نحوه شارژ هر دستگاه USB با دوچرخه سواری: 10 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:58

برای شروع ، این پروژه زمانی آغاز شد که ما کمک مالی از برنامه Lemelson-MIT دریافت کردیم. (جاش ، اگر این را می خوانید ، ما شما را دوست داریم.)

یک تیم متشکل از 6 دانش آموز و یک معلم این پروژه را کنار هم گذاشتند و ما تصمیم گرفتیم آن را در Instructables قرار دهیم به امید پیروزی برش لیزری یا حداقل یک تی شرت. آنچه در پی می آید ، مجموعه ای از ارائه ما و یادداشت های شخصی من است. امیدوارم از این دستورالعمل به اندازه ما لذت ببرید. من همچنین می خواهم از Limor Fried ، خالق مدار MintyBoost تشکر کنم. این نقش کلیدی در پروژه ما داشت. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam عضو

مرحله 1: قصد اصلی ما…

پروژه اصلی ما توسعه محصولی بود که از اصل فارادی استفاده می کرد و به دوندگان اجازه می داد تا iPod های خود را هنگام کار شارژ کنند. این مفهوم همانند چراغ قوه های فارادی برق تولید می کند.

با این حال ، ما مشکلی داشتیم. به نقل از هم تیمی ام ، نیک سیارلی ، "در ابتدا ما از طرحی شبیه به یکی از آن چراغ قوه های تکان دهنده استفاده کردیم و آن را به گونه ای تبدیل کردیم که دونده بتواند آن را برای دویدن ببندد و انرژی لازم برای شارژ آی پاد یا هر وسیله ای را داشته باشد. استفاده کنید. چراغ قوه تکان دهنده انرژی خود را از برهم کنش میدان مغناطیسی متحرک آهنربا در چراغ قوه و سیم پیچ سیم پیچیده شده در لوله ای که آهنربا از آن عبور می کند ، می گیرد. میدان مغناطیسی متحرک باعث حرکت الکترون ها در سیم پیچ می شود سیم ، یک جریان الکتریکی ایجاد می کند. این جریان سپس در یک باتری ذخیره می شود ، که پس از آن قابل استفاده برای لامپ چراغ قوه/LED است. با این حال ، وقتی محاسبه کردیم که چقدر انرژی می توانیم از دویدن دریافت کنیم ، مشخص کردیم برای دریافت انرژی کافی برای شارژ یک باتری AA ، 50 مایل طول می کشد. این غیر منطقی بود ، بنابراین ما پروژه خود را به سیستم دوچرخه تغییر دادیم. " سپس تصمیم گرفتیم به جای آن از سیستم دوچرخه سواری استفاده کنیم.

مرحله 2: بیانیه اختراع و تکامل مفهوم ما

ما در ابتدا توسعه و امکان سنجی سیستم ترمز احیا کننده برای استفاده در دوچرخه را نظریه پردازی کردیم. این سیستم یک منبع تغذیه تلفن همراه ایجاد می کند تا عمر باتری دستگاه های الکترونیکی قابل حمل توسط سوار را افزایش دهد.

در مرحله آزمایش ، سیستم ترمز احیا کننده قادر به انجام همزمان عملکردهای دوگانه خود نبود. این موتور نه می تواند گشتاور کافی برای توقف دوچرخه تولید کند و نه توان کافی برای شارژ مجدد باتری ها را تولید می کند. بنابراین تیم تصمیم گرفت جنبه ترمز سیستم را کنار بگذارد و تنها بر توسعه یک سیستم شارژ مداوم تمرکز کند. این سیستم ، پس از ایجاد و تحقیق ، به طور کامل قادر به دستیابی به اهداف مورد نظر است.

مرحله 3: طراحی یک مدار

برای شروع ، ما باید مداری را طراحی کنیم که بتواند 6 ولت پوند را از موتور بگیرد ، ذخیره کند و سپس آن را به 5 ولت مورد نیاز برای دستگاه USB تبدیل کند.

مداری که طراحی کردیم مکمل عملکرد شارژر USB MintyBoost است که در ابتدا توسط Limor Fried از صنایع Adafruit ایجاد شده است. MintyBoost از باتری های AA برای شارژ دستگاه های الکترونیکی قابل حمل استفاده می کند. مدار ساخته شده به طور مستقل ما جایگزین باتری های AA می شود و نیرو را برای MintyBoost تامین می کند. این مدار ~ 6 ولت از موتور را به 2.5 ولت کاهش می دهد. این به موتور اجازه می دهد تا BoostCap (140 F) را شارژ کند ، که به نوبه خود قدرت مدار MintyBoost را تامین می کند. فوق خازن انرژی را برای شارژ مداوم دستگاه USB حتی در حالی که دوچرخه در حرکت نیست ذخیره می کند.

مرحله 4: به دست آوردن قدرت

انتخاب موتور یک کار سخت تر بود.

موتورهای گران قیمت گشتاور مناسب مورد نیاز برای ایجاد منبع ترمز را تأمین می کردند ، اما هزینه آن محدود کننده بود. برای ساخت یک دستگاه مقرون به صرفه و م solutionثر ، راه حل دیگری لازم بود. این پروژه به عنوان یک سیستم شارژ مداوم مجدداً طراحی شد ، از بین همه امکانات ، موتور مکسون به دلیل قطر کوچکتر ، انتخاب بهتری خواهد بود. موتور مکسون همچنین 6 ولت در جایی که موتورهای قبلی به ما 20 ولت بالاتر می دادند ، ارائه می داد. برای موتور دوم ، گرمایش بیش از حد یک مسئله بزرگ خواهد بود. ما تصمیم گرفتیم از Maxon 90 خود استفاده کنیم ، که موتور زیبایی بود ، حتی اگر هزینه آن 275 دلار بود. (برای کسانی که مایل به ساخت این پروژه هستند ، موتور ارزان تری کفایت می کند.) ما این موتور را نزدیک به پایه های ترمز عقب مستقیماً روی قاب دوچرخه با استفاده از یک قطعه چوب متری بین موتور و قاب وصل کردیم تا بعنوان فاصله دهنده عمل کند. 2 گیره شلنگ را در اطراف آن محکم کرد.

مرحله 5: سیم کشی

برای سیم کشی از موتور به مدار چندین گزینه در نظر گرفته شده است: گیره تمساح برای ساخت ماکت ، سیم تلفن و سیم بلندگو.

گیره تمساح برای اهداف ساختاری و آزمایش به خوبی کار کرد اما برای طراحی نهایی از ثبات کافی برخوردار نبود. سیم تلفن شکننده بود و کار با آن دشوار بود. سیم بلندگو به دلیل دوام آن مورد آزمایش قرار گرفت بنابراین هادی مورد نظر شد. اگرچه سیم رشته ای بود ، اما به دلیل قطر بیشتر دوام بیشتری داشت. سپس ما فقط سیم را با استفاده از زیپ به قاب وصل کردیم.

مرحله 6: مدار واقعی

مقابله با مدار سخت ترین چالش این فرآیند بود. الکتریسیته موتور ابتدا از طریق یک تنظیم کننده ولتاژ عبور می کند که اجازه می دهد تا جریان مداوم پنج آمپر داشته باشد. یک جریان بزرگتر از سایر تنظیم کننده ها عبور خواهد کرد. از آنجا ولتاژ به 2.5 ولت کاهش می یابد که حداکثر چیزی است که BOOSTCAP می تواند ذخیره کرده و با خیال راحت کنترل کند. هنگامی که BOOSTCAP به 1.2 ولت رسید ، قدرت کافی دارد تا به MintyBoost اجازه دهد یک منبع 5 ولت برای دستگاه در حال شارژ فراهم کند.

روی سیمهای ورودی ما یک دیود 5A را وصل کردیم تا "اثر شروع کمکی" نداشته باشیم ، جایی که موتور با استفاده از برق ذخیره شده شروع به چرخش می کند. ما از خازن 2200uF برای یکنواخت کردن جریان برق به تنظیم کننده ولتاژ استفاده کردیم. تنظیم کننده ولتاژ مورد استفاده ما ، LM338 ، بسته به نحوه تنظیم آن قابل تنظیم است ، همانطور که در نمودار مدار ما مشاهده می شود. برای اهداف ما ، مقایسه دو مقاومت 120 اهم و 135 اهم متصل به تنظیم کننده ولتاژ خروجی را تعیین می کند. ما از آن برای کاهش ولتاژ از ~ 6 ولت به 2.5 ولت استفاده می کنیم. سپس 2.5 ولت را می گیریم و از آن برای شارژ خازن فوق العاده خود ، یک BOOSTCAP 140 فارادی ، 2.5 ولت ساخته شده توسط Maxwell Technologies استفاده می کنیم. ما BOOSTCAP را انتخاب کردیم زیرا ظرفیت بالای آن به ما امکان می دهد حتی در صورت توقف دوچرخه در چراغ قرمز ، شارژ را نگه داریم. قسمت بعدی این مدار چیزی است که من مطمئن هستم همه شما با آن آشنا هستید ، Adafruit MintyBoost. ما از آن برای برداشتن 2.5 ولت از فوق خازن و افزایش آن تا 5 ولت پایدار ، استاندارد USB استفاده کردیم. از مبدل تقویت کننده MAX756 ، 5 ولت همراه با سلف 22uH استفاده می کند. هنگامی که 1.2 ولت را از طریق فوق خازن دریافت کنیم ، MintyBoost شروع به خروجی 5 ولت می کند. مدار ما عملکرد شارژر USB MintyBoost را که در ابتدا توسط Limor Fried از صنایع Adafruit ایجاد شده بود تکمیل می کند. MintyBoost از باتری های AA برای شارژ دستگاه های الکترونیکی قابل حمل استفاده می کند. مدار ساخته شده به طور مستقل ما جایگزین باتری های AA می شود و نیروی MintyBoost را تامین می کند. این مدار ~ 6 ولت از موتور را به 2.5 ولت کاهش می دهد. این به موتور اجازه می دهد تا BoostCap (140 F) را شارژ کند ، که به نوبه خود قدرت مدار MintyBoost را تامین می کند. فوق خازن انرژی را برای شارژ مداوم دستگاه USB حتی در حالی که دوچرخه در حرکت نیست ذخیره می کند.

مرحله 7: محوطه

به منظور محافظت از مدار در برابر عناصر خارجی ، یک محفظه لازم بود. یک "قرص" از لوله های PVC و سرپوش های انتهایی با قطر 6 سانتی متر و طول 18 سانتی متر انتخاب شد. در حالی که این ابعاد در مقایسه با مدار بزرگ است ، این باعث راحتی بیشتر در ساخت و ساز شد. مدل تولیدی بسیار کوچکتر خواهد بود. PVC بر اساس دوام ، مقاوم در برابر آب و هوا ، شکل آیرودینامیکی و هزینه کم انتخاب شده است. آزمایشاتی نیز روی ظروف ساخته شده از فیبر کربن خام آغشته به اپوکسی انجام شد. این ساختار محکم و سبک است. با این حال ، روند ساخت بسیار وقت گیر بود و تسلط بر آن دشوار بود.

مرحله 8: آزمایش

برای خازن ها ، ما دو نوع مختلف را آزمایش می کنیم ، BOOSTCAP و یک خازن فوق العاده.

نمودار اول استفاده از ابرخازن را نشان می دهد که با مدار یکپارچه شده است به طوری که وقتی موتور فعال است ، خازن شارژ می شود. ما از این جزء استفاده نکردیم زیرا در حالی که ابرخازن با سرعت فوق العاده شارژ می شود ، اما برای اهداف ما خیلی سریع تخلیه می شود. خط قرمز نشان دهنده ولتاژ موتور ، خط آبی نشان دهنده ولتاژ ابرخازن و خط سبز نشان دهنده ولتاژ پورت USB است. نمودار دوم داده های جمع آوری شده با خازن فوق العاده BOOSTCAP است. خط قرمز نشان دهنده ولتاژ موتور ، آبی ولتاژ فوق خازن و خط سبز نشان دهنده ولتاژ پورت USB است. ما استفاده از فوق خازن را انتخاب کردیم زیرا ، همانطور که در این آزمایش مشخص است ، خازن فوق العاده حتی پس از توقف حرکت موتورسوار همچنان به شارژ خود ادامه می دهد. دلیل جهش در ولتاژ USB این است که فوق خازن به آستانه ولتاژ لازم برای فعال سازی MintyBoost رسیده است. هر دوی این آزمایشها در مدت 10 دقیقه انجام شد. سوارکار در 5 مرحله اول رکاب زد ، سپس مشاهده کردیم که چگونه ولتاژها در 5 دقیقه آخر واکنش نشان می دهند. آخرین تصویر یک عکس Google Earth از جایی است که ما آزمایش خود را انجام دادیم. این تصویر نشان می دهد که ما از مدرسه خود شروع کردیم و سپس دو دور در پارک لواگود در مسافت تقریبی 1 مایل انجام دادیم. رنگهای این نقشه با سرعت سوار مطابقت دارد. خط بنفش تقریباً 28.9 مایل در ساعت ، خط آبی 21.7 مایل در ساعت ، خط سبز 14.5 مایل در ساعت و خط زرد 7.4 مایل در ساعت است.

مرحله 9: برنامه های آینده

به منظور صرفه اقتصادی بیشتر دستگاه به عنوان یک محصول مصرفی ، چندین پیشرفت باید در زمینه های مقاوم در برابر آب و هوا ، ساده سازی مدارها و کاهش هزینه انجام شود. مقاوم در برابر آب و هوا برای عملکرد طولانی مدت واحد بسیار مهم است. یکی از تکنیک هایی که برای موتور در نظر گرفته شده این بود که آن را در یک محفظه Nalgene قرار دهید. این ظروف به دلیل ضد آب بودن و تقریباً خراب نشدنی شناخته شده اند. (بله ، ما یکی را با ماشین بدون هیچ گونه بدی پشت سر گذاشتیم.) حفاظت بیشتری در برابر نیروهای طبیعت انجام شد. فوم انبساط می تواند واحد را ببندد ، با این حال مواد دارای محدودیت هایی هستند. نه تنها موقعیت صحیح مشکل است ، بلکه از تهویه ضروری برای عملکرد کلی دستگاه نیز جلوگیری می کند.

در مورد ساده سازی مدار ، امکانات شامل تراشه تنظیم کننده ولتاژ چند وظیفه ای و برد مدار چاپی سفارشی (PCB) است. این تراشه می تواند چندین تنظیم کننده ولتاژ را جایگزین کند ، این امر هم اندازه محصول و هم خروجی گرما را کاهش می دهد. استفاده از PCB پایه ای پایدارتر ایجاد می کند زیرا اتصالات مستقیماً روی برد قرار می گیرند و در زیر آن شناور نیستند. به دلیل محدودیت مس به دلیل محدودیت در مس ، به عنوان محدود کننده حرارتی عمل می کند. این تغییر نیاز به تهویه بیش از حد را کاهش می دهد و عمر قطعات را افزایش می دهد. کاهش هزینه مهمترین و دشوارترین تغییری است که باید در طراحی ایجاد شود. مدار به خودی خود بسیار ارزان است ، با این حال قیمت موتور آن 275 دلار است. جستجو برای موتور مقرون به صرفه تر که هنوز نیازهای برق ما را برآورده می کند در حال انجام است.

مرحله 10: تمام کنید

با تشکر از اینکه دستورالعمل ما را مطالعه کردید ، اگر سوالی داشتید با خیال راحت بپرسید.

در اینجا تعدادی از تصاویر ارائه شده در MIT آمده است.