Bisikletinizi Sürerek Herhangi Bir USB Aygıtını Nasıl Şarj Edebilirsiniz: 10 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Başlangıç olarak, bu proje Lemelson-MIT Programından bir hibe aldığımızda başlatıldı. (Josh, bunu okuyorsan seni seviyoruz.)

6 öğrenci ve bir öğretmenden oluşan bir ekip bu projeyi bir araya getirdi ve bir lazer kesici veya en azından bir tişört kazanma umuduyla onu Eğitilebilir Kitaplar'a koymaya karar verdik. Aşağıda, sunumumuzun bir derlemesi ve kendi kişisel notlarım yer almaktadır. Umarım bu Eğitilebilir Kitaptan bizim kadar zevk alırsınız. MintyBoost devresinin yaratıcısı Limor Fried'e de teşekkür etmek istiyorum. Projemizde önemli bir rol oynadı. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam Üyesi

Adım 1: Asıl Niyetimiz…

Orijinal projemiz, koşucuların koşarken iPod'larını şarj etmelerini sağlamak için Faraday İlkesini kullanan bir ürün geliştirmekti. Bu konsept, Faraday el fenerlerinin yaptığı gibi elektrik üretecekti.

Ancak bir sorunumuz vardı. Takım arkadaşım Nick Ciarelli'den alıntı yapmak için, "İlk başta, bu sarsıcı el fenerlerinden birine benzer bir tasarım kullanmayı ve onu bir koşucunun koşuya bağlayabilmesi ve iPod'unu veya herhangi bir cihazı şarj etmek için enerjiye sahip olabilmesi için dönüştürmeyi düşündük. Sarsıntılı el feneri enerjisini, el fenerindeki mıknatısın hareketli manyetik alanı ile mıknatısın içinden kaydığı tüpün etrafına sarılmış tel bobininin etkileşiminden alır. Hareketli manyetik alan, bobindeki elektronların hareket etmesine neden olur. elektrik akımı oluşturan tel. Bu akım daha sonra el feneri ampulü/LED için kullanılabilecek bir pilde depolanır. Ancak, bir koşudan ne kadar enerji elde edebileceğimizi hesapladığımızda belirledik bir AA pili şarj etmek için yeterli enerjiyi elde etmenin 50 millik bir koşu alacağını söyledi. Bu mantıksızdı, bu yüzden projemizi bisiklet sistemine çevirdik." Bunun yerine bisiklete monte bir sistem kullanmaya karar verdik.

Adım 2: Buluş Bildirimimiz ve Konsept Evrimimiz

Başlangıçta, bisikletlerde kullanım için rejeneratif bir fren sisteminin geliştirilmesini ve uygulanabilirliğini teorileştirdik. Bu sistem, sürücü tarafından taşınan taşınabilir elektronik cihazların pil ömrünü uzatmak için bir mobil güç kaynağı yaratacaktır.

Deney aşamasında, rejeneratif fren sisteminin, ikili işlevlerini aynı anda yerine getiremediği bulundu. Ne bisikleti durdurmak için yeterli tork üretebilir ne de pilleri şarj etmek için yeterli güç üretebilir. Bu nedenle ekip, yalnızca sürekli bir şarj sisteminin geliştirilmesine odaklanmak için sistemin frenleme yönünü terk etmeyi seçti. Bu sistem bir kez inşa edildikten ve araştırıldıktan sonra, istenen hedeflere tam olarak ulaşabildiğini kanıtladı.

Adım 3: Bir Devre Tasarlayın

Başlamak için, motordan ~6 volt alabilecek, depolayabilecek ve ardından USB cihazı için ihtiyacımız olan 5 volta dönüştürebilecek bir devre tasarlamamız gerekiyordu.

Tasarladığımız devre, orijinal olarak Adafruit Industries'den Limor Fried tarafından geliştirilen MintyBoost USB şarj cihazının işlevini tamamlıyor. MintyBoost, taşınabilir elektronik cihazları şarj etmek için AA piller kullanır. Bağımsız olarak oluşturulmuş devremiz AA pillerin yerini alır ve MintyBoost'a güç sağlar. Bu devre motordan gelen ~6 voltu 2,5 volta düşürür. Bu, motorun, MintyBoost devresine güç sağlayan BoostCap'i (140 F) şarj etmesini sağlar. Ultrakapasitör, bisiklet hareket halinde değilken bile USB cihazını sürekli olarak şarj etmek için enerji depolar.

Adım 4: Güç Elde Etme

Bir motor seçmek daha zorlu bir görev oldu.

Pahalı motorlar, frenleme kaynağı oluşturmak için gereken uygun torku sağladı, ancak maliyeti yüksekti. Uygun fiyatlı ve etkili bir cihaz yapmak için başka bir çözüm gerekliydi. Proje, sürekli bir şarj sistemi olarak yeniden tasarlandı, tüm olasılıkların dışında, daha küçük çapı nedeniyle Maxon motor daha iyi bir seçim olurdu. Maxon motoru ayrıca 6 volt sağladı, önceki motorlar ise bize 20 volttan fazla verdi. İkinci motor için aşırı ısınma çok büyük bir sorun olacaktır. Maliyeti 275$ olmasına rağmen güzel bir motor olan Maxon 90'ımıza sadık kalmaya karar verdik. (Bu projeyi yapmak isteyenler için daha ucuz bir motor yeterli olacaktır.) Bu motoru, ara parçası olarak hareket etmesi için motor ve çerçeve arasında bir metre çubuk kullanarak doğrudan bisiklet çerçevesine arka fren bağlantılarına yakın tuttuk, sonra etrafına 2 hortum kelepçesi sıkılır.

Adım 5: Kablolama

Motordan devreye kablolama için birkaç seçenek göz önünde bulunduruldu: maket için timsah klipsler, telefon kablosu ve hoparlör kablosu.

Timsah klipsleri, maket tasarımı ve test amaçları için iyi çalıştığını kanıtladı, ancak nihai tasarım için yeterince kararlı değildi. Telefon kablosunun kırılgan olduğu ve üzerinde çalışılması zor olduğu ortaya çıktı. Hoparlör kablosu, dayanıklılığı nedeniyle test edildi ve bu nedenle tercih edilen iletken haline geldi. Çok telli tel olmasına rağmen, daha büyük çapı nedeniyle çok daha dayanıklıydı. Daha sonra kabloyu zip-bağlar kullanarak çerçeveye bağladık.

Adım 6: Gerçek Devre

Devrenin üstesinden gelmek, sürecin en zor zorluğuydu. Motordan gelen elektrik önce, sürekli beş amperlik bir akıma izin verecek bir voltaj regülatöründen geçer; diğer düzenleyicilerden daha büyük bir akım geçecektir. Oradan voltaj, BOOSTCAP'ın saklayabileceği ve güvenle kullanabileceği maksimum değer olan 2,5 volta düşürülür. BOOSTCAP 1,2 volta ulaştığında, MintyBoost'un şarj edilmekte olan cihaz için 5 voltluk bir kaynak sağlamasına izin vermek için yeterli güce sahiptir.

Giriş kablolarına bir 5A diyot bağladık, böylece motorun depolanan elektriği kullanarak dönmeye başlayacağı bir "yardımcı başlatma etkisi" alamayacağız. Voltaj regülatörüne giden güç akışını eşitlemek için 2200uF kapasitör kullandık. Kullandığımız voltaj regülatörü, LM338, devre şemamızda görüldüğü gibi, nasıl ayarladığınıza bağlı olarak ayarlanabilir. Bizim amacımız için, regülatöre bağlı 120ohm ve 135 ohm iki direncin karşılaştırılması çıkış voltajını belirler. Voltajı ~6 volttan 2,5 volta düşürmek için kullanıyoruz. Daha sonra 2.5 voltu alırız ve Maxwell Technologies tarafından üretilen 140 farad, 2.5 volt BOOSTCAP olan ultrakapasitörümüzü şarj etmek için kullanırız. BOOSTCAP'ı seçtik çünkü yüksek kapasitansı, bisiklet kırmızı ışıkta dursa bile şarj tutmamıza izin verecek. Bu devrenin bir sonraki kısmı, hepinizin aşina olduğundan eminim, Adafruit MintyBoost. Ultrakapasitörden 2,5 voltu almak ve USB standardı olan sabit 5 volta yükseltmek için kullandık. 22uH indüktör ile birleştirilmiş bir MAX756, 5 voltluk yükseltici dönüştürücü kullanır. Ultrakapasitör üzerinden 1,2 volt aldığımızda, MintyBoost 5 volt çıkışı vermeye başlayacaktır. Devremiz, orijinal olarak Adafruit Industries'den Limor Fried tarafından geliştirilen MintyBoost USB şarj cihazının işlevini tamamlar. MintyBoost, taşınabilir elektronik cihazları şarj etmek için AA piller kullanır. Bağımsız olarak oluşturulmuş devremiz AA pillerin yerini alır ve MintyBoost'a güç sağlar. Bu devre motordan gelen ~6 voltu 2,5 volta düşürür. Bu, motorun, MintyBoost devresine güç sağlayan BoostCap'i (140 F) şarj etmesini sağlar. Ultrakapasitör, bisiklet hareket halinde değilken bile USB cihazını sürekli olarak şarj etmek için enerji depolar.

Adım 7: Muhafaza

Devreyi harici elemanlardan korumak için bir muhafaza gerekliydi. 6 cm çapında ve 18 cm uzunluğunda bir PVC boru ve uç kapakları "hap" seçildi. Bu boyutlar devreye göre büyük olsa da, bu yapıyı daha uygun hale getirdi. Bir üretim modeli çok daha küçük olurdu. PVC, dayanıklılık, neredeyse mükemmel hava koşullarına dayanıklılık, aerodinamik şekil ve düşük maliyet temelinde seçildi. Epoksiye batırılmış ham karbon fiberden hazırlanmış kaplar üzerinde de deneyler yapıldı. Bu yapının hem güçlü hem de hafif olduğu kanıtlandı. Ancak, inşaat süreci son derece zaman alıcıydı ve ustalaşması zordu.

Adım 8: Test Etme

Kondansatörler için BOOSTCAP ve süper kapasitör olmak üzere iki farklı tip test ediyoruz.

İlk grafik, motor aktifken kondansatörün şarj olması için devreye entegre edilmiş süper kapasitör kullanımını göstermektedir. Bu bileşeni kullanmadık çünkü süper kapasitör aşırı hızda şarj olurken, amaçlarımız için çok hızlı boşaldı. Kırmızı çizgi motorun voltajını, mavi çizgi süper kapasitör voltajını ve yeşil çizgi USB portunun voltajını temsil eder. İkinci grafik, BOOSTCAP ultrakapasitör ile toplanan verilerdir. Kırmızı çizgi motorun voltajını, mavi ise ultrakapasitörün voltajını ve yeşil çizgi USB portunun voltajını temsil eder. Ultrakapasitör kullanmayı seçtik çünkü bu testin gösterdiği gibi ultrakapasitör, sürücü hareket etmeyi bıraktıktan sonra bile şarjını sürdürmeye devam edecek. USB voltajındaki sıçramanın nedeni, ultrakapasitörün MintyBoost'u etkinleştirmek için gerekli voltaj eşiğine ulaşmasıdır. Bu testlerin her ikisi de 10 dakikalık bir süre boyunca gerçekleştirildi. Sürücü ilk 5'te pedal çevirdi, ardından son 5 dakika boyunca voltajların nasıl tepki vereceğini gözlemledik. Son resim, testimizi yaptığımız yerin bir Google Earth görüntüsüdür. Bu resim okulumuzda başladığımızı ve ardından Levagood Park'ta toplam yaklaşık 1 mil mesafe için iki tur attığımızı gösteriyor. Bu haritanın renkleri, sürücünün hızına karşılık gelir. Mor çizgi yaklaşık 28,9 mph, mavi çizgi 21,7 mph, yeşil çizgi 14,5 mph ve sarı çizgi 7,4 mph'dir.

9. Adım: Gelecek Planları

Cihazı bir tüketici ürünü olarak ekonomik olarak daha uygun hale getirmek için, hava koşullarına dayanıklılık, devre düzenleme ve maliyet düşürme alanlarında çeşitli iyileştirmeler yapılmalıdır. Hava koşullarına dayanıklılık, ünitenin uzun süreli çalışması için kritik öneme sahiptir. Motor için düşünülen bir teknik, onu bir Nalgene kabına koymaktı. Bu kaplar su geçirmez ve neredeyse yok edilemez oldukları bilinmektedir. (Evet, arabası olan birini ezdik ve hiçbir zararı olmadı.) Doğa güçlerine karşı ek koruma arandı. Genleşme köpüğü üniteyi kapatır, ancak malzemenin sınırlamaları vardır. Sadece doğru şekilde konumlandırmak zor olmakla kalmaz, aynı zamanda cihazın genel çalışması için gerekli olan havalandırmayı da önler.

Devrenin düzenlenmesiyle ilgili olarak, çok görevli bir voltaj regülatör çipi ve özel bir baskılı devre kartı (PCB) olasılıkları içerir. Çip, birden fazla voltaj regülatörünün yerini alabilir, bu hem ürünün boyutunu hem de ısı çıkışını azaltır. Bir PCB kullanmak, bağlantılar doğrudan kartın üzerinde olacağından ve altında yüzmeyeceklerinden daha kararlı bir temel sağlayacaktır. Karttaki bakır izi nedeniyle sınırlı bir ölçüde bir ısı emici görevi görecektir. Bu değişiklik, aşırı havalandırma ihtiyacını azaltacak ve bileşen ömrünü artıracaktır. Maliyet düşürme, tasarımda yapılması gereken açık ara en önemli ve zor değişikliktir. Devrenin kendisi son derece ucuz, ancak motorun maliyeti 275 dolar. Hala güç ihtiyaçlarımızı karşılayacak daha uygun maliyetli bir motor arayışı sürüyor.

Adım 10: Bitirin

Eğitilebilirliğimizi okuduğunuz için teşekkür ederiz, herhangi bir sorunuz varsa sormaktan çekinmeyin.

İşte MIT'deki sunumumuzdan bazı resimler.