Com carregar qualsevol dispositiu USB en bicicleta: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Per començar, aquest projecte es va iniciar quan vam rebre una subvenció del Programa Lemelson-MIT. (Josh, si estàs llegint això, t'estimem.)

Un equip de 6 estudiants i un professor van reunir aquest projecte i hem decidit posar-lo a Instructables amb l’esperança de guanyar un tallador làser, o almenys una samarreta. El que segueix és una recopilació de la nostra presentació i les meves pròpies notes personals. Espero que gaudiu d’aquest Instructable tant com nosaltres. També vull agrair a Limor Fried, creadora del circuit MintyBoost. Va tenir un paper clau en el nostre projecte. Membre d’InvenTeam de Divine Child de Jeff Brookins

Pas 1: la nostra intenció original …

El nostre projecte original era desenvolupar un producte que utilitzava el principi de Faraday per permetre als corredors carregar els seus iPod mentre funcionaven. Aquest concepte generaria electricitat de la mateixa manera que ho fan les llanternes Faraday.

Tot i això, hem tingut un problema. Per citar el meu company d'equip, Nick Ciarelli, "al principi ens vam plantejar d'utilitzar un disseny similar a una d'aquestes llanternes sacsejadores i convertir-les de manera que un corredor pogués lligar-les durant una carrera i tenir energia per carregar el seu iPod o qualsevol dispositiu La llanterna de sacsejat obté la seva energia a partir de la interacció del camp magnètic en moviment de l’imant a la llanterna i de la bobina de filferro que s’enrotlla al voltant del tub per on s’imprimeix l’imant. El camp magnètic en moviment fa que els electrons de la bobina el cable, creant un corrent elèctric. Aquest corrent s’emmagatzema en una bateria, que es pot utilitzar per a la bombeta de la llanterna / LED. No obstant això, quan vam calcular quanta energia podríem obtenir d’una carrera, vam determinar que caldria fer 50 quilòmetres per obtenir prou energia per carregar una bateria AA. Això no era raonable, de manera que vam canviar el nostre projecte pel sistema de bicicletes ". Aleshores vam decidir utilitzar un sistema muntat en bicicleta.

Pas 2: la nostra declaració d'invenció i evolució del concepte

Inicialment, vam teoritzar el desenvolupament i la viabilitat d’un sistema de frenat regeneratiu per a l’ús en bicicletes. Aquest sistema crearia una font d’energia mòbil per allargar la durada de la bateria dels dispositius electrònics portàtils transportats pel pilot.

Durant la fase d’experimentació, es va trobar que el sistema de frenada regenerativa era incapaç de complir les seves funcions duals simultàniament. Ni podria produir un parell suficient per aturar la bicicleta, ni generar prou energia per recarregar les bateries. Per tant, l’equip va optar per abandonar l’aspecte de frenada del sistema, per centrar-se únicament en el desenvolupament d’un sistema de càrrega contínua. Aquest sistema, un cop construït i investigat, va resultar plenament capaç d’assolir els objectius desitjats.

Pas 3: Dissenyeu un circuit

Per començar, vam haver de dissenyar un circuit que pogués treure els ~ 6 volts del motor, emmagatzemar-lo i convertir-lo als 5 volts que necessitàvem per al dispositiu USB.

El circuit que hem dissenyat complementa la funció del carregador USB MintyBoost, desenvolupat originalment per Limor Fried, d’Adafruit Industries. El MintyBoost utilitza bateries AA per carregar dispositius electrònics portàtils. El nostre circuit de construcció independent substitueix les bateries AA i subministra energia a MintyBoost. Aquest circuit redueix els ~ 6 volts del motor a 2,5 volts. Això permet al motor carregar el BoostCap (140 F), que al seu torn subministra energia als circuits MintyBoost. L’ultra-condensador emmagatzema energia per carregar contínuament el dispositiu USB fins i tot mentre la moto no està en moviment.

Pas 4: Obtenir energia

La selecció d’un motor va resultar una tasca més difícil.

Els motors cars proporcionaven el parell adequat necessari per crear la font de frenada, tot i que el cost era prohibitiu. Per fer un dispositiu assequible i eficaç era necessària una altra solució. El projecte es va redissenyar com un sistema de càrrega contínua, entre totes les possibilitats, el motor Maxon seria una opció millor a causa del seu diàmetre més reduït. El motor Maxon també proporcionava 6 volts, on els motors anteriors ens donaven més de 20 volts. Per a aquest últim, el sobreescalfament del motor seria un problema enorme. Vam decidir quedar-nos amb el nostre Maxon 90, que era un motor preciós, tot i que el seu cost era de 275 dòlars. (Per a aquells que vulguin construir aquest projecte, n'hi haurà prou amb un motor més barat.) Hem fixat aquest motor a prop dels suports de fre del darrere directament al marc de la bicicleta fent servir un tros d'un metre entre el motor i el marc per actuar com a separador. va estrènyer 2 mordasses de mànega al seu voltant.

Pas 5: cablejat

Per al cablejat del motor al circuit es van tenir en compte diverses opcions: clips de cocodril per a maquetes, cable de telèfon i filferro d’altaveu.

Els clips de cocodril van demostrar que funcionaven bé per al disseny de maquetes i les proves, però no eren prou estables per al disseny final. El cable telefònic va resultar fràgil i difícil de treballar. El filferro dels altaveus es va provar perquè la seva durabilitat es va convertir en el conductor preferit. Tot i que era de filferro varat, era molt més durador a causa del seu diàmetre més gran. Tot seguit, només hem fixat el cable al marc amb tirants.

Pas 6: el circuit real

Abordar els circuits va ser el repte més difícil del procés. L’electricitat del motor viatja primer a través d’un regulador de tensió que permetrà un corrent continu de cinc amperis; passaria un corrent més gran que el d'altres reguladors. A partir d’aquí, el voltatge es redueix a 2,5 volts, que és el màxim que BOOSTCAP pot emmagatzemar i gestionar amb seguretat. Un cop el BOOSTCAP assoleix 1,2 volts, té prou potència per permetre a MintyBoost proporcionar una font de 5 volts per al dispositiu que es carrega.

Als cables d'entrada hem connectat un díode 5A perquè no obtinguem un "efecte d'arrencada assistida", on el motor començaria a girar utilitzant l'electricitat emmagatzemada. Hem utilitzat el condensador 2200uF per igualar el flux de potència al regulador de tensió. El regulador de voltatge que hem utilitzat, un LM338, es pot ajustar segons com el configureu, tal com es veu al nostre diagrama de circuits. Per als nostres propòsits, la comparació de dues resistències, 120ohm i 135ohm, connectades al regulador determina el voltatge de sortida. L'utilitzem per reduir el voltatge de ~ 6 volts a 2,5 volts. Després agafem els 2,5 volts i l’utilitzem per carregar el nostre ultracondensador, un BOOSTCAP de 140 farad i 2,5 volts fabricat per Maxwell Technologies. Vam triar el BOOSTCAP perquè la seva alta capacitat ens permetrà mantenir una càrrega fins i tot si la moto està aturada en un semàfor vermell. La següent part d’aquest circuit és una cosa que estic segur que tots coneixeu, l’Adafruit MintyBoost. L'hem utilitzat per treure els 2,5 volts de l'ultracondensador i augmentar-lo fins a un volt estable de 5 volts, l'estàndard USB. Utilitza un convertidor d’impulsió MAX756 de 5 volts juntament amb un inductor de 22 uH. Un cop aconseguim 1,2 volts a través de l’ultracondensador, el MintyBoost començarà a generar els 5 volts. El nostre circuit complementa la funció del carregador USB MintyBoost, desenvolupat originalment per Limor Fried, d’Adafruit Industries. El MintyBoost utilitza bateries AA per carregar dispositius electrònics portàtils. El nostre circuit de construcció independent substitueix les bateries AA i subministra energia al MintyBoost. Aquest circuit redueix els ~ 6 volts del motor a 2,5 volts. Això permet al motor carregar el BoostCap (140 F), que al seu torn subministra energia als circuits MintyBoost. L’ultra-condensador emmagatzema energia per carregar el dispositiu USB contínuament fins i tot mentre la moto no està en moviment.

Pas 7: el recinte

Per protegir el circuit d’elements externs, era necessari un recinte. Es va escollir una "pastilla" de tubs de PVC i taps finals, amb un diàmetre de 6 cm i una longitud de 18 cm. Tot i que aquestes dimensions són grans en comparació amb el circuit, això va fer que la construcció fos més convenient. Un model de producció seria molt més petit. El PVC es va seleccionar en funció de la durabilitat, la resistència a la intempèrie gairebé perfecta, la forma aerodinàmica i el baix cost. També es van dur a terme experiments amb envasos elaborats amb fibra de carboni crua mullada en epoxi. Aquesta estructura va resultar ser alhora forta i lleugera. No obstant això, el procés de construcció va suposar un consum de temps i va ser difícil de dominar.

Pas 8: proves

Per als condensadors, provem dos tipus diferents, el BOOSTCAP i un super condensador.

El primer gràfic representa l’ús del supercondensador, que s’integra amb el circuit de manera que, quan el motor està actiu, el condensador es carregarà. No hem utilitzat aquest component perquè, tot i que el supercondensador es carrega a una velocitat extrema, es descarrega massa ràpidament per als nostres propòsits. La línia vermella representa la tensió del motor, la línia blava representa la tensió del supercondensador i la línia verda representa la tensió del port USB. El segon gràfic són les dades recollides amb l’ultracondensador BOOSTCAP. La línia vermella representa la tensió del motor, la blava és la tensió del ultracondensador i la línia verda representa la tensió del port USB. Vam optar per utilitzar l’ultracondensador perquè, com indica aquesta prova, l’ultracondensador continuarà mantenint la seva càrrega fins i tot després que el pilot hagi deixat de moure’s. El motiu del salt del voltatge USB és que l’ultracondensador va assolir el llindar de tensió necessari per activar el MintyBoost. Ambdues proves es van realitzar durant un període de 10 minuts. El pilot va pedalar durant els primers 5 i, a continuació, vam observar com reaccionarien les tensions durant els últims 5 minuts. La darrera imatge és un pla de Google Earth d’on vam fer les proves. Aquesta imatge mostra que vam començar a la nostra escola i després vam fer dues voltes a Levagood Park per una distància aproximada total d’1 milla. Els colors d’aquest mapa corresponen a la velocitat del pilot. La línia morada és d'aproximadament 28,9 mph, la línia blava de 21,7 mph, la línia verda 14,5 mph i la línia groga de 7,4 mph.

Pas 9: Plans de futur

Per tal de fer el dispositiu més viable econòmicament com a producte de consum, cal fer diverses millores en les àrees de resistència a la intempèrie, racionalització de circuits i reducció de costos. La resistència a la intempèrie és fonamental per al funcionament a llarg termini de la unitat. Una tècnica que es va considerar per al motor va ser embolicar-lo en un contenidor Nalgene. Aquests contenidors són coneguts per ser impermeables i gairebé indestructibles. (Sí, n'hem atropellat un amb un cotxe sense cap efecte negatiu.) Es va buscar una protecció addicional contra les forces de la natura. L’escuma d’expansió segellaria la unitat, però el material té limitacions. No només és difícil col·locar-lo correctament, sinó que també impediria la ventilació essencial per al funcionament general del dispositiu.

Quant a la racionalització del circuit, les possibilitats inclouen un xip regulador de tensió multitarea i una placa de circuit imprès personalitzada (PCB). El xip podria substituir diversos reguladors de tensió, cosa que disminuiria tant la mida del producte com la producció de calor. L’ús d’un PCB proporcionarà una base més estable, ja que les connexions estaran directament a la placa i no flotaran sota d’ella. En una mesura limitada, actuarà com a dissipador de calor a causa del traç de coure a la placa. Aquest canvi disminuiria la necessitat d’una ventilació excessiva i augmentaria la vida útil dels components. La reducció de costos és, amb diferència, el canvi més important i difícil que cal fer en el disseny. El circuit en si és extremadament econòmic, però el motor costa 275 dòlars. S’està cercant un motor més eficient que encara satisfaci les nostres necessitats d’energia.

Pas 10: Acabeu

Gràcies per llegir el nostre Instructable, si teniu alguna pregunta, no dubteu a fer-ho.

Aquí hi ha algunes de les imatges de la nostra presentació al MIT.