Hvordan lade en hvilken som helst USB -enhet ved å sykle: 10 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Til å begynne med ble dette prosjektet startet da vi mottok et stipend fra Lemelson-MIT-programmet. (Josh, hvis du leser dette, elsker vi deg.)

Et team på 6 studenter og en lærer satte dette prosjektet sammen, og vi har bestemt oss for å legge det på Instructables i håp om å vinne en laserskjærer, eller i det minste en t-skjorte. Det som følger, er en samling av presentasjonen vår og mine egne personlige notater. Jeg håper du liker denne instruksen like mye som vi gjorde. Jeg vil også takke Limor Fried, skaperen av MintyBoost -kretsen. Det spilte en nøkkelrolle i prosjektet vårt. Jeff Brookins Divine Child InvenTeammedlem

Trinn 1: Vår opprinnelige intensjon …

Vårt opprinnelige prosjekt var å utvikle et produkt som brukte Faraday -prinsippet for å la løpere lade sine iPod -er mens de kjører. Dette konseptet vil generere elektrisitet på samme måte som Faraday -lommelyktene gjør.

Vi hadde imidlertid et problem. For å sitere lagkameraten min Nick Ciarelli, "Først vurderte vi å bruke et design som ligner på en av de ristede lommelyktene og konvertere det slik at en løper kan feste den for et løp og ha energi til å lade iPod-en eller hvilken enhet de måtte Shake-up lommelykten får sin energi fra samspillet mellom magnetens bevegelige magnetfelt i lommelykten og trådspolen viklet rundt røret som magneten glir gjennom. Det bevegelige magnetfeltet får elektroner i spolen til å bevege seg langs ledningen, og skaper en elektrisk strøm. Denne strømmen lagres deretter i et batteri, som deretter er tilgjengelig for lommelyktpære/LED. Men da vi beregnet hvor mye energi vi ville kunne få fra et løp, bestemte vi oss for at det ville ta en 50 kilometer lang løp for å få nok energi til å lade ett AA-batteri. Dette var urimelig, så vi endret prosjektet vårt til sykkelsystemet. " Vi bestemte oss deretter for å bruke et sykkelmontert system i stedet.

Trinn 2: Vår oppfinnelseserklæring og konseptutvikling

Vi teoretiserte først utviklingen og gjennomførbarheten av et regenerativt bremsesystem for bruk på sykler. Dette systemet ville opprette en mobil strømkilde for å forlenge batterilevetiden til bærbare elektroniske enheter som bæres av rytteren.

Under eksperimenteringsfasen ble det funnet at det regenerative bremsesystemet ikke var i stand til å oppfylle sine doble funksjoner samtidig. Den kan verken produsere nok dreiemoment til å stoppe sykkelen, eller generere nok strøm til å lade batteriene. Teamet valgte derfor å forlate bremseaspektet ved systemet, for å fokusere utelukkende på utviklingen av et kontinuerlig ladesystem. Dette systemet, en gang konstruert og undersøkt, viste seg fullt i stand til å nå de ønskede målene.

Trinn 3: Design en krets

For å starte måtte vi designe en krets som kunne ta ~ 6 volt fra motoren, lagre den og deretter konvertere den til de 5 voltene vi trengte for USB -enheten.

Kretsen vi designet utfyller funksjonen til MintyBoost USB -laderen, opprinnelig utviklet av Limor Fried, fra Adafruit Industries. MintyBoost bruker AA -batterier til å lade bærbare elektroniske enheter. Vår uavhengig konstruerte krets erstatter AA -batteriene og leverer strøm til MintyBoost. Denne kretsen reduserer ~ 6 volt fra motoren til 2,5 volt. Dette gjør at motoren kan lade BoostCap (140 F), som igjen leverer strøm til MintyBoost -kretsene. Ultrakondensatoren lagrer energi for å lade USB -enheten kontinuerlig selv om sykkelen ikke er i bevegelse.

Trinn 4: Få strøm

Å velge motor viste seg å være en mer utfordrende oppgave.

Dyre motorer ga riktig dreiemoment for å lage bremsekilden, men kostnaden var uoverkommelig. En annen løsning var nødvendig for å lage en rimelig og effektiv enhet. Prosjektet ble redesignet som et kontinuerlig ladesystem, av alle muligheter ville Maxon -motoren være et bedre valg på grunn av sin mindre diameter. Maxon -motoren ga også 6 volt der tidligere motorer ga oss oppover 20 volt. For sistnevnte motor ville overoppheting være et stort problem. Vi bestemte oss for å holde oss til Maxon 90, som var en vakker motor, selv om kostnaden var $ 275. (For de som ønsker å bygge dette prosjektet, vil en billigere motor være tilstrekkelig.) Vi festet denne motoren nær de bakre bremsefestene direkte på sykkelrammen ved hjelp av et stykke meterstang mellom motoren og rammen for å fungere som et avstandsstykke. strammet 2 slangeklemmer rundt den.

Trinn 5: Kabling

For ledninger fra motoren til kretsen ble flere alternativer vurdert: alligatorklemmer for mock -up, telefonsnor og høyttalerkabel.

Alligatorklippene viste seg å fungere godt for design og testformål, men de var ikke stabile nok for den endelige designen. Telefonkabelen viste seg å være skjør og vanskelig å jobbe med. Høyttalertråd ble testet på grunn av holdbarheten og ble derfor den valgte lederen. Selv om den var strandet wire, var den mye mer holdbar på grunn av sin større diameter. Vi festet deretter ledningen til rammen ved hjelp av glidelåser.

Trinn 6: Den faktiske kretsen

Å takle kretsløpene var den vanskeligste utfordringen i prosessen. Elektrisitet fra motoren går først gjennom en spenningsregulator som tillater opptil en kontinuerlig strøm på fem ampere; en større strøm enn andre regulatorer ville passere. Derfra trappes spenningen ned til 2,5 volt, som er det maksimale BOOSTCAP kan lagre og håndtere trygt. Når BOOSTCAP oppnår 1,2 volt, har den nok strøm til at MintyBoost kan levere en 5 volt kilde for enheten som lades.

På inngangskablene festet vi en 5A-diode slik at vi ikke får en "assistert-start-effekt", hvor motoren ville begynne å snurre ved å bruke den lagrede elektrisiteten. Vi brukte kondensatoren 2200uF til å jevne ut strømmen til spenningsregulatoren. Spenningsregulatoren som vi brukte, en LM338, er justerbar avhengig av hvordan du setter den, som vist i kretsdiagrammet vårt. For våre formål bestemmer sammenligningen av to motstander, 120ohm og 135 ohm, koblet til regulatoren utgangsspenningen. Vi bruker den til å redusere spenningen fra ~ 6 volt til 2,5 volt. Vi tar deretter 2,5 volt og bruker den til å lade ultrakondensatoren vår, en 140 farad, 2,5 volt BOOSTCAP laget av Maxwell Technologies. Vi valgte BOOSTCAP fordi den høye kapasitansen vil tillate oss å holde en lading selv om sykkelen stoppes ved rødt lys. Den neste delen av denne kretsen er noe jeg er sikker på at du alle er kjent med, Adafruit MintyBoost. Vi brukte den til å ta 2,5 volt fra ultrakondensatoren og øke den til en stabil 5 volt, USB -standarden. Den bruker en MAX756, 5 volt boost -omformer kombinert med en 22uH induktor. Når vi får 1,2 volt over ultrakondensatoren, begynner MintyBoost å sende ut de 5 voltene. Kretsen vår utfyller funksjonen til MintyBoost USB -laderen, opprinnelig utviklet av Limor Fried, fra Adafruit Industries. MintyBoost bruker AA -batterier til å lade bærbare elektroniske enheter. Vår uavhengig konstruerte krets erstatter AA -batteriene og leverer strøm til MintyBoost. Denne kretsen reduserer ~ 6 volt fra motoren til 2,5 volt. Dette gjør at motoren kan lade BoostCap (140 F), som igjen leverer strøm til MintyBoost -kretsene. Ultrakondensatoren lagrer energi for å lade USB -enheten kontinuerlig selv om sykkelen ikke er i bevegelse.

Trinn 7: Vedlegget

For å beskytte kretsen mot eksterne elementer, var det nødvendig med et kapsling. En "pille" av PVC -rør og endehetter ble valgt, med en diameter på 6 cm og en lengde på 18 cm. Selv om disse dimensjonene er store sammenlignet med kretsen, gjorde dette konstruksjonen mer praktisk. En produksjonsmodell ville være mye mindre. PVC-en ble valgt ut fra holdbarhet, nesten perfekt værbestandighet, aerodynamisk form og lave kostnader. Eksperimenter ble også utført på beholdere laget av rå karbonfiber dynket i epoxy. Denne strukturen viste seg å være både sterk og lett. Byggeprosessen var imidlertid ekstremt tidkrevende og vanskelig å mestre.

Trinn 8: Testing

For kondensatorene tester vi to forskjellige typer, BOOSTCAP og en superkondensator.

Den første grafen viser bruken av superkondensatoren, som er integrert med kretsen, slik at når motoren er aktiv, vil kondensatoren lades. Vi brukte ikke denne komponenten fordi superkondensatoren ble belastet med ekstrem hastighet, men den ble tømt for fort til våre formål. Den røde linjen representerer motorens spenning, den blå linjen representerer spenningen til superkondensatoren, og den grønne linjen representerer spenningen til USB -porten. Den andre grafen er dataene som er samlet inn med BOOSTCAP ultracapacitor. Den røde linjen representerer motorens spenning, den blå er ultracapacitorens spenning, og den grønne linjen representerer USB -portens spenning. Vi valgte å bruke ultrakondensatoren fordi, som denne testen indikerer, vil ultrakondensatoren fortsette å holde ladningen selv etter at rytteren har sluttet å bevege seg. Årsaken til hoppet i USB -spenning er fordi ultrakondensatoren nådde spenningsterskelen som var nødvendig for å aktivere MintyBoost. Begge disse testene ble utført over en periode på 10 minutter. Rytteren pedalerte de første 5, så observerte vi hvordan spenningene ville reagere de siste 5 minuttene. Det siste bildet er et Google Earth -bilde av hvor vi testet. Dette bildet viser at vi begynte på skolen vår, og deretter tok to runder på Levagood Park for en samlet omtrentlig distanse på 1 kilometer. Fargene på dette kartet tilsvarer rytterens hastighet. Den lilla linjen er omtrent 28,9 mph, den blå linjen 21,7 mph, den grønne linjen 14,5 mph og den gule linjen 7,4 mph.

Trinn 9: Fremtidsplaner

For å gjøre enheten mer økonomisk levedyktig som et forbrukerprodukt, må det gjøres flere forbedringer innen værbestandighet, strømlinjeforming og kostnadsreduksjon. Værbeskyttelse er avgjørende for enhetens langsiktige drift. En teknikk som ble vurdert for motoren, var å kapsle den i en Nalgene -beholder. Disse beholderne er kjent for å være vanntette og nesten uforgjengelige. (Ja, vi kjørte på en med bil uten negativ effekt.) Det ble søkt om ytterligere beskyttelse mot naturkreftene. Ekspansjonsskum vil forsegle enheten, men materialet har begrensninger. Ikke bare er det vanskelig å plassere riktig, men det vil også forhindre ventilasjon avgjørende for enhetens generelle drift.

Når det gjelder effektivisering av kretsen, inkluderer mulighetene en multitasking spenningsregulatorbrikke og et tilpasset kretskort (PCB). Brikken kan erstatte flere spenningsregulatorer, dette vil redusere både produktets størrelse og varmeeffekt. Å bruke en PCB vil gi en mer stabil base fordi tilkoblingene vil være direkte på brettet og ikke flyte under det. I begrenset grad vil den fungere som en kjøleribbe på grunn av kobbersporingen i brettet. Denne endringen vil redusere behovet for overdreven ventilasjon og øke levetiden på komponentene. Kostnadsreduksjon er den desidert viktigste og vanskeligste endringen som må gjøres i designet. Selve kretsen er ekstremt billig, men motoren koster $ 275. Det pågår et søk etter en mer kostnadseffektiv motor som fortsatt vil dekke våre strømbehov.

Trinn 10: Fullfør

Takk for at du leser vår Instructable, hvis du har spørsmål, er du velkommen til å stille.

Her er noen av bildene fra presentasjonen vår på MIT.