Si të karikoni çdo pajisje USB duke ngasur biçikletën tuaj: 10 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:29

Për të filluar, ky projekt filloi kur morëm një grant nga Programi Lemelson-MIT. (Josh, nëse po e lexon këtë, ne të duam.)

Një ekip prej 6 studentësh dhe një mësuesi e bashkuan këtë projekt, dhe ne kemi vendosur ta vendosim atë në Instructables me shpresën për të fituar një prestar lazer, ose të paktën një bluzë. Ajo që vijon, është një përmbledhje e prezantimit tonë dhe shënimeve të mia personale. Shpresoj që ta shijoni këtë Udhëzues aq sa ne. Gjithashtu do të doja të falënderoja Limor Fried, krijuesen e qarkut MintyBoost. Ai luajti një rol kyç në projektin tonë. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam Anëtar

Hapi 1: Synimi ynë origjinal…

Projekti ynë origjinal ishte të zhvillonim një produkt që përdorte Parimin Faraday për të lejuar vrapuesit të karikojnë iPod -et e tyre gjatë funksionimit të tyre. Ky koncept do të gjeneronte energji elektrike në të njëjtën mënyrë siç bëjnë elektrik dore Faraday.

Megjithatë, ne kishim një problem. Për të cituar shokun tim të skuadrës, Nick Ciarelli, "Në fillim ne konsideruam përdorimin e një modeli të ngjashëm me njërin prej atyre elektrikëve të shkundur dhe konvertimin e tij në mënyrë që një vrapues ta mbante atë për vrapim dhe të kishte energji për të ngarkuar iPod-in e tyre ose çfarëdo pajisje që ata Përdorimi. Drita shkundëse merr energjinë e saj nga bashkëveprimi i fushës magnetike në lëvizje të magnetit në elektrik dore dhe spiralja e telit të mbështjellë rreth tubit në të cilën rrëshqet magneti. Fusha magnetike në lëvizje bën që elektronet në spirale të lëvizin përgjatë tela, duke krijuar një rrymë elektrike. Kjo rrymë më pas ruhet në një bateri, e cila më pas është e disponueshme për t'u përdorur për llambën e elektrik dore/LED. Megjithatë, kur llogaritëm sa energji do të ishim në gjendje të merrnim nga një vrapim, ne përcaktuam se do të duheshin një vrapim 50 milje për të marrë energji të mjaftueshme për të ngarkuar një bateri AA. Kjo ishte e paarsyeshme kështu që ne e ndryshuam projektin tonë në sistemin e biçikletave. " Ne pastaj vendosëm të përdorim një sistem të montuar në biçikletë në vend.

Hapi 2: Deklarata jonë e shpikjes dhe Evolucioni i Konceptit

Ne fillimisht kemi teorizuar zhvillimin dhe realizueshmërinë e një sistemi rigjenerues të frenimit për përdorim në biçikleta. Ky sistem do të krijojë një burim energjie celular për të zgjatur jetën e baterisë të pajisjeve elektronike portative të transportuara nga kalorësi.

Gjatë fazës së eksperimentimit, sistemi rigjenerues i frenimit u zbulua se ishte i paaftë për të përmbushur funksionet e tij të dyfishta njëkohësisht. Nuk mund të prodhojë çift rrotullues të mjaftueshëm për të ndaluar biçikletën, as të gjenerojë energji të mjaftueshme për të rimbushur bateritë. Prandaj, ekipi zgjodhi të braktisë aspektin e frenimit të sistemit, të përqëndrohet vetëm në zhvillimin e një sistemi të karikimit të vazhdueshëm. Ky sistem, pasi u ndërtua dhe u hulumtua, u tregua plotësisht i aftë për të arritur objektivat e dëshiruara.

Hapi 3: Hartoni një qark

Për të filluar, ne duhej të krijonim një qark që mund të merrte 6 volt from nga motori, ta ruanim dhe më pas ta konvertonim në 5 voltët që na duheshin për pajisjen USB.

Qarku që ne projektuam plotëson funksionin e ngarkuesit USB MintyBoost, i zhvilluar fillimisht nga Limor Fried, i Adafruit Industries. MintyBoost përdor bateri AA për të karikuar pajisje elektronike portative. Qarku ynë i ndërtuar në mënyrë të pavarur zëvendëson bateritë AA dhe furnizon me energji MintyBoost. Ky qark zvogëlon vol 6 volt nga motori në 2.5 volt. Kjo lejon që motori të ngarkojë BoostCap (140 F), i cili nga ana tjetër furnizon energji në qarkun MintyBoost. Ultracapacitor ruan energji për të ngarkuar vazhdimisht pajisjen USB edhe kur biçikleta nuk është në lëvizje.

Hapi 4: Marrja e energjisë

Përzgjedhja e një motori rezultoi një detyrë më sfiduese.

Motorët e shtrenjtë siguruan çift rrotullues të duhur të nevojshëm për të krijuar burimin e frenimit, megjithatë kostoja ishte e lartë. Për të bërë një pajisje të përballueshme dhe efektive, një zgjidhje tjetër ishte e nevojshme. Projekti u ridizajnua si një sistem karikimi të vazhdueshëm, nga të gjitha mundësitë motori Maxon do të ishte një zgjedhje më e mirë për shkak të diametrit të tij më të vogël. Motori Maxon gjithashtu siguroi 6 volt, ku si motorët e mëparshëm na dhanë më shumë se 20 volt. Për këtë të fundit, mbinxehja e motorit do të ishte një çështje e madhe. Ne vendosëm të qëndrojmë me Maxon 90, i cili ishte një motor i bukur, edhe pse kostoja e tij ishte 275 dollarë. (Për ata që dëshirojnë të ndërtojnë këtë projekt, një motor më i lirë do të jetë i mjaftueshëm.) Ne e lidhëm këtë motor pranë montimeve të frenave të pasme direkt në kornizën e biçikletës duke përdorur një pjesë të një shkopi metër midis motorit dhe kornizës për të vepruar si një ndarës, atëherë shtrëngoi 2 kapëse për zorrë rreth tij.

Hapi 5: Instalimet elektrike

Për instalimet elektrike nga motori në qark u konsideruan disa opsione: kapësa aligatorësh për tallen, kordonin e telefonit dhe telin e altoparlantit.

Klipet e aligatorit u vërtetuan se funksionojnë mirë për qëllimet e modelimit dhe testimit, por ato nuk ishin mjaft të qëndrueshme për modelin përfundimtar. Teli i telefonit u tregua i brishtë dhe i vështirë për të punuar me të. Teli i altoparlantit u testua për shkak të qëndrueshmërisë së tij, duke u bërë kështu përçuesi i zgjedhur. Edhe pse ishte tel i bllokuar, ishte shumë më i qëndrueshëm për shkak të diametrit të tij më të madh. Ne vetëm pastaj e lidhëm tela në kornizë duke përdorur lidhëse zip.

Hapi 6: Qarku Aktual

Trajtimi i qarkut ishte sfida më e vështirë e procesit. Energjia elektrike nga motori së pari udhëton përmes një rregullatori të tensionit i cili do të lejojë deri në një rrymë të vazhdueshme pesë amp; do të kalonte një rrymë më e madhe se rregullatorët e tjerë. Prej aty tensioni zbret në 2.5 volt që është maksimumi që BOOSTCAP mund të ruajë dhe trajtojë në mënyrë të sigurt. Sapo BOOSTCAP të arrijë 1.2 volt, ai ka fuqi të mjaftueshme për të lejuar MintyBoost të sigurojë një burim 5 volt për pajisjen që ngarkohet.

Në telat e hyrjes ne bashkangjitëm një diodë 5A në mënyrë që të mos marrim një "efekt të fillimit të asistuar", ku motori do të fillonte të rrotullohej duke përdorur energjinë elektrike të ruajtur. Ne përdorëm kondensatorin 2200uF për të barazuar rrjedhën e energjisë në rregullatorin e tensionit. Rregullatori i tensionit që kemi përdorur, një LM338, është i rregullueshëm në varësi të mënyrës se si e vendosni atë, siç shihet në diagramin tonë të qarkut. Për qëllimet tona, krahasimi i dy rezistorëve, 120ohm dhe 135 Ohm, të lidhur me rregullatorin përcakton tensionin e daljes. Ne e përdorim atë për të zvogëluar tensionin nga vol 6 volt në 2.5 volt. Ne pastaj marrim 2.5 volt dhe e përdorim atë për të ngarkuar ultracapacitor tonë, një 140 farad, 2.5 volt BOOSTCAP bërë nga Maxwell Technologies. Ne zgjodhëm BOOSTCAP sepse kapaciteti i tij i lartë do të na lejojë të mbajmë një ngarkesë edhe nëse biçikleta ndalet në një dritë të kuqe. Pjesa tjetër e këtij qarku është diçka për të cilën jam i sigurt se të gjithë e njihni, Adafruit MintyBoost. Ne e përdorëm atë për të marrë 2.5 volt nga ultracapacitor dhe për të rritur atë në një 5 volt të qëndrueshme, standardi USB. Ai përdor një konvertues MAX756, 5 volt të shoqëruar me një induktor 22uH. Sapo të marrim 1.2 volt në ultracapacitor, MintyBoost do të fillojë të prodhojë 5 volt. Qarku ynë plotëson funksionin e ngarkuesit MintyBoost USB, i zhvilluar fillimisht nga Limor Fried, i Adafruit Industries. MintyBoost përdor bateri AA për të karikuar pajisje elektronike portative. Qarku ynë i ndërtuar në mënyrë të pavarur zëvendëson bateritë AA dhe furnizon me energji MintyBoost. Ky qark zvogëlon vol 6 volt nga motori në 2.5 volt. Kjo lejon që motori të ngarkojë BoostCap (140 F), i cili nga ana tjetër furnizon energji me qarkun MintyBoost. Ultracapacitor ruan energji për të ngarkuar vazhdimisht pajisjen USB edhe kur biçikleta nuk është në lëvizje.

Hapi 7: Mbyllja

Për të mbrojtur qarkun nga elementët e jashtëm, ishte e nevojshme një rrethim. U zgjodh një "pilulë" e tubave PVC dhe kapakëve fundorë, me një diametër 6cm dhe një gjatësi 18cm. Ndërsa këto dimensione janë të mëdha kur krahasohen me qarkun, kjo e bëri ndërtimin më të përshtatshëm. Një model prodhimi do të ishte shumë më i vogël. PVC u zgjodh bazuar në qëndrueshmërinë, rezistencën pothuajse të përsosur të motit, formën aerodinamike dhe koston e ulët. Eksperimentet u kryen gjithashtu në kontejnerë të krijuar nga fibra karboni të papërpunuara të njomura në epoksi. Kjo strukturë rezultoi se ishte e fortë dhe e lehtë. Sidoqoftë, procesi i ndërtimit ishte shumë kohë dhe i vështirë për tu zotëruar.

Hapi 8: Testimi

Për kondensatorët, ne testojmë dy lloje të ndryshme, BOOSTCAP dhe një super kondensator.

Grafiku i parë përshkruan përdorimin e superkondensatorit, i cili është i integruar me qarkun, kështu që kur motori është aktiv, kondensatori do të ngarkohet. Ne nuk e përdorëm këtë komponent sepse, ndërsa superkondensatori u ngarkua me shpejtësi ekstreme, ai u shkarkua shumë shpejt për qëllimet tona. Linja e kuqe përfaqëson tensionin e motorit, vija blu përfaqëson tensionin e superkondensatorit, dhe linja jeshile përfaqëson tensionin e portës USB. Grafiku i dytë janë të dhënat e mbledhura me ultracapacitor BOOSTCAP. Linja e kuqe përfaqëson tensionin e motorit, bluja është tensioni i ultrakapacitorit, dhe vija e gjelbër përfaqëson tensionin e portës USB. Ne zgjodhëm të përdorim ultracapacitor sepse, siç tregon ky test, ultracapacitor do të vazhdojë të mbajë ngarkesën e tij edhe pasi kalorësi të ketë ndalur së lëvizuri. Arsyeja për kërcimin e tensionit USB është sepse ultracapacitor arriti pragun e tensionit të nevojshëm për të aktivizuar MintyBoost. Të dyja këto teste u kryen për një periudhë prej 10 minutash. Kalorësi bëri pedale për 5 të parat, pastaj vumë re se si do të reagonin tensionet për 5 minutat e fundit. Fotografia e fundit është një fotografi e Google Earth se ku kemi bërë testimin tonë. Kjo fotografi tregon se ne filluam në shkollën tonë, dhe pastaj bëmë dy xhiro në Levagood Park për një distancë totale të përafërt prej 1 milje. Ngjyrat e kësaj harte korrespondojnë me shpejtësinë e kalorësit. Linja vjollce është afërsisht 28.9 mph, vija blu 21.7 mph, linja jeshile 14.5 mph dhe vija e verdhë 7.4 mph.

Hapi 9: Planet e së ardhmes

Për ta bërë pajisjen më të qëndrueshme ekonomikisht si një produkt konsumator, duhet të bëhen disa përmirësime në fushat e mbrojtjes nga moti, përmirësimit të qarkut dhe uljes së kostos. Korrigjimi i motit është kritik për funksionimin afatgjatë të njësisë. Një teknikë e konsideruar për motorin ishte mbyllja e tij në një enë Nalgene. Këta kontejnerë njihen si të papërshkueshëm nga uji dhe gati të pathyeshëm. (Po, ne e kapëm një me një makinë pa efekt të keq.) U kërkua mbrojtje shtesë kundër forcave të natyrës. Shkuma e zgjerimit do të mbyllte njësinë, megjithatë materiali ka kufizime. Jo vetëm që është e vështirë të pozicionohet siç duhet, por gjithashtu do të parandalonte ventilimin thelbësor për funksionimin e përgjithshëm të pajisjes.

Sa i përket përmirësimit të qarkut, mundësitë përfshijnë një çip rregullator të tensionit me shumë detyra dhe një bord qarkor të printuar me porosi (PCB). Çipi mund të zëvendësojë rregullatorë të shumtë të tensionit, kjo do të zvogëlojë madhësinë e produktit dhe prodhimin e nxehtësisë. Përdorimi i një PCB do të sigurojë një bazë më të qëndrueshme sepse lidhjet do të jenë drejtpërdrejt në tabelë dhe nuk do të notojnë nën të. Në një masë të kufizuar do të veprojë si një lavaman për shkak të gjurmimit të bakrit në tabelë. Ky ndryshim do të zvogëlojë nevojën për ventilim të tepërt dhe do të rrisë jetën e komponentit. Ulja e kostos është ndryshimi më i rëndësishëm dhe më i vështirë që duhet bërë në dizajn. Qarku në vetvete është jashtëzakonisht i lirë, megjithatë motori kushton 275 dollarë. Një kërkim është duke u zhvilluar për një motor me kosto më efikase që do të plotësojë ende nevojat tona për energji.

Hapi 10: Përfundoni

Faleminderit që lexuat Instructable tonë, nëse keni ndonjë pyetje mos ngurroni të pyesni.

Këtu janë disa nga fotografitë nga prezantimi ynë në MIT.