Como carregar qualquer dispositivo USB andando de bicicleta: 10 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Para começar, este projeto foi iniciado quando recebemos uma bolsa do Programa Lemelson-MIT. (Josh, se você está lendo isso, nós te amamos.)

Uma equipe de 6 alunos e um professor montaram este projeto, e decidimos colocá-lo no Instructables na esperança de ganhar um cortador a laser, ou pelo menos uma camiseta. O que se segue é uma compilação de nossa apresentação e minhas próprias notas pessoais. Espero que você goste deste Instructable tanto quanto nós. Também gostaria de agradecer a Limor Fried, criador do circuito MintyBoost. Ele desempenhou um papel fundamental em nosso projeto. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam membro

Etapa 1: nossa intenção original …

Nosso projeto original era desenvolver um produto que usasse o Princípio Faraday para permitir que os corredores carregassem seus iPods enquanto corriam. Esse conceito geraria eletricidade da mesma forma que as lanternas Faraday.

Porém, tivemos um problema. Para citar meu colega de equipe Nick Ciarelli, "No início, consideramos usar um design semelhante a uma daquelas lanternas oscilantes e convertê-lo para que um corredor pudesse prendê-lo para uma corrida e ter energia para carregar seu iPod ou qualquer dispositivo que ele A lanterna sacudida obtém sua energia da interação do campo magnético em movimento do ímã na lanterna e a bobina de fio enrolada ao redor do tubo através do qual o ímã desliza. O campo magnético em movimento faz com que os elétrons na bobina se movam o fio, criando uma corrente elétrica. Essa corrente é então armazenada em uma bateria, que fica disponível para uso para a lâmpada / LED da lanterna. No entanto, quando calculamos quanta energia poderíamos obter de uma corrida, determinamos que levaria uma corrida de 50 milhas para obter energia suficiente para carregar uma bateria AA. Isso não era razoável, então mudamos nosso projeto para o sistema de bicicleta. " Decidimos então usar um sistema montado em bicicleta.

Etapa 2: Nossa Declaração de Invenção e Evolução do Conceito

Inicialmente teorizamos o desenvolvimento e a viabilidade de um sistema de frenagem regenerativa para uso em bicicletas. Este sistema criaria uma fonte de energia móvel para estender a vida útil da bateria de dispositivos eletrônicos portáteis carregados pelo piloto.

Durante a fase de experimentação, o sistema de travagem regenerativa revelou-se incapaz de cumprir simultaneamente as suas funções duais. Ele não poderia produzir torque suficiente para parar a bicicleta, nem gerar energia suficiente para recarregar as baterias. A equipe, portanto, optou por abandonar o aspecto de frenagem do sistema, para se concentrar exclusivamente no desenvolvimento de um sistema de carregamento contínuo. Este sistema, uma vez construído e pesquisado, mostrou-se plenamente capaz de atingir os objetivos desejados.

Etapa 3: projetar um circuito

Para começar, tivemos que projetar um circuito que pudesse receber ~ 6 volts do motor, armazená-lo e depois convertê-lo para os 5 volts de que precisávamos para o dispositivo USB.

O circuito que projetamos complementa a função do carregador MintyBoost USB, originalmente desenvolvido por Limor Fried, da Adafruit Industries. O MintyBoost usa baterias AA para carregar dispositivos eletrônicos portáteis. Nosso circuito construído de forma independente substitui as baterias AA e fornece energia para o MintyBoost. Este circuito reduz os ~ 6 volts do motor para 2,5 volts. Isso permite que o motor carregue o BoostCap (140 F), que por sua vez fornece energia para o circuito do MintyBoost. O ultracapacitor armazena energia para carregar continuamente o dispositivo USB, mesmo quando a bicicleta não está em movimento.

Etapa 4: Obtendo Poder

Selecionar um motor provou ser uma tarefa mais desafiadora.

Motores caros forneciam o torque adequado necessário para criar a fonte de frenagem, mas o custo era proibitivo. Para fazer um dispositivo acessível e eficaz, outra solução era necessária. O projeto foi redesenhado como um sistema de carga contínua, dentre todas as possibilidades o motor Maxon seria a melhor escolha devido ao seu menor diâmetro. O motor Maxon também forneceu 6 volts, enquanto os motores anteriores nos deram mais de 20 volts. Para este último, o superaquecimento do motor seria um grande problema. Decidimos ficar com nosso Maxon 90, que era um belo motor, embora custasse US $ 275. (Para aqueles que desejam construir este projeto, um motor mais barato será suficiente.) Fixamos este motor perto dos suportes do freio traseiro diretamente no quadro da bicicleta usando um pedaço de uma vara de medição entre o motor e o quadro para atuar como um espaçador, então apertou 2 braçadeiras de mangueira em torno dela.

Etapa 5: Fiação

Para a fiação do motor ao circuito, várias opções foram consideradas: pinças de crocodilo para mock up, cabo de telefone e fio de alto-falante.

As pinças jacaré provaram funcionar bem para o projeto do mock up e propósitos de teste, mas não foram estáveis o suficiente para o projeto final. O fio telefônico revelou-se frágil e difícil de operar. O fio do alto-falante foi testado devido à sua durabilidade, tornando-se, portanto, o condutor de escolha. Embora fosse um fio trançado, era muito mais durável devido ao seu maior diâmetro. Em seguida, apenas prendemos o fio à estrutura usando laços de zíper.

Etapa 6: O circuito real

Controlar o circuito foi o desafio mais difícil do processo. A eletricidade do motor passa primeiro por um regulador de tensão que permitirá uma corrente contínua de cinco amperes; uma corrente maior do que a de outros reguladores passaria. A partir daí, a tensão é reduzida para 2,5 volts, que é o máximo que o BOOSTCAP pode armazenar e manusear com segurança. Quando o BOOSTCAP atinge 1,2 volts, ele tem energia suficiente para permitir que o MintyBoost forneça uma fonte de 5 volts para o dispositivo que está sendo carregado.

Nos fios de entrada, conectamos um diodo de 5A para não obter um "efeito de partida assistida", onde o motor começaria a girar usando a eletricidade armazenada. Usamos o capacitor de 2200uF para equilibrar o fluxo de energia para o regulador de tensão. O regulador de tensão que usamos, um LM338, é ajustável dependendo de como você o ajusta, como pode ser visto em nosso diagrama de circuito. Para nossos propósitos, a comparação de dois resistores, 120 ohm e 135 ohm, conectados ao regulador determina a tensão de saída. Nós o usamos para reduzir a tensão de ~ 6 volts para 2,5 volts. Em seguida, pegamos os 2,5 volts e os usamos para carregar nosso ultracapacitor, um BOOSTCAP 140 farad de 2,5 volts fabricado pela Maxwell Technologies. Escolhemos o BOOSTCAP porque sua alta capacitância nos permite manter a carga mesmo se a bicicleta for parada em um sinal vermelho. A próxima parte deste circuito é algo que tenho certeza de que todos vocês estão familiarizados, o Adafruit MintyBoost. Nós o usamos para pegar 2,5 volts do ultracapacitor e aumentá-lo para 5 volts estáveis, o padrão USB. Ele usa um conversor boost de 5 volts MAX756 acoplado a um indutor 22uH. Assim que conseguirmos 1,2 volts no ultracapacitor, o MintyBoost começará a produzir os 5 volts. Nosso circuito complementa a função do carregador MintyBoost USB, originalmente desenvolvido por Limor Fried, da Adafruit Industries. O MintyBoost usa baterias AA para carregar dispositivos eletrônicos portáteis. Nosso circuito construído de forma independente substitui as baterias AA e fornece energia para o MintyBoost. Este circuito reduz os ~ 6 volts do motor para 2,5 volts. Isso permite que o motor carregue o BoostCap (140 F), que por sua vez fornece energia para o circuito do MintyBoost. O ultracapacitor armazena energia para carregar continuamente o dispositivo USB, mesmo quando a bicicleta não está em movimento.

Etapa 7: o gabinete

Para proteger o circuito de elementos externos, um invólucro foi necessário. Foi escolhida uma "pílula" de tubo de PVC e tampas de extremidade, com diâmetro de 6cm e comprimento de 18cm. Embora essas dimensões sejam grandes quando comparadas ao circuito, isso torna a construção mais conveniente. Um modelo de produção seria muito menor. O PVC foi selecionado com base na durabilidade, resistência quase perfeita às intempéries, formato aerodinâmico e baixo custo. Os experimentos também foram realizados em recipientes feitos de fibra de carbono crua embebida em epóxi. Esta estrutura provou ser forte e leve. No entanto, o processo de construção era extremamente demorado e difícil de dominar.

Etapa 8: Teste

Para os capacitores, testamos dois tipos diferentes, o BOOSTCAP e um supercapacitor.

O primeiro gráfico mostra a utilização do supercapacitor, que é integrado ao circuito para que, quando o motor estiver ativo, o capacitor carregue. Não usamos este componente porque, embora o supercapacitor carregasse com extrema velocidade, ele descarregou muito rapidamente para nossos propósitos. A linha vermelha representa a tensão do motor, a linha azul representa a tensão do supercapacitor e a linha verde representa a tensão da porta USB. O segundo gráfico são os dados coletados com o ultracapacitor BOOSTCAP. A linha vermelha representa a tensão do motor, a azul é a tensão do ultracapacitor e a linha verde representa a tensão da porta USB. Optamos por usar o ultracapacitor porque, como este teste indica, o ultracapacitor continuará a manter sua carga mesmo depois que o motociclista tiver parado de se mover. O motivo do salto na tensão USB é porque o ultracapacitor atingiu o limite de tensão necessário para ativar o MintyBoost. Ambos os testes foram realizados durante um período de 10 minutos. O piloto pedalou nos 5 primeiros, então observamos como as tensões reagiriam nos 5 minutos finais. A última foto é uma foto do Google Earth de onde fizemos nossos testes. Esta foto mostra que começamos em nossa escola e depois demos duas voltas no Parque Levagood por uma distância total aproximada de 1 milha. As cores deste mapa correspondem à velocidade do piloto. A linha roxa tem aproximadamente 28,9 mph, a linha azul 21,7 mph, a linha verde 14,5 mph e a linha amarela 12,7 mph.

Etapa 9: Planos Futuros

Para tornar o dispositivo mais economicamente viável como produto de consumo, várias melhorias devem ser feitas nas áreas de proteção contra intempéries, otimização de circuitos e redução de custos. A proteção contra intempéries é crítica para a operação de longo prazo da unidade. Uma técnica considerada para o motor era encerrá-lo em um contêiner Nalgene. Esses recipientes são conhecidos por serem à prova d'água e quase indestrutíveis. (Sim, atropelamos um com um carro sem nenhum efeito prejudicial.) Proteção adicional foi buscada contra as forças da natureza. A espuma de expansão vedaria a unidade, mas o material tem limitações. Não só é difícil posicionar corretamente, mas também impediria a ventilação essencial para a operação geral do dispositivo.

Quanto à racionalização do circuito, as possibilidades incluem um chip regulador de tensão multitarefa e uma placa de circuito impresso personalizada (PCB). O chip poderia substituir vários reguladores de tensão, o que diminuiria o tamanho do produto e a produção de calor. Usar um PCB fornecerá uma base mais estável porque as conexões ficarão diretamente na placa e não flutuando abaixo dela. Até certo ponto, ele atuará como um dissipador de calor devido ao traço de cobre na placa. Essa mudança diminuiria a necessidade de ventilação excessiva e aumentaria a vida útil do componente. A redução de custos é de longe a mudança mais importante e difícil que deve ser feita no design. O circuito em si é extremamente barato, mas o motor custa $ 275. Uma busca está em andamento por um motor mais econômico que ainda atenda às nossas necessidades de energia.

Etapa 10: Concluir

Obrigado por ler nosso Instructable, se você tiver alguma dúvida, não hesite em perguntar.

Aqui estão algumas das fotos de nossa apresentação no MIT.