Een USB-apparaat opladen door te fietsen: 10 stappen (met afbeeldingen) Antwoorden op al uw "Hoe?"

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Om te beginnen is dit project gestart toen we een subsidie ontvingen van het Lemelson-MIT-programma. (Josh, als je dit leest, we houden van je.)

Een team van 6 studenten en een leraar hebben dit project samengesteld en we hebben besloten om het op Instructables te plaatsen in de hoop een lasercutter te winnen, of op zijn minst een t-shirt. Wat volgt, is een compilatie van onze presentatie en mijn eigen persoonlijke aantekeningen. Ik hoop dat je net zoveel van deze Instructable geniet als wij. Ik wil ook graag Limor Fried bedanken, de maker van het MintyBoost-circuit. Het speelde een belangrijke rol in ons project. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam-lid

Stap 1: Onze oorspronkelijke bedoeling…

Ons oorspronkelijke project was om een product te ontwikkelen dat het Faraday-principe gebruikte om hardlopers in staat te stellen hun iPods op te laden terwijl ze rennen. Dit concept zou op dezelfde manier elektriciteit opwekken als die Faraday-zaklampen.

We hadden echter een probleem. Om mijn teamgenoot Nick Ciarelli te citeren: Eerst overwogen we een ontwerp te gebruiken dat lijkt op een van die opschudbare zaklampen en deze om te bouwen zodat een hardloper hem kan vastmaken voor een run en energie heeft om zijn iPod of welk apparaat dan ook op te laden. gebruik. De shake-up zaklamp krijgt zijn energie uit de interactie van het bewegende magnetische veld van de magneet in de zaklamp en de draadspoel die om de buis is gewikkeld waar de magneet doorheen glijdt. Het bewegende magnetische veld zorgt ervoor dat elektronen in de spoel meebewegen de draad, waardoor een elektrische stroom ontstaat. Deze stroom wordt vervolgens opgeslagen in een batterij, die vervolgens kan worden gebruikt voor de zaklamp/LED. Toen we echter berekenden hoeveel energie we zouden kunnen halen uit een run, bepaalden we dat het 80 kilometer zou duren om genoeg energie te krijgen om één AA-batterij op te laden. Dit was onredelijk, dus hebben we ons project veranderd in het fietssysteem.' We hebben toen besloten om in plaats daarvan een op de fiets gemonteerd systeem te gebruiken.

Stap 2: Onze uitvindingsverklaring en conceptevolutie

We hebben aanvankelijk de ontwikkeling en haalbaarheid van een regeneratief remsysteem voor gebruik op fietsen getheoretiseerd. Dit systeem zou een mobiele stroombron creëren om de levensduur van de batterij te verlengen van draagbare elektronische apparaten die door de berijder worden gedragen.

Tijdens de experimenteerfase bleek het regeneratieve remsysteem niet in staat om zijn dubbele functies tegelijkertijd te vervullen. Het kon niet genoeg koppel produceren om de fiets te stoppen, en ook niet genoeg vermogen om de batterijen op te laden. Het team koos er daarom voor om het remaspect van het systeem los te laten en zich uitsluitend te richten op de ontwikkeling van een continu laadsysteem. Dit systeem, eenmaal gebouwd en onderzocht, bleek volledig in staat om de gewenste doelstellingen te bereiken.

Stap 3: Ontwerp een circuit

Om te beginnen moesten we een circuit ontwerpen dat de ~6 volt van de motor kon nemen, opslaan en vervolgens omzetten in de 5 volt die we nodig hadden voor het USB-apparaat.

Het circuit dat we hebben ontworpen, vormt een aanvulling op de functie van de MintyBoost USB-oplader, oorspronkelijk ontwikkeld door Limor Fried van Adafruit Industries. De MintyBoost gebruikt AA-batterijen om draagbare elektronische apparaten op te laden. Ons onafhankelijk opgebouwde circuit vervangt de AA-batterijen en levert stroom aan de MintyBoost. Deze schakeling reduceert de ~6 volt van de motor tot 2,5 volt. Hierdoor kan de motor de BoostCap (140 F) opladen, die op zijn beurt stroom levert aan het MintyBoost-circuit. De ultracondensator slaat energie op om het USB-apparaat continu op te laden, zelfs als de fiets niet in beweging is.

Stap 4: Macht krijgen

Het selecteren van een motor bleek een meer uitdagende taak.

Dure motoren zorgden voor het juiste koppel dat nodig was om de rembron te creëren, maar de kosten waren onbetaalbaar. Om een betaalbaar en effectief apparaat te maken was een andere oplossing nodig. Het project werd opnieuw ontworpen als een continu laadsysteem, uit alle mogelijkheden zou de Maxon-motor een betere keuze zijn vanwege zijn kleinere diameter. De Maxon-motor leverde ook 6 volt, terwijl eerdere motoren ons meer dan 20 volt gaven. Voor de laatste motor zou oververhitting een groot probleem zijn. We besloten om bij onze Maxon 90 te blijven, wat een prachtige motor was, ook al kostte het $ 275. (Voor degenen die dit project willen bouwen, is een goedkopere motor voldoende.) We hebben deze motor dicht bij de achterrembevestigingen direct op het fietsframe bevestigd met behulp van een stuk meterstok tussen de motor en het frame om als afstandsstuk te fungeren, 2 slangklemmen er omheen vastgedraaid.

Stap 5: Bedrading

Voor de bedrading van de motor naar het circuit zijn verschillende opties overwogen: krokodillenklemmen voor mock-up, telefoonsnoer en luidsprekerdraad.

De krokodillenklemmen bleken goed te werken voor het mock-upontwerp en testdoeleinden, maar ze waren niet stabiel genoeg voor het uiteindelijke ontwerp. De telefoondraad bleek kwetsbaar en moeilijk om mee te werken. Luidsprekerdraad werd getest vanwege zijn duurzaamheid en werd daarom de favoriete geleider. Hoewel het gevlochten draad was, was het veel duurzamer vanwege de grotere diameter. Vervolgens hebben we de draad gewoon aan het frame bevestigd met behulp van kabelbinders.

Stap 6: Het werkelijke circuit

De schakelingen aanpakken was de moeilijkste uitdaging van het proces. Elektriciteit van de motor gaat eerst door een spanningsregelaar die een continue stroom van vijf ampère mogelijk maakt; een grotere stroom dan andere regelaars zouden passeren. Van daaruit wordt de spanning verlaagd tot 2,5 volt, wat het maximum is dat de BOOSTCAP kan opslaan en veilig kan verwerken. Zodra de BOOSTCAP 1,2 volt bereikt, heeft deze voldoende stroom om de MintyBoost in staat te stellen een 5 volt-bron te leveren voor het apparaat dat wordt opgeladen.

Op de ingangsdraden hebben we een 5A-diode bevestigd, zodat we geen "assisted-start-effect" krijgen, waarbij de motor zou beginnen te draaien door de opgeslagen elektriciteit te gebruiken. We gebruikten de 2200uF-condensator om de stroomtoevoer naar de spanningsregelaar te egaliseren. De spanningsregelaar die we gebruikten, een LM338, is instelbaar afhankelijk van hoe je hem instelt, zoals te zien is in ons schakelschema. Voor onze doeleinden bepaalt de vergelijking van twee weerstanden, 120 ohm en 135 ohm, aangesloten op de regelaar, de uitgangsspanning. We gebruiken het om de spanning te verlagen van ~6 volt naar 2,5 volt. We nemen dan de 2,5 volt en gebruiken deze om onze ultracapacitor op te laden, een 140 farad, 2,5 volt BOOSTCAP gemaakt door Maxwell Technologies. We hebben voor de BOOSTCAP gekozen omdat we met zijn hoge capaciteit een lading kunnen vasthouden, zelfs als de fiets voor een rood licht staat. Het volgende deel van dit circuit is iets dat jullie vast allemaal wel kennen, de Adafruit MintyBoost. We gebruikten het om de 2,5 volt van de ultracondensator te halen en op te voeren naar een stabiele 5 volt, de USB-standaard. Het maakt gebruik van een MAX756, 5 volt boost-converter in combinatie met een 22uH-inductor. Zodra we 1,2 volt over de ultracondensator krijgen, begint de MintyBoost de 5 volt uit te voeren. Ons circuit is een aanvulling op de functie van de MintyBoost USB-oplader, oorspronkelijk ontwikkeld door Limor Fried van Adafruit Industries. De MintyBoost gebruikt AA-batterijen om draagbare elektronische apparaten op te laden. Ons onafhankelijk opgebouwde circuit vervangt de AA-batterijen en levert stroom aan de MintyBoost. Deze schakeling reduceert de ~6 volt van de motor tot 2,5 volt. Hierdoor kan de motor de BoostCap (140 F) opladen, die op zijn beurt stroom levert aan het MintyBoost-circuit. De ultracondensator slaat energie op om het USB-apparaat continu op te laden, zelfs als de fiets niet in beweging is.

Stap 7: De behuizing

Om het circuit te beschermen tegen externe elementen, was een behuizing nodig. Er is gekozen voor een "pil" van PVC-buizen en eindkappen, met een diameter van 6 cm en een lengte van 18 cm. Hoewel deze afmetingen groot zijn in vergelijking met het circuit, maakte dit de constructie handiger. Een productiemodel zou veel kleiner zijn. Het PVC werd geselecteerd op basis van duurzaamheid, bijna perfecte weersbestendigheid, aerodynamische vorm en lage kosten. Er werden ook experimenten uitgevoerd op containers gemaakt van ruwe koolstofvezel gedrenkt in epoxy. Deze structuur bleek zowel sterk als licht van gewicht te zijn. Het bouwproces was echter extreem tijdrovend en moeilijk te beheersen.

Stap 8: Testen

Voor de condensatoren testen we twee verschillende types, de BOOSTCAP en een supercondensator.

De eerste grafiek toont het gebruik van de supercondensator, die is geïntegreerd met het circuit, zodat wanneer de motor actief is, de condensator zal opladen. We hebben dit onderdeel niet gebruikt omdat, terwijl de supercondensator met extreme snelheid werd opgeladen, deze te snel ontlaadde voor onze doeleinden. De rode lijn staat voor de spanning van de motor, de blauwe lijn voor de spanning van de supercondensator en de groene lijn voor de spanning van de USB-poort. De tweede grafiek zijn de gegevens die zijn verzameld met de BOOSTCAP-ultracapacitor. De rode lijn vertegenwoordigt de spanning van de motor, de blauwe is de spanning van de ultracondensator en de groene lijn vertegenwoordigt de spanning van de USB-poort. We hebben ervoor gekozen om de ultracapacitor te gebruiken omdat, zoals deze test aangeeft, de ultracapacitor zijn lading zal blijven vasthouden, zelfs nadat de rijder is gestopt met bewegen. De reden voor de sprong in USB-spanning is omdat de ultracapacitor de spanningsdrempel heeft bereikt die nodig is om de MintyBoost te activeren. Beide tests werden uitgevoerd over een periode van 10 minuten. De rijder trapte de eerste 5 minuten, daarna observeerden we hoe de spanningen de laatste 5 minuten zouden reageren. De laatste foto is een Google Earth-opname van waar we onze tests hebben gedaan. Deze foto laat zien dat we zijn begonnen op onze school en daarna twee ronden hebben gereden in Levagood Park voor een totale afstand van ongeveer 1 mijl. De kleuren van deze kaart komen overeen met de snelheid van de rijder. De paarse lijn is ongeveer 28,9 mph, de blauwe lijn 21,7 mph, de groene lijn 14,5 mph en de gele lijn 7,4 mph.

Stap 9: Toekomstplannen

Om het apparaat als consumentenproduct economisch rendabeler te maken, moeten verschillende verbeteringen worden aangebracht op het gebied van weersbestendigheid, stroomlijning van het circuit en kostenreductie. Weersbestendigheid is van cruciaal belang voor de langdurige werking van de unit. Een techniek die voor de motor werd overwogen, was om deze in een Nalgene-container te plaatsen. Deze containers staan bekend als waterdicht en bijna onverwoestbaar. (Ja, we hebben er een aangereden met een auto zonder nadelige gevolgen.) Er werd extra bescherming gezocht tegen natuurkrachten. Expansieschuim zou de unit afdichten, maar het materiaal heeft beperkingen. Het is niet alleen moeilijk om juist te positioneren, maar het zou ook ventilatie verhinderen die essentieel is voor de algehele werking van het apparaat.

Wat betreft de stroomlijning van de schakeling zijn er onder meer mogelijkheden voor een multitasking spanningsregelaarchip en een op maat gemaakte printplaat (PCB). De chip zou meerdere spanningsregelaars kunnen vervangen, dit zou zowel de grootte van het product als de warmteafgifte verminderen. Het gebruik van een PCB zorgt voor een stabielere basis omdat de verbindingen direct op het bord zitten en er niet onder zweven. In beperkte mate zal het als koellichaam fungeren vanwege de koperen tracing in het bord. Deze verandering zou de behoefte aan overmatige ventilatie verminderen en de levensduur van de componenten verlengen. Kostenreductie is verreweg de belangrijkste en moeilijkste verandering die in het ontwerp moet worden aangebracht. Het circuit zelf is extreem goedkoop, maar de motor kost $ 275. Er wordt gezocht naar een meer kostenefficiënte motor die nog steeds aan onze stroombehoeften zal voldoen.

Stap 10: Voltooi

Bedankt voor het lezen van onze Instructable, als je vragen hebt, stel ze gerust.

Hier zijn enkele van de foto's van onze presentatie op het MIT.