วิธีชาร์จอุปกรณ์ USB ใด ๆ โดยการขี่จักรยานของคุณ: 10 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:08

เพื่อเริ่มต้น โครงการนี้เริ่มต้นเมื่อเราได้รับทุนจากโครงการ Lemelson-MIT (จอช หากคุณกำลังอ่านข้อความนี้ เรารักคุณ)

ทีมนักเรียน 6 คนและครูหนึ่งคนร่วมกันทำโครงงานนี้ และเราได้ตัดสินใจที่จะใส่ไว้ใน Instructables ด้วยความหวังว่าจะชนะเครื่องตัดเลเซอร์ หรืออย่างน้อยก็เสื้อยืด ต่อไปนี้คือการรวบรวมงานนำเสนอของเราและบันทึกส่วนตัวของฉันเอง ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับคำแนะนำนี้มากที่สุดเท่าที่เราทำ ฉันขอขอบคุณ Limor Fried ผู้สร้างวงจร MintyBoost ด้วย มีบทบาทสำคัญในโครงการของเรา Jeff Brookins Divine เด็ก InvenTeam สมาชิก

ขั้นตอนที่ 1: ความตั้งใจดั้งเดิมของเรา…

โครงการเดิมของเราคือการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ใช้หลักการของฟาราเดย์เพื่อให้นักวิ่งสามารถชาร์จ iPods ของตนได้ในขณะวิ่ง แนวคิดนี้จะผลิตกระแสไฟฟ้าในลักษณะเดียวกับที่ไฟฉายของฟาราเดย์ทำ

อย่างไรก็ตาม เรามีปัญหา เพื่ออ้างถึงเพื่อนร่วมทีมของฉัน Nick Ciarelli "ในตอนแรกเราคิดว่าจะใช้การออกแบบที่คล้ายกับไฟฉายแบบเขย่าแล้วเปลี่ยนเพื่อให้นักวิ่งสามารถรัดไว้เพื่อวิ่งและมีพลังงานเพื่อชาร์จ iPod หรืออุปกรณ์ใด ๆ ก็ตามที่พวกเขา ไฟฉายสั่นได้พลังงานจากปฏิกิริยาของสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ของแม่เหล็กในไฟฉายและขดลวดที่พันรอบหลอดแม่เหล็กเลื่อนผ่านสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ทำให้อิเล็กตรอนในขดลวดเคลื่อนที่ตาม ลวดสร้างกระแสไฟฟ้า จากนั้น กระแสไฟฟ้านี้จะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ซึ่งจากนั้นก็พร้อมใช้งานสำหรับหลอดไฟฉาย/LED อย่างไรก็ตาม เมื่อเราคำนวณว่าเราจะสามารถรับพลังงานได้เท่าไรจากการวิ่ง เรากำหนด ว่าจะต้องวิ่งเป็นระยะทาง 50 ไมล์เพื่อให้ได้พลังงานเพียงพอเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ AA 1 ก้อน ซึ่งไม่สมเหตุสมผล เราจึงเปลี่ยนโครงการเป็นระบบจักรยาน" เราจึงตัดสินใจใช้ระบบที่ยึดกับจักรยานแทน

ขั้นตอนที่ 2: คำชี้แจงการประดิษฐ์และวิวัฒนาการแนวคิดของเรา

เริ่มแรกเราตั้งทฤษฎีการพัฒนาและความเป็นไปได้ของระบบเบรกแบบสร้างใหม่เพื่อใช้กับจักรยาน ระบบนี้จะสร้างแหล่งพลังงานเคลื่อนที่เพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาที่ผู้ขี่ถืออยู่

ในระหว่างขั้นตอนการทดลอง พบว่าระบบเบรกแบบสร้างใหม่ไม่สามารถทำหน้าที่สองอย่างพร้อมกันได้ มันไม่สามารถผลิตแรงบิดได้มากพอที่จะหยุดรถ และไม่สร้างพลังงานเพียงพอที่จะชาร์จแบตเตอรี่ ทีมงานจึงเลือกที่จะละทิ้งการเบรกของระบบเพื่อมุ่งเน้นที่การพัฒนาระบบการชาร์จแบบต่อเนื่องเท่านั้น ระบบนี้เมื่อสร้างและวิจัยแล้ว ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ที่ต้องการได้อย่างเต็มที่

ขั้นตอนที่ 3: ออกแบบวงจร

ในการเริ่มต้น เราต้องออกแบบวงจรที่สามารถรับ ~6 โวลต์จากมอเตอร์ เก็บไว้ แล้วแปลงเป็น 5 โวลต์ที่เราต้องการสำหรับอุปกรณ์ USB

วงจรที่เราออกแบบช่วยเสริมการทำงานของเครื่องชาร์จ USB MintyBoost ซึ่งพัฒนาโดย Limor Fried ของ Adafruit Industries MintyBoost ใช้แบตเตอรี่ AA เพื่อชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา วงจรที่สร้างขึ้นอย่างอิสระของเราแทนที่แบตเตอรี่ AA และจ่ายพลังงานให้กับ MintyBoost วงจรนี้ลด ~6 โวลต์จากมอเตอร์เป็น 2.5 โวลต์ ซึ่งช่วยให้มอเตอร์ชาร์จ BoostCap (140 F) ซึ่งจะจ่ายพลังงานให้กับวงจร MintyBoost อัลตร้าคาปาซิเตอร์เก็บพลังงานเพื่อชาร์จอุปกรณ์ USB อย่างต่อเนื่องแม้ในขณะที่จักรยานไม่ได้เคลื่อนที่

ขั้นตอนที่ 4: รับพลัง

การเลือกมอเตอร์ถือเป็นงานที่ท้าทายยิ่งกว่า

มอเตอร์ราคาแพงให้แรงบิดที่เหมาะสมซึ่งจำเป็นต่อการสร้างแหล่งเบรก อย่างไรก็ตาม ราคาก็ถูกห้ามปราม ในการสร้างอุปกรณ์ราคาไม่แพงและมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องมีวิธีอื่น โปรเจ็กต์นี้ได้รับการออกแบบใหม่ให้เป็นระบบชาร์จแบบต่อเนื่อง จากความเป็นไปได้ทั้งหมดที่มอเตอร์ Maxon จะเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าเนื่องจากมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่า มอเตอร์ Maxon ยังให้ 6 โวลต์ซึ่งมอเตอร์ก่อนหน้านี้ให้มากกว่า 20 โวลต์ สำหรับมอเตอร์ร้อนเกินตัวหลังจะเป็นปัญหาใหญ่ เราตัดสินใจใช้ Maxon 90 ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ที่สวยงาม แม้ว่าราคาจะอยู่ที่ 275 ดอลลาร์ก็ตาม (สำหรับผู้ที่ต้องการสร้างโครงการนี้ มอเตอร์ราคาถูกก็เพียงพอแล้ว) เราติดมอเตอร์นี้ไว้ใกล้กับที่ยึดเบรกหลังบนเฟรมจักรยานโดยตรงโดยใช้แท่งมิเตอร์ระหว่างมอเตอร์กับเฟรมเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวเว้นระยะ จากนั้น รัดสายยางรัดท่อ 2 ตัวให้แน่น

ขั้นตอนที่ 5: การเดินสายไฟ

สำหรับการเดินสายจากมอเตอร์ไปยังวงจรนั้น มีการพิจารณาหลายทางเลือก: คลิปจระเข้สำหรับจำลอง สายโทรศัพท์ และสายลำโพง

คลิปจระเข้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำงานได้ดีสำหรับการออกแบบจำลองและการทดสอบ แต่ไม่เสถียรเพียงพอสำหรับการออกแบบขั้นสุดท้าย สายโทรศัพท์นั้นเปราะบางและใช้งานยาก สายลำโพงได้รับการทดสอบเนื่องจากความทนทานจึงกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าที่เลือกได้ แม้ว่าจะเป็นลวดเกลียว แต่ก็มีความทนทานกว่ามากเนื่องจากมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า จากนั้นเราก็ติดลวดเข้ากับเฟรมโดยใช้ซิป

ขั้นตอนที่ 6: วงจรจริง

การแก้ปัญหาวงจรเป็นความท้าทายที่ยากที่สุดของกระบวนการ กระแสไฟฟ้าจากมอเตอร์เคลื่อนที่ผ่านตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าก่อน ซึ่งจะทำให้กระแสไฟห้าแอมป์ต่อเนื่องกัน กระแสที่ใหญ่กว่าหน่วยงานกำกับดูแลอื่น ๆ จะผ่าน จากนั้นแรงดันไฟฟ้าจะลดลงเหลือ 2.5 โวลต์ ซึ่งเป็นค่าสูงสุดที่ BOOSTCAP สามารถจัดเก็บและจัดการได้อย่างปลอดภัย เมื่อ BOOSTCAP ถึง 1.2 โวลต์ จะมีพลังงานเพียงพอที่จะให้ MintyBoost จัดหาแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์สำหรับอุปกรณ์ที่กำลังชาร์จ

บนสายอินพุต เราได้ติดไดโอด 5A เพื่อไม่ให้เกิด "เอฟเฟกต์ช่วยสตาร์ท" ซึ่งมอเตอร์จะเริ่มหมุนโดยใช้ไฟฟ้าที่เก็บไว้ เราใช้ตัวเก็บประจุ 2200uF เพื่อกระจายกระแสไฟไปยังตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เราใช้ LM338 สามารถปรับได้ขึ้นอยู่กับว่าคุณตั้งค่าอย่างไร ดังที่เห็นในแผนภาพวงจรของเรา เพื่อจุดประสงค์ของเรา การเปรียบเทียบตัวต้านทานสองตัวคือ 120 โอห์มและ 135 โอห์ม ที่เชื่อมต่อกับตัวควบคุมจะกำหนดแรงดันเอาต์พุต เราใช้เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าจาก ~6 โวลต์เป็น 2.5 โวลต์ จากนั้นเราใช้ 2.5 โวลต์และใช้เพื่อชาร์จ ultracapacitor ของเรา 140 farad, 2.5 โวลต์ BOOSTCAP ที่ผลิตโดย Maxwell Technologies เราเลือก BOOSTCAP เนื่องจากความจุสูงจะช่วยให้เราเก็บประจุไฟไว้ได้ แม้ว่ารถมอเตอร์ไซค์จะจอดติดไฟแดงก็ตาม ส่วนต่อไปของวงจรนี้คือบางอย่างที่ฉันแน่ใจว่าคุณคงคุ้นเคย Adafruit MintyBoost เราใช้มันเพื่อนำ 2.5 โวลต์จาก ultracapacitor และเพิ่มเป็น 5 โวลต์ที่เสถียรซึ่งเป็นมาตรฐาน USB ใช้ตัวแปลงเพิ่ม MAX756 5 โวลต์ควบคู่กับตัวเหนี่ยวนำ 22uH เมื่อเราได้รับ 1.2 โวลต์ทั่ว ultracapacitor MintyBoost จะเริ่มส่งออก 5 โวลต์ วงจรของเราช่วยเสริมการทำงานของเครื่องชาร์จ USB MintyBoost ซึ่งพัฒนาโดย Limor Fried ของ Adafruit Industries MintyBoost ใช้แบตเตอรี่ AA เพื่อชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา วงจรที่สร้างขึ้นอย่างอิสระของเราแทนที่แบตเตอรี่ AA และจ่ายพลังงานให้กับ MintyBoost วงจรนี้ลด ~6 โวลต์จากมอเตอร์เป็น 2.5 โวลต์ ซึ่งช่วยให้มอเตอร์ชาร์จ BoostCap (140 F) ซึ่งจะจ่ายพลังงานให้กับวงจร MintyBoost อัลตร้าคาปาซิเตอร์เก็บพลังงานเพื่อชาร์จอุปกรณ์ USB อย่างต่อเนื่องแม้ในขณะที่จักรยานไม่ได้เคลื่อนที่

ขั้นตอนที่ 7: สิ่งที่แนบมา

เพื่อป้องกันวงจรจากองค์ประกอบภายนอก จำเป็นต้องมีตู้ครอบ เลือก "เม็ดยา" ของท่อพีวีซีและฝาปิดท้าย ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 ซม. และยาว 18 ซม. แม้ว่าขนาดเหล่านี้จะใหญ่เมื่อเทียบกับวงจร แต่ทำให้การก่อสร้างสะดวกยิ่งขึ้น โมเดลการผลิตจะเล็กกว่ามาก พีวีซีได้รับการคัดเลือกโดยพิจารณาจากความทนทาน เกือบจะสมบูรณ์แบบในการป้องกันสภาพอากาศ รูปทรงตามหลักอากาศพลศาสตร์ และต้นทุนต่ำ ทำการทดลองบนภาชนะที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ดิบที่แช่ในอีพ็อกซี่ โครงสร้างนี้พิสูจน์แล้วว่าทั้งแข็งแรงและน้ำหนักเบา อย่างไรก็ตาม กระบวนการก่อสร้างนั้นใช้เวลานานมาก และยากที่จะเชี่ยวชาญ

ขั้นตอนที่ 8: การทดสอบ

สำหรับตัวเก็บประจุ เราทดสอบสองประเภทที่แตกต่างกัน ได้แก่ BOOSTCAP และตัวเก็บประจุพิเศษ

กราฟแรกแสดงการใช้ supercapacitor ซึ่งรวมเข้ากับวงจรเพื่อที่ว่าเมื่อมอเตอร์ทำงาน ตัวเก็บประจุจะชาร์จ เราไม่ได้ใช้ส่วนประกอบนี้เพราะในขณะที่ supercapacitor ชาร์จด้วยความเร็วสูง แต่คายประจุเร็วเกินไปสำหรับจุดประสงค์ของเรา เส้นสีแดงแสดงถึงแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ เส้นสีน้ำเงินแสดงถึงแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุยิ่งยวด และเส้นสีเขียวแสดงถึงแรงดันไฟฟ้าของพอร์ต USB กราฟที่สองคือข้อมูลที่รวบรวมด้วย ultracapacitor BOOSTCAP เส้นสีแดงแสดงถึงแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ สีน้ำเงินคือแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบอุลตร้าคาปาซิเตอร์ และเส้นสีเขียวแสดงถึงแรงดันไฟฟ้าของพอร์ต USB เราเลือกใช้อุลตร้าคาปาซิเตอร์เพราะตามการทดสอบนี้ อุลตร้าคาปาซิเตอร์จะยังคงเก็บประจุไว้แม้ว่าผู้ขับขี่จะหยุดเคลื่อนไหวก็ตาม สาเหตุของการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า USB เป็นเพราะ ultracapacitor ถึงเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการเปิดใช้งาน MintyBoost การทดสอบทั้งสองนี้ดำเนินการในช่วงเวลา 10 นาที ผู้ขับขี่เหยียบ 5 คนแรก จากนั้นเราสังเกตว่าแรงดันไฟฟ้าจะตอบสนองอย่างไรในช่วง 5 นาทีสุดท้าย ภาพสุดท้ายคือภาพถ่ายของ Google Earth ที่เราได้ทำการทดสอบ ภาพนี้แสดงให้เห็นว่าเราเริ่มต้นที่โรงเรียนของเรา จากนั้นจึงวิ่งสองรอบที่สวนสาธารณะเลอวากู๊ด รวมระยะทางประมาณ 1 ไมล์ สีของแผนที่นี้สอดคล้องกับความเร็วของผู้ขับขี่ เส้นสีม่วงอยู่ที่ประมาณ 28.9 ไมล์ต่อชั่วโมง เส้นสีน้ำเงิน 21.7 ไมล์ต่อชั่วโมง เส้นสีเขียว 14.5 ไมล์ต่อชั่วโมง และเส้นสีเหลือง 7.4 ไมล์ต่อชั่วโมง

ขั้นตอนที่ 9: แผนการในอนาคต

เพื่อให้อุปกรณ์มีศักยภาพทางเศรษฐกิจมากขึ้นในฐานะสินค้าอุปโภคบริโภค ต้องมีการปรับปรุงหลายอย่างในด้านการป้องกันสภาพอากาศ การทำให้วงจรเพรียวลม และการลดต้นทุน การป้องกันสภาพอากาศมีความสำคัญต่อการทำงานในระยะยาวของเครื่อง เทคนิคหนึ่งที่พิจารณาสำหรับมอเตอร์คือการห่อหุ้มไว้ในภาชนะ Nalgene ภาชนะเหล่านี้ขึ้นชื่อว่ากันน้ำและแทบจะทำลายไม่ได้ (ใช่ เราขับรถชนคันหนึ่งโดยไม่เกิดผลร้าย) มีการร้องขอการปกป้องเพิ่มเติมจากพลังแห่งธรรมชาติ โฟมขยายตัวจะปิดผนึกยูนิต อย่างไรก็ตาม วัสดุมีข้อจำกัด ไม่เพียงแต่จะจัดตำแหน่งให้เหมาะสมได้ยากเท่านั้น แต่ยังป้องกันการระบายอากาศที่จำเป็นต่อการทำงานโดยรวมของอุปกรณ์อีกด้วย

สำหรับความเพรียวลมของวงจร ความเป็นไปได้รวมถึงชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบมัลติทาสกิ้งและแผงวงจรพิมพ์แบบกำหนดเอง (PCB) ชิปนี้สามารถแทนที่ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลายตัว ซึ่งจะลดทั้งขนาดของผลิตภัณฑ์และความร้อนที่ส่งออก การใช้ PCB จะทำให้ฐานมีความเสถียรมากขึ้นเนื่องจากการเชื่อมต่อจะอยู่บนบอร์ดโดยตรงและไม่ลอยอยู่ข้างใต้ ในขอบเขตที่จำกัด มันจะทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อนเนื่องจากมีการแกะรอยทองแดงในบอร์ด การเปลี่ยนแปลงนี้จะช่วยลดความจำเป็นในการระบายอากาศที่มากเกินไปและเพิ่มอายุการใช้งานของส่วนประกอบ การลดต้นทุนถือเป็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดและยากที่สุดที่ต้องทำกับการออกแบบ ตัววงจรเองมีราคาไม่แพงมาก แต่มอเตอร์มีราคา 275 เหรียญ กำลังดำเนินการค้นหามอเตอร์ที่คุ้มค่ากว่าซึ่งยังคงตอบสนองความต้องการด้านพลังงานของเรา

ขั้นตอนที่ 10: เสร็จสิ้น

ขอบคุณที่อ่านคำแนะนำของเรา หากคุณมีคำถามใด ๆ โปรดถาม

นี่คือรูปภาพบางส่วนจากการนำเสนอของเราที่ MIT