Cara Mengecas Sebarang Peranti USB dengan Menunggang Basikal Anda: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Sebagai permulaan, projek ini dimulakan ketika kami menerima geran dari Program Lemelson-MIT. (Josh, jika anda membaca ini, kami mencintaimu.)

Sekumpulan 6 pelajar dan seorang guru menyusun projek ini, dan kami telah memutuskan untuk meletakkannya di Instructables dengan harapan dapat memenangi pemotong laser, atau sekurang-kurangnya kaos. Yang berikut, adalah penyusunan persembahan kami dan catatan peribadi saya sendiri. Saya harap anda menikmati Instructable ini seperti yang kami lakukan. Saya juga ingin mengucapkan terima kasih kepada Limor Fried, pencipta rangkaian MintyBoost. Ini memainkan peranan penting dalam projek kami. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam Member

Langkah 1: Niat Asal Kami …

Projek asal kami adalah untuk membangunkan produk yang menggunakan Prinsip Faraday untuk membolehkan pelari mengecas iPod mereka semasa mereka berjalan. Konsep ini akan menghasilkan elektrik dengan cara yang sama seperti lampu suluh Faraday.

Namun, kami menghadapi masalah. Untuk memetik rakan sepasukan saya Nick Ciarelli, "Pada mulanya kami mempertimbangkan untuk menggunakan reka bentuk yang serupa dengan salah satu lampu suluh penggantian dan menukarnya sehingga pelari dapat mengikatnya untuk berlari dan mempunyai tenaga untuk mengecas iPod mereka atau peranti apa pun yang mereka gunakan lampu sorot getar mendapat tenaganya daripada interaksi medan magnet bergerak magnet dalam lampu suluh dan gegelung wayar yang melilit tiub yang diluncurkan oleh magnet. Medan magnet bergerak menyebabkan elektron dalam gegelung bergerak bersama wayar, mewujudkan arus elektrik. Arus ini kemudian disimpan dalam bateri, yang kemudian boleh digunakan untuk lampu suluh / LED. Walau bagaimanapun, ketika kami mengira berapa banyak tenaga yang dapat kami peroleh dari satu larian, kami menentukan memerlukan jangka masa 50 batu untuk mendapatkan tenaga yang cukup untuk mengecas satu bateri AA. Ini tidak masuk akal sehingga kami menukar projek kami ke sistem basikal. " Kami kemudian memutuskan untuk menggunakan sistem yang dipasang dengan basikal.

Langkah 2: Penyataan Penemuan dan Evolusi Konsep Kami

Kami pada mulanya berteori pengembangan dan kelayakan sistem brek regeneratif untuk digunakan pada basikal. Sistem ini akan menghasilkan sumber kuasa mudah alih untuk memanjangkan jangka hayat bateri peranti elektronik mudah alih yang dibawa oleh penunggang.

Selama fasa eksperimen, sistem pengereman regeneratif didapati tidak dapat memenuhi fungsi gandanya secara serentak. Ia tidak dapat menghasilkan daya kilas yang cukup untuk menghentikan basikal, atau menghasilkan tenaga yang cukup untuk mengisi semula bateri. Oleh itu, pasukan memilih untuk meninggalkan aspek pengereman sistem, untuk fokus sepenuhnya pada pengembangan sistem pengisian berterusan. Sistem ini, setelah dibina dan diteliti, terbukti mampu mencapai objektif yang diinginkan.

Langkah 3: Reka Litar

Untuk memulakan, kita harus merancang litar yang dapat mengambil ~ 6 volt dari motor, menyimpannya, dan kemudian mengubahnya menjadi 5 volt yang kita perlukan untuk peranti USB.

Litar yang kami reka melengkapkan fungsi pengecas USB MintyBoost, yang pada asalnya dikembangkan oleh Limor Fried, dari Adafruit Industries. MintyBoost menggunakan bateri AA untuk mengecas peranti elektronik mudah alih. Litar yang dibina secara bebas menggantikan bateri AA dan membekalkan kuasa ke MintyBoost. Litar ini mengurangkan ~ 6 volt dari motor kepada 2.5 volt. Ini membolehkan motor mengecas BoostCap (140 F), yang seterusnya memberi kuasa kepada litar MintyBoost. Ulat kapasitor menyimpan tenaga untuk mengecas peranti USB secara berterusan walaupun basikal tidak bergerak.

Langkah 4: Mendapatkan Kuasa

Memilih motor membuktikan tugas yang lebih mencabar.

Motor yang mahal memberikan tork yang tepat yang diperlukan untuk membuat sumber pengereman, namun biayanya sangat tinggi. Untuk membuat peranti yang berpatutan dan berkesan, penyelesaian lain diperlukan. Projek ini didesain semula sebagai sistem pengisian berterusan, dari semua kemungkinan motor Maxon akan menjadi pilihan yang lebih baik kerana diameternya yang lebih kecil. Motor Maxon juga menyediakan 6 volt di mana seperti motor sebelumnya memberi kita lebih daripada 20 volt. Untuk pemanasan motor yang terakhir akan menjadi masalah besar. Kami memutuskan untuk tetap menggunakan Maxon 90 kami, yang merupakan motor yang cantik, walaupun harganya $ 275. (Bagi mereka yang ingin membina projek ini, motor yang lebih murah akan mencukupi.) Kami memasang motor ini dekat dengan pemasangan brek belakang secara langsung pada bingkai basikal menggunakan sekeping meter meter antara motor dan bingkai untuk bertindak sebagai spacer, maka mengetatkan 2 pengapit selang di sekelilingnya.

Langkah 5: Pendawaian

Untuk pendawaian dari motor ke litar beberapa pilihan dipertimbangkan: klip buaya untuk mock up, kabel telefon, dan wayar pembesar suara.

Klip buaya terbukti berfungsi dengan baik untuk tujuan reka bentuk dan pengujian mock up tetapi ia tidak cukup stabil untuk reka bentuk akhir. Wayar telefon terbukti rapuh, dan sukar digunakan. Kawat pembesar suara diuji kerana ketahanannya sehingga menjadi konduktor pilihan. Walaupun dawai terdampar, ia lebih tahan lama kerana diameternya lebih besar. Kami kemudian hanya memasang wayar ke bingkai dengan menggunakan tali zip.

Langkah 6: Litar Sebenar

Mengatasi litar adalah cabaran yang paling sukar dalam proses ini. Tenaga elektrik dari motor pertama kali melalui pengatur voltan yang membolehkan arus lima amp berterusan; arus yang lebih besar daripada pengawal selia lain yang akan berlalu. Dari situ voltan diturunkan ke 2.5 volt yang merupakan maksimum yang dapat disimpan dan dikendalikan dengan selamat oleh BOOSTCAP. Setelah BOOSTCAP mencapai 1.2 volt, ia mempunyai kekuatan yang cukup untuk membolehkan MintyBoost menyediakan sumber 5 volt untuk peranti yang dicas.

Pada wayar input, kami melampirkan dioda 5A sehingga kami tidak mendapat "kesan permulaan yang dibantu," di mana motor akan mula berputar dengan menggunakan elektrik yang tersimpan. Kami menggunakan kapasitor 2200uF untuk meratakan aliran daya ke pengatur voltan. Pengatur voltan yang kami gunakan, LM338, boleh disesuaikan bergantung pada cara anda mengaturnya, seperti yang dilihat dalam rajah litar kami. Untuk tujuan kami, perbandingan dua perintang, 120ohm dan 135 ohm, yang disambungkan ke pengatur menentukan voltan output. Kami menggunakannya untuk mengurangkan voltan dari ~ 6 volt hingga 2.5 volt. Kami kemudian mengambil 2.5 volt dan menggunakannya untuk mengisi ultrasapacitor kami, 140 farad, 2.5 volt BOOSTCAP yang dibuat oleh Maxwell Technologies. Kami memilih BOOSTCAP kerana kapasitansi yang tinggi akan membolehkan kami menahan caj walaupun basikal dihentikan dengan lampu merah. Bahagian seterusnya dari litar ini adalah sesuatu yang saya pasti anda semua kenal, Adafruit MintyBoost. Kami menggunakannya untuk mengambil 2.5 volt dari ultrasapacitor dan menaikkannya hingga 5 volt yang stabil, standard USB. Ia menggunakan penukar MAX756, 5 volt ditambah dengan induktor 22uH. Sebaik sahaja kita mendapat 1.2 volt di ultrasapacitor, MintyBoost akan mula mengeluarkan 5 volt. Litar kami melengkapkan fungsi pengecas USB MintyBoost, yang pada asalnya dikembangkan oleh Limor Fried, dari Adafruit Industries. The MintyBoost menggunakan bateri AA untuk mengecas peranti elektronik mudah alih. Litar yang dibina secara bebas menggantikan bateri AA dan membekalkan kuasa ke MintyBoost. Litar ini mengurangkan ~ 6 volt dari motor kepada 2.5 volt. Ini membolehkan motor mengecas BoostCap (140 F), yang seterusnya memberi kuasa kepada litar MintyBoost. Ulat kapasitor menyimpan tenaga untuk mengecas peranti USB secara berterusan walaupun basikal tidak bergerak.

Langkah 7: Kandang

Untuk melindungi litar dari elemen luaran, penutupan diperlukan. "Pil" tabung PVC dan penutup akhir dipilih, dengan diameter 6cm dan panjang 18cm. Walaupun dimensi ini besar jika dibandingkan dengan litar, ini menjadikan pembinaan lebih selesa. Model pengeluaran akan jauh lebih kecil. PVC dipilih berdasarkan ketahanan, kalis cuaca yang hampir sempurna, bentuk aerodinamik, dan kos rendah. Eksperimen juga dilakukan pada bekas yang dibuat dari serat karbon mentah yang direndam dalam epoksi. Struktur ini terbukti kuat dan ringan. Namun, proses pembinaannya sangat memakan masa dan sukar dikuasai.

Langkah 8: Menguji

Untuk kapasitor, kami menguji dua jenis, BOOSTCAP dan kapasitor super.

Grafik pertama menggambarkan penggunaan superkapasitor, yang disatukan dengan litar sehingga ketika motor aktif, kapasitor akan mengecas. Kami tidak menggunakan komponen ini kerana, sementara superkapasitor dibebankan dengan kelajuan yang sangat tinggi, alat ini habis terlalu cepat untuk tujuan kami. Garis merah mewakili voltan motor, garis biru mewakili voltan supercapacitor, dan garis hijau mewakili voltan port USB. Grafik kedua adalah data yang dikumpulkan dengan ultrasapacitor BOOSTCAP. Garis merah mewakili voltan motor, biru adalah voltan ultrasapacitor, dan garis hijau mewakili voltan port USB. Kami memilih untuk menggunakan ultrasapacitor kerana, seperti yang ditunjukkan oleh ujian ini, ultracapacitor akan terus menahan casnya walaupun setelah penunggang berhenti bergerak. Sebab lonjakan voltan USB adalah kerana ultrasapacitor mencapai ambang voltan yang diperlukan untuk mengaktifkan MintyBoost. Kedua-dua ujian ini dilakukan dalam jangka masa 10 minit. Penunggang mengayuh untuk 5 yang pertama, kemudian kami memerhatikan bagaimana voltan akan bertindak balas selama 5 minit terakhir. Gambar terakhir adalah gambar Google Earth di mana kami melakukan ujian kami. Gambar ini menunjukkan bahawa kami bermula di sekolah kami, dan kemudian melakukan dua pusingan di Levagood Park untuk jarak keseluruhan jarak 1 batu. Warna peta ini sesuai dengan kelajuan penunggang. Garis ungu kira-kira 28.9 mph, garis biru 21.7 mph, garis hijau 14.5 mph, dan garis kuning 7.4 mph.

Langkah 9: Rancangan Masa Depan

Untuk menjadikan peranti ini lebih ekonomik sebagai produk pengguna, beberapa penambahbaikan mesti dilakukan dalam bidang kalis cuaca, penyederhanaan litar, dan pengurangan biaya. Pencegahan cuaca sangat penting untuk operasi jangka panjang unit ini. Salah satu teknik yang dipertimbangkan untuk motor adalah memasukkannya ke dalam bekas Nalgene. Bekas ini dikenali sebagai kalis air dan hampir tidak dapat dihancurkan. (Ya, kami berlari dengan kereta tanpa kesan buruk.) Perlindungan tambahan dicari terhadap kekuatan alam. Buih pengembangan akan menutup unit, namun bahannya mempunyai batasan. Tidak hanya sukar untuk meletakkan posisi dengan baik, tetapi juga akan mencegah pengudaraan yang penting untuk keseluruhan operasi peranti.

Mengenai penyederhanaan litar, kemungkinan termasuk cip pengatur voltan multitasking dan papan litar bercetak tersuai (PCB). Cip ini dapat menggantikan pengatur voltan berganda, ini akan menurunkan ukuran produk dan output haba. Menggunakan PCB akan memberikan asas yang lebih stabil kerana sambungannya akan langsung berada di papan dan tidak melayang di bawahnya. Pada tahap yang terhad, ia akan bertindak sebagai pendingin kerana tembaga mengesan di papan. Perubahan ini akan mengurangkan keperluan pengudaraan yang berlebihan dan meningkatkan umur komponen. Pengurangan kos sejauh ini adalah perubahan yang paling penting, dan sukar, yang mesti dibuat pada reka bentuk. Litar itu sendiri sangat murah, namun motor berharga $ 275. Pencarian sedang dijalankan untuk motor yang lebih menjimatkan kos yang masih dapat memenuhi keperluan kuasa kami.

Langkah 10: Selesaikan

Terima kasih kerana membaca Instructable kami, jika anda mempunyai sebarang pertanyaan, jangan ragu untuk bertanya.

Berikut adalah beberapa gambar dari persembahan kami di MIT.