva smo teoretizirali razvoj in izvedljivost regenerativnega zavornega sistema za uporabo na kolesih. Ta sistem bi ustvaril mobilni vir energije za podaljšanje življenjske dobe baterije prenosnih elektronskih naprav, ki jih nosi kolesar.

Med fazo poskusov je bilo ugotovljeno, da regenerativni zavorni sistem ne more hkrati opravljati svojih dvojnih funkcij. Niti ni mogel proizvesti dovolj navora, da bi ustavil kolo, niti ne bi ustvaril dovolj energije za polnjenje baterij. Ekipa se je zato odločila opustiti zavorni vidik sistema in se osredotočiti le na razvoj sistema za neprekinjeno polnjenje. Ta sistem, ko je bil zgrajen in raziskan, se je izkazal za popolnoma sposobnega doseči želene cilje.

3. korak: Oblikujte vezje

Za začetek smo morali oblikovati vezje, ki bi lahko vzelo ~ 6 voltov iz motorja, ga shranilo in nato pretvorilo v 5 voltov, ki smo jih potrebovali za napravo USB.

Vezje, ki smo ga oblikovali, dopolnjuje funkcijo polnilnika USB MintyBoost, ki ga je prvotno razvil Limor Fried iz podjetja Adafruit Industries. MintyBoost uporablja baterije AA za polnjenje prenosnih elektronskih naprav. Naše neodvisno zgrajeno vezje nadomešča baterije AA in napaja MintyBoost. To vezje zmanjša ~ 6 voltov iz motorja na 2,5 volta. To motorju omogoča polnjenje BoostCap (140 F), ki pa napaja vezje MintyBoost. Ultrakondenzator shranjuje energijo za neprekinjeno polnjenje USB naprave, tudi ko kolo ni v gibanju.

4. korak: Pridobite moč

Izbira motorja se je izkazala za zahtevnejšo nalogo.

Dragi motorji so zagotovili ustrezen navor, potreben za ustvarjanje zavornega vira, vendar so bili stroški previsoki. Za izdelavo cenovno ugodne in učinkovite naprave je bila potrebna druga rešitev. Projekt je bil preoblikovan kot sistem za neprekinjeno polnjenje, od vseh možnosti bi bil zaradi manjšega premera motor Maxon boljša izbira. Motor Maxon je prav tako zagotavljal 6 voltov, kjer so nam prejšnji motorji dali več kot 20 voltov. Za slednje bi bilo pregrevanje motorja velik problem. Odločili smo se, da se bomo držali našega Maxona 90, ki je bil lep motor, čeprav je bil njegov strošek 275 dolarjev. (Za tiste, ki želijo zgraditi ta projekt, bo zadostoval cenejši motor.) Ta motor smo pritrdili blizu zadnjih nosilcev zavor neposredno na okvir kolesa s pomočjo kosa metrske palice med motorjem in okvirjem, ki je deloval kot distančnik, nato pa okoli nje zategnil 2 objemki za cevi.

5. korak: Ožičenje

Za ožičenje od motorja do vezja je bilo upoštevanih več možnosti: aligatorske sponke za make -up, telefonski kabel in žica zvočnika.

Aligatorske sponke so se izkazale za dobre pri oblikovanju in testiranju, vendar niso bile dovolj stabilne za končno zasnovo. Telefonska žica se je izkazala za krhko in težko delati. Zvočniška žica je bila preizkušena zaradi svoje vzdržljivosti, zato je postala vodnik po izbiri. Čeprav je bila nasedla žica, je bila zaradi večjega premera veliko bolj trpežna. Nato smo samo pritrdili žico na okvir z zadrgami.

6. korak: Dejansko vezje

Reševanje vezja je bil najtežji izziv procesa. Električna energija iz motorja najprej potuje skozi regulator napetosti, ki bo omogočal neprekinjen tok pet amp; večji tok kot drugi regulatorji. Od tam se napetost zniža na 2,5 volta, kar je največ, kar lahko BOOSTCAP shrani in varno rokuje. Ko BOOSTCAP doseže 1,2 volta, ima dovolj moči, da MintyBoost -u omogoči 5 -voltni vir za polnjenje naprave.

Na vhodne žice smo pritrdili 5A diodo, tako da ne dobimo "učinka podprtega zagona", kjer bi se motor začel vrteti s shranjeno električno energijo. Za izravnavo pretoka moči do regulatorja napetosti smo uporabili kondenzator 2200uF. Regulator napetosti, ki smo ga uporabili, LM338, je nastavljiv glede na to, kako ste ga nastavili, kot je razvidno iz našega vezja. Za naše namene primerjava dveh uporov, 120ohm in 135 ohm, priključenih na regulator, določa izhodno napetost. Uporabljamo ga za zmanjšanje napetosti s ~ 6 voltov na 2,5 volta. Nato vzamemo 2,5 -voltno napetost in jo uporabimo za polnjenje našega ultrakondenzatorja, 140 -faradnega, 2,5 -voltnega BOOSTCAP -a podjetja Maxwell Technologies. Za BOOSTCAP smo se odločili, ker nam njegova velika kapacitivnost omogoča zadrževanje polnjenja, tudi če se kolo ustavi pri rdeči luči. Naslednji del tega vezja je nekaj, kar sem prepričan, da vsi poznate, Adafruit MintyBoost. Z njim smo vzeli 2,5 voltov iz ultrakondenzatorja in ga povečali na stabilnih 5 voltov, standard USB. Uporablja 5 -voltni ojačevalni pretvornik MAX756, povezan z 22uH induktorjem. Ko dobimo 1,2 volta čez ultrakondenzator, bo MintyBoost začel oddajati 5 voltov. Naše vezje dopolnjuje funkcijo polnilnika USB MintyBoost, ki ga je prvotno razvil Limor Fried iz podjetja Adafruit Industries. MintyBoost uporablja baterije AA za polnjenje prenosnih elektronskih naprav. Naše neodvisno zgrajeno vezje nadomešča baterije AA in napaja MintyBoost. To vezje zmanjša ~ 6 voltov iz motorja na 2,5 volta. To motorju omogoča polnjenje BoostCap (140 F), ki pa napaja vezje MintyBoost. Ultrakondenzator shranjuje energijo za neprekinjeno polnjenje USB naprave, tudi ko kolo ni v gibanju.

7. korak: Ohišje

Za zaščito vezja pred zunanjimi elementi je bilo potrebno ohišje. Izbrana je bila "tabletka" PVC cevi in končnih pokrovov s premerom 6 cm in dolžino 18 cm. Čeprav so te dimenzije v primerjavi s tokokrogom velike, je to naredilo konstrukcijo bolj priročno. Proizvodni model bi bil veliko manjši. PVC je bil izbran na podlagi trajnosti, skoraj popolne vremenske zaščite, aerodinamične oblike in nizkih stroškov. Poskusi so bili izvedeni tudi na posodah, izdelanih iz surovih ogljikovih vlaken, namočenih v epoksi. Ta struktura se je izkazala za močno in lahko. Gradbeni proces pa je bil izjemno dolgotrajen in težko obvladljiv.

8. korak: Testiranje

Za kondenzatorje testiramo dve različni vrsti, BOOSTCAP in super kondenzator.

Prvi graf prikazuje uporabo superkondenzatorja, ki je integriran s tokokrogom, tako da se kondenzator napolni, ko je motor aktiven. Te komponente nismo uporabili, ker se je superkondenzator napolnil z izjemno hitrostjo, vendar se je za naše namene prehitro izpraznil. Rdeča črta predstavlja napetost motorja, modra črta predstavlja napetost superkondenzatorja, zelena črta pa napetost vrat USB. Drugi graf so podatki, zbrani z ultrakondenzatorjem BOOSTCAP. Rdeča črta predstavlja napetost motorja, modra je napetost ultrakondenzatorja, zelena črta pa napetost vrat USB. Odločili smo se za uporabo ultrakondenzatorja, ker bo, kot kaže ta test, ultrakondenzator še naprej zadrževal svoj naboj tudi po tem, ko se bo voznik ustavil. Razlog za skok napetosti USB je, ker je ultrakondenzator dosegel prag napetosti, ki je potreben za aktiviranje MintyBoost. Oba testa sta bila izvedena v obdobju 10 minut. Kolesar je prvih 5 vozil s pedali, nato smo opazovali, kako bi napetosti reagirale zadnjih 5 minut. Zadnja slika je posnetek programa Google Earth, na katerem smo testirali. Ta slika prikazuje, da smo začeli v naši šoli, nato pa naredili dva kroga v parku Levagood za skupno približno 1 miljo razdaljo. Barve tega zemljevida ustrezajo hitrosti kolesarja. Vijolična črta je približno 28,9 km / h, modra črta 21,7 mph, zelena črta 14,5 mph in rumena črta 7,4 mph.

9. korak: prihodnji načrti

Da bi bila naprava ekonomsko upravičena kot potrošniški izdelek, je treba na področju vremenske zaščite, racionalizacije tokokrogov in znižanja stroškov narediti več izboljšav. Odpornost na vremenske vplive je ključnega pomena za dolgoročno delovanje enote. Ena od tehnik, ki je veljala za motor, je bila, da ga zapremo v posodo Nalgene. Te posode so znane po tem, da so vodotesne in skoraj neuničljive. (Ja, enega smo z avtomobilom povozili brez škodljivih posledic.) Poiskali smo dodatno zaščito pred naravnimi silami. Ekspanzijska pena bi enoto zatesnila, vendar ima material omejitve. Ne samo, da je težko pravilno namestiti, ampak bi preprečil tudi prezračevanje, ki je bistveno za celotno delovanje naprave.

Kar zadeva poenostavitev vezja, možnosti vključujejo večopravilni čip regulatorja napetosti in tiskano vezje po meri (PCB). Čip bi lahko nadomestil več regulatorjev napetosti, kar bi zmanjšalo velikost izdelka in toplotno moč. Uporaba tiskanega vezja bo zagotovila stabilnejšo podlago, saj bodo povezave neposredno na plošči in ne bodo lebdele pod njo. V omejenem obsegu bo zaradi sledenja bakra na plošči deloval kot hladilnik. Ta sprememba bi zmanjšala potrebo po prekomernem prezračevanju in podaljšala življenjsko dobo komponent. Zmanjšanje stroškov je daleč najpomembnejša in najtežja sprememba pri oblikovanju. Samo vezje je zelo poceni, vendar motor stane 275 USD. V teku je iskanje stroškovno učinkovitejšega motorja, ki bo še vedno zadovoljil naše potrebe po moči.

10. korak: Končaj

Hvala, ker ste prebrali naš Instructable, če imate kakršna koli vprašanja, jih vprašajte.

Tu je nekaj slik z naše predstavitve na MIT.