Как да зареждате всяко USB устройство, като карате колело: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:55

Като начало този проект беше стартиран, когато получихме безвъзмездна помощ от програмата Lemelson-MIT. (Джош, ако четеш това, ние те обичаме.)

Екип от 6 ученици и един учител обединиха този проект и ние решихме да го поставим на Instructables с надеждата да спечелим лазерен нож или поне тениска. Това, което следва, е компилация от нашата презентация и моите лични бележки. Надявам се да харесате този Instructable толкова, колкото и ние. Искам също да благодаря на Лимор Фрид, създател на веригата MintyBoost. Той изигра ключова роля в нашия проект. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam Член

Стъпка 1: Първоначалното ни намерение …

Първоначалният ни проект беше да разработим продукт, който използва принципа на Фарадей, за да позволи на бегачите да зареждат своите iPod, докато тичат. Тази концепция би генерирала електричество по същия начин, както правят фенерчетата на Фарадей.

Имахме обаче проблем. За да цитирам моя съотборник Ник Сиарели, „Първоначално обмисляхме да използваме дизайн, подобен на един от тези разклащащи се фенерчета, и да го преобразуваме, така че бегачът да може да го закачи за бягане и да има енергия да зареди своя iPod или каквото и да е устройство, което те разклащащото се фенерче получава енергията си от взаимодействието на движещото се магнитно поле на магнита във фенера и намотката от тел, увита около тръбата, през която магнитът се плъзга. Движещото се магнитно поле кара електроните в намотката да се движат по проводника, създавайки електрически ток. Този ток след това се съхранява в батерия, която след това е на разположение за използване за крушката на фенерчето/светодиода. Когато обаче изчислихме колко енергия бихме могли да получим от бягане, определихме че ще отнеме 50 мили, за да получим достатъчно енергия, за да заредим една батерия АА. Това беше неразумно, затова променихме проекта си на системата за велосипеди. Вместо това решихме да използваме система, монтирана на велосипед.

Стъпка 2: Нашето изобретение и еволюцията на концепцията

Първоначално теоретизирахме разработването и осъществимостта на регенеративна спирачна система за използване на велосипеди. Тази система ще създаде мобилен източник на енергия, за да удължи живота на батерията на преносими електронни устройства, носени от ездача.

По време на експерименталната фаза регенеративната спирачна система е неспособна да изпълнява едновременно своите двойни функции. Той не може нито да произведе достатъчно въртящ момент, за да спре мотора, нито да генерира достатъчно енергия за презареждане на батериите. Затова екипът избра да изостави спирачния аспект на системата, като се съсредоточи единствено върху разработването на система за непрекъснато зареждане. След като бъде изградена и проучена, тази система се оказа напълно способна да постигне желаните цели.

Стъпка 3: Проектирайте верига

За да започнем, трябваше да проектираме схема, която може да отнеме ~ 6 волта от двигателя, да го съхрани и след това да го преобразува в 5 волта, които ни бяха необходими за USB устройството.

Проектираната от нас схема допълва функцията на USB зарядното устройство MintyBoost, първоначално разработено от Limor Fried, от Adafruit Industries. MintyBoost използва AA батерии за зареждане на преносими електронни устройства. Нашата независимо изградена схема заменя батериите AA и захранва MintyBoost. Тази схема намалява ~ 6 волта от двигателя до 2,5 волта. Това позволява на двигателя да зарежда BoostCap (140 F), който от своя страна захранва веригата MintyBoost. Ултракондензаторът съхранява енергия за непрекъснато зареждане на USB устройството, дори когато моторът не е в движение.

Стъпка 4: Получаване на енергия

Изборът на двигател се оказа по -трудна задача.

Скъпите двигатели осигуряват подходящия въртящ момент, необходим за създаването на източник на спиране, но цената е непосилна. За да се направи достъпно и ефективно устройство, беше необходимо друго решение. Проектът е преработен като система за непрекъснато зареждане, от всички възможности двигателят Maxon би бил по -добър избор поради по -малкия си диаметър. Моторът Maxon също осигурява 6 волта, където както предишните двигатели ни даваха повече от 20 волта. За последното прегряване на двигателя би било огромен проблем. Решихме да се придържаме към нашия Maxon 90, който беше красив мотор, въпреки че цената му беше 275 долара. (За тези, които искат да построят този проект, ще е достатъчен по -евтин двигател.) Прикрепихме този двигател близо до задните опори на спирачката директно върху рамката на мотора, като използваме парче метър пръчка между двигателя и рамката, за да действа като дистанционер, след което затегнаха 2 скоби за маркучи около него.

Стъпка 5: Окабеляване

За окабеляването от двигателя към веригата бяха разгледани няколко варианта: алигаторни скоби за макет, телефонен кабел и проводник на високоговорителите.

Алигаторните скоби се оказаха добри за макетния дизайн и тестването, но не бяха достатъчно стабилни за окончателния дизайн. Телефонният проводник се оказа крехък и с него се работи трудно. Кабелът на високоговорителя беше тестван поради неговата издръжливост, поради което се превърна в проводник по избор. Макар да беше с многожилен проводник, той беше много по -издръжлив поради по -големия си диаметър. След това просто прикрепихме жицата към рамката с помощта на ципове.

Стъпка 6: Действителната верига

Справянето с веригата беше най -трудното предизвикателство в процеса. Електричеството от двигателя първо преминава през регулатор на напрежението, което ще позволи до непрекъснат ток от пет ампера; по -голям ток, отколкото биха преминали други регулатори. Оттам напрежението се понижава до 2,5 волта, което е максимумът, който BOOSTCAP може да съхранява и безопасно да обработва. След като BOOSTCAP достигне 1,2 волта, той има достатъчно мощност, за да позволи на MintyBoost да осигури 5 -волтов източник за зареждащото се устройство.

Към входните проводници прикрепихме 5А диод, така че да не получим „ефект на асистиран старт“, при който моторът ще започне да се върти, използвайки запазената електроенергия. Използвахме 2200uF кондензатор, за да изравним потока на мощност към регулатора на напрежението. Регулаторът на напрежение, който използвахме, LM338, се регулира в зависимост от начина, по който сте го настроили, както се вижда от нашата електрическа схема. За нашите цели сравнението на два резистора, 120ohm и 135 ohm, свързани към регулатора, определя изходното напрежение. Използваме го за намаляване на напрежението от ~ 6 волта до 2,5 волта. След това вземаме 2.5 волта и го използваме за зареждане на нашия ултракондензатор, 140 фарад, 2.5 волта BOOSTCAP, произведен от Maxwell Technologies. Избрахме BOOSTCAP, защото високият му капацитет ще ни позволи да задържим заряд, дори ако моторът е спрян на червена светлина. Следващата част от тази схема е нещо, което съм сигурен, че всички сте запознати, Adafruit MintyBoost. Използвахме го, за да вземем 2.5 волта от ултракондензатора и да го повишим до стабилни 5 волта, стандарта USB. Той използва MAX756, 5 волтов усилващ преобразувател, съчетан с 22uH индуктор. След като получим 1,2 волта през ултракондензатора, MintyBoost ще започне да извежда 5 волта. Нашата схема допълва функцията на USB зарядното устройство MintyBoost, първоначално разработено от Limor Fried, от Adafruit Industries. MintyBoost използва AA батерии за зареждане на преносими електронни устройства. Нашата независимо изградена схема заменя батериите AA и захранва MintyBoost. Тази схема намалява ~ 6 волта от двигателя до 2,5 волта. Това позволява на двигателя да зарежда BoostCap (140 F), който от своя страна захранва веригата MintyBoost. Ултракондензаторът съхранява енергия за непрекъснато зареждане на USB устройството, дори когато моторът не е в движение.

Стъпка 7: Приложението

За да се защити веригата от външни елементи, беше необходимо заграждение. Избрано е „хапче“от PVC тръби и крайни капачки с диаметър 6 см и дължина 18 см. Въпреки че тези размери са големи в сравнение с веригата, това направи конструкцията по -удобна. Производственият модел би бил много по -малък. PVC е избран въз основа на издръжливост, почти перфектна устойчивост на атмосферни влияния, аеродинамична форма и ниска цена. Експерименти бяха проведени и върху контейнери, изработени от сурови въглеродни влакна, напоени с епоксидна смола. Тази структура се оказа както здрава, така и лека. Процесът на строителство обаче отнемаше много време и беше трудно да се овладее.

Стъпка 8: Тестване

За кондензаторите тестваме два различни типа, BOOSTCAP и супер кондензатор.

Първата графика изобразява използването на суперкондензатора, който е интегриран с веригата, така че когато двигателят е активен, кондензаторът ще се зареди. Не използвахме този компонент, тъй като, докато суперкондензаторът се зарежда с изключителна скорост, той се разрежда твърде бързо за нашите цели. Червената линия представлява напрежението на двигателя, синята линия представлява напрежението на суперкондензатора, а зелената линия представлява напрежението на USB порта. Втората графика са данните, събрани с ултракондензатора BOOSTCAP. Червената линия представлява напрежението на двигателя, синята е напрежението на ултракондензатора, а зелената линия представлява напрежението на USB порта. Избрахме да използваме ултракондензатора, тъй като, както показва този тест, ултракондензаторът ще продължи да задържа своя заряд дори след като ездачът спре да се движи. Причината за скока в USB напрежението е, че ултракондензаторът достигна прага на напрежението, необходим за активиране на MintyBoost. И двата теста бяха проведени за период от 10 минути. Ездачът въртеше педалите за първите 5, след това наблюдавахме как напреженията ще реагират за последните 5 минути. Последната снимка е снимка от Google Earth, на която направихме нашето тестване. Тази снимка показва, че започнахме в нашето училище и след това направихме две обиколки в парк Levagood за общо приблизително разстояние от 1 миля. Цветовете на тази карта съответстват на скоростта на ездача. Лилавата линия е приблизително 28,9 мили в час, синята линия 21,7 мили в час, зелената линия 14,5 мили в час и жълтата линия 7,4 мили в час.

Стъпка 9: Бъдещи планове

За да се направи устройството по-икономически изгодно като потребителски продукт, трябва да се направят няколко подобрения в областите на устойчивост на атмосферни влияния, рационализиране на веригите и намаляване на разходите. Устойчивостта на атмосферни влияния е от решаващо значение за дългосрочната работа на уреда. Една техника, обмислена за мотора, беше да се постави в контейнер от Nalgene. Тези контейнери са известни с това, че са водоустойчиви и почти неразрушими. (Да, прегазихме един с кола без никакви лоши последици.) Поиска се допълнителна защита срещу природните сили. Експанзионната пяна ще запечата устройството, но материалът има ограничения. Не само е трудно да се позиционира правилно, но и би предотвратило вентилацията, необходима за цялостната работа на устройството.

Що се отнася до рационализирането на веригата, възможностите включват многозадачен чип за регулатор на напрежението и персонализирана печатна платка (PCB). Чипът може да замени множество регулатори на напрежение, това би намалило както размера на продукта, така и топлинната мощност. Използването на печатна платка ще осигури по -стабилна основа, тъй като връзките ще бъдат директно на платката и няма да плават под нея. В ограничена степен той ще действа като радиатор поради медната следа в дъската. Тази промяна би намалила необходимостта от прекомерна вентилация и би увеличила живота на компонентите. Намаляването на разходите е най -важната и трудна промяна, която трябва да се направи в дизайна. Самата верига е изключително евтина, но моторът струва 275 долара. В момента се търси по -рентабилен двигател, който все още ще задоволи нашите нужди от енергия.

Стъпка 10: Край

Благодарим ви, че прочетохте нашата инструкция, ако имате въпроси, не се колебайте да попитате.

Ето някои от снимките от нашата презентация в MIT.