Come Ricaricare Qualsiasi Dispositivo USB Andando in Bicicletta: 10 Passaggi (Illustrato)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:05

Per iniziare, questo progetto è stato avviato quando abbiamo ricevuto una sovvenzione dal programma Lemelson-MIT. (Josh, se stai leggendo questo, ti amiamo.)

Un team di 6 studenti e un insegnante ha messo insieme questo progetto e abbiamo deciso di metterlo su Instructables nella speranza di vincere un laser cutter, o almeno una t-shirt. Quella che segue è una raccolta della nostra presentazione e delle mie note personali. Spero che questo Instructable vi piaccia tanto quanto noi. Vorrei anche ringraziare Limor Fried, creatore del circuito MintyBoost. Ha giocato un ruolo chiave nel nostro progetto. Jeff Brookins Divine Child Membro del team Inven

Passaggio 1: la nostra intenzione originale…

Il nostro progetto originale era sviluppare un prodotto che utilizzasse il principio di Faraday per consentire ai corridori di caricare i propri iPod mentre corrono. Questo concetto genererebbe elettricità allo stesso modo delle torce di Faraday.

Tuttavia, abbiamo avuto un problema. Per citare il mio compagno di squadra Nick Ciarelli, "All'inizio abbiamo pensato di utilizzare un design simile a una di quelle torce elettriche e di convertirlo in modo che un corridore potesse indossarlo per una corsa e avere energia per caricare il proprio iPod o qualsiasi altro dispositivo che uso. La torcia elettrica riceve la sua energia dall'interazione del campo magnetico in movimento del magnete nella torcia e la bobina di filo avvolto attorno al tubo attraverso il quale scorre il magnete. Il campo magnetico in movimento fa sì che gli elettroni nella bobina si muovano lungo il filo, creando una corrente elettrica. Questa corrente viene poi immagazzinata in una batteria, che è quindi disponibile per essere utilizzata per la lampadina/LED della torcia. Tuttavia, quando abbiamo calcolato quanta energia saremmo in grado di ottenere da una corsa, abbiamo determinato che ci sarebbe voluta una corsa di 50 miglia per ottenere energia sufficiente per caricare una batteria AA. Questo era irragionevole, quindi abbiamo cambiato il nostro progetto sul sistema della bicicletta. " Abbiamo quindi deciso di utilizzare invece un sistema montato su bici.

Passaggio 2: la nostra dichiarazione di invenzione e l'evoluzione del concetto

Inizialmente abbiamo teorizzato lo sviluppo e la fattibilità di un sistema di frenata rigenerativa da utilizzare sulle biciclette. Questo sistema creerebbe una fonte di alimentazione mobile per prolungare la durata della batteria dei dispositivi elettronici portatili trasportati dal pilota.

Durante la fase di sperimentazione, il sistema di frenata rigenerativa è risultato incapace di svolgere contemporaneamente la sua duplice funzione. Non potrebbe né produrre una coppia sufficiente per fermare la bici, né generare abbastanza energia per ricaricare le batterie. Il team ha quindi scelto di abbandonare l'aspetto frenante del sistema, per concentrarsi esclusivamente sullo sviluppo di un sistema di ricarica continua. Questo sistema, una volta costruito e studiato, si è dimostrato pienamente in grado di raggiungere gli obiettivi desiderati.

Passaggio 3: progettare un circuito

Per iniziare, abbiamo dovuto progettare un circuito che potesse prendere i ~6 volt dal motore, memorizzarli e quindi convertirli ai 5 volt necessari per il dispositivo USB.

Il circuito che abbiamo progettato integra la funzione del caricatore USB MintyBoost, originariamente sviluppato da Limor Fried, di Adafruit Industries. Il MintyBoost utilizza batterie AA per caricare dispositivi elettronici portatili. Il nostro circuito costruito in modo indipendente sostituisce le batterie AA e fornisce alimentazione a MintyBoost. Questo circuito riduce i ~6 volt dal motore a 2,5 volt. Ciò consente al motore di caricare il BoostCap (140 F), che a sua volta fornisce alimentazione al circuito MintyBoost. L'ultracondensatore immagazzina energia per caricare continuamente il dispositivo USB anche quando la bici non è in movimento.

Passaggio 4: ottenere il potere

La selezione di un motore si è rivelata un compito più impegnativo.

I motori costosi fornivano la coppia adeguata necessaria per creare la sorgente di frenatura, tuttavia il costo era proibitivo. Per realizzare un dispositivo economico ed efficace era necessaria un'altra soluzione. Il progetto è stato ridisegnato come un sistema di ricarica continua, tra tutte le possibilità il motore Maxon sarebbe una scelta migliore grazie al suo diametro più piccolo. Il motore Maxon forniva anche 6 volt, mentre i motori precedenti ci davano fino a 20 volt. Per quest'ultimo il surriscaldamento del motore sarebbe un grosso problema. Abbiamo deciso di rimanere con il nostro Maxon 90, che era un bellissimo motore, anche se il suo costo era di $ 275. (Per coloro che desiderano realizzare questo progetto, sarà sufficiente un motore più economico.) Abbiamo fissato questo motore vicino ai supporti del freno posteriore direttamente sul telaio della bici utilizzando un pezzo di un metro tra il motore e il telaio per fungere da distanziale, quindi stretto 2 fascette stringitubo attorno ad esso.

Passaggio 5: cablaggio

Per il cablaggio dal motore al circuito sono state prese in considerazione diverse opzioni: morsetti a coccodrillo per mock up, cavo telefonico e cavo per altoparlanti.

Le clip a coccodrillo hanno dimostrato di funzionare bene per il design del mock up e per i test, ma non erano abbastanza stabili per il design finale. Il cavo telefonico si è rivelato fragile e difficile da gestire. Il cavo dell'altoparlante è stato testato per la sua durata, diventando così il conduttore preferito. Sebbene fosse un filo intrecciato, era molto più resistente grazie al suo diametro maggiore. Quindi abbiamo semplicemente attaccato il filo al telaio usando delle fascette.

Passaggio 6: il circuito reale

Affrontare i circuiti è stata la sfida più difficile del processo. L'elettricità dal motore viaggia prima attraverso un regolatore di tensione che consentirà fino a una corrente continua di cinque ampere; passerebbe una corrente maggiore di quella di altri regolatori. Da lì la tensione viene ridotta a 2,5 volt, che è il massimo che il BOOSTCAP può memorizzare e gestire in sicurezza. Una volta che il BOOSTCAP raggiunge 1,2 volt, ha energia sufficiente per consentire a MintyBoost di fornire una fonte di 5 volt per il dispositivo in carica.

Ai cavi di ingresso abbiamo collegato un diodo da 5 A in modo da non ottenere un "effetto di avviamento assistito", in cui il motore inizierebbe a girare utilizzando l'elettricità immagazzinata. Abbiamo usato il condensatore da 2200uF per uniformare il flusso di potenza al regolatore di tensione. Il regolatore di tensione che abbiamo utilizzato, un LM338, è regolabile a seconda di come lo si imposta, come mostrato nel nostro schema elettrico. Per i nostri scopi, il confronto di due resistori, 120ohm e 135 ohm, collegati al regolatore determina la tensione di uscita. Lo usiamo per ridurre la tensione da ~6 volt a 2,5 volt. Quindi prendiamo i 2,5 volt e li usiamo per caricare il nostro ultracondensatore, un BOOSTCAP da 140 farad e 2,5 volt prodotto da Maxwell Technologies. Abbiamo scelto il BOOSTCAP perché la sua elevata capacità ci permetterà di mantenere la carica anche se la bici è ferma al semaforo rosso. La parte successiva di questo circuito è qualcosa con cui sono sicuro che tutti voi conoscete, l'Adafruit MintyBoost. L'abbiamo usato per prendere i 2,5 volt dall'ultracondensatore e portarlo a 5 volt stabili, lo standard USB. Utilizza un convertitore boost MAX756, 5 volt accoppiato con un induttore 22uH. Una volta che abbiamo ottenuto 1,2 volt attraverso l'ultracondensatore, il MintyBoost inizierà a emettere i 5 volt. Il nostro circuito integra la funzione del caricatore USB MintyBoost, originariamente sviluppato da Limor Fried, di Adafruit Industries. Il MintyBoost utilizza batterie AA per caricare dispositivi elettronici portatili. Il nostro circuito costruito in modo indipendente sostituisce le batterie AA e fornisce alimentazione al MintyBoost. Questo circuito riduce i ~6 volt dal motore a 2,5 volt. Ciò consente al motore di caricare il BoostCap (140 F), che a sua volta fornisce alimentazione al circuito MintyBoost. L'ultracondensatore immagazzina energia per caricare continuamente il dispositivo USB anche quando la bici non è in movimento.

Passaggio 7: il recinto

Per proteggere il circuito da elementi esterni, era necessario un involucro. È stata scelta una "pillola" di tubi in PVC e tappi terminali, con un diametro di 6 cm e una lunghezza di 18 cm. Sebbene queste dimensioni siano grandi rispetto al circuito, ciò ha reso la costruzione più conveniente. Un modello di produzione sarebbe molto più piccolo. Il PVC è stato selezionato in base alla durata, all'impermeabilità quasi perfetta, alla forma aerodinamica e al basso costo. Sono stati condotti esperimenti anche su contenitori realizzati con fibra di carbonio grezza imbevuta di resina epossidica. Questa struttura si è rivelata robusta e leggera. Tuttavia, il processo di costruzione era estremamente lungo e difficile da padroneggiare.

Passaggio 8: test

Per i condensatori ne testiamo due diversi tipi, il BOOSTCAP e un super condensatore.

Il primo grafico illustra l'uso del supercondensatore, che è integrato con il circuito in modo che quando il motore è attivo, il condensatore si caricherà. Non abbiamo usato questo componente perché, mentre il supercondensatore si caricava a velocità estrema, si scaricava troppo velocemente per i nostri scopi. La linea rossa rappresenta la tensione del motore, la linea blu rappresenta la tensione del supercondensatore e la linea verde rappresenta la tensione della porta USB. Il secondo grafico sono i dati raccolti con l'ultracondensatore BOOSTCAP. La linea rossa rappresenta la tensione del motore, quella blu è la tensione dell'ultracondensatore e la linea verde rappresenta la tensione della porta USB. Abbiamo scelto di utilizzare l'ultracondensatore perché, come indica questo test, l'ultracondensatore continuerà a mantenere la sua carica anche dopo che il ciclista ha smesso di muoversi. Il motivo del salto di tensione USB è perché l'ultracondensatore ha raggiunto la soglia di tensione necessaria per attivare il MintyBoost. Entrambi questi test sono stati condotti per un periodo di 10 minuti. Il pilota ha pedalato per i primi 5 minuti, poi abbiamo osservato come avrebbero reagito le tensioni per gli ultimi 5 minuti. L'ultima immagine è uno scatto di Google Earth di dove abbiamo fatto i nostri test. Questa immagine mostra che siamo partiti dalla nostra scuola e poi abbiamo fatto due giri al Levagood Park per una distanza totale approssimativa di 1 miglio. I colori di questa mappa corrispondono alla velocità del ciclista. La linea viola è di circa 28,9 mph, la linea blu 21,7 mph, la linea verde 14,5 mph e la linea gialla 7,4 mph.

Passaggio 9: piani futuri

Al fine di rendere il dispositivo più redditizio dal punto di vista economico come prodotto di consumo, devono essere apportati numerosi miglioramenti nelle aree dell'impermeabilità, dell'ottimizzazione dei circuiti e della riduzione dei costi. L'impermeabilità è fondamentale per il funzionamento a lungo termine dell'unità. Una tecnica considerata per il motore era di racchiuderlo in un contenitore Nalgene. Questi contenitori sono noti per essere impermeabili e quasi indistruttibili. (Sì, ne abbiamo investito uno con un'auto senza alcun effetto negativo.) È stata richiesta ulteriore protezione contro le forze della natura. La schiuma di espansione sigillerebbe l'unità, tuttavia il materiale ha dei limiti. Non solo è difficile da posizionare correttamente, ma impedirebbe anche la ventilazione indispensabile per il funzionamento complessivo del dispositivo.

Per quanto riguarda lo snellimento del circuito, le possibilità includono un chip regolatore di tensione multitasking e un circuito stampato personalizzato (PCB). Il chip potrebbe sostituire più regolatori di tensione, questo ridurrebbe sia le dimensioni del prodotto che la potenza termica. L'uso di un PCB fornirà una base più stabile perché le connessioni saranno direttamente sulla scheda e non galleggiano al di sotto di essa. In misura limitata fungerà da dissipatore di calore a causa del tracciato di rame nella scheda. Questa modifica ridurrebbe la necessità di una ventilazione eccessiva e aumenterebbe la durata dei componenti. La riduzione dei costi è di gran lunga la modifica più importante e difficile da apportare al progetto. Il circuito stesso è estremamente economico, tuttavia il motore costa $ 275. È in corso la ricerca di un motore più efficiente in termini di costi che soddisferà comunque le nostre esigenze di potenza.

Passaggio 10: Finisci

Grazie per aver letto il nostro Instructable, se hai domande non esitare a chiedere.

Ecco alcune delle immagini della nostra presentazione al MIT.