Πώς να φορτίσετε οποιαδήποτε συσκευή USB οδηγώντας το ποδήλατό σας: 10 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Για να ξεκινήσουμε, αυτό το έργο ξεκίνησε όταν λάβαμε επιχορήγηση από το πρόγραμμα Lemelson-MIT. (Τζος, αν διαβάζεις αυτό, σε αγαπάμε.)

Μια ομάδα 6 μαθητών και ενός δασκάλου έθεσαν μαζί αυτό το έργο και αποφασίσαμε να το βάλουμε στο Instructables με την ελπίδα να κερδίσουμε έναν κόφτη λέιζερ ή τουλάχιστον ένα μπλουζάκι. Αυτό που ακολουθεί, είναι μια συλλογή της παρουσίασής μας και δικές μου προσωπικές σημειώσεις. Ελπίζω να απολαύσετε αυτό το Instructable όσο εμείς. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τη Limor Fried, δημιουργό του κυκλώματος MintyBoost. Έπαιξε βασικό ρόλο στο έργο μας. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam Member

Βήμα 1: Η αρχική μας πρόθεση…

Το αρχικό μας έργο ήταν να αναπτύξουμε ένα προϊόν που χρησιμοποίησε την αρχή Faraday για να επιτρέψει στους δρομείς να φορτίζουν τα iPod τους ενώ τρέχουν. Αυτή η ιδέα θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια με τον ίδιο τρόπο που κάνουν οι φακοί Faraday.

Ωστόσο, είχαμε πρόβλημα. Για να αναφέρω τον συμπαίκτη μου Nick Ciarelli, "Αρχικά σκεφτήκαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα σχέδιο παρόμοιο με έναν από αυτούς τους φακούς ανακίνησης και να το μετατρέψουμε έτσι ώστε ένας δρομέας να μπορεί να το δέσει για τρέξιμο και να έχει ενέργεια για να φορτίσει το iPod ή οποιαδήποτε συσκευή θέλει. χρήση. Ο φακός ανακίνησης παίρνει την ενέργειά του από την αλληλεπίδραση του κινούμενου μαγνητικού πεδίου του μαγνήτη στον φακό και το πηνίο σύρματος τυλιγμένο γύρω από το σωλήνα που ο μαγνήτης ολισθαίνει. Το κινούμενο μαγνητικό πεδίο προκαλεί τα ηλεκτρόνια στο πηνίο να κινούνται κατά μήκος το καλώδιο, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό το ρεύμα αποθηκεύεται στη συνέχεια σε μια μπαταρία, η οποία στη συνέχεια είναι διαθέσιμη για χρήση για τη λάμπα φακού/LED. Ωστόσο, όταν υπολογίσαμε πόση ενέργεια θα μπορούσαμε να πάρουμε από ένα τρέξιμο, προσδιορίσαμε ότι θα χρειαστούν 50 μίλια τρέξιμο για να πάρουμε αρκετή ενέργεια για να φορτίσουμε μια μπαταρία ΑΑ. Αυτό ήταν παράλογο, οπότε αλλάξαμε το έργο μας στο σύστημα ποδηλάτων ". Στη συνέχεια, αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα σύστημα τοποθετημένο σε ποδήλατο.

Βήμα 2: Η δήλωση της εφεύρεσης και η εξέλιξη της έννοιας

Αρχικά θεωρητικοποιήσαμε την ανάπτυξη και τη σκοπιμότητα ενός αναγεννητικού συστήματος πέδησης για χρήση σε ποδήλατα. Αυτό το σύστημα θα δημιουργήσει μια κινητή πηγή ενέργειας για να παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των φορητών ηλεκτρονικών συσκευών που μεταφέρονται από τον αναβάτη.

Κατά τη φάση του πειραματισμού, το αναγεννητικό σύστημα πέδησης βρέθηκε ανίκανο να εκπληρώσει ταυτόχρονα τις διπλές λειτουργίες του. Δεν θα μπορούσε ούτε να παράγει αρκετή ροπή για να σταματήσει το ποδήλατο, ούτε να παράγει αρκετή ισχύ για να φορτίσει τις μπαταρίες. Ως εκ τούτου, η ομάδα επέλεξε να εγκαταλείψει την όψη φρεναρίσματος του συστήματος, να επικεντρωθεί αποκλειστικά στην ανάπτυξη ενός συστήματος συνεχούς φόρτισης. Αυτό το σύστημα, αφού κατασκευαστεί και ερευνηθεί, αποδείχθηκε πλήρως ικανό να επιτύχει τους επιθυμητούς στόχους.

Βήμα 3: Σχεδιάστε ένα κύκλωμα

Για να ξεκινήσουμε, έπρεπε να σχεδιάσουμε ένα κύκλωμα που θα μπορούσε να πάρει τα 6 βολτ από τον κινητήρα, να το αποθηκεύσει και στη συνέχεια να το μετατρέψει στα 5 βολτ που χρειαζόμασταν για τη συσκευή USB.

Το κύκλωμα που σχεδιάσαμε συμπληρώνει τη λειτουργία του φορτιστή USB MintyBoost, που αναπτύχθηκε αρχικά από τη Limor Fried, της Adafruit Industries. Το MintyBoost χρησιμοποιεί μπαταρίες AA για τη φόρτιση φορητών ηλεκτρονικών συσκευών. Το ανεξάρτητα κατασκευασμένο κύκλωμά μας αντικαθιστά τις μπαταρίες AA και τροφοδοτεί το MintyBoost. Αυτό το κύκλωμα μειώνει τα ~ 6 βολτ από τον κινητήρα στα 2,5 βολτ. Αυτό επιτρέπει στον κινητήρα να φορτίσει το BoostCap (140 F), το οποίο με τη σειρά του τροφοδοτεί το κύκλωμα MintyBoost. Ο υπερπυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια για να φορτίζει συνεχώς τη συσκευή USB ακόμη και όταν το ποδήλατο δεν είναι σε κίνηση.

Βήμα 4: Λήψη ισχύος

Η επιλογή ενός κινητήρα αποδείχθηκε μια πιο δύσκολη εργασία.

Οι ακριβοί κινητήρες παρείχαν τη σωστή ροπή που απαιτείται για τη δημιουργία της πηγής πέδησης, ωστόσο το κόστος ήταν απαγορευτικό. Για να φτιαχτεί μια οικονομικά προσιτή και αποτελεσματική συσκευή ήταν απαραίτητη μια άλλη λύση. Το έργο επανασχεδιάστηκε ως σύστημα συνεχούς φόρτισης, εκτός όλων των δυνατοτήτων ο κινητήρας Maxon θα ήταν μια καλύτερη επιλογή λόγω της μικρότερης διαμέτρου του. Ο κινητήρας Maxon παρείχε επίσης 6 βολτ όπου, όπως και οι προηγούμενοι κινητήρες, μας έδωσαν πάνω από 20 βολτ. Για την τελευταία υπερθέρμανση του κινητήρα θα ήταν ένα τεράστιο ζήτημα. Αποφασίσαμε να μείνουμε στο Maxon 90, το οποίο ήταν ένα όμορφο μοτέρ, παρόλο που το κόστος του ήταν 275 $. (Για όσους επιθυμούν να κατασκευάσουν αυτό το έργο, αρκεί ένας φθηνότερος κινητήρας.) Συνδέσαμε αυτόν τον κινητήρα κοντά στις βάσεις των φρένων απευθείας στο πλαίσιο του ποδηλάτου χρησιμοποιώντας ένα κομμάτι ενός ραβδιού μέτρου μεταξύ του κινητήρα και του πλαισίου για να λειτουργήσει ως αποστάτης. σφίξαμε 2 σφιγκτήρες εύκαμπτου σωλήνα γύρω του.

Βήμα 5: Καλωδίωση

Για την καλωδίωση από τον κινητήρα στο κύκλωμα εξετάστηκαν αρκετές επιλογές: κλιπ αλιγάτορα για ψεύτικο, καλώδιο τηλεφώνου και καλώδιο ηχείων.

Τα κλιπ αλιγάτορα αποδείχθηκαν ότι λειτουργούσαν καλά για σκοπούς σχεδιασμού και δοκιμής, αλλά δεν ήταν αρκετά σταθερά για τον τελικό σχεδιασμό. Το τηλεφωνικό καλώδιο αποδείχθηκε εύθραυστο και δύσκολο να δουλέψεις. Το καλώδιο του ηχείου δοκιμάστηκε λόγω της αντοχής του, γι 'αυτό έγινε ο αγωγός επιλογής. Παρόλο που ήταν καλώδιο, ήταν πολύ πιο ανθεκτικό λόγω της μεγαλύτερης διαμέτρου του. Στη συνέχεια, απλά συνδέσαμε το σύρμα στο πλαίσιο χρησιμοποιώντας φερμουάρ.

Βήμα 6: Το πραγματικό κύκλωμα

Η αντιμετώπιση του κυκλώματος ήταν η πιο δύσκολη πρόκληση της διαδικασίας. Η ηλεκτρική ενέργεια από τον κινητήρα διακινείται πρώτα μέσω ενός ρυθμιστή τάσης που θα επιτρέψει έως και ένα συνεχές ρεύμα πέντε amp. θα περάσει μεγαλύτερο ρεύμα από άλλες ρυθμιστικές αρχές. Από εκεί η τάση μειώνεται στα 2,5 βολτ, το μέγιστο που μπορεί να αποθηκεύσει και να χειριστεί με ασφάλεια το BOOSTCAP. Μόλις το BOOSTCAP φτάσει τα 1,2 βολτ, έχει αρκετή ισχύ για να επιτρέψει στο MintyBoost να παρέχει μια πηγή 5 βολτ για τη συσκευή που φορτίζεται.

Στα καλώδια εισόδου συνδέσαμε μια δίοδο 5Α έτσι ώστε να μην έχουμε "εφέ υποβοηθούμενης εκκίνησης", όπου ο κινητήρας θα ξεκινούσε να περιστρέφεται χρησιμοποιώντας την αποθηκευμένη ηλεκτρική ενέργεια. Χρησιμοποιήσαμε τον πυκνωτή 2200uF για να εξισορροπήσουμε τη ροή ισχύος στον ρυθμιστή τάσης. Ο ρυθμιστής τάσης που χρησιμοποιήσαμε, ένα LM338, είναι ρυθμιζόμενο ανάλογα με τον τρόπο που το ρυθμίσατε, όπως φαίνεται στο διάγραμμα κυκλώματος. Για τους σκοπούς μας, η σύγκριση δύο αντιστάσεων, 120ohm και 135 ohm, συνδεδεμένων στον ρυθμιστή καθορίζει την τάση εξόδου. Το χρησιμοποιούμε για να μειώσουμε την τάση από ~ 6 βολτ σε 2,5 βολτ. Στη συνέχεια παίρνουμε τα 2,5 βολτ και το χρησιμοποιούμε για να φορτίσουμε τον υπερπυκνωτή μας, ένα 140 farad, 2,5 volt BOOSTCAP κατασκευασμένο από την Maxwell Technologies. Επιλέξαμε το BOOSTCAP επειδή η υψηλή χωρητικότητά του θα μας επιτρέψει να κρατήσουμε μια φόρτιση ακόμη και αν το ποδήλατο σταματήσει στο κόκκινο φως. Το επόμενο μέρος αυτού του κυκλώματος είναι κάτι που είμαι σίγουρος ότι γνωρίζετε όλοι, το Adafruit MintyBoost. Το χρησιμοποιήσαμε για να πάρουμε τα 2,5 βολτ από τον υπερπυκνωτή και να το ανεβάσουμε σε ένα σταθερό 5 βολτ, το πρότυπο USB. Χρησιμοποιεί μετατροπέα ενίσχυσης MAX756, 5 βολτ σε συνδυασμό με επαγωγέα 22uH. Μόλις έχουμε 1,2 βολτ στον υπερπυκνωτή, το MintyBoost θα αρχίσει να παράγει τα 5 βολτ. Το κύκλωμά μας συμπληρώνει τη λειτουργία του φορτιστή USB MintyBoost, που αναπτύχθηκε αρχικά από τη Limor Fried, της Adafruit Industries. Το MintyBoost χρησιμοποιεί μπαταρίες AA για τη φόρτιση φορητών ηλεκτρονικών συσκευών. Το ανεξάρτητα κατασκευασμένο κύκλωμά μας αντικαθιστά τις μπαταρίες AA και τροφοδοτεί το MintyBoost. Αυτό το κύκλωμα μειώνει τα ~ 6 βολτ από τον κινητήρα στα 2,5 βολτ. Αυτό επιτρέπει στον κινητήρα να φορτίσει το BoostCap (140 F), το οποίο με τη σειρά του τροφοδοτεί το κύκλωμα MintyBoost. Ο υπερπυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια για να φορτίζει συνεχώς τη συσκευή USB ακόμη και όταν το ποδήλατο δεν είναι σε κίνηση.

Βήμα 7: Το περίβλημα

Προκειμένου να προστατευθεί το κύκλωμα από εξωτερικά στοιχεία, ήταν απαραίτητο ένα περίβλημα. Επιλέχθηκε ένα "χάπι" από σωλήνες PVC και ακραία καλύμματα, με διάμετρο 6cm και μήκος 18cm. Ενώ αυτές οι διαστάσεις είναι μεγάλες σε σύγκριση με το κύκλωμα, αυτό έκανε την κατασκευή πιο βολική. Ένα μοντέλο παραγωγής θα ήταν πολύ μικρότερο. Το PVC επιλέχθηκε με βάση την ανθεκτικότητα, σχεδόν τέλεια αντοχή στις καιρικές συνθήκες, το αεροδυναμικό σχήμα και το χαμηλό κόστος. Πειράματα πραγματοποιήθηκαν επίσης σε δοχεία κατασκευασμένα από ακατέργαστες ίνες άνθρακα εμποτισμένες σε εποξικό. Αυτή η δομή αποδείχθηκε ισχυρή και ελαφριά. Ωστόσο, η διαδικασία κατασκευής ήταν εξαιρετικά χρονοβόρα και δύσκολη στην εκμάθηση.

Βήμα 8: Δοκιμή

Για τους πυκνωτές, δοκιμάζουμε δύο διαφορετικούς τύπους, τον BOOSTCAP και έναν υπερ πυκνωτή.

Το πρώτο γράφημα απεικονίζει τη χρήση του υπερπυκνωτή, ο οποίος είναι ενσωματωμένος στο κύκλωμα έτσι ώστε όταν ο κινητήρας είναι ενεργός, ο πυκνωτής να φορτίζει. Δεν χρησιμοποιήσαμε αυτό το στοιχείο επειδή, ενώ ο υπερπυκνωτής φορτίζεται με εξαιρετική ταχύτητα, αποφορτίζεται πολύ γρήγορα για τους σκοπούς μας. Η κόκκινη γραμμή αντιπροσωπεύει την τάση του κινητήρα, η μπλε γραμμή αντιπροσωπεύει την τάση του υπερπυκνωτή και η πράσινη γραμμή αντιπροσωπεύει την τάση της θύρας USB. Το δεύτερο γράφημα είναι τα δεδομένα που συλλέγονται με τον υπερπυκνωτή BOOSTCAP. Η κόκκινη γραμμή αντιπροσωπεύει την τάση του κινητήρα, η μπλε είναι η τάση του υπερπυκνωτή και η πράσινη γραμμή αντιπροσωπεύει την τάση της θύρας USB. Επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε τον υπερπυκνωτή επειδή, όπως δείχνει αυτή η δοκιμή, ο υπερπυκνωτής θα συνεχίσει να διατηρεί τη φόρτιση του ακόμη και αφού ο αναβάτης σταματήσει να κινείται. Ο λόγος για την αύξηση της τάσης USB είναι επειδή ο υπερπυκνωτής έφτασε στο κατώφλι τάσης που είναι απαραίτητο για την ενεργοποίηση του MintyBoost. Και οι δύο αυτές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε διάστημα 10 λεπτών. Ο αναβάτης έκανε πεντάλ για τα πρώτα 5, στη συνέχεια παρατηρήσαμε πώς θα αντιδρούσαν οι τάσεις για τα τελευταία 5 λεπτά. Η τελευταία εικόνα είναι μια λήψη του Google Earth από το πού κάναμε τις δοκιμές μας. Αυτή η εικόνα δείχνει ότι ξεκινήσαμε στο σχολείο μας και στη συνέχεια κάναμε δύο γύρους στο Levagood Park για συνολική κατά προσέγγιση απόσταση 1 μιλίου. Τα χρώματα αυτού του χάρτη αντιστοιχούν στην ταχύτητα του αναβάτη. Η μοβ γραμμή είναι περίπου 28,9 μίλια / ώρα, η μπλε γραμμή 21,7 μίλια / ώρα, η πράσινη γραμμή 14,5 μίλια / ώρα και η κίτρινη γραμμή 7,4 μίλια / ώρα.

Βήμα 9: Μελλοντικά σχέδια

Για να καταστεί η συσκευή πιο οικονομικά βιώσιμη ως καταναλωτικό προϊόν, πρέπει να γίνουν αρκετές βελτιώσεις στους τομείς της αντοχής στις καιρικές συνθήκες, του εξορθολογισμού των κυκλωμάτων και της μείωσης του κόστους. Η προστασία από τον καιρό είναι ζωτικής σημασίας για τη μακροπρόθεσμη λειτουργία της μονάδας. Μια τεχνική που εξετάστηκε για τον κινητήρα ήταν να τον εγκλωβίσει σε ένα δοχείο Nalgene. Αυτά τα δοχεία είναι γνωστά ως αδιάβροχα και σχεδόν άφθαρτα. (Ναι, προσπεράσαμε ένα με αυτοκίνητο χωρίς κακό.) Ζητήθηκε πρόσθετη προστασία ενάντια στις δυνάμεις της φύσης. Ο αφρός διαστολής θα σφραγίζει τη μονάδα, ωστόσο το υλικό έχει περιορισμούς. Όχι μόνο είναι δύσκολο να τοποθετηθεί σωστά, αλλά θα αποτρέψει επίσης τον εξαερισμό απαραίτητο για τη συνολική λειτουργία της συσκευής.

Όσον αφορά τον εξορθολογισμό του κυκλώματος, οι δυνατότητες περιλαμβάνουν ένα τσιπ ρυθμιστή τάσης πολλαπλών εργασιών και μια προσαρμοσμένη πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Το τσιπ θα μπορούσε να αντικαταστήσει πολλαπλούς ρυθμιστές τάσης, κάτι που θα μείωνε τόσο το μέγεθος του προϊόντος όσο και την παραγωγή θερμότητας. Η χρήση ενός PCB θα προσφέρει μια πιο σταθερή βάση, επειδή οι συνδέσεις θα είναι απευθείας στον πίνακα και δεν θα επιπλέουν από κάτω. Σε περιορισμένο βαθμό θα λειτουργήσει ως ψύκτρα λόγω της ανίχνευσης χαλκού στον πίνακα. Αυτή η αλλαγή θα μειώσει την ανάγκη για υπερβολικό αερισμό και θα αυξήσει τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων. Η μείωση του κόστους είναι μακράν η πιο σημαντική και δύσκολη αλλαγή που πρέπει να γίνει στο σχέδιο. Το ίδιο το κύκλωμα είναι εξαιρετικά φθηνό, ωστόσο ο κινητήρας κοστίζει 275 $. Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη για έναν οικονομικότερο κινητήρα που θα εξακολουθεί να καλύπτει τις ανάγκες μας σε ισχύ.

Βήμα 10: Τέλος

Ευχαριστούμε που διαβάσατε το Instructable, αν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις, μη διστάσετε να τις ρωτήσετε.

Ακολουθούν μερικές από τις εικόνες από την παρουσίασή μας στο MIT.