Велосипедпен жүру арқылы кез келген USB құрылғысын қалай зарядтауға болады: 10 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

Бастапқыда бұл жоба біз Lemelson-MIT бағдарламасынан грант алған кезде басталды. (Джош, егер сіз мұны оқып жатсаңыз, біз сізді жақсы көреміз.)

6 оқушыдан және бір мұғалімнен тұратын команда бұл жобаны біріктірді, біз лазерлік кескішті немесе кем дегенде футболканы жеңіп алу үшін оны Instructables-ке қоюды шештік. Бұдан кейін біздің презентация мен жеке жазбаларым жинақталған. Сізге бұл нұсқаулық біз сияқты ұнайды деп сенемін. Мен MintyBoost схемасын құрған Лимор Фридке де алғыс айтқым келеді. Бұл біздің жобада маңызды рөл атқарды. Джефф Брукинс Divine Child InvenTeam мүшесі

1 -қадам: Біздің бастапқы ниетіміз…

Біздің түпнұсқа жобамыз жүгірушілерге iPod -ларды жұмыс кезінде зарядтауға мүмкіндік беру үшін Faraday принципін қолданатын өнімді жасау болды. Бұл тұжырым Фарадей шамдары сияқты электр энергиясын өндіреді.

Дегенмен, бізде проблема болды. Менің командалас жолдасым Ник Циареллидің сөзін келтіре кетейін: «Алдымен біз сөндіретін фонарьлардың біріне ұқсас дизайнды қолданушы жүгіру үшін оны байлап, iPod-ды немесе кез келген құрылғыны зарядтауға энергия алатын етіп түрлендіруді қарастырдық. Қолдану. Дірілдеткіш шам фонарьдағы магнит жылжымалы магнит өрісінің өзара әсерлесуінен және магнит жылжып өтетін түтікке оралған сым катушкасынан алынады. Жылжымалы магнит өрісі катушкадағы электрондардың қозғалуына әкеледі. Электр тогын тудыратын сым. Бұл ток аккумуляторда сақталады, оны шам шамы/жарық диоды үшін пайдалануға болады, алайда біз жүгіруден қанша энергия алуға болатынын есептегенде, біз анықтадық. Бір АА аккумуляторын зарядтауға жеткілікті энергия алу үшін 50 миль жүгіру қажет болады, бұл негізсіз, сондықтан біз жобамызды велосипед жүйесіне ауыстырдық ». Содан кейін біз оның орнына велосипедке арналған жүйені қолдануды шештік.

2 -қадам: Біздің өнертабыс туралы мәлімдеме және тұжырымдаманың эволюциясы

Біз бастапқыда велосипедтерде қолдануға болатын регенеративті тежеу жүйесінің дамуы мен мүмкіншілігін теориялық түрде қарастырдық. Бұл жүйе шабандоз тасымалдайтын портативті электронды құрылғылардың батареяның қызмет ету мерзімін ұзарту үшін мобильді қуат көзін құрады.

Эксперимент кезеңінде регенеративті тежеу жүйесі өзінің қос функциясын бір мезгілде орындауға қабілетсіз екені анықталды. Ол велосипедті тоқтату үшін жеткілікті момент жасай алмады және батареяларды зарядтауға жеткілікті қуат өндіре алмады. Сондықтан команда жүйенің тежегіш аспектісінен бас тартты, тек үздіксіз зарядтау жүйесін дамытуға тоқталды. Құрылған және зерттелген бұл жүйе қалаған мақсаттарға қол жеткізе алатынын дәлелдеді.

3 -қадам: схеманы жобалау

Жұмысты бастау үшін біз қозғалтқыштан ~ 6 вольтты алатын, оны сақтайтын, содан кейін оны USB құрылғысына қажет 5 вольтке түрлендіретін тізбек жобалауымыз керек болды.

Біз құрастырған схема Adafruit Industries компаниясының Limor Fried жасаған MintyBoost USB зарядтау құрылғысының функциясын толықтырады. MintyBoost портативті электронды құрылғыларды зарядтау үшін АА батареяларын пайдаланады. Біздің дербес құрастырылған схемамыз AA батареяларын ауыстырады және MintyBoost -қа қуат береді. Бұл схема қозғалтқыштан ~ 6 вольтты 2,5 вольтке дейін төмендетеді. Бұл қозғалтқышқа BoostCap (140 F) зарядтауға мүмкіндік береді, ол өз кезегінде MintyBoost схемасына қуат береді. Ультраконденсатор велосипед қозғалыста болмаған кезде де USB құрылғысын үздіксіз зарядтауға энергияны жинақтайды.

4 -қадам: қуат алу

Қозғалтқышты таңдау қиынырақ болды.

Қымбат қозғалтқыштар тежеу көзін жасау үшін қажетті моментті қамтамасыз етті, бірақ бағасы тым қымбат болды. Қол жетімді және тиімді құрылғыны жасау үшін басқа шешім қажет болды. Жоба үздіксіз зарядтау жүйесі ретінде қайта жасалды, барлық мүмкіндіктердің ішінен Maxon қозғалтқышы диаметрі кішірек болғандықтан жақсы таңдау болар еді. Максон қозғалтқышы 6 вольтты да қамтамасыз етті, мұнда алдыңғы қозғалтқыштар бізге 20 вольтты жоғары берді. Соңғы қозғалтқыш үшін шамадан тыс қыздыру үлкен мәселе болар еді. Біз оның бағасы 275 доллар болса да, әдемі мотор болған Maxon 90 -мен жүруді шештік. (Бұл жобаны салғысы келетіндер үшін арзанырақ қозғалтқыш жеткілікті.) Біз бұл моторды аралық тежегіш қондырғысына тікелей велосипед рамасына бекітіп, аралық рөл атқару үшін қозғалтқыш пен жақтау арасындағы метр таяқшасын қолдандық. айналасындағы 2 шланг қысқышын қатайтыңыз.

5 -қадам: Сымдарды жалғау

Қозғалтқыштан электр тізбегіне қосылу үшін бірнеше нұсқалар қарастырылды: аллигатордың қысқыштары, телефон сымы және динамик сымы.

Аллигатордың қысқыштары дизайн мен тестілеу үшін жақсы жұмыс істеді, бірақ олар соңғы дизайн үшін жеткілікті тұрақты болмады. Телефон сымы сынғыш болды және онымен жұмыс істеу қиын болды. Динамик сымы беріктігіне байланысты сыналды, сондықтан таңдау өткізгіш болды. Ол бұрандалы сым болса да, ол диаметрінің үлкен болуына байланысты әлдеқайда берік болды. Содан кейін біз сымды ілмектер арқылы жақтауға бекітеміз.

6 -қадам: Нақты тізбек

Схемамен күресу процестің ең қиын міндеті болды. Қозғалтқыштан келетін электр тогы кернеу реттегіші арқылы өтеді, бұл үздіксіз бес амперлік токқа дейін; басқа реттегіштерге қарағанда үлкен ток өтеді. Ол жерден кернеу 2,5 вольтке дейін төмендетіледі, бұл BOOSTCAP сақтай алатын және қауіпсіз басқара алатын максимум. BOOSTCAP 1,2 вольтты алғаннан кейін, ол MintyBoost зарядталатын құрылғы үшін 5 вольтты көзді қамтамасыз етуге жеткілікті қуатқа ие болады.

Кіріс сымдарына біз 5А диодты тіркедік, осылайша біз «көмекші старт эффектісін» алмаймыз, онда мотор сақталған электр энергиясын пайдалана отырып айнала бастайды. Біз кернеу реттегішіне қуат ағынын біркелкі ету үшін 2200uF конденсаторын қолдандық. Біз қолданған кернеу реттегіші, LM338, оны қалай орнатуға байланысты реттеледі, бұл біздің схемада көрсетілген. Біздің мақсаттар үшін реттегішке қосылған 120 Ом және 135 Ом екі резисторды салыстыру шығыс кернеуін анықтайды. Біз оны кернеуді ~ 6 вольттан 2,5 вольтке дейін төмендету үшін қолданамыз. Содан кейін біз 2,5 вольтты аламыз және оны Maxwell Technologies шығарған 140 фарадты, 2,5 вольтты BOOSTCAP ультраконденсаторымызды зарядтау үшін қолданамыз. Біз BOOSTCAP -ты таңдадық, себебі оның жоғары сыйымдылығы велосипед қызыл жарықта тоқтаған жағдайда да зарядты ұстауға мүмкіндік береді. Бұл тізбектің келесі бөлігі - бұл Adafruit MintyBoost бәріне таныс екеніне сенімдімін. Біз оны 2,5 вольтты ультраконденсатордан алып, оны тұрақты 5 вольтке, USB стандартына дейін көтеру үшін қолдандық. Ол 22uH индукторымен бірге MAX756, 5 вольтты күшейткіш түрлендіргішті қолданады. Біз ультраконденсатор арқылы 1,2 вольтты алғаннан кейін, MintyBoost 5 вольтты шығара бастайды. Біздің схема бастапқыда Adafruit Industries Limor Fried жасаған MintyBoost USB зарядтау құрылғысының функциясын толықтырады. MintyBoost портативті электронды құрылғыларды зарядтау үшін АА батареяларын пайдаланады. Біздің дербес құрастырылған схемамыз AA батареяларын ауыстырады және MintyBoost -қа қуат береді. Бұл схема қозғалтқыштан ~ 6 вольтты 2,5 вольтке дейін төмендетеді. Бұл моторға BoostCap (140 F) зарядтауға мүмкіндік береді, ол өз кезегінде MintyBoost схемасына қуат береді. Ультраконденсатор велосипед қозғалыста болмаған кезде де USB құрылғысын үздіксіз зарядтауға энергияны жинақтайды.

7 -қадам: қоршау

Схеманы сыртқы элементтерден қорғау үшін қоршау қажет болды. ПВХ түтіктері мен қақпақшаларының диаметрі 6 см және ұзындығы 18 см болатын «таблетка» таңдалды. Бұл өлшемдер схемамен салыстырғанда үлкен болғанымен, бұл құрылысты ыңғайлы етті. Өндіріс моделі әлдеқайда аз болар еді. ПВХ төзімділікке, ауа райына төзімділікке, аэродинамикалық пішінге және төмен бағаға байланысты таңдалды. Эксперименттер эпоксидке малынған шикі көміртекті талшықтан жасалған контейнерлерде де жүргізілді. Бұл құрылым беріктігі мен жеңіл салмағын көрсетті. Алайда құрылыс процесі өте көп уақытты қажет етті және оны меңгеру қиын болды.

8 -қадам: тестілеу

Конденсаторлар үшін біз BOOSTCAP және супер конденсатордың екі түрін тексереміз.

Бірінші график контурмен біріктірілген суперконденсаторды көрсетеді, осылайша қозғалтқыш белсенді болғанда конденсатор зарядталады. Біз бұл компонентті пайдаланбадық, өйткені суперконденсатор өте жоғары жылдамдықпен зарядталған кезде, ол біздің мақсатымыз үшін тым тез зарядталды. Қызыл сызық қозғалтқыштың кернеуін, көк сызық суперконденсатордың кернеуін, ал жасыл желі USB портының кернеуін білдіреді. Екінші график - BOOSTCAP ультраконденсаторымен жиналған деректер. Қызыл сызық - қозғалтқыштың кернеуін, көк - ультраконденсатордың кернеуін, ал жасыл жол USB портының кернеуін білдіреді. Біз ультраконденсаторды қолдануды жөн көрдік, себебі бұл тест көрсеткендей, ультраконцитатор шабандоз қозғалысын тоқтатқаннан кейін де зарядын ұстай береді. USB кернеуінің секіруінің себебі - ультраконденсатордың MintyBoost қосылуы үшін кернеу шегіне жетуі. Бұл екі тест те 10 минут ішінде жүргізілді. Шабандоз алғашқы 5 минутта педальмен жүгірді, содан кейін біз соңғы 5 минут ішінде кернеудің қалай әсер ететінін байқадық. Соңғы сурет - бұл Google Earth біз түсірген жердің суреті. Бұл сурет біздің мектептен бастағанымызды көрсетеді, содан кейін шамамен 1 миль қашықтықта Левагуд саябағында екі айналым жасадық. Бұл картаның түстері шабандоздың жылдамдығына сәйкес келеді. Күлгін сызық шамамен 28,9 миль, көк сызық 21,7 миль, жасыл сызық 14,5 миль және сары сызық 7,4 миль.

9 -қадам: Болашаққа жоспарлар

Құрылғыны тұтыну өнімі ретінде экономикалық тұрғыдан тиімді ету үшін ауа райына төзімділік, тізбекті реттеу және шығындарды төмендету салаларында бірнеше жақсартуларды енгізу қажет. Ауа райының тұрақтылығы қондырғының ұзақ мерзімді жұмысында маңызды. Қозғалтқыштың бір әдісі оны нальген контейнеріне орау болды. Бұл контейнерлер су өткізбейтін және дерлік бұзылмайды. (Иә, біз көлігіміз бар біреудің үстіне жүгірдік.) Табиғат күштерінен қосымша қорғаныс қажет болды. Кеңейткіш көбік қондырғыны тығыздайды, бірақ материалдың шектеулері бар. Дұрыс орналастыру қиын ғана емес, сонымен қатар құрылғының жалпы жұмысына қажетті желдетуді болдырмайды.

Тізбекті ретке келтіруге келер болсақ, мүмкіндіктерге кернеу реттегішінің көп міндеттері мен реттелетін баспа платасы (ПХД) кіреді. Чип бірнеше кернеу реттегіштерін алмастыра алады, бұл өнімнің көлемін де, жылу шығынын да азайтады. ПХД -ны қолдану неғұрлым тұрақты негізді қамтамасыз етеді, себебі қосылымдар тақтада болады және оның астында қалмайды. Тақтадағы мыс іздерінің арқасында ол шектеулі мөлшерде жылу қабылдағыш қызметін атқарады. Бұл өзгеріс шамадан тыс желдету қажеттілігін азайтады және компоненттердің қызмет ету мерзімін ұзартады. Шығындарды азайту - бұл дизайндағы ең маңызды және қиын өзгеріс. Бұл схеманың өзі өте арзан, бірақ мотор 275 доллар тұрады. Біздің электр энергиясына деген қажеттілігімізді қанағаттандыратын үнемді қозғалтқышты іздеу жүріп жатыр.

10 -қадам: Аяқтаңыз

Біздің нұсқаулықты оқығаныңыз үшін рахмет, егер сізде сұрақтар туындаса, оларды қоюға болады.

Міне, біздің MIT -дегі презентациямыздың суреттері.