كيفية شحن أي جهاز USB عن طريق ركوب دراجتك: 10 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

للبدء ، بدأ هذا المشروع عندما تلقينا منحة من برنامج Lemelson-MIT. (جوش ، إذا كنت تقرأ هذا ، فنحن نحبك.)

وضع فريق من 6 طلاب ومعلم واحد هذا المشروع معًا ، وقررنا وضعه على Instructables على أمل الفوز بقطعة ليزر ، أو على الأقل تي شيرت. ما يلي هو تجميع لعرضنا التقديمي وملاحظاتي الشخصية. آمل أن تستمتع بهذا Instructable بقدر ما استمتعت به. أود أيضًا أن أشكر Limor Fried ، مبتكر حلبة MintyBoost. لقد لعبت دورًا رئيسيًا في مشروعنا. جيف بروكينز ديفين تشايلد InvenTeam عضو

الخطوة 1: غايتنا الأصلية …

كان مشروعنا الأصلي هو تطوير منتج يستخدم مبدأ فاراداي للسماح للعدائين بشحن أجهزة iPod أثناء تشغيلهم. هذا المفهوم من شأنه أن يولد الكهرباء بنفس الطريقة التي تعمل بها مصابيح فاراداي.

ومع ذلك ، كانت لدينا مشكلة. على حد تعبير زميلي في الفريق ، نيك سياريلي ، "في البداية ، فكرنا في استخدام تصميم مشابه لأحد تلك المصابيح الكهربائية الهزازة وتحويلها بحيث يمكن للعدّاء ربطها للركض والحصول على الطاقة لشحن iPod أو أي جهاز آخر لديهم الاستخدام. يحصل المصباح الهزاز على طاقته من تفاعل المجال المغناطيسي المتحرك للمغناطيس في المصباح الكهربائي وملف السلك الملفوف حول الأنبوب الذي ينزلق من خلاله المغناطيس. ويتسبب المجال المغناطيسي المتحرك في تحرك الإلكترونات الموجودة في الملف على طول السلك ، مما ينتج عنه تيار كهربائي. ثم يتم تخزين هذا التيار في بطارية ، والتي تكون متاحة بعد ذلك للاستخدام في مصباح المصباح / LED. ومع ذلك ، عندما قمنا بحساب مقدار الطاقة التي يمكننا الحصول عليها من التشغيل ، حددنا أن الأمر سيستغرق 50 ميلًا للحصول على طاقة كافية لشحن بطارية AA واحدة. كان هذا غير معقول لذلك قمنا بتغيير مشروعنا إلى نظام الدراجات. " ثم قررنا استخدام نظام مثبت على الدراجة بدلاً من ذلك.

الخطوة الثانية: بيان الاختراع وتطور المفهوم

وضعنا نظرية في البداية لتطوير وجدوى نظام الكبح المتجدد للاستخدام على الدراجات. سيخلق هذا النظام مصدر طاقة متنقلًا لإطالة عمر بطارية الأجهزة الإلكترونية المحمولة التي يحملها الراكب.

خلال مرحلة التجريب ، وجد أن نظام الكبح المتجدد غير قادر على أداء وظائفه المزدوجة في وقت واحد. لا يمكن أن ينتج عزم دوران كافٍ لإيقاف الدراجة ، ولا يولد طاقة كافية لإعادة شحن البطاريات. لذلك اختار الفريق التخلي عن جانب الكبح في النظام ، للتركيز فقط على تطوير نظام الشحن المستمر. أثبت هذا النظام ، بمجرد إنشائه والبحث فيه ، أنه قادر تمامًا على تحقيق الأهداف المرجوة.

الخطوة الثالثة: تصميم دائرة

للبدء ، كان علينا تصميم دائرة يمكن أن تأخذ ~ 6 فولت من المحرك ، وتخزينها ، ثم تحويلها إلى 5 فولت التي نحتاجها لجهاز USB.

الدائرة التي صممناها تكمل وظيفة شاحن MintyBoost USB ، الذي تم تطويره في الأصل بواسطة Limor Fried ، من Adafruit Industries. يستخدم MintyBoost بطاريات AA لشحن الأجهزة الإلكترونية المحمولة. تحل دائرتنا المصممة بشكل مستقل محل بطاريات AA وتزود MintyBoost بالطاقة. هذه الدائرة تقلل ~ 6 فولت من المحرك إلى 2.5 فولت. يسمح هذا للمحرك بشحن BoostCap (140 F) ، والذي بدوره يوفر الطاقة لدائرة MintyBoost. يخزن المكثف الفائق الطاقة لشحن جهاز USB بشكل مستمر حتى أثناء عدم تحرك الدراجة.

الخطوة 4: الحصول على الطاقة

أثبت اختيار المحرك أنه مهمة أكثر صعوبة.

قدمت المحركات باهظة الثمن عزم الدوران المناسب اللازم لإنشاء مصدر الكبح ، ولكن التكلفة كانت باهظة. كان من الضروري إيجاد حل آخر لصنع جهاز فعال وبأسعار معقولة. تمت إعادة تصميم المشروع كنظام شحن مستمر ، من بين جميع الاحتمالات ، سيكون محرك Maxon خيارًا أفضل نظرًا لقطره الأصغر. قدم محرك Maxon أيضًا 6 فولت بينما أعطتنا المحركات السابقة ما يزيد عن 20 فولت. بالنسبة للمحرك الأخير ، فإن التسخين الزائد سيكون مشكلة كبيرة. قررنا التمسك بـ Maxon 90 ، والذي كان محركًا رائعًا ، على الرغم من أن تكلفته كانت 275 دولارًا. (بالنسبة لأولئك الذين يرغبون في بناء هذا المشروع ، يكفي محرك أرخص.) قمنا بتوصيل هذا المحرك بالقرب من حوامل الفرامل الخلفية مباشرة على إطار الدراجة باستخدام قطعة متر بين المحرك والإطار ليكون بمثابة مباعد ، ثم شد 2 خرطوم المشابك حوله.

الخطوة 5: الأسلاك

بالنسبة للأسلاك من المحرك إلى الدائرة ، تم النظر في عدة خيارات: مقاطع التمساح للحجم الطبيعي ، وسلك الهاتف ، وسلك السماعة.

أثبتت مقاطع التمساح أنها تعمل بشكل جيد لأغراض التصميم والاختبار ، لكنها لم تكن مستقرة بما يكفي للتصميم النهائي. ثبت أن سلك الهاتف هش ، ويصعب التعامل معه. تم اختبار سلك السماعة نظرًا لقوة تحمله وبالتالي أصبح الموصل المفضل. على الرغم من أنه كان سلكًا عالقًا ، إلا أنه كان أكثر متانة نظرًا لقطره الأكبر. ثم قمنا للتو بتوصيل السلك بالإطار باستخدام روابط مضغوطة.

الخطوة 6: الدائرة الفعلية

كان التعامل مع الدوائر هو أصعب تحد في هذه العملية. تنتقل الكهرباء من المحرك أولاً عبر منظم الجهد الذي يسمح بتيار مستمر يصل إلى خمسة أمبير ؛ تيار أكبر من المنظمين الآخرين سوف يمر. من هناك يتم خفض الجهد إلى 2.5 فولت وهو الحد الأقصى الذي يمكن لـ BOOSTCAP تخزينه والتعامل معه بأمان. بمجرد وصول BOOSTCAP إلى 1.2 فولت ، يكون لديه طاقة كافية للسماح لـ MintyBoost بتوفير مصدر 5 فولت للجهاز المشحون.

على أسلاك الإدخال ، قمنا بتوصيل الصمام الثنائي 5A حتى لا نحصل على "تأثير بدء التشغيل المساعد" ، حيث يبدأ المحرك في الدوران باستخدام الكهرباء المخزنة. استخدمنا مكثف 2200 فائق التوهج لتسوية تدفق الطاقة إلى منظم الجهد. منظم الجهد الذي استخدمناه ، LM338 ، قابل للتعديل اعتمادًا على كيفية ضبطه ، كما هو موضح في مخطط الدائرة لدينا. لأغراضنا ، تحدد المقارنة بين مقاومين ، 120 أوم و 135 أوم ، المتصلين بالمنظم جهد الخرج. نستخدمه لتقليل الجهد من ~ 6 فولت إلى 2.5 فولت. ثم نأخذ 2.5 فولت ونستخدمه لشحن مكثفنا الفائق ، 140 فاراد ، 2.5 فولت BOOSTCAP من إنتاج Maxwell Technologies. اخترنا BOOSTCAP لأن سعتها العالية ستسمح لنا بحمل الشحنة حتى لو توقفت الدراجة عند الضوء الأحمر. الجزء التالي من هذه الدائرة هو شيء أنا متأكد من أنك على دراية به ، Adafruit MintyBoost. استخدمناه لأخذ 2.5 فولت من المكثف الفائق ورفعها إلى مستوى ثابت 5 فولت ، وهو معيار USB. يستخدم محول تعزيز MAX756 بجهد 5 فولت إلى جانب محث 22uH. بمجرد أن نحصل على 1.2 فولت عبر المكثف الفائق ، سيبدأ MintyBoost في إخراج 5 فولت. تكمل دائرتنا وظيفة شاحن MintyBoost USB ، الذي تم تطويره في الأصل بواسطة Limor Fried ، من Adafruit Industries. يستخدم MintyBoost بطاريات AA لشحن الأجهزة الإلكترونية المحمولة. تحل دائرتنا المصممة بشكل مستقل محل بطاريات AA وتزود MintyBoost بالطاقة. هذه الدائرة تقلل ~ 6 فولت من المحرك إلى 2.5 فولت. يسمح هذا للمحرك بشحن BoostCap (140 F) ، والذي بدوره يوفر الطاقة لدائرة MintyBoost. يخزن المكثف الفائق الطاقة لشحن جهاز USB بشكل مستمر حتى أثناء عدم تحرك الدراجة.

الخطوة 7: الضميمة

من أجل حماية الدائرة من العناصر الخارجية ، كان من الضروري وجود حاوية. تم اختيار "حبة" من الأنابيب البلاستيكية وأغطية النهاية ، بقطر 6 سم وطول 18 سم. في حين أن هذه الأبعاد كبيرة عند مقارنتها بالدائرة ، فإن هذا جعل البناء أكثر ملاءمة. سيكون نموذج الإنتاج أصغر بكثير. تم اختيار PVC على أساس المتانة ، ومقاومة الطقس المثالية تقريبًا ، والشكل الديناميكي الهوائي ، والتكلفة المنخفضة. كما تم إجراء التجارب على حاويات مصنوعة من ألياف الكربون الخام المنقوعة في الإيبوكسي. أثبت هذا الهيكل أنه قوي وخفيف الوزن. ومع ذلك ، كانت عملية البناء تستغرق وقتًا طويلاً للغاية ويصعب إتقانها.

الخطوة 8: الاختبار

بالنسبة للمكثفات ، نختبر نوعين مختلفين ، BOOSTCAP ومكثف فائق.

يوضح الرسم البياني الأول استخدام المكثف الفائق ، الذي يتكامل مع الدائرة بحيث يتم شحن المكثف عندما يكون المحرك نشطًا. لم نستخدم هذا المكون لأنه ، في حين أن المكثف الفائق يشحن بسرعة قصوى ، فإنه يتم تفريغه بسرعة كبيرة جدًا لأغراضنا. يمثل الخط الأحمر جهد المحرك ، ويمثل الخط الأزرق جهد المكثف الفائق ، ويمثل الخط الأخضر جهد منفذ USB. الرسم البياني الثاني هو البيانات التي تم جمعها باستخدام BOOSTCAP ultracapacitor. يمثل الخط الأحمر جهد المحرك ، ويمثل اللون الأزرق جهدًا فائق السرعة ، ويمثل الخط الأخضر جهد منفذ USB. لقد اخترنا استخدام المكثف الفائق لأنه ، كما يشير هذا الاختبار ، سيستمر المكثف الفائق في الاحتفاظ بشحنته حتى بعد توقف الراكب عن الحركة. سبب القفزة في جهد USB هو أن المكثف الفائق وصل إلى عتبة الجهد اللازمة لتنشيط MintyBoost. تم إجراء كلا الاختبارين على مدار 10 دقائق. قام الراكب بالدواسة لأول 5 دقائق ، ثم لاحظنا كيف ستتفاعل الفولتية خلال الدقائق الخمس الأخيرة. الصورة الأخيرة عبارة عن لقطة لبرنامج Google Earth حيث أجرينا الاختبار. تُظهر هذه الصورة أننا بدأنا في مدرستنا ، ثم قمنا بجولتين في Levagood Park لمسافة تقريبية إجمالية قدرها ميل واحد. تتوافق ألوان هذه الخريطة مع سرعة الراكب. يبلغ الخط الأرجواني حوالي 28.9 ميلاً في الساعة ، والخط الأزرق 21.7 ميلاً في الساعة ، والخط الأخضر 14.5 ميلاً في الساعة ، والخط الأصفر 7.4 ميلاً في الساعة.

الخطوة 9: الخطط المستقبلية

من أجل جعل الجهاز أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية كمنتج استهلاكي ، يجب إجراء العديد من التحسينات في مجالات مقاومة الطقس ، وتبسيط الدوائر ، وخفض التكلفة. تعتبر مقاومة الطقس أمرًا بالغ الأهمية لتشغيل الوحدة على المدى الطويل. كانت إحدى التقنيات التي تم وضعها في الاعتبار للمحرك هي تغليفه في حاوية Nalgene. تشتهر هذه الحاويات بكونها مقاومة للماء وغير قابلة للتدمير تقريبًا. (نعم ، دهسنا أحدهم بسيارة دون أي تأثير سيئ). تم طلب حماية إضافية ضد قوى الطبيعة. سوف تغلق رغوة التمدد الوحدة ، لكن المادة بها قيود. ليس فقط من الصعب وضعه بشكل صحيح ، ولكنه سيمنع أيضًا التهوية الضرورية للتشغيل الكلي للجهاز.

فيما يتعلق بتبسيط الدائرة ، تشمل الاحتمالات رقاقة منظم جهد متعدد المهام ولوحة دائرة مطبوعة مخصصة (PCB). يمكن أن تحل الرقاقة محل منظمات الجهد المتعددة ، وهذا من شأنه أن يقلل من حجم المنتج وإخراج الحرارة. سيوفر استخدام PCB قاعدة أكثر ثباتًا لأن الاتصالات ستكون مباشرة على السبورة ولن تطفو تحتها. إلى حدٍ ما ، سيكون بمثابة المشتت الحراري بسبب تتبع النحاس في اللوح. سيؤدي هذا التغيير إلى تقليل الحاجة إلى التهوية المفرطة وزيادة عمر المكونات. يعد خفض التكلفة أهم التغييرات التي يجب إجراؤها على التصميم. الدائرة نفسها غير مكلفة للغاية ، لكن المحرك يكلف 275 دولارًا. يجري البحث عن محرك أكثر فعالية من حيث التكلفة والذي سيظل يلبي احتياجاتنا من الطاقة.

الخطوة 10: الانتهاء

نشكرك على قراءة Instructable ، إذا كان لديك أي أسئلة فلا تتردد في طرحها.

إليكم بعض الصور من عرضنا التقديمي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.