Sådan oplades enhver USB -enhed ved at køre på din cykel: 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:30

For at starte blev dette projekt startet, da vi modtog et tilskud fra Lemelson-MIT-programmet. (Josh, hvis du læser dette, elsker vi dig.)

Et team på 6 elever og en lærer sammensatte dette projekt, og vi har besluttet at lægge det på Instructables i håb om at vinde en laserskærer eller i det mindste en t-shirt. Det følgende er en samling af vores præsentation og mine egne personlige notater. Jeg håber du nyder denne instruktør lige så meget som vi gjorde. Jeg vil også gerne takke Limor Fried, skaberen af MintyBoost -kredsløbet. Det spillede en central rolle i vores projekt. Jeff Brookins Divine Child InvenTeammedlem

Trin 1: Vores oprindelige hensigt …

Vores oprindelige projekt var at udvikle et produkt, der brugte Faraday -princippet til at give løbere mulighed for at oplade deres iPods, mens de kørte. Dette koncept ville generere elektricitet på samme måde som Faraday lommelygter gør.

Vi havde dog et problem. For at citere min holdkammerat Nick Ciarelli, "Først overvejede vi at bruge et design, der ligner en af de rystede lommelygter og konvertere det, så en løber kunne spænde det fast til et løb og have energi til at oplade deres iPod eller hvilken som helst enhed, de Den rystede lommelygte får sin energi fra interaktionen mellem magnetens bevægelige magnetfelt i lommelygten og trådspolen viklet rundt om røret, magneten glider igennem. Det bevægelige magnetfelt får elektroner i spolen til at bevæge sig langs ledningen, der skaber en elektrisk strøm. Denne strøm gemmes derefter i et batteri, som derefter kan bruges til lommelygte/LED. Men da vi beregnede, hvor meget energi vi ville kunne få fra et løb, bestemte vi os at det ville tage en 50-mile løb at få nok energi til at oplade et AA-batteri. Dette var urimeligt, så vi ændrede vores projekt til cykelsystemet. " Vi besluttede derefter at bruge et cykelmonteret system i stedet.

Trin 2: Vores opfindelseserklæring og konceptudvikling

Vi teoretiserede oprindeligt udviklingen og gennemførligheden af et regenerativt bremsesystem til brug på cykler. Dette system ville skabe en mobil strømkilde for at forlænge batterilevetiden for bærbare elektroniske enheder, der bæres af rytteren.

Under forsøgsfasen viste det sig, at det regenerative bremsesystem ikke var i stand til at udføre sine dobbelte funktioner samtidigt. Det kunne hverken producere nok drejningsmoment til at stoppe cyklen eller generere nok strøm til at genoplade batterierne. Holdet valgte derfor at opgive bremseaspektet af systemet for udelukkende at fokusere på udviklingen af et kontinuerligt opladningssystem. Dette system, når det var konstrueret og undersøgt, viste sig fuldt ud i stand til at nå de ønskede mål.

Trin 3: Design et kredsløb

For at starte skulle vi designe et kredsløb, der kunne tage ~ 6 volt fra motoren, gemme den og derefter konvertere den til de 5 volt, vi havde brug for til USB -enheden.

Kredsløbet, vi designede, supplerer funktionen af MintyBoost USB -opladeren, oprindeligt udviklet af Limor Fried, fra Adafruit Industries. MintyBoost bruger AA -batterier til at oplade bærbare elektroniske enheder. Vores uafhængigt konstruerede kredsløb erstatter AA -batterierne og leverer strøm til MintyBoost. Dette kredsløb reducerer ~ 6 volt fra motoren til 2,5 volt. Dette gør det muligt for motoren at oplade BoostCap (140 F), som igen leverer strøm til MintyBoost -kredsløbet. Ultrakondensatoren gemmer energi til kontinuerligt at oplade USB -enheden, selvom cyklen ikke er i bevægelse.

Trin 4: Få strøm

At vælge en motor viste sig at være en mere udfordrende opgave.

Dyre motorer gav det korrekte drejningsmoment, der var nødvendigt for at skabe bremsekilden, men omkostningerne var uoverkommelige. En anden løsning var nødvendig for at lave en billig og effektiv enhed. Projektet blev redesignet som et kontinuerligt opladningssystem, ud af alle muligheder ville Maxon -motoren være et bedre valg på grund af dens mindre diameter. Maxon -motoren gav også 6 volt, hvor som tidligere motorer gav os op mod 20 volt. For sidstnævnte motor ville overophedning være et kæmpe problem. Vi besluttede at blive ved med vores Maxon 90, som var en smuk motor, selvom prisen kostede $ 275. (For dem, der ønsker at bygge dette projekt, er en billigere motor tilstrækkelig.) Vi fastgjorde denne motor tæt på de bageste bremsebeslag direkte på cykelrammen ved hjælp af et stykke meterstang mellem motoren og rammen for at fungere som et afstandsstykke. strammet 2 slangeklemmer rundt om den.

Trin 5: Ledningsføring

For ledninger fra motoren til kredsløbet blev flere muligheder overvejet: alligatorclips til mock -up, telefonledning og højttalerkabel.

Alligatorklippene viste sig at fungere godt til mock -up design- og testformål, men de var ikke stabile nok til det endelige design. Telefonkablet viste sig at være skrøbelig og vanskelig at arbejde med. Højttalertråd blev testet på grund af dets holdbarhed og blev derfor den valgte leder. Selvom det var strandet tråd, var det meget mere holdbart på grund af dets større diameter. Vi har derefter bare fastgjort ledningen til rammen ved hjælp af lynlåse.

Trin 6: Det faktiske kredsløb

At tackle kredsløbet var den vanskeligste udfordring i processen. Elektricitet fra motoren kører først gennem en spændingsregulator, der tillader op til en kontinuerlig strøm på fem ampere; en større strøm end andre regulatorer ville passere. Derfra trappes spændingen ned til 2,5 volt, hvilket er det maksimale BOOSTCAP kan lagre og håndtere sikkert. Når BOOSTCAP når 1,2 volt, har den nok strøm til at give MintyBoost mulighed for at levere en 5 volt kilde til den enhed, der oplades.

På inputtrådene tilsluttede vi en 5A-diode, så vi ikke får en "assisteret start-effekt", hvor motoren ville begynde at dreje ved at bruge den lagrede elektricitet. Vi brugte 2200uF kondensatoren til at udjævne strømmen til spændingsregulatoren. Spændingsregulatoren, som vi brugte, en LM338, kan justeres afhængigt af, hvordan du indstiller den, som det ses i vores kredsløbsdiagram. Til vores formål bestemmer sammenligningen af to modstande, 120ohm og 135 ohm, forbundet til regulatoren udgangsspændingen. Vi bruger det til at reducere spændingen fra ~ 6 volt til 2,5 volt. Vi tager derefter 2,5 volt og bruger den til at oplade vores ultracapacitor, en 140 farad, 2,5 volt BOOSTCAP fremstillet af Maxwell Technologies. Vi valgte BOOSTCAP, fordi dens høje kapacitans vil tillade os at holde en opladning, selvom cyklen stoppes ved rødt lys. Den næste del af dette kredsløb er noget, jeg er sikker på, at du alle kender, Adafruit MintyBoost. Vi brugte den til at tage 2,5 volt fra ultracapacitoren og øge den til en stabil 5 volt, USB -standarden. Den bruger en MAX756, 5 volt boost -konverter kombineret med en 22uH induktor. Når vi får 1,2 volt på tværs af ultracapacitoren, begynder MintyBoost at sende de 5 volt. Vores kredsløb supplerer funktionen af MintyBoost USB -opladeren, oprindeligt udviklet af Limor Fried, fra Adafruit Industries. MintyBoost bruger AA -batterier til at oplade bærbare elektroniske enheder. Vores uafhængigt konstruerede kredsløb erstatter AA -batterierne og leverer strøm til MintyBoost. Dette kredsløb reducerer ~ 6 volt fra motoren til 2,5 volt. Dette gør det muligt for motoren at oplade BoostCap (140 F), som igen leverer strøm til MintyBoost -kredsløbet. Ultrakondensatoren gemmer energi til kontinuerligt at oplade USB -enheden, selvom cyklen ikke er i bevægelse.

Trin 7: Vedlægget

For at beskytte kredsløbet mod eksterne elementer var et kabinet nødvendigt. En "pille" af PVC -rør og endehætter blev valgt med en diameter på 6 cm og en længde på 18 cm. Selvom disse dimensioner er store i forhold til kredsløbet, gjorde dette konstruktionen mere bekvem. En produktionsmodel ville være meget mindre. PVC’en blev valgt baseret på holdbarhed, næsten perfekt vejrbestandighed, aerodynamisk form og lave omkostninger. Eksperimenter blev også udført på beholdere fremstillet af rå kulfiber gennemblødt i epoxy. Denne struktur viste sig at være både stærk og let. Byggeprocessen var imidlertid ekstremt tidskrævende og vanskelig at mestre.

Trin 8: Test

For kondensatorerne tester vi to forskellige typer, BOOSTCAP og en superkondensator.

Den første graf viser brugen af superkapacitoren, som er integreret med kredsløbet, så når motoren er aktiv, oplades kondensatoren. Vi brugte ikke denne komponent, fordi superkondensatoren oplades med ekstrem hastighed, men den blev afladet for hurtigt til vores formål. Den røde linje repræsenterer motorens spænding, den blå linje repræsenterer superkapacitorens spænding, og den grønne linje repræsenterer spændingen på USB -porten. Den anden graf er data indsamlet med BOOSTCAP ultracapacitor. Den røde linje repræsenterer motorens spænding, den blå er ultracapacitorens spænding, og den grønne linje repræsenterer USB -portens spænding. Vi valgte at bruge ultracapacitoren, fordi ultrakapacitoren, som denne test indikerer, vil fortsætte med at holde sin ladning, selv efter at rytteren er holdt op med at bevæge sig. Årsagen til springet i USB -spændingen er, at ultracapacitoren nåede den spændingstærskel, der var nødvendig for at aktivere MintyBoost. Begge disse tests blev udført over en periode på 10 minutter. Rytteren pedalerede i de første 5, derefter observerede vi, hvordan spændingerne ville reagere i de sidste 5 minutter. Det sidste billede er et Google Earth -billede af, hvor vi lavede vores test. Dette billede viser, at vi startede på vores skole, og derefter tog to omgange på Levagood Park i en samlet omtrentlig afstand på 1 kilometer. Farverne på dette kort svarer til rytterens hastighed. Den lilla linje er cirka 28,9 mph, den blå linje 21,7 mph, den grønne linje 14,5 mph og den gule linje 7,4 mph.

Trin 9: Fremtidsplaner

For at gøre enheden mere økonomisk levedygtig som et forbrugerprodukt, skal der foretages flere forbedringer inden for områderne vejrbeskyttelse, strømkredsløb og omkostningsreduktion. Vejrbeskyttelse er afgørende for enhedens langsigtede drift. En teknik, der blev overvejet for motoren, var at indkapsle den i en Nalgene -beholder. Disse beholdere er kendt for at være vandtætte og næsten uforgængelige. (Ja, vi kørte over en med en bil uden dårlig virkning.) Der blev søgt yderligere beskyttelse mod naturkræfterne. Ekspansionsskum forsegler enheden, men materialet har begrænsninger. Det er ikke kun svært at placere korrekt, men det forhindrer også ventilation, der er afgørende for enhedens overordnede drift.

Med hensyn til strømlining af kredsløbet omfatter mulighederne en multitasking spændingsregulatorchip og et brugerdefineret printkort (PCB). Chippen kunne erstatte flere spændingsregulatorer, dette ville reducere både produktets størrelse og varmeydelse. Brug af et printkort vil give en mere stabil base, fordi forbindelserne vil være direkte på brættet og ikke flyde under det. I begrænset omfang vil det fungere som en køleplade på grund af kobbersporingen i brættet. Denne ændring ville reducere behovet for overdreven ventilation og øge komponenternes levetid. Omkostningsreduktion er langt den vigtigste og vanskeligste ændring, der skal foretages i designet. Selve kredsløbet er ekstremt billigt, men motoren koster $ 275. En søgning er i gang efter en mere omkostningseffektiv motor, der stadig vil opfylde vores strømbehov.

Trin 10: Afslut

Tak fordi du læste vores Instructable, hvis du har spørgsmål, er du velkommen til at stille.

Her er nogle af billederne fra vores præsentation på MIT.