כיצד לטעון כל מכשיר USB על ידי רכיבה על אופניים: 10 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

כדי להתחיל, הפרויקט הזה התחיל כשקיבלנו מענק מתוכנית למלסון-MIT. (ג'וש, אם אתה קורא את זה, אנחנו אוהבים אותך.)

צוות של 6 תלמידים ומורה אחד חיבר את הפרויקט הזה, והחלטנו לשים אותו ב- Instructables בתקווה לזכות בחותך לייזר, או לפחות בחולצת טריקו. להלן אוסף של המצגת שלנו והערות אישיות שלי. אני מקווה שתיהנו מהמדריך הזה לא פחות מאיתנו. ברצוני להודות גם ללימור פריד, יוצרת מעגל MintyBoost. זה מילא תפקיד מרכזי בפרויקט שלנו. Jeff Brookins Divine Child Inven חבר צוות

שלב 1: הכוונה המקורית שלנו …

הפרויקט המקורי שלנו היה לפתח מוצר שעושה שימוש בעקרון Faraday כדי לאפשר לרצים לטעון את האייפוד שלהם בזמן שהם רצים. תפיסה זו תייצר חשמל באותו אופן שבו עושים פנסי פאראדיי.

עם זאת, הייתה לנו בעיה. אם לצטט את חבר הצוות שלי ניק סיארלי, "בהתחלה שקלנו להשתמש בעיצוב הדומה לאחד הפנסים המנענעים ולהמיר אותו כך שרץ יוכל לחגור אותו לריצה ולהיות בעל אנרגיה לטעון את ה- iPod או כל מכשיר שהוא פנס הטלטול מקבל את האנרגיה שלו מהאינטראקציה של השדה המגנטי הנע של המגנט בפנס וסליל החוט העוטף את הצינור שהמגנט מחליק דרכו. השדה המגנטי הנע גורם לאלקטרונים בסליל לנוע לאורך החוט, יוצר זרם חשמלי. זרם זה נשמר אז בסוללה, אשר לאחר מכן יהיה זמין לשימוש עבור נורת הפנס/לד. עם זאת, כאשר חישבנו כמה אנרגיה נוכל להשיג בריצה, קבענו שזה ייקח ריצה של 50 מייל כדי לקבל מספיק אנרגיה לטעינת סוללת AA אחת. זה היה בלתי סביר ולכן שינינו את הפרויקט שלנו למערכת האופניים ". לאחר מכן החלטנו להשתמש במקום במערכת רכובה על אופניים.

שלב 2: הצהרת ההמצאה שלנו ואבולוציה מושגית

תחילה תיארנו את פיתוחה והיתכנותה של מערכת בלימה מתחדשת לשימוש על אופניים. מערכת זו תיצור מקור כוח נייד להאריך את חיי הסוללה של מכשירים אלקטרוניים ניידים שנושא הרוכב.

במהלך שלב הניסוי, מערכת הבלימה הרגנרטיבית נמצאה כאינה מסוגלת למלא את תפקידיה הכפולים בו זמנית. הוא לא יכול לייצר מספיק מומנט כדי לעצור את האופניים, ולא לייצר מספיק כוח לטעינת הסוללות. הצוות בחר אפוא לנטוש את היבט הבלימה של המערכת, להתמקד אך ורק בפיתוח מערכת טעינה רציפה. מערכת זו, לאחר שנבנתה ונחקרה, הוכיחה שהיא מסוגלת להשיג את המטרות הרצויות.

שלב 3: עיצוב מעגל

כדי להתחיל, היינו צריכים לעצב מעגל שיכול לקחת את ~ 6 וולט מהמנוע, לאחסן אותו ולאחר מכן להמיר אותו ל -5 וולט שהיינו צריכים עבור התקן ה- USB.

המעגל שעיצבנו משלים את תפקודו של מטען ה- USB של MintyBoost, שפותח במקור על ידי לימור פריד, מתעשיות Adafruit. ה- MintyBoost משתמש בסוללות AA לטעינת מכשירים אלקטרוניים ניידים. המעגל שלנו בנוי באופן עצמאי מחליף את סוללות ה- AA ומספק כוח ל- MintyBoost. מעגל זה מפחית את ~ 6 וולט מהמנוע ל -2.5 וולט. זה מאפשר למנוע להטעין את BoostCap (140 F), אשר בתורו מספק כוח למעגלי MintyBoost. הקולט האולטרה קולט את האנרגיה לטעינה רציפה של מכשיר ה- USB גם כשהאופניים אינם בתנועה.

שלב 4: קבלת כוח

בחירת מנוע הוכיחה משימה מאתגרת יותר.

מנועים יקרים סיפקו את המומנט המתאים הדרוש ליצירת מקור הבלימה, אולם העלות הייתה בלתי אפשרית. כדי לייצר מכשיר במחיר סביר ויעיל היה צורך בפתרון אחר. הפרויקט עוצב מחדש כמערכת טעינה רציפה, מכל האפשרויות מנוע מקסון יהיה בחירה טובה יותר בשל הקוטר הקטן יותר שלו. מנוע מקסון גם סיפק 6 וולט כאשר מנועים קודמים נתנו לנו למעלה מ -20 וולט. עבור המנוע האחרון חימום יתר יהיה בעיה עצומה. החלטנו להישאר עם מקסון 90 שלנו, שהיה מנוע יפה, למרות שעלותו הייתה 275 דולר. (למי שרוצה לבנות פרויקט זה, מנוע זול יותר יספיק.) חיברנו מנוע זה קרוב לתושבי הבלמים האחוריים ישירות על מסגרת האופניים בעזרת חתיכת מקל מטר בין המנוע למסגרת כדי לשמש כמרחק, ואז הידקו 2 מלחציים לצינור סביבו.

שלב 5: חיווט

בחיווט מהמנוע למעגל נבדקו מספר אופציות: קליפי תנין לדגום, כבל טלפון וחוט רמקול.

קליפסי התנין הוכיחו שהם עובדים היטב למטרות עיצוב ובדיקה מדומה, אך הם לא היו יציבים מספיק לעיצוב הסופי. חוט הטלפון התגלה כשברירי וקשה לעבודה. חוט הרמקול נבדק בשל עמידותו ולכן הפך למנצח המועדף. למרות שזה היה תיל תקוע, זה היה הרבה יותר עמיד בגלל הקוטר הגדול יותר שלו. לאחר מכן, פשוט חיברנו את החוט למסגרת באמצעות רוכסן.

שלב 6: המעגל האמיתי

ההתמודדות עם המעגלים הייתה האתגר הקשה ביותר בתהליך. החשמל מהמנוע עובר תחילה דרך ווסת מתח שיאפשר עד זרם רציף של חמישה אמפר; זרם גדול יותר מאשר רגולטורים אחרים יעברו. משם המתח יורד ל -2.5 וולט שהוא המקסימום שה- BOOSTCAP יכול לאחסן ולהתמודד איתו בבטחה. ברגע ש- BOOSTCAP מגיע ל -1.2 וולט, יש לו מספיק הספק כדי לאפשר ל- MintyBoost לספק מקור של 5 וולט למכשיר הנטען.

בכבלי הכניסה חיברנו דיודה 5A כך שלא נקבל "אפקט התחלה בסיוע", שבו המנוע יתחיל להסתובב באמצעות החשמל המאוחסן. השתמשנו בקבל 2200uF כדי לאזן את זרימת הכוח לווסת המתח. ווסת המתח בו השתמשנו, LM338, הוא מתכוונן בהתאם לאופן שבו אתה מגדיר אותו, כפי שניתן לראות בתרשים המעגלים שלנו. למטרותינו, ההשוואה בין שני נגדים, 120 אוהם ו 135 אוהם, המחוברים לווסת קובעת את מתח המוצא. אנו משתמשים בו כדי להפחית את המתח מ ~ 6 וולט ל -2.5 וולט. לאחר מכן אנו לוקחים את ה -2.5 וולט ומשתמשים בו לטעינת קולט האולטרה -קולט שלנו, BOOSTCAP של 140 פאראד, 2.5 וולט מתוצרת Maxwell Technologies. בחרנו ב- BOOSTCAP מכיוון שהקיבול הגבוה שלו יאפשר לנו להחזיק מטען גם אם האופניים נעצרים באור אדום. החלק הבא של המעגל הזה הוא משהו שאני בטוח שכולכם מכירים, ה- MintyBoost של Adafruit. השתמשנו בו כדי להוציא את ה -2.5 וולט מהקולט -קולט ולהעלות אותו ל -5 וולט יציב, תקן ה- USB. הוא משתמש בממיר MAX756, 5 וולט בוסט יחד עם משרן 22uH. ברגע שאנו מקבלים 1.2 וולט על פני קולט האולטרה, ה- MintyBoost יתחיל להפיק את 5 הוולט. המעגל שלנו משלים את תפקידו של מטען ה- USB של MintyBoost, שפותח במקור על ידי לימור פריד, מתעשיות Adafruit. ה- MintyBoost משתמש בסוללות AA לטעינת מכשירים אלקטרוניים ניידים. המעגל שלנו בנוי באופן עצמאי מחליף את סוללות ה- AA ומספק כוח ל- MintyBoost. מעגל זה מפחית את ~ 6 וולט מהמנוע ל -2.5 וולט. זה מאפשר למנוע להטעין את BoostCap (140 F), אשר בתורו מספק כוח למעגלי MintyBoost. הקולט האולטרה קולט את האנרגיה לטעינה רציפה של התקן ה- USB גם כשהאופניים אינם בתנועה.

שלב 7: המארז

על מנת להגן על המעגל מפני אלמנטים חיצוניים, היה צורך במארז. נבחרה "גלולה" של צינורות PVC וכובעי קצה, בקוטר של 6 ס"מ ואורך של 18 ס"מ. למרות שממדים אלה גדולים בהשוואה למעגל, הדבר הפך את הבנייה לנוחה יותר. דגם ייצור יהיה קטן בהרבה. ה- PVC נבחר על בסיס עמידות, הוכחת מזג אוויר כמעט מושלמת, צורה אווירודינמית ועלות נמוכה. ניסויים בוצעו גם על מכולות המיוצרות מסיבי פחמן גולמיים שהושרו באפוקסי. מבנה זה הוכיח את עצמו כבעל משקל וקל משקל כאחד. עם זאת, תהליך הבנייה היה זמן רב ביותר וקשה לשלוט בו.

שלב 8: בדיקה

עבור הקבלים, אנו בודקים שני סוגים שונים, BOOSTCAP וקבל סופר.

הגרף הראשון מתאר את השימוש בכלי -העל, המשולב במעגל כך שכאשר המנוע פעיל, הקבל יטען. לא השתמשנו ברכיב זה מכיוון שבעוד קבל העל נטען במהירות קיצונית, הוא פורק מהר מדי למטרותינו. הקו האדום מייצג את המתח של המנוע, הקו הכחול מייצג את המתח של קבל העל, והקו הירוק מייצג מתח של יציאת ה- USB. הגרף השני הוא הנתונים שנאספו עם קולט האולטרה -קופסא BOOSTCAP. הקו האדום מייצג את המתח של המנוע, הכחול הוא המתח של קולט האולטרה, והקו הירוק מייצג את מתח יציאת ה- USB. בחרנו להשתמש במכשיר האולטרה -קבל מכיוון שכפי שהבדיקה הזו מצביעה, הקולט האולטרה ימשיך להחזיק את המטען שלו גם לאחר שהרוכב יפסיק לזוז. הסיבה לזינוק במתח ה- USB היא מכיוון שהקולט האולטרה -ליבי הגיע לסף המתח הדרוש להפעלת ה- MintyBoost. שתי הבדיקות הללו נערכו במשך 10 דקות. הרוכב דווש במשך חמשת הראשונים, ואז הבחנו כיצד יגיבו המתחים במשך 5 הדקות האחרונות. התמונה האחרונה היא צילום של Google Earth שבו עשינו את הבדיקות שלנו. תמונה זו מראה שהתחלנו בבית הספר שלנו, ולאחר מכן עשינו שתי הקפות בפארק לבגוד למרחק כולל משוער של קילומטר אחד. הצבעים של מפה זו תואמים את מהירות הרוכב. הקו הסגול הוא כ -28.9 קמ"ש, הקו הכחול 21.7 קמ"ש, הקו הירוק 14.5 קמ"ש והקו הצהוב 7.4 קמ"ש.

שלב 9: תוכניות עתידיות

על מנת להפוך את המכשיר לכדאי יותר מבחינה כלכלית כמוצר צריכה, יש לבצע מספר שיפורים בתחומי הגנה מפני מזג אוויר, התייעלות במעגלים והפחתת עלויות. הגנה מפני מזג האוויר היא קריטית לפעולה ארוכת הטווח של היחידה. אחת הטכניקות שנחשבו עבור המנוע הייתה לכסות אותו בכלי Nalgene. מיכלים אלה ידועים בשל היותם עמידים למים וכמעט בלתי ניתנים להריסה. (כן, דרסנו אחד עם מכונית ללא כל השפעה רעה.) ביקשו הגנה נוספת מפני כוחות הטבע. קצף הרחבה יאטום את היחידה, אולם לחומר יש מגבלות. לא רק שקשה למקם אותו כמו שצריך, הוא גם ימנע אוורור חיוני לתפעול הכולל של המכשיר.

באשר להתייעלות המעגל, האפשרויות כוללות שבב ווסת מתח רב -משימתי ולוח מודפס מותאם אישית (PCB). השבב יכול להחליף וויסות מתח מרובות, הדבר יפחית הן את גודל המוצר והן את תפוקת החום. שימוש ב- PCB יספק בסיס יציב יותר מכיוון שהחיבורים יהיו ישירים על הלוח ולא יצפים מתחתיו. במידה מוגבלת הוא ישמש כיור קירור בגלל עקבות הנחושת בלוח. שינוי זה יקטין את הצורך באוורור מוגזם ויגדיל את חיי הרכיבים. הפחתת עלויות היא ללא ספק השינוי החשוב והקשה ביותר שיש לבצע בעיצוב. המעגל עצמו זול במיוחד, אולם המנוע עולה 275 דולר. נערך חיפוש אחר מנוע חסכוני יותר שעדיין יענה על צרכי החשמל שלנו.

שלב 10: סיים

תודה שקראת את המדריך שלנו, אם יש לך שאלות אתה מוזמן לשאול.

להלן כמה מהתמונות מהמצגת שלנו ב- MIT.