So laden Sie ein beliebiges USB-Gerät mit dem Fahrrad auf - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:22

Zu Beginn wurde dieses Projekt gestartet, als wir ein Stipendium vom Lemelson-MIT-Programm erhielten. (Josh, wenn du das liest, wir lieben dich.)

Ein Team von 6 Schülern und einem Lehrer hat dieses Projekt zusammengestellt, und wir haben uns entschieden, es auf Instructables zu setzen, in der Hoffnung, einen Laserschneider oder zumindest ein T-Shirt zu gewinnen. Was folgt, ist eine Zusammenstellung unserer Präsentation und meiner persönlichen Notizen. Ich hoffe, Sie genießen dieses Instructable so viel wie wir. Ich möchte auch Limor Fried danken, dem Schöpfer der MintyBoost-Schaltung. Es spielte eine Schlüsselrolle in unserem Projekt. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam-Mitglied

Schritt 1: Unsere ursprüngliche Absicht…

Unser ursprüngliches Projekt bestand darin, ein Produkt zu entwickeln, das das Faraday-Prinzip nutzt, um es Läufern zu ermöglichen, ihre iPods während des Laufens aufzuladen. Dieses Konzept würde Strom auf die gleiche Weise erzeugen wie diese Faraday-Taschenlampen.

Wir hatten jedoch ein Problem. Um meinen Teamkollegen Nick Ciarelli zu zitieren: "Zuerst dachten wir darüber nach, ein Design ähnlich einer dieser Shake-Up-Taschenlampen zu verwenden und es so umzuwandeln, dass ein Läufer es für einen Lauf umschnallen und Energie zum Aufladen seines iPods oder eines anderen Geräts haben könnte Die Shake-up-Taschenlampe erhält ihre Energie aus der Wechselwirkung des bewegten Magnetfelds des Magneten in der Taschenlampe und der Drahtspule, die um das Rohr gewickelt ist, durch das der Magnet gleitet. Das bewegte Magnetfeld bewirkt, dass sich Elektronen in der Spule mitbewegen den Draht, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Dieser Strom wird dann in einer Batterie gespeichert, die dann für die Taschenlampe / LED zur Verfügung steht. Als wir jedoch berechneten, wie viel Energie wir aus einem Lauf gewinnen könnten, haben wir festgestellt dass es einen 50-Meilen-Lauf dauern würde, um genug Energie zu bekommen, um eine AA-Batterie aufzuladen. Das war unvernünftig, also haben wir unser Projekt auf das Fahrradsystem umgestellt." Wir haben uns dann entschieden, stattdessen ein Fahrrad-montiertes System zu verwenden.

Schritt 2: Unsere Erfindungserklärung und Konzeptentwicklung

Wir haben zunächst die Entwicklung und Machbarkeit eines regenerativen Bremssystems für den Einsatz an Fahrrädern theoretisiert. Dieses System würde eine mobile Stromquelle schaffen, um die Batterielebensdauer von tragbaren elektronischen Geräten zu verlängern, die vom Fahrer getragen werden.

Während der Experimentierphase stellte sich heraus, dass das regenerative Bremssystem seine Doppelfunktionen nicht gleichzeitig erfüllen kann. Es konnte weder genug Drehmoment erzeugen, um das Fahrrad zu stoppen, noch genug Leistung erzeugen, um die Batterien aufzuladen. Das Team entschied sich daher, den Bremsaspekt des Systems aufzugeben und sich ausschließlich auf die Entwicklung eines kontinuierlichen Ladesystems zu konzentrieren. Dieses System erwies sich nach seiner Konstruktion und Erforschung als voll in der Lage, die gewünschten Ziele zu erreichen.

Schritt 3: Entwerfen Sie eine Schaltung

Zu Beginn mussten wir eine Schaltung entwerfen, die die ~ 6 Volt vom Motor aufnehmen, speichern und dann in die 5 Volt umwandeln konnte, die wir für das USB-Gerät benötigten.

Die von uns entwickelte Schaltung ergänzt die Funktion des MintyBoost USB-Ladegeräts, das ursprünglich von Limor Fried von Adafruit Industries entwickelt wurde. Der MintyBoost verwendet AA-Batterien, um tragbare elektronische Geräte aufzuladen. Unsere unabhängig aufgebaute Schaltung ersetzt die AA-Batterien und versorgt den MintyBoost mit Strom. Diese Schaltung reduziert die ~6 Volt vom Motor auf 2,5 Volt. Dadurch kann der Motor die BoostCap (140 F) aufladen, die wiederum die MintyBoost-Schaltung mit Strom versorgt. Der Ultrakondensator speichert Energie, um das USB-Gerät kontinuierlich aufzuladen, auch wenn das Fahrrad nicht in Bewegung ist.

Schritt 4: Strom bekommen

Die Auswahl eines Motors erwies sich als schwierigere Aufgabe.

Teure Motoren lieferten das richtige Drehmoment, das benötigt wurde, um die Bremsquelle zu erzeugen, jedoch waren die Kosten unerschwinglich. Um ein erschwingliches und effektives Gerät herzustellen, war eine andere Lösung erforderlich. Das Projekt wurde als kontinuierliches Ladesystem umgestaltet, von allen Möglichkeiten wäre der Maxon-Motor aufgrund seines kleineren Durchmessers die bessere Wahl. Der Maxon-Motor lieferte auch 6 Volt, während uns frühere Motoren über 20 Volt lieferten. Bei letzterem wäre eine Überhitzung des Motors ein großes Problem. Wir entschieden uns, bei unserem Maxon 90 zu bleiben, der ein wunderschöner Motor war, obwohl er 275 US-Dollar kostete. (Für diejenigen, die dieses Projekt bauen möchten, reicht ein billigerer Motor.) Wir haben diesen Motor in der Nähe der hinteren Bremshalterungen direkt am Fahrradrahmen befestigt, indem wir ein Stück eines Meterstabs zwischen Motor und Rahmen als Abstandshalter verwenden, dann 2 Schlauchschellen drum herum angezogen.

Schritt 5: Verkabelung

Für die Verkabelung vom Motor zum Stromkreis wurden mehrere Optionen in Betracht gezogen: Krokodilklemmen für Mock-up, Telefonkabel und Lautsprecherkabel.

Die Krokodilklemmen erwiesen sich für das Mock-up-Design und für Testzwecke als gut, waren jedoch für das endgültige Design nicht stabil genug. Das Telefonkabel erwies sich als zerbrechlich und schwierig zu handhaben. Lautsprecherkabel wurde aufgrund seiner Haltbarkeit getestet und wurde daher zum Leiter der Wahl. Obwohl es sich um Litzendraht handelte, war es aufgrund seines größeren Durchmessers viel haltbarer. Wir haben dann einfach den Draht mit Kabelbindern am Rahmen befestigt.

Schritt 6: Die eigentliche Schaltung

Die Bewältigung der Schaltung war die schwierigste Herausforderung des Prozesses. Der Strom vom Motor fließt zuerst durch einen Spannungsregler, der bis zu einem kontinuierlichen Strom von fünf Ampere zulässt; ein größerer Strom als andere Regler passieren würde. Von dort wird die Spannung auf 2,5 Volt heruntergesetzt, was das Maximum ist, das der BOOSTCAP speichern und sicher verarbeiten kann. Sobald der BOOSTCAP 1,2 Volt erreicht, hat er genug Leistung, damit der MintyBoost eine 5-Volt-Quelle für das zu ladende Gerät bereitstellen kann.

An den Eingangsdrähten haben wir eine 5A-Diode angebracht, damit wir keinen "Starthilfeeffekt" erhalten, bei dem der Motor unter Verwendung der gespeicherten Elektrizität zu drehen beginnt. Wir haben den 2200uF-Kondensator verwendet, um den Stromfluss zum Spannungsregler auszugleichen. Der von uns verwendete Spannungsregler, ein LM338, ist je nach Einstellung einstellbar, wie in unserem Schaltplan zu sehen. Für unsere Zwecke bestimmt der Vergleich von zwei Widerständen, 120 Ohm und 135 Ohm, die an den Regler angeschlossen sind, die Ausgangsspannung. Wir verwenden es, um die Spannung von ~6 Volt auf 2,5 Volt zu reduzieren. Wir nehmen dann die 2,5 Volt und laden damit unseren Ultrakondensator, einen 140 Farad, 2,5 Volt BOOSTCAP von Maxwell Technologies. Wir haben uns für das BOOSTCAP entschieden, weil wir aufgrund seiner hohen Kapazität eine Ladung halten können, auch wenn das Fahrrad an einer roten Ampel anhält. Der nächste Teil dieser Schaltung ist etwas, mit dem Sie sicher alle vertraut sind, der Adafruit MintyBoost. Wir haben es verwendet, um die 2,5 Volt vom Ultrakondensator zu nehmen und auf stabile 5 Volt, den USB-Standard, zu erhöhen. Es verwendet einen MAX756, 5-Volt-Aufwärtswandler, der mit einer 22uH-Induktivität gekoppelt ist. Sobald 1,2 Volt am Ultrakondensator anliegen, beginnt der MintyBoost, die 5 Volt auszugeben. Unsere Schaltung ergänzt die Funktion des MintyBoost USB-Ladegeräts, das ursprünglich von Limor Fried von Adafruit Industries entwickelt wurde. Der MintyBoost verwendet AA-Batterien, um tragbare elektronische Geräte aufzuladen. Unsere unabhängig aufgebaute Schaltung ersetzt die AA-Batterien und versorgt den MintyBoost mit Strom. Diese Schaltung reduziert die ~6 Volt vom Motor auf 2,5 Volt. Dadurch kann der Motor die BoostCap (140 F) aufladen, die wiederum die MintyBoost-Schaltung mit Strom versorgt. Der Ultrakondensator speichert Energie, um das USB-Gerät kontinuierlich aufzuladen, auch wenn das Fahrrad nicht in Bewegung ist.

Schritt 7: Das Gehäuse

Um die Schaltung vor äußeren Einflüssen zu schützen, war ein Gehäuse erforderlich. Gewählt wurde eine "Pille" aus PVC-Schlauch und Endkappen mit einem Durchmesser von 6cm und einer Länge von 18cm. Obwohl diese Abmessungen im Vergleich zur Schaltung groß sind, machte dies die Konstruktion bequemer. Ein Serienmodell wäre viel kleiner. Das PVC wurde aufgrund von Haltbarkeit, nahezu perfekter Wetterbeständigkeit, aerodynamischer Form und geringen Kosten ausgewählt. Experimente wurden auch an Behältern durchgeführt, die aus in Epoxid getränkten rohen Kohlefasern hergestellt wurden. Diese Struktur erwies sich als sowohl stark als auch leicht. Der Bauprozess war jedoch extrem zeitaufwendig und schwer zu meistern.

Schritt 8: Testen

Bei den Kondensatoren testen wir zwei verschiedene Typen, den BOOSTCAP und einen Superkondensator.

Das erste Diagramm zeigt die Verwendung des Superkondensators, der in die Schaltung integriert ist, sodass sich der Kondensator bei aktivem Motor auflädt. Wir haben diese Komponente nicht verwendet, da sich der Superkondensator zwar mit extremer Geschwindigkeit auflädt, sich aber für unsere Zwecke zu schnell entlädt. Die rote Linie repräsentiert die Spannung des Motors, die blaue Linie repräsentiert die Spannung des Superkondensators und die grüne Linie repräsentiert die Spannung des USB-Ports. Das zweite Diagramm sind die mit dem BOOSTCAP-Ultrakondensator gesammelten Daten. Die rote Linie stellt die Spannung des Motors dar, die blaue die Spannung des Ultrakondensators und die grüne Linie die Spannung des USB-Ports. Wir haben uns für den Ultrakondensator entschieden, weil, wie dieser Test zeigt, der Ultrakondensator seine Ladung auch dann noch hält, wenn sich der Fahrer nicht mehr bewegt. Der Grund für den Sprung der USB-Spannung liegt darin, dass der Ultrakondensator die Spannungsschwelle erreicht hat, die zum Aktivieren des MintyBoost erforderlich ist. Beide Tests wurden über einen Zeitraum von 10 Minuten durchgeführt. Der Fahrer trat die ersten 5 Minuten in die Pedale, dann beobachteten wir, wie die Spannungen in den letzten 5 Minuten reagieren würden. Das letzte Bild ist eine Google Earth-Aufnahme von dem Ort, an dem wir unsere Tests durchgeführt haben. Dieses Bild zeigt, dass wir an unserer Schule angefangen haben und dann zwei Runden im Levagood Park für eine ungefähre Gesamtdistanz von 1 Meile gedreht haben. Die Farben dieser Karte entsprechen der Geschwindigkeit des Fahrers. Die violette Linie ist ungefähr 28,9 mph, die blaue Linie 21,7 mph, die grüne Linie 14,5 mph und die gelbe Linie 7,4 mph.

Schritt 9: Zukunftspläne

Um das Gerät als Verbraucherprodukt wirtschaftlich rentabler zu machen, müssen mehrere Verbesserungen in den Bereichen Wetterfestigkeit, Stromlinienoptimierung und Kostenreduzierung vorgenommen werden. Witterungsbeständigkeit ist entscheidend für den langfristigen Betrieb des Geräts. Eine für den Motor in Betracht gezogene Technik bestand darin, ihn in einen Nalgene-Behälter einzuschließen. Diese Behälter sind dafür bekannt, dass sie wasserdicht und nahezu unzerstörbar sind. (Ja, wir haben einen mit einem Auto überfahren, ohne dass es zu Schaden kam.) Es wurde zusätzlicher Schutz gegen die Naturgewalten gesucht. Expansionsschaum würde das Gerät abdichten, jedoch hat das Material Einschränkungen. Es ist nicht nur schwierig, es richtig zu positionieren, sondern würde auch die für den Gesamtbetrieb des Geräts unerlässliche Belüftung verhindern.

Zur Optimierung der Schaltung gehören ein Multitasking-Spannungsreglerchip und eine kundenspezifische Leiterplatte (PCB). Der Chip könnte mehrere Spannungsregler ersetzen, dies würde sowohl die Größe des Produkts als auch die Wärmeabgabe verringern. Die Verwendung einer Platine bietet eine stabilere Basis, da die Verbindungen direkt auf der Platine liegen und nicht darunter schweben. Aufgrund der Kupferleiterbahnen in der Platine wird es in begrenztem Umfang als Kühlkörper fungieren. Diese Änderung würde den Bedarf an übermäßiger Belüftung verringern und die Lebensdauer der Komponenten erhöhen. Die Kostenreduzierung ist bei weitem die wichtigste und schwierigste Änderung, die am Design vorgenommen werden muss. Die Schaltung selbst ist extrem preiswert, der Motor kostet jedoch 275 US-Dollar. Es wird nach einem kostengünstigeren Motor gesucht, der noch immer unseren Strombedarf decken wird.

Schritt 10: Fertig

Vielen Dank für das Lesen unserer Instructable, wenn Sie Fragen haben, zögern Sie nicht zu fragen.

Hier sind einige der Bilder von unserer Präsentation am MIT.