Hur man laddar en USB -enhet genom att cykla: 10 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:47

Till att börja med startade detta projekt när vi fick bidrag från Lemelson-MIT-programmet. (Josh, om du läser detta älskar vi dig.)

Ett team på 6 elever och en lärare satte ihop detta projekt, och vi har beslutat att lägga det på Instructables i hopp om att vinna en laserskärare eller åtminstone en t-shirt. Det som följer är en sammanställning av vår presentation och mina egna personliga anteckningar. Jag hoppas att du tycker om denna instruktör lika mycket som vi gjorde. Jag vill också tacka Limor Fried, skapare av MintyBoost -kretsen. Det spelade en nyckelroll i vårt projekt. Jeff Brookins Divine Child InvenTeammedlem

Steg 1: Vår ursprungliga avsikt …

Vårt ursprungliga projekt var att utveckla en produkt som använde Faraday -principen för att låta löpare ladda sina iPods medan de kör. Detta koncept skulle generera el på samma sätt som Faradays ficklampor gör.

Vi hade dock ett problem. För att citera min lagkamrat Nick Ciarelli, "Först övervägde vi att använda en design som liknar en av de skakade ficklamporna och konvertera den så att en löpare kan spänna fast den för en körning och ha energi att ladda sin iPod eller vilken enhet de än Shake-up ficklampan får sin energi från samspelet mellan magnetens rörliga magnetfält i ficklampan och trådspolen som lindas runt röret som magneten glider genom. Det rörliga magnetfältet får elektroner i spolen att röra sig längs tråden, vilket skapar en elektrisk ström. Denna ström lagras sedan i ett batteri, som sedan kan användas för ficklampan/LED. Men när vi beräknade hur mycket energi vi skulle kunna få från en körning bestämde vi oss att det skulle ta en 50-mils körning för att få tillräckligt med energi för att ladda ett AA-batteri. Detta var orimligt så vi ändrade vårt projekt till cykelsystemet. " Vi bestämde oss då för att använda ett cykelmonterat system istället.

Steg 2: Vårt uppfinningsuttalande och konceptutveckling

Vi teoretiserade inledningsvis utvecklingen och genomförbarheten av ett regenerativt bromssystem för användning på cyklar. Detta system skulle skapa en mobil strömkälla för att förlänga batteriets livslängd för bärbara elektroniska enheter som bärs av ryttaren.

Under experimentfasen befanns det regenerativa bromssystemet vara oförmöget att uppfylla sina dubbla funktioner samtidigt. Det kunde varken producera tillräckligt med vridmoment för att stoppa cykeln eller generera tillräckligt med ström för att ladda batterierna. Teamet valde därför att överge bromsaspekten av systemet, för att enbart fokusera på utvecklingen av ett kontinuerligt laddningssystem. Detta system, en gång konstruerat och undersökt, visade sig fullt kapabelt att uppnå de önskade målen.

Steg 3: Designa en krets

För att börja måste vi designa en krets som kunde ta ~ 6 volt från motorn, lagra den och sedan konvertera den till de 5 volt som vi behövde för USB -enheten.

Kretsen vi konstruerade kompletterar funktionen hos MintyBoost USB -laddare, ursprungligen utvecklad av Limor Fried, från Adafruit Industries. MintyBoost använder AA -batterier för att ladda bärbara elektroniska enheter. Vår oberoende konstruerade krets ersätter AA -batterierna och levererar ström till MintyBoost. Denna krets minskar ~ 6 volt från motorn till 2,5 volt. Detta gör att motorn kan ladda BoostCap (140 F), som i sin tur levererar ström till MintyBoost -kretsarna. Ultrakondensatorn lagrar energi för att kontinuerligt ladda USB -enheten även när cykeln inte är i rörelse.

Steg 4: Få ström

Att välja en motor visade sig vara en mer utmanande uppgift.

Dyra motorer gav rätt vridmoment som behövs för att skapa bromskällan, men kostnaden var oöverkomlig. För att göra en prisvärd och effektiv enhet var en annan lösning nödvändig. Projektet gjordes om som ett kontinuerligt laddningssystem, av alla möjligheter skulle Maxon -motorn vara ett bättre val på grund av dess mindre diameter. Maxon -motorn gav också 6 volt där tidigare motorer gav oss upp till 20 volt. För den senare motorn skulle överhettning vara en enorm fråga. Vi bestämde oss för att hålla fast vid vår Maxon 90, som var en vacker motor, även om kostnaden var $ 275. (För dem som vill bygga detta projekt räcker det med en billigare motor.) Vi fäst denna motor nära de bakre bromsfästena direkt på cykelramen med hjälp av en bit av en mätarpinne mellan motorn och ramen för att fungera som en distans, sedan spände 2 slangklämmor runt den.

Steg 5: Kabeldragning

För kabeldragning från motorn till kretsen övervägdes flera alternativ: krokodilklämmor för mock -up, telefonsladd och högtalarkabel.

Alligatorklämmorna visade sig fungera bra för förhöjda design- och teständamål men de var inte tillräckligt stabila för den slutliga designen. Telefonkabeln visade sig vara ömtålig och svår att arbeta med. Högtalartråd testades på grund av dess hållbarhet och blev därför den ledande ledaren. Även om det var strängad tråd, var det mycket mer hållbart på grund av dess större diameter. Vi fäst sedan bara tråden på ramen med hjälp av dragkedjor.

Steg 6: Den faktiska kretsen

Att hantera kretsarna var processens svåraste utmaning. El från motorn går först genom en spänningsregulator som tillåter upp till en kontinuerlig ström på fem ampere; en större ström än andra regulatorer skulle passera. Därifrån trappas spänningen ner till 2,5 volt vilket är det maximala BOOSTCAP kan lagra och hantera på ett säkert sätt. När BOOSTCAP uppnår 1,2 volt har den tillräckligt med ström för att MintyBoost ska kunna tillhandahålla en 5 volt källa för enheten som laddas.

På ingångstrådarna anslöt vi en 5A-diod så att vi inte får en "assisterad start-effekt", där motorn skulle börja snurra med hjälp av lagrad elektricitet. Vi använde kondensatorn 2200uF för att jämna ut strömflödet till spänningsregulatorn. Spänningsregulatorn som vi använde, en LM338, är justerbar beroende på hur du ställer in den, enligt vårt kretsschema. För våra ändamål bestämmer jämförelsen av två motstånd, 120ohm och 135 ohm, anslutna till regulatorn utspänningen. Vi använder den för att minska spänningen från ~ 6 volt till 2,5 volt. Vi tar sedan 2,5 volt och använder den för att ladda vår ultrakapacitor, en 140 farad, 2,5 volt BOOSTCAP tillverkad av Maxwell Technologies. Vi valde BOOSTCAP eftersom dess höga kapacitans gör att vi kan hålla en laddning även om cykeln stoppas vid rött ljus. Nästa del av denna krets är något jag är säker på att du alla känner till, Adafruit MintyBoost. Vi använde den för att ta 2,5 volt från ultrakapacitorn och öka den till en stabil 5 volt, USB -standarden. Den använder en MAX756, 5 volt boost -omvandlare tillsammans med en 22uH induktor. När vi får 1,2 volt över ultrakapacitorn börjar MintyBoost att mata ut de 5 volt. Vår krets kompletterar funktionen hos MintyBoost USB -laddare, ursprungligen utvecklad av Limor Fried, från Adafruit Industries. MintyBoost använder AA -batterier för att ladda bärbara elektroniska enheter. Vår oberoende konstruerade krets ersätter AA -batterierna och levererar ström till MintyBoost. Denna krets minskar ~ 6 volt från motorn till 2,5 volt. Detta gör att motorn kan ladda BoostCap (140 F), som i sin tur levererar ström till MintyBoost -kretsarna. Ultrakondensatorn lagrar energi för att kontinuerligt ladda USB -enheten även när cykeln inte är i rörelse.

Steg 7: Kapslingen

För att skydda kretsen från yttre element var en kapsling nödvändig. Ett "piller" av PVC -rör och ändlock valdes, med en diameter på 6 cm och en längd på 18 cm. Även om dessa dimensioner är stora jämfört med kretsen, gjorde detta konstruktionen bekvämare. En produktionsmodell skulle vara mycket mindre. PVC valdes utifrån hållbarhet, nästan perfekt väderbeständighet, aerodynamisk form och låg kostnad. Experiment utfördes också på behållare tillverkade av rå kolfiber som blötläggts i epoxi. Denna struktur visade sig vara både stark och lätt. Byggprocessen var dock extremt tidskrävande och svår att bemästra.

Steg 8: Testa

För kondensatorerna testar vi två olika typer, BOOSTCAP och en superkondensator.

Den första grafen visar användningen av superkondensatorn, som är integrerad med kretsen så att när motorn är aktiv laddas kondensatorn. Vi använde inte denna komponent eftersom superkondensatorn laddades med extrem hastighet, men den laddades ur för snabbt för våra ändamål. Den röda linjen representerar motorns spänning, den blå linjen representerar superkondensatorns spänning och den gröna linjen representerar USB -portens spänning. Den andra grafen är data som samlats in med BOOSTCAP ultrakapacitorn. Den röda linjen representerar motorns spänning, den blå är ultrakondensatorns spänning och den gröna linjen representerar USB -portens spänning. Vi valde att använda ultrakapacitorn eftersom, som detta test indikerar, kommer ultrakapacitorn att fortsätta hålla sin laddning även efter att föraren har slutat röra sig. Anledningen till hoppet i USB -spänningen är att ultrakondensatorn nådde den spänningströskel som var nödvändig för att aktivera MintyBoost. Båda dessa tester utfördes under en period av 10 minuter. Ryttaren trampade i de första 5, sedan såg vi hur spänningarna skulle reagera under de sista 5 minuterna. Den sista bilden är en Google Earth -bild på var vi gjorde våra tester. Den här bilden visar att vi började på vår skola och sedan gjorde två varv på Levagood Park för ett totalt ungefärligt avstånd på 1 mil. Färgerna på denna karta motsvarar ryttarens hastighet. Den lila linjen är cirka 28,9 mph, den blå linjen 21,7 mph, den gröna linjen 14,5 mph och den gula linjen 7,4 mph.

Steg 9: Framtidsplaner

För att göra enheten mer ekonomiskt livskraftig som konsumentprodukt måste flera förbättringar göras inom områdena väderbeständighet, strömkretslinjeformning och kostnadsminskning. Väderskydd är avgörande för enhetens långsiktiga drift. En teknik som övervägdes för motorn var att innesluta den i en Nalgene -behållare. Dessa behållare är kända för att vara vattentäta och nästan oförstörbara. (Ja, vi körde över en med en bil utan någon effekt.) Ytterligare skydd efterlystes mot naturkrafterna. Expansionsskum skulle täta enheten, men materialet har begränsningar. Det är inte bara svårt att placera korrekt, det skulle också förhindra ventilation som är avgörande för enhetens övergripande funktion.

När det gäller effektivisering av kretsen inkluderar möjligheterna ett multitasking -spänningsregulatorchip och ett anpassat kretskort (PCB). Chippet kan ersätta flera spänningsregulatorer, detta skulle minska både produktens storlek och värmeeffekt. Att använda ett kretskort ger en mer stabil bas eftersom anslutningarna kommer att vara direkt på kortet och inte flyta under det. I begränsad utsträckning kommer den att fungera som en kylfläns på grund av kopparspårningen i brädet. Denna förändring skulle minska behovet av överdriven ventilation och öka komponentens livslängd. Kostnadsminskning är den absolut viktigaste och svåraste förändringen som måste göras i designen. Kretsen i sig är extremt billig, men motorn kostar $ 275. En sökning pågår efter en mer kostnadseffektiv motor som fortfarande uppfyller våra energibehov.

Steg 10: Slutför

Tack för att du läser vår Instructable, om du har några frågor är du välkommen att ställa.

Här är några av bilderna från vår presentation på MIT.