Kuinka ladata USB -laite polkupyörällä: 10 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Aluksi tämä projekti aloitettiin, kun saimme avustuksen Lemelson-MIT-ohjelmasta. (Josh, jos luet tätä, me rakastamme sinua.)

Kuuden oppilaan ja yhden opettajan tiimi kokosi tämän projektin yhteen, ja olemme päättäneet laittaa sen Instructables-ohjelmaan toivoen voittavan laserleikkurin tai ainakin t-paidan. Seuraavassa on kokoelma esityksestämme ja henkilökohtaisista muistiinpanoistani. Toivottavasti pidät tästä Instructable -ohjelmasta yhtä paljon kuin me. Haluan myös kiittää Limor Friedia, MintyBoost -piirin luojaa. Sillä oli keskeinen rooli projektissamme. Jeff Brookinsin Divine Child InvenTeam -jäsen

Vaihe 1: Alkuperäinen aikomuksemme…

Alkuperäinen projektimme oli kehittää tuote, joka käytti Faradayn periaatetta, jotta juoksijat voisivat ladata iPodinsa käytön aikana. Tämä konsepti tuottaisi sähköä samalla tavalla kuin Faraday -taskulamput.

Meillä oli kuitenkin ongelma. Lainatakseni tiimikaveriani Nick Ciarelliä: "Aluksi harkitsimme sellaisen mallin käyttämistä, joka muistutti yhtä näistä ravistettavista taskulampuista, ja muutimme sen niin, että juoksija voi kiinnittää sen juoksulenkille ja saada energiaa iPodin tai minkä tahansa laitteen lataamiseen. Ravistettava taskulamppu saa energiansa taskulampussa olevan magneetin liikkuvan magneettikentän ja putken ympärille käärityn lankakelan vuorovaikutuksesta, jonka magneetti liukuu läpi. Liikkuva magneettikenttä saa kelan elektronit liikkumaan johdin, jolloin syntyy sähkövirta. Tämä virta tallennetaan sitten akkuun, joka on sitten käytettävissä taskulampun lampulle/LEDille. Kuitenkin kun laskimme kuinka paljon energiaa saisimme ajon aikana, päätimme että tarvittaisiin 50 kilometrin juoksu saadakseen tarpeeksi energiaa yhden AA-pariston lataamiseen. Tämä oli kohtuutonta, joten muutimme projektimme pyöräjärjestelmäksi. " Päätimme sitten käyttää pyörään asennettua järjestelmää.

Vaihe 2: Keksintölausunto ja konseptikehitys

Aluksi teorioimme polkupyörissä käytettävän regeneratiivisen jarrujärjestelmän kehittämistä ja toteutettavuutta. Tämä järjestelmä loisi liikkuvan virtalähteen pidentääkseen kuljettajan kuljettamien kannettavien elektronisten laitteiden akun käyttöikää.

Kokeiluvaiheessa regeneratiivisen jarrujärjestelmän todettiin kykenemättömäksi täyttämään kaksi tehtäväänsä samanaikaisesti. Se ei kyennyt tuottamaan tarpeeksi vääntöä pyörän pysäyttämiseen eikä tuottamaan tarpeeksi virtaa akkujen lataamiseen. Siksi tiimi päätti luopua järjestelmän jarrutuksesta ja keskittyä yksinomaan jatkuvan latausjärjestelmän kehittämiseen. Kun tämä järjestelmä on rakennettu ja tutkittu, se osoittautui täysin kykeneväksi saavuttamaan halutut tavoitteet.

Vaihe 3: Suunnittele piiri

Aloittaaksemme meidän oli suunniteltava piiri, joka voisi ottaa ~ 6 volttia moottorista, tallentaa sen ja muuntaa sen sitten 5 voltiksi, jota tarvitsimme USB -laitteelle.

Suunnittelemamme piiri täydentää MintyBoost USB -laturin toimintoa, jonka on alun perin kehittänyt Limor Fried, Adafruit Industries. MintyBoost käyttää AA -paristoja kannettavien elektronisten laitteiden lataamiseen. Itsenäisesti rakennettu virtapiirimme korvaa AA -paristot ja syöttää virtaa MintyBoostille. Tämä piiri vähentää ~ 6 volttia moottorista 2,5 volttiin. Tämä mahdollistaa moottorin ladata BoostCapin (140 F), joka puolestaan syöttää virtaa MintyBoost -piiriin. Ultrakondensaattori tallentaa energiaa USB -laitteen jatkuvaan lataamiseen, vaikka pyörä ei ole liikkeessä.

Vaihe 4: Virran saaminen

Moottorin valinta osoittautui haastavammaksi tehtäväksi.

Kalliit moottorit tarjosivat oikean vääntömomentin, joka tarvitaan jarrulähteen luomiseen, mutta kustannukset olivat kohtuuttomat. Edullisen ja tehokkaan laitteen valmistamiseksi tarvittiin toinen ratkaisu. Projekti suunniteltiin uudelleen jatkuvaksi latausjärjestelmäksi, ja kaikista mahdollisuuksista Maxon -moottori olisi parempi valinta pienemmän halkaisijansa vuoksi. Maxon -moottori tarjosi myös 6 volttia, kun edelliset moottorit antoivat meille 20 volttia ylöspäin. Jälkimmäiselle moottorin ylikuumeneminen olisi valtava ongelma. Päätimme pitää kiinni Maxon 90: stä, joka oli kaunis moottori, vaikka sen hinta oli 275 dollaria. (Niille, jotka haluavat rakentaa tämän projektin, halvempi moottori riittää.) Kiinnitimme tämän moottorin takajarrujen kiinnikkeiden lähelle suoraan pyörän runkoon käyttämällä moottorin ja rungon välistä mittatikkua toimimaan välikappaleena. kiristä 2 letkunkiristintä sen ympärille.

Vaihe 5: Johdotus

Johdotuksessa moottorista virtapiiriin harkittiin useita vaihtoehtoja: alligaattoripidikkeet malliksi, puhelinjohto ja kaiutinjohto.

Alligaattoripidikkeet osoittautuivat toimiviksi mallisuunnittelua ja testausta varten, mutta ne eivät olleet riittävän vakaita lopullista suunnittelua varten. Puhelinjohto osoittautui hauraaksi ja vaikeaksi työskennellä. Kaiutinjohto testattiin sen kestävyyden vuoksi, joten siitä tuli johtava valinta. Vaikka se oli kierrelankaa, se oli paljon kestävämpi sen suuremman halkaisijan vuoksi. Sitten kiinnitimme vain langan runkoon vetoketjuilla.

Vaihe 6: Todellinen piiri

Piirien käsittely oli prosessin vaikein haaste. Moottorista tuleva sähkö kulkee ensin jännitteensäätimen läpi, joka mahdollistaa jatkuvan viiden ampeerin virran; suurempi virta kuin muut säätimet. Sieltä jännite lasketaan 2,5 volttiin, mikä on maksimi, jonka BOOSTCAP voi tallentaa ja käsitellä turvallisesti. Kun BOOSTCAP saavuttaa 1,2 volttia, sillä on tarpeeksi virtaa, jotta MintyBoost voi tarjota 5 voltin lähteen ladattavalle laitteelle.

Tulojohtoihin kiinnitimme 5A-diodin, jotta emme saa "avustettua käynnistysvaikutusta", jossa moottori alkaa pyöriä käyttämällä varastoitua sähköä. Käytimme 2200uF kondensaattoria tasaamaan jännitteen säätimen tehovirtaa. Käyttämämme jännitesäädin, LM338, on säädettävissä sen mukaan, miten asetat sen, kuten piirikaaviosta näkyy. Tarkoituksemme mukaan kahden säätimeen kytketyn vastuksen, 120 ohmin ja 135 ohmin, vertailu määrittää lähtöjännitteen. Käytämme sitä vähentämään jännitettä ~ 6 voltista 2,5 volttiin. Otamme sitten 2,5 volttia ja käytämme sitä ultrakondensaattorimme lataamiseen, 140 faradin, 2,5 voltin BOOSTCAP, jonka on valmistanut Maxwell Technologies. Valitsimme BOOSTCAPin, koska sen suuren kapasiteetin ansiosta voimme pitää varauksen, vaikka pyörä pysäytettäisiin punaisessa valossa. Tämän piirin seuraava osa on varmasti kaikki teille tuttu, Adafruit MintyBoost. Käytimme sitä ottamaan 2,5 voltin ultrakondensaattorista ja nostamaan sen vakaaseen 5 volttiin, USB -standardiin. Se käyttää MAX756, 5 voltin tehomuunninta ja 22uH: n induktoria. Kun saamme 1,2 volttia ultrakondensaattorin poikki, MintyBoost alkaa tuottaa 5 volttia. Piirimme täydentää MintorBoost -USB -laturin toimintoa, jonka on alun perin kehittänyt Limor Fried, Adafruit Industries. MintyBoost käyttää AA -paristoja kannettavien elektronisten laitteiden lataamiseen. Itsenäisesti rakennettu virtapiirimme korvaa AA -paristot ja syöttää virtaa MintyBoostille. Tämä piiri vähentää ~ 6 volttia moottorista 2,5 volttiin. Tämän ansiosta moottori voi ladata BoostCapin (140 F), joka puolestaan syöttää virtaa MintyBoost -piiriin. Ultrakondensaattori tallentaa energiaa USB -laitteen jatkuvaan lataamiseen, vaikka pyörä ei olisi liikkeessä.

Vaihe 7: Kotelo

Piirin suojaamiseksi ulkoisilta tekijöiltä kotelo oli välttämätön. Valittiin "pilleri" PVC -letkuja ja päätykorkkeja, joiden halkaisija oli 6 cm ja pituus 18 cm. Vaikka nämä mitat ovat suuria verrattuna piiriin, tämä teki rakentamisesta helpompaa. Tuotantomalli olisi paljon pienempi. PVC valittiin kestävyyden, lähes täydellisen säänkestävyyden, aerodynaamisen muodon ja alhaisten kustannusten perusteella. Kokeita suoritettiin myös säiliöistä, jotka oli valmistettu epoksiin kastetusta raakahiilikuidusta. Tämä rakenne osoittautui sekä vahvaksi että kevyeksi. Rakennusprosessi oli kuitenkin erittäin aikaa vievä ja vaikea hallita.

Vaihe 8: Testaus

Kondensaattoreille testataan kahta eri tyyppiä, BOOSTCAP ja superkondensaattori.

Ensimmäinen kuvaaja kuvaa superkondensaattorin käyttöä, joka on integroitu piiriin niin, että kun moottori on aktiivinen, kondensaattori latautuu. Emme käyttäneet tätä komponenttia, koska vaikka superkondensaattori latautui äärimmäisen nopeasti, se purkautui liian nopeasti tarkoituksiimme. Punainen viiva edustaa moottorin jännitettä, sininen viiva edustaa superkondensaattorin jännitettä ja vihreä viiva edustaa USB -portin jännitettä. Toinen kuvaaja on BOOSTCAP -ultrakondensaattorilla kerätty data. Punainen viiva edustaa moottorin jännitettä, sininen ultrakondensaattorin jännitettä ja vihreä viiva edustaa USB -portin jännitettä. Päätimme käyttää ultrakondensaattoria, koska kuten tämä testi osoittaa, ultrakondensaattori säilyttää varauksensa myös sen jälkeen, kun ratsastaja on lakannut liikkumasta. Syy USB -jännitteen hyppyyn johtuu siitä, että ultrakondensaattori saavutti MintyBoostin aktivoimiseksi tarvittavan jänniterajan. Molemmat testit suoritettiin 10 minuutin aikana. Ratsastaja polki ensimmäiset 5, sitten havaitsimme, kuinka jännitteet reagoivat viimeisten 5 minuutin aikana. Viimeinen kuva on Google Earth -kuva siitä, missä testasimme. Tämä kuva osoittaa, että aloitimme koulullamme ja teimme sitten kaksi kierrosta Levagood Parkissa, yhteensä noin 1 mailin. Tämän kartan värit vastaavat ratsastajan nopeutta. Violetti viiva on noin 28,9 mph, sininen viiva 21,7 mph, vihreä viiva 14,5 mph ja keltainen viiva 7,4 mph.

Vaihe 9: Tulevat suunnitelmat

Jotta laitteesta saataisiin taloudellisesti kannattavampi kuluttajatuote, on tehtävä useita parannuksia säänkestävyyden, virtapiirien virtaviivaistamisen ja kustannusten alentamisen aloilla. Säänkestävyys on kriittinen yksikön pitkäaikaiselle toiminnalle. Yksi moottorille harkittu tekniikka oli koteloida se Nalgene -astiaan. Näiden säiliöiden tiedetään olevan vedenpitäviä ja lähes tuhoutumattomia. (Kyllä, törmäsimme autoon ilman mitään haittaa.) Lisäsuojaa haettiin luonnonvoimia vastaan. Paisuntavaahto tiivistää yksikön, mutta materiaalilla on rajoituksia. Sen lisäksi, että se on vaikea sijoittaa oikein, se myös estää ilmanvaihdon, joka on välttämätöntä laitteen yleiselle toiminnalle.

Mitä tulee virtapiirin virtaviivaistamiseen, mahdollisuuksia ovat monitehtäväinen jännitesäätimen siru ja mukautettu piirilevy (PCB). Siru voi korvata useita jännitesäätimiä, mikä pienentäisi sekä tuotteen kokoa että lämpötehoa. Piirilevyn käyttö tarjoaa vakaamman pohjan, koska liitännät ovat suoraan levyllä eivätkä kelluvat sen alla. Se toimii rajoitetusti jäähdytyselementtinä levyn kuparijäljen vuoksi. Tämä muutos vähentäisi liiallisen ilmanvaihdon tarvetta ja pidentäisi komponenttien käyttöikää. Kustannusten alentaminen on ylivoimaisesti tärkein ja vaikein muutos, joka suunnitteluun on tehtävä. Piiri itsessään on erittäin edullinen, mutta moottori maksaa 275 dollaria. Kustannustehokkaampaa moottoria etsitään parhaillaan.

Vaihe 10: Lopeta

Kiitos, että luit Instructable -ohjelman, jos sinulla on kysyttävää, kysy rohkeasti.

Tässä muutamia kuvia esityksestämme MIT: llä.