Cách sạc mọi thiết bị USB bằng cách đạp xe: 10 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:36

Để bắt đầu, dự án này đã được bắt đầu khi chúng tôi nhận được tài trợ từ Chương trình Lemelson-MIT. (Josh, nếu bạn đang đọc cái này, chúng tôi yêu bạn.)

Một nhóm gồm 6 sinh viên và một giáo viên đã cùng nhau thực hiện dự án này và chúng tôi đã quyết định đưa dự án này lên Bảng hướng dẫn với hy vọng giành được một chiếc máy cắt laser hoặc ít nhất là một chiếc áo thun. Những gì tiếp theo, là bản tổng hợp của bài thuyết trình của chúng tôi và các ghi chú cá nhân của riêng tôi. Tôi hy vọng bạn sẽ thích Sách hướng dẫn này nhiều như chúng tôi đã làm. Tôi cũng muốn cảm ơn Limor Fried, người tạo ra mạch MintyBoost. Nó đóng một vai trò quan trọng trong dự án của chúng tôi. Jeff Brookins Divine Child Inven Thành viên nhóm

Bước 1: Ý định ban đầu của chúng tôi…

Dự án ban đầu của chúng tôi là phát triển một sản phẩm sử dụng Nguyên tắc Faraday để cho phép người chạy bộ sạc iPod trong khi chạy. Khái niệm này sẽ tạo ra điện giống như cách mà những chiếc đèn pin Faraday làm.

Tuy nhiên, chúng tôi đã có một vấn đề. Để dẫn lời người đồng đội Nick Ciarelli của tôi, "Lúc đầu, chúng tôi đã cân nhắc sử dụng một thiết kế tương tự như một trong những chiếc đèn pin chống rung đó và chuyển đổi nó để một vận động viên chạy có thể đeo nó để chạy và có năng lượng để sạc iPod hoặc bất kỳ thiết bị nào họ Sử dụng. Đèn pin dạng lắc lấy năng lượng từ tương tác của từ trường chuyển động của nam châm trong đèn pin và cuộn dây quấn quanh ống mà nam châm trượt qua. Từ trường chuyển động làm cho các êlectron trong cuộn dây chuyển động theo dây dẫn, tạo ra dòng điện. Dòng điện này sau đó được lưu trữ trong pin, sau đó có sẵn để sử dụng cho bóng đèn pin / đèn LED. Tuy nhiên, khi chúng tôi tính toán lượng năng lượng mà chúng tôi có thể nhận được từ một lần chạy, chúng tôi đã xác định rằng sẽ phải chạy 50 dặm mới có đủ năng lượng để sạc một pin AA. Điều này không hợp lý nên chúng tôi đã thay đổi dự án của mình sang hệ thống xe đạp. " Sau đó, chúng tôi quyết định sử dụng hệ thống gắn trên xe đạp để thay thế.

Bước 2: Tuyên bố phát minh và sự phát triển khái niệm của chúng tôi

Ban đầu chúng tôi đưa ra giả thuyết về sự phát triển và tính khả thi của hệ thống phanh tái tạo để sử dụng trên xe đạp. Hệ thống này sẽ tạo ra một nguồn điện di động để kéo dài tuổi thọ pin của các thiết bị điện tử di động mà người lái mang theo.

Trong giai đoạn thử nghiệm, hệ thống phanh phục hồi được phát hiện không có khả năng thực hiện đồng thời các chức năng kép của nó. Nó không thể tạo ra đủ mô-men xoắn để dừng xe đạp, cũng như không tạo ra đủ năng lượng để sạc lại pin. Do đó, nhóm nghiên cứu đã chọn từ bỏ khía cạnh phanh của hệ thống, để chỉ tập trung vào việc phát triển hệ thống sạc liên tục. Hệ thống này sau khi được xây dựng và nghiên cứu đã chứng tỏ hoàn toàn có khả năng đạt được các mục tiêu mong muốn.

Bước 3: Thiết kế mạch

Để bắt đầu, chúng tôi phải thiết kế một mạch có thể lấy ~ 6 volt từ động cơ, lưu trữ nó và sau đó chuyển đổi nó thành 5 volt mà chúng tôi cần cho thiết bị USB.

Mạch chúng tôi thiết kế bổ sung chức năng của bộ sạc USB MintyBoost, ban đầu được phát triển bởi Limor Fried, thuộc Adafruit Industries. MintyBoost sử dụng pin AA để sạc các thiết bị điện tử di động. Mạch được xây dựng độc lập của chúng tôi thay thế pin AA và cung cấp năng lượng cho MintyBoost. Mạch này giảm ~ 6 volt từ động cơ xuống 2,5 volt. Điều này cho phép động cơ sạc BoostCap (140 F), từ đó cung cấp năng lượng cho mạch MintyBoost. Siêu tụ điện dự trữ năng lượng để liên tục sạc thiết bị USB ngay cả khi xe đạp không chuyển động.

Bước 4: Lấy điện

Chọn một động cơ chứng tỏ một nhiệm vụ khó khăn hơn.

Động cơ đắt tiền cung cấp mô-men xoắn thích hợp cần thiết để tạo ra nguồn phanh, tuy nhiên chi phí rất cao. Để tạo ra một thiết bị giá cả phải chăng và hiệu quả, một giải pháp khác là cần thiết. Dự án được thiết kế lại như một hệ thống sạc liên tục, trong số mọi khả năng, động cơ Maxon sẽ là lựa chọn tốt hơn do có đường kính nhỏ hơn. Động cơ Maxon cũng cung cấp 6 vôn trong khi như các động cơ trước đó cho chúng tôi lên đến 20 vôn. Đối với động cơ sau này, quá nhiệt sẽ là một vấn đề lớn. Chúng tôi quyết định gắn bó với Maxon 90 của mình, một động cơ tuyệt đẹp, mặc dù chi phí của nó là 275 đô la. (Đối với những người muốn xây dựng dự án này, một động cơ rẻ hơn sẽ là đủ.) Chúng tôi gắn động cơ này gần với giá đỡ phanh sau trực tiếp trên khung xe đạp bằng cách sử dụng một miếng đồng hồ giữa động cơ và khung để hoạt động như một miếng đệm, sau đó siết chặt 2 kẹp ống xung quanh nó.

Bước 5: Đấu dây

Đối với hệ thống dây điện từ động cơ đến mạch điện, một số tùy chọn đã được xem xét: kẹp cá sấu để mô phỏng, dây điện thoại và dây loa.

Các kẹp cá sấu được chứng minh là hoạt động tốt cho mục đích thiết kế và thử nghiệm mô phỏng nhưng chúng không đủ ổn định cho thiết kế cuối cùng. Dây điện thoại tỏ ra mỏng manh và khó sử dụng. Dây loa đã được thử nghiệm do độ bền của nó do đó trở thành dây dẫn được lựa chọn. Mặc dù nó là dây bện nhưng nó bền hơn nhiều do có đường kính lớn hơn. Sau đó, chúng tôi chỉ cần gắn dây vào khung bằng cách sử dụng dây buộc zip.

Bước 6: Mạch thực tế

Xử lý mạch điện là thử thách khó khăn nhất trong quá trình này. Đầu tiên, điện từ động cơ đi qua một bộ điều chỉnh điện áp sẽ cho phép tạo ra dòng điện 5 amp liên tục; một dòng điện lớn hơn các bộ điều chỉnh khác sẽ vượt qua. Từ đó điện áp được giảm xuống 2,5 volt, đây là mức tối đa mà BOOSTCAP có thể lưu trữ và xử lý an toàn. Khi BOOSTCAP đạt được 1,2 volt, nó có đủ năng lượng để cho phép MintyBoost cung cấp nguồn 5 volt cho thiết bị đang được sạc.

Trên các dây đầu vào, chúng tôi gắn một diode 5A để chúng tôi không nhận được "hiệu ứng khởi động được hỗ trợ", nơi động cơ sẽ bắt đầu quay bằng cách sử dụng điện được lưu trữ. Chúng tôi đã sử dụng tụ điện 2200uF để cấp dòng điện cho bộ điều chỉnh điện áp. Bộ điều chỉnh điện áp mà chúng tôi đã sử dụng, LM338, có thể điều chỉnh tùy thuộc vào cách bạn đặt nó, như đã thấy trong sơ đồ mạch của chúng tôi. Đối với mục đích của chúng tôi, việc so sánh hai điện trở, 120ohm và 135 ohm, được kết nối với bộ điều chỉnh sẽ xác định điện áp đầu ra. Chúng tôi sử dụng nó để giảm điện áp từ ~ 6 volt xuống 2,5 volt. Sau đó, chúng tôi lấy 2,5 volt và sử dụng nó để sạc siêu tụ điện, một BOOSTCAP 140 farad, 2,5 volt do Maxwell Technologies sản xuất. Chúng tôi chọn BOOSTCAP vì điện dung cao của nó sẽ cho phép chúng tôi sạc điện ngay cả khi xe đạp dừng ở đèn đỏ. Phần tiếp theo của mạch này là thứ mà tôi chắc rằng tất cả các bạn đều quen thuộc, Adafruit MintyBoost. Chúng tôi đã sử dụng nó để lấy 2,5 volt từ siêu tụ điện và nâng nó lên mức 5 volt ổn định, tiêu chuẩn USB. Nó sử dụng bộ chuyển đổi tăng cường MAX756, 5 volt kết hợp với cuộn cảm 22uH. Khi chúng tôi nhận được 1,2 volt trên siêu tụ điện, MintyBoost sẽ bắt đầu xuất ra 5 volt. Mạch của chúng tôi bổ sung chức năng của bộ sạc USB MintyBoost, ban đầu được phát triển bởi Limor Fried, thuộc Adafruit Industries. MintyBoost sử dụng pin AA để sạc các thiết bị điện tử di động. Mạch được xây dựng độc lập của chúng tôi thay thế pin AA và cung cấp năng lượng cho MintyBoost. Mạch này giảm ~ 6 volt từ động cơ xuống 2,5 volt. Điều này cho phép động cơ sạc BoostCap (140 F), từ đó cung cấp năng lượng cho mạch MintyBoost. Siêu tụ điện dự trữ năng lượng để liên tục sạc thiết bị USB ngay cả khi xe đạp không chuyển động.

Bước 7: Bao vây

Để bảo vệ mạch khỏi các yếu tố bên ngoài, cần phải có vỏ bọc. Người ta chọn một "viên" ống PVC và nắp cuối, có đường kính 6cm và dài 18cm. Mặc dù các kích thước này lớn khi so sánh với mạch, điều này làm cho việc xây dựng thuận tiện hơn. Một mô hình sản xuất sẽ nhỏ hơn nhiều. PVC được lựa chọn dựa trên độ bền, khả năng chống chịu thời tiết gần như hoàn hảo, hình dạng khí động học và chi phí thấp. Các thí nghiệm cũng được thực hiện trên các thùng chứa được chế tạo từ sợi carbon thô ngâm trong epoxy. Cấu trúc này được chứng minh là vừa chắc chắn vừa có trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, quá trình xây dựng vô cùng tốn thời gian và khó thành thạo.

Bước 8: Thử nghiệm

Đối với các tụ điện, chúng tôi kiểm tra hai loại khác nhau, BOOSTCAP và một siêu tụ điện.

Biểu đồ đầu tiên mô tả việc sử dụng siêu tụ điện, được tích hợp với mạch điện để khi động cơ hoạt động, tụ điện sẽ tích điện. Chúng tôi không sử dụng thành phần này vì trong khi siêu tụ điện được sạc với tốc độ cực lớn, nó phóng điện quá nhanh so với mục đích của chúng tôi. Đường màu đỏ thể hiện điện áp của động cơ, đường màu xanh lam thể hiện điện áp của siêu tụ điện và đường màu xanh lá cây thể hiện điện áp của cổng USB. Biểu đồ thứ hai là dữ liệu được thu thập bằng siêu tụ điện BOOSTCAP. Đường màu đỏ thể hiện điện áp của động cơ, màu xanh lam là điện áp của siêu tụ điện và đường màu xanh lá cây biểu thị điện áp của cổng USB. Chúng tôi đã chọn sử dụng siêu tụ điện bởi vì, như thử nghiệm này cho thấy, siêu tụ điện sẽ tiếp tục giữ điện tích của nó ngay cả khi người lái xe đã ngừng di chuyển. Lý do điện áp USB tăng vọt là do siêu tụ điện đã đạt đến ngưỡng điện áp cần thiết để kích hoạt MintyBoost. Cả hai bài kiểm tra này đều được thực hiện trong khoảng thời gian 10 phút. Người lái đã đạp trong 5 phút đầu tiên, sau đó chúng tôi quan sát điện áp sẽ phản ứng như thế nào trong 5 phút cuối cùng. Hình ảnh cuối cùng là ảnh chụp trên Google Earth về nơi chúng tôi đã thực hiện thử nghiệm của mình. Hình ảnh này cho thấy chúng tôi bắt đầu ở trường học của mình, và sau đó thực hiện hai vòng tại Công viên Levagood với tổng khoảng cách gần đúng là 1 dặm. Màu sắc của bản đồ này tương ứng với tốc độ của người lái. Vạch màu tím có vận tốc xấp xỉ 28,9 dặm / giờ, vạch xanh lam 21,7 dặm / giờ, vạch xanh lục 14,5 dặm / giờ và vạch vàng 7,4 dặm / giờ.

Bước 9: Kế hoạch tương lai

Để làm cho thiết bị trở nên hiệu quả hơn về mặt kinh tế với tư cách là một sản phẩm tiêu dùng, cần phải thực hiện một số cải tiến trong các lĩnh vực chống thời tiết, tinh giản mạch và giảm chi phí. Khả năng chống chọi với thời tiết là rất quan trọng đối với hoạt động lâu dài của thiết bị. Một kỹ thuật được xem xét cho động cơ là bọc nó trong một thùng chứa Nalgene. Những thùng chứa này được biết đến là không thấm nước và gần như không thể phá hủy. (Có, chúng tôi đã chạy qua một chiếc xe mà không có ảnh hưởng xấu.) Bảo vệ bổ sung đã được tìm kiếm để chống lại các lực lượng của tự nhiên. Bọt giãn nở sẽ làm kín thiết bị, tuy nhiên vật liệu này có những hạn chế. Nó không chỉ khó đặt đúng vị trí mà còn cản trở sự thông gió cần thiết cho hoạt động chung của thiết bị.

Về sự tinh giản của mạch, các khả năng bao gồm một chip điều chỉnh điện áp đa nhiệm và một bảng mạch in tùy chỉnh (PCB). Con chip này có thể thay thế nhiều bộ điều chỉnh điện áp, điều này sẽ làm giảm cả kích thước và sản lượng nhiệt của sản phẩm. Sử dụng PCB sẽ cung cấp một cơ sở ổn định hơn vì các kết nối sẽ trực tiếp trên bo mạch và không trôi bên dưới nó. Ở một mức độ hạn chế, nó sẽ hoạt động như một bộ tản nhiệt do có vết đồng trong bo mạch. Thay đổi này sẽ làm giảm nhu cầu thông gió quá mức và tăng tuổi thọ của linh kiện. Giảm chi phí cho đến nay là thay đổi quan trọng nhất và khó khăn nhất phải được thực hiện đối với thiết kế. Bản thân mạch cực kỳ rẻ, tuy nhiên động cơ có giá 275 đô la. Một cuộc tìm kiếm đang được tiến hành để tìm một động cơ tiết kiệm chi phí hơn mà vẫn đáp ứng được nhu cầu điện năng của chúng ta.

Bước 10: Kết thúc

Cảm ơn bạn đã đọc Hướng dẫn của chúng tôi, nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, hãy hỏi.

Dưới đây là một số hình ảnh từ buổi thuyết trình của chúng tôi tại MIT.