Mis tahes USB -seadme laadimine jalgrattaga sõites: 10 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

Alustuseks alustati selle projektiga, kui saime Lemelson-MIT programmist toetust. (Josh, kui sa seda loed, siis me armastame sind.)

6-liikmeline meeskond ja üks õpetaja panid selle projekti kokku ja oleme otsustanud selle Instructablesile panna lootuses võita laserlõikur või vähemalt t-särk. Järgnev on meie esitluse ja minu isiklike märkmete kogum. Loodan, et naudite seda juhendatavat sama palju kui meie. Tahaksin tänada ka MintorBoosti ringraja loojat Limor Friedi. See mängis meie projektis võtmerolli. Jeff Brookins jumaliku lapse InvenTeami liige

Samm: meie esialgne kavatsus…

Meie esialgne projekt oli välja töötada toode, mis kasutas Faraday põhimõtet, et jooksjad saaksid oma iPode laadimise ajal laadida. See kontseptsioon tooks elektrit samamoodi nagu Faraday taskulambid.

Siiski tekkis meil probleem. Tsiteerides oma meeskonnakaaslast Nick Ciarellit: "Algul kaalusime disaini, mis sarnaneb ühele nendest raputatavatest taskulampidest, ja muuta see nii, et jooksja saaks selle jooksmiseks rihma külge kinnitada ja tal oleks energiat oma iPodi või mis tahes seadme laadimiseks. loksutamiseks kasutatav taskulamp saab oma energia taskulambis oleva magneti liikuva magnetvälja ja ümber toru mähitud traatmähise vastasmõjust, millest magnet libiseb. Liikuva magnetvälja tõttu liiguvad pooli elektronid juhtme, tekitades elektrivoolu. See vool salvestatakse seejärel akusse, mida saab seejärel kasutada taskulambi pirni/LED -i jaoks. Kui aga arvutasime välja, kui palju energiat me jooksu pealt saame et ühe AA patarei laadimiseks piisava energia kogumiseks kulub 50 miili jooks. See oli ebamõistlik, mistõttu muutsime oma projekti rattasüsteemiks. " Otsustasime siis kasutada hoopis ratta külge kinnitatud süsteemi.

2. samm: meie leiutise avaldus ja kontseptsiooni areng

Algselt teoreetasime jalgratastel kasutatava regeneratiivse pidurisüsteemi väljatöötamist ja teostatavust. See süsteem looks mobiilse toiteallika, et pikendada sõitja kaasaskantavate elektrooniliste seadmete aku kasutusaega.

Katseetapis leiti, et regeneratiivpidurisüsteem ei suuda korraga täita oma kahte funktsiooni. See ei suutnud toota jalgratta peatamiseks piisavalt pöördemomenti ega toota piisavalt energiat akude laadimiseks. Seetõttu otsustas meeskond loobuda süsteemi pidurdamisest, keskendudes üksnes pideva laadimissüsteemi arendamisele. See süsteem, kui see on üles ehitatud ja uuritud, osutus täielikult soovitud eesmärkide saavutamiseks.

Samm: kujundage vooluring

Alustuseks pidime konstrueerima vooluringi, mis suudab mootorilt ~ 6 volti võtta, selle salvestada ja seejärel teisendada 5 -voldiseks, mida me USB -seadme jaoks vajame.

Meie kavandatud vooluahel täiendab Adafruit Industries'i algselt Limor Friedi poolt välja töötatud MintyBoost USB laadija funktsiooni. MintyBoost kasutab kaasaskantavate elektroonikaseadmete laadimiseks AA patareisid. Meie iseseisvalt ehitatud vooluahel asendab AA patareid ja toidab MintyBoosti toiteallikaga. See vooluahel vähendab ~ 6 volti mootorilt 2,5 voltile. See võimaldab mootoril laadida BoostCapi (140 F), mis omakorda toidab MintyBoosti vooluahelat. Ultrakondensaator salvestab energiat USB -seadme pidevaks laadimiseks isegi siis, kui jalgratas ei liigu.

4. samm: toite saamine

Mootori valimine osutus keerukamaks ülesandeks.

Kallid mootorid andsid pidurdusallika loomiseks vajaliku pöördemomendi, kuid kulud olid liiga suured. Taskukohase ja tõhusa seadme valmistamiseks oli vaja teist lahendust. Projekt kujundati ümber pideva laadimissüsteemina, kõikidest võimalustest oleks Maxoni mootor väiksema läbimõõdu tõttu parem valik. Maxoni mootor andis ka 6 volti, kus eelmised mootorid andsid meile 20 volti ülespoole. Viimase puhul oleks mootori ülekuumenemine suur probleem. Otsustasime jääda oma Maxon 90 juurde, mis oli ilus mootor, kuigi selle maksumus oli 275 dollarit. (Neile, kes soovivad seda projekti ehitada, piisab odavamast mootorist.) Kinnitasime selle mootori tagumiste pidurikinnituste lähedale otse jalgrattaraamile, kasutades mootori ja raami vahel asuvat meetritikku, et toimida vahekaugusena. pingutage selle ümber 2 voolikuklambrit.

Samm: juhtmestik

Mootori ja vooluahela juhtmestiku jaoks kaaluti mitmeid võimalusi: alligaatoriklambrid pilkamiseks, telefonikaabel ja kõlaritraat.

Alligaatoriklambrid osutusid hästi kavandatud ja testimise eesmärgil, kuid ei olnud lõpliku kujunduse jaoks piisavalt stabiilsed. Telefoni juhe osutus habras ja sellega oli raske töötada. Kõlaritraati testiti selle vastupidavuse tõttu, mistõttu sai sellest valitud juht. Kuigi see oli ahelatraat, oli see suurema läbimõõdu tõttu palju vastupidavam. Seejärel kinnitasime traadi tõmblukkude abil raami külge.

6. samm: tegelik vooluring

Vooluahelate lahendamine oli protsessi kõige raskem väljakutse. Mootori elekter liigub kõigepealt läbi pingeregulaatori, mis võimaldab kuni 5 amprit pidevat voolu; mööduks suurem vool kui teistel regulaatoritel. Sealt alandatakse pinge 2,5 voltini, mis on maksimaalne, mida BOOSTCAP suudab salvestada ja ohutult käsitseda. Kui BOOSTCAP on saavutanud 1,2 volti, on sellel piisavalt energiat, et MintyBoost saaks laaditava seadme jaoks 5 -voldise allika.

Sisendjuhtmetele kinnitasime 5A dioodi, et me ei saaks "abistatud käivitamise efekti", kus mootor hakkaks salvestatud elektrit kasutades pöörlema. Pingeregulaatori toitevoolu ühtlustamiseks kasutasime kondensaatorit 2200uF. Pingeregulaator, mida kasutasime, LM338, on reguleeritav sõltuvalt selle seadistusest, nagu on näha meie vooluahela skeemil. Meie jaoks määrab väljundpinge kahe regulaatoriga ühendatud takisti, 120 oomi ja 135 oomi, võrdlus. Kasutame seda pinge vähendamiseks ~ 6 voltilt 2,5 voltile. Seejärel võtame 2,5 volti ja laadime selle abil oma ultrakondensaatorit, 140 farad, 2,5 -voldist BOOSTCAP -i, mille on valmistanud Maxwell Technologies. Valisime BOOSTCAPi, kuna selle suur mahtuvus võimaldab meil hoida laadimist ka siis, kui jalgratas on punase tule korral peatatud. Selle vooluahela järgmine osa on midagi, mida te olete kindlasti tuttav, Adafruit MintyBoost. Kasutasime seda, et võtta ultrakondensaatorist 2,5 volti ja tõsta see stabiilse 5 -voldise USB -standardini. See kasutab MAX756, 5 -voldist võimendusmuundurit koos 22uH induktoriga. Kui saame ultrakondensaatori kaudu 1,2 volti, hakkab MintyBoost väljastama 5 volti. Meie skeem täiendab MintyBoost USB laadija funktsiooni, mille algselt töötas välja Limor Fried, Adafruit Industries. MintyBoost kasutab kaasaskantavate elektroonikaseadmete laadimiseks AA patareisid. Meie iseseisvalt ehitatud vooluahel asendab AA patareid ja toidab MintyBoosti toiteallikaga. See vooluahel vähendab ~ 6 volti mootorilt 2,5 voltile. See võimaldab mootoril laadida BoostCapi (140 F), mis omakorda toidab MintyBoosti vooluahelat. Ultrakondensaator salvestab energiat USB -seadme pidevaks laadimiseks isegi siis, kui jalgratas ei liigu.

7. samm: ümbris

Vooluahela kaitsmiseks väliste elementide eest oli vajalik ümbris. Valiti "pill" PVC torudest ja otsakorkidest, läbimõõduga 6cm ja pikkusega 18cm. Kuigi need mõõtmed on vooluringiga võrreldes suured, muutis see ehitamise mugavamaks. Tootmismudel oleks palju väiksem. PVC valiti välja vastupidavuse, peaaegu täiusliku ilmastikukindluse, aerodünaamilise kuju ja madalate kulude põhjal. Katsed viidi läbi ka anumatega, mis olid valmistatud epoksiidiga leotatud toorest süsinikkiust. See struktuur osutus nii tugevaks kui ka kergeks. Ehitusprotsess oli aga äärmiselt aeganõudev ja raskesti hallatav.

8. samm: testimine

Kondensaatorite puhul katsetame kahte erinevat tüüpi, BOOSTCAP ja superkondensaatorit.

Esimene graafik kujutab superkondensaatori kasutamist, mis on ahelaga integreeritud nii, et kui mootor on aktiivne, laeb see kondensaatorit. Me ei kasutanud seda komponenti, sest kuigi superkondensaator laaditi ülikiirelt, tühjenes see meie eesmärkide jaoks liiga kiiresti. Punane joon tähistab mootori pinget, sinine joon superkondensaatori pinget ja roheline joon tähistab USB -pordi pinget. Teine graafik on BOOSTCAP ultrakondensaatoriga kogutud andmed. Punane joon tähistab mootori pinget, sinine ultrakondensaatori pinget ja roheline joon USB -pordi pinget. Valisime ultrakondensaatori kasutamise, sest nagu see test näitab, säilitab ultrakondensaator oma laengu ka pärast seda, kui sõitja on liikumise lõpetanud. USB -pinge hüppamise põhjus on see, et ultrakondensaator jõudis MintyBoosti aktiveerimiseks vajaliku pinge läveni. Mõlemad testid viidi läbi 10 minuti jooksul. Rattur pedaalis esimesed 5, seejärel jälgisime, kuidas pinged viimase 5 minuti jooksul reageerivad. Viimane pilt on Google Earth'i pilt sellest, kus me testisime. See pilt näitab, et alustasime oma koolist ja tegime seejärel kaks ringi Levagood Parkis, kokku umbes 1 miili kaugusel. Selle kaardi värvid vastavad sõitja kiirusele. Lilla joon on ligikaudu 28,9 mph, sinine joon 21,7 mph, roheline joon 14,5 mph ja kollane joon 7,4 mph.

9. samm: tulevikuplaanid

Seadme tarbekaubana majanduslikult elujõulisemaks muutmiseks tuleb ilmastikukindluse, vooluahelate sujuvamaks muutmise ja kulude vähendamise valdkonnas teha mitmeid parandusi. Ilmastikukindlus on seadme pikaajalise töö seisukohalt ülioluline. Üks mootori jaoks kaalutud tehnika oli selle ümbritsemine Nalgene konteinerisse. Need mahutid on teadaolevalt veekindlad ja peaaegu hävimatud. (Jah, ühele sõitsime autoga üle, ilma tagajärgedeta.) Otsiti täiendavat kaitset loodusjõudude vastu. Paisumisvaht sulgeks seadme, kuid materjalil on piiranguid. Raske on mitte ainult õigesti positsioneerida, vaid ka vältida seadme üldiseks toimimiseks olulist ventilatsiooni.

Mis puudutab vooluahela sujuvust, siis võimalused hõlmavad multitegumtöötluse pingeregulaatori kiipi ja kohandatud trükkplaati (PCB). Kiip võib asendada mitu pingeregulaatorit, mis vähendaks nii toote suurust kui ka soojusvõimsust. PCB kasutamine tagab stabiilsema aluse, kuna ühendused asuvad otse plaadil ja ei hõlju selle all. Piiratud määral toimib see jahutusradiaatorina, kuna plaadil on vasejälg. See muudatus vähendaks liigse ventilatsiooni vajadust ja pikendaks komponentide eluiga. Kulude vähendamine on vaieldamatult kõige olulisem ja raskem muudatus, mida tuleb kujunduses teha. Vooluring ise on äärmiselt odav, kuid mootor maksab 275 dollarit. Praegu otsitakse kulutõhusamat mootorit, mis vastaks endiselt meie energiavajadustele.

Samm: lõpetage

Täname, et lugesite meie juhendit, kui teil on küsimusi, küsige julgelt.

Siin on mõned pildid meie esitlusest MIT -is.