Untuk bermula, projek ini dimulakan apabila kami menerima geran dari Program Lemelson-MIT. (Josh, jika kamu membaca ini, kita sayang kamu.)
Satu pasukan dari 6 pelajar dan satu guru meletakkan projek ini bersama-sama, dan kami telah memutuskan untuk meletakkannya pada Instructables dengan harapan memenangi pemotong laser, atau sekurang-kurangnya sebuah kaos.
Apa yang berikut, adalah penyusunan persembahan kami dan nota peribadi saya sendiri. Saya harap anda dapat menikmati Instructable ini seperti yang kita lakukan.
Saya juga ingin mengucapkan terima kasih kepada Limor Fried, pencipta litar MintyBoost. Ia memainkan peranan utama dalam projek kami.
Jeff Brookins
Ahli InvenTeam Anak Ilahi
Bekalan:
Langkah 1: Niat Asal Kami …
Projek asal kami adalah untuk membangunkan produk yang menggunakan Prinsip Faraday untuk membolehkan pelari untuk mengecas iPod semasa mereka berjalan. Konsep ini akan menjana tenaga elektrik dengan cara yang sama seperti senter Faraday.
Walau bagaimanapun, kami menghadapi masalah. Untuk memetik rakan sepasukan saya, Nick Ciarelli,
"Mula-mula kita mempertimbangkan menggunakan reka bentuk yang serupa dengan salah satu daripada senter lampu goncang dan menukarkannya supaya pelari boleh mengikatnya untuk jangka masa dan mempunyai tenaga untuk mengecas iPod mereka atau apa sahaja peranti yang mereka gunakan. tenaganya dari interaksi medan magnet magnet yang bergerak di lampu suluh dan gegelung dawai yang dibalut di sekeliling tiang magnet bergerak melalui. Bidang magnet bergerak menyebabkan elektron di gegelung bergerak di sepanjang kawat, menghasilkan arus elektrik. Arus ini kemudian disimpan dalam bateri, yang kemudiannya boleh digunakan untuk mentol lampu / LED. Walau bagaimanapun, apabila kita mengira berapa banyak tenaga yang kita dapat dari satu jangka masa, kita menentukan bahawa ia akan mengambil masa 50 batu berlari untuk mendapatkan tenaga yang cukup untuk mengenakan satu bateri AA. Ini tidak masuk akal sehingga kami mengubah projek kami ke sistem basikal. "
Kami kemudian memutuskan untuk menggunakan sistem basikal yang dipasang.
Langkah 2: Pernyataan Penciptaan dan Evolusi Konsep kami
Kami pada mulanya berteori pembangunan dan kemungkinan sistem brek regeneratif untuk digunakan pada basikal. Sistem ini akan mencipta sumber kuasa mudah alih untuk memanjangkan hayat bateri alat elektronik mudah alih yang dibawa oleh pengendara.
Semasa fasa percubaan, sistem brek regeneratif didapati tidak dapat memenuhi fungsi dwi secara serentak. Ia tidak boleh menghasilkan tork yang mencukupi untuk menghentikan basikal itu, atau menjana kuasa yang mencukupi untuk mengecas semula bateri.Oleh itu, pasukan memilih untuk meninggalkan aspek brek sistem, untuk memberi tumpuan semata-mata kepada pembangunan sistem pengecasan berterusan. Sistem ini, apabila dibina dan diteliti, terbukti mampu mencapai matlamat yang diinginkan sepenuhnya.
Langkah 3: Reka bentuk Litar
Untuk memulakan, kami perlu merancang litar yang boleh mengambil ~ 6 volt dari motor, simpannya, dan kemudian tukarnya ke 5 volt yang kami perlukan untuk peranti USB.
Litar kami yang direka bentuk melengkapkan fungsi pengecas USB MintyBoost, yang asalnya dibangunkan oleh Limor Fried, Adafruit Industries. MintyBoost menggunakan bateri AA untuk mengenakan peranti elektronik mudah alih. Litar kami yang dibina secara bebas menggantikan bateri AA dan bekalan kuasa kepada MintyBoost. Litar ini mengurangkan ~ 6 volt dari motor kepada 2.5 volt. Ini membolehkan motor untuk mengecas BoostCap (140 F), yang seterusnya membekalkan kuasa kepada litar MintyBoost. Ultracapacitor menyimpan tenaga untuk terus mengecas peranti USB walaupun basikal tidak bergerak.
Langkah 4: Mendapatkan Kuasa
Memilih motor membuktikan tugas yang lebih mencabar.
Motor mahal menyediakan tork yang diperlukan untuk mencipta sumber brek, namun kos itu adalah sangat mahal. Untuk membuat peranti yang berpatutan dan berkesan penyelesaian lain diperlukan. Projek itu telah direka semula sebagai sistem pengecasan berterusan, daripada semua kemungkinan motor Maxon akan menjadi pilihan yang lebih baik kerana diameter yang lebih kecil.
Motor Maxon juga menyediakan 6 volt di mana motor terdahulu memberi kami 20 volt. Untuk motor pemanasan yang lebih tinggi akan menjadi masalah besar.
Kami memutuskan untuk berpegang dengan Maxon 90 kami, yang merupakan motor yang cantik, walaupun kosnya $ 275.
(Bagi mereka yang ingin membina projek ini, motor yang lebih murah akan mencukupi.)
Kami memasang motor ini berhampiran dengan brek belakang yang dipasang secara langsung pada bingkai basikal dengan menggunakan sekeping batang meter di antara motor dan bingkai untuk bertindak sebagai spacer, kemudian mengencangkan 2 hos-penjepit di sekelilingnya.
Langkah 5: Pendawaian
Untuk pendawaian dari motor ke litar beberapa pilihan telah dipertimbangkan: klip buaya untuk mengejek, kord telefon, dan wayar pembesar suara.
Klip buaya terbukti berfungsi dengan baik untuk tujuan reka bentuk dan ujian mengejek tetapi mereka tidak cukup stabil untuk reka bentuk akhir.
Kawat telefon terbukti rapuh dan sukar untuk digunakan.
Kawat pembesar suara diuji kerana ketahanannya menjadi pengalir pilihan. Walaupun ia dawai terkandas, ia lebih tahan lama kerana diameter yang lebih besar.
Kami kemudian melekat wayar ke bingkai dengan menggunakan zip.
Langkah 6: Litar Yang Sebenar!
Menangani litar adalah cabaran yang paling sukar dalam proses itu. Elektrik dari motor pertama bergerak melalui pengawal selia voltan yang akan membolehkan sehingga 5 amp berterusan; arus yang lebih besar daripada pengawal selia yang lain akan lulus. Dari situ voltan diturunkan ke 2.5 volt yang maksimum BOOSTCAP boleh menyimpan dan mengendalikan dengan selamat. Setelah BOOSTCAP mencapai 1.2 volt, ia mempunyai kuasa yang cukup untuk membolehkan MintyBoost menyediakan sumber 5 volt untuk peranti yang dikenakan.
Pada wayar masukan, kita melampirkan 5A diod supaya kita tidak mendapat "kesan dibantu-mula", di mana motor akan mula berputar dengan menggunakan elektrik yang disimpan.
Kami menggunakan kapasitor 2200uF untuk mengalirkan aliran kuasa ke pengatur voltan.
Pengawal selia voltan yang kami gunakan, LM338, boleh laras bergantung kepada cara anda menetapkannya, seperti yang dilihat dalam rajah litar kami. Untuk tujuan kami, perbandingan dua resistor, 120ohm dan 135 ohm, disambungkan kepada pengatur menentukan voltan keluaran. Kami menggunakannya untuk mengurangkan voltan dari ~ 6 volt hingga 2.5 volt.
Kami kemudian mengambil 2.5 volt dan menggunakannya untuk mengenakan ultracapacitor kami, 140 farad, 2.5 volt BOOSTCAP yang dibuat oleh Maxwell Technologies. Kami memilih BOOSTCAP kerana kapasitinya yang tinggi akan membolehkan kami menanggung caj walaupun basikal dihentikan pada lampu merah.
Bahagian seterusnya litar ini adalah sesuatu yang saya pasti anda kenal dengan, Adafruit MintyBoost. Kami menggunakannya untuk mengambil 2.5 volt dari ultracapacitor dan melangkah ke 5 volt stabil, standard USB. Ia menggunakan penukar rana MAX756, 5 volt ditambah dengan induktor 22uH. Sebaik sahaja kita mendapat 1.2 volt merentasi ultracapacitor, MintyBoost akan mula mengeluarkan 5 volt.
Litar kami melengkapkan fungsi pengecas USB MintyBoost, asalnya dibangunkan oleh Limor Fried, Adafruit Industries. MintyBoost menggunakan bateri AA untuk mengenakan peranti elektronik mudah alih. Litar kami yang dibina secara bebas menggantikan bateri AA dan bekalan kuasa kepada MintyBoost. Litar ini mengurangkan ~ 6 volt dari motor kepada 2.5 volt. Ini membolehkan motor untuk mengecas BoostCap (140 F), yang seterusnya membekalkan kuasa kepada litar MintyBoost. Ultracapacitor menyimpan tenaga untuk terus mengecas peranti USB walaupun basikal tidak bergerak.
Langkah 7: Lampiran.
Untuk melindungi litar dari unsur-unsur luaran, suatu kandang diperlukan. Satu "pil" tabung PVC dan penutup akhir telah dipilih, dengan diameter 6cm dan panjang 18cm. Walaupun dimensi ini besar jika dibandingkan dengan litar, pembinaan ini lebih mudah dibuat. Model pengeluaran akan menjadi lebih kecil. PVC dipilih berdasarkan ketahanan, penentuan cuaca hampir sempurna, bentuk aerodinamik, dan kos rendah. Eksperimen juga dilakukan pada bekas yang dibuat dari serat karbon mentah yang direndam dalam epoksi. Struktur ini terbukti kuat dan ringan. Walau bagaimanapun, proses pembinaan sangat memakan masa dan sukar untuk menguasai.
Langkah 8: Ujian!
Bagi kapasitor, kami menguji dua jenis, BOOSTCAP dan kapasitor super.
Grafik pertama menggambarkan penggunaan supercapacitor, yang disepadukan dengan litar supaya apabila motor aktif, kapasitor akan dikenakan. Kami tidak menggunakan komponen ini kerana, semasa supercapacitor dikenakan kelajuan yang melampau, ia dikeluarkan terlalu cepat untuk tujuan kami. Garis merah mewakili voltan motor, garis biru mewakili voltan supercapacitor, dan garisan hijau mewakili voltan port USB.
Graf kedua ialah data yang dikumpul dengan ultracapacitor BOOSTCAP. Garis merah mewakili voltan motor, biru ialah voltan ultracapacitor, dan garis hijau mewakili voltan port USB. Kami memilih untuk menggunakan ultracapacitor kerana, sebagai ujian ini menunjukkan, ultracapacitor akan terus memegang cajnya walaupun selepas pelumba berhenti bergerak. Alasan untuk melompat dalam voltan USB adalah kerana ultracapacitor mencapai ambang voltan yang diperlukan untuk mengaktifkan MintyBoost.
Kedua-dua ujian ini dijalankan dalam tempoh 10 minit. Penunggang itu mengayuh untuk 5 pertama, maka kita melihat bagaimana tegasan akan bertindak untuk 5 minit terakhir.
Gambar terakhir adalah pukulan Google Earth di mana kami melakukan ujian kami. Gambar ini menunjukkan bahawa kami bermula di sekolah kami, dan kemudian melakukan dua pusingan di Levagood Park untuk jarak sejauh 1 kilometer. Warna peta ini sesuai dengan kelajuan penunggang. Garis ungu kira-kira 28.9 mph, garis biru 21.7 mph, garis hijau 14.5 mph, dan garis kuning 7.4 mph.
Langkah 9: Rancangan Masa Depan
Untuk menjadikan peranti ini lebih berdaya maju dari segi ekonomi sebagai produk pengguna, beberapa penambahbaikan perlu dibuat dalam bidang penentuan cuaca, litar merentas, dan pengurangan kos. Penentuan cuaca adalah penting untuk operasi jangka panjang unit. Satu teknik yang dipertimbangkan untuk motor itu adalah untuk membungkusnya dalam bekas Nalgene. Bekas ini dikenali sebagai kalis air dan hampir tidak boleh dihancurkan. (Ya, kita berlari lebih dari satu dengan kereta tanpa kesan buruk.) Perlindungan tambahan dicari terhadap daya alam. Busa pengembangan akan mengelak unit, namun bahan tersebut mempunyai batasan. Bukan sahaja sukar untuk diposisikan dengan betul, tetapi ia juga menghalang pengudaraan penting untuk keseluruhan operasi peranti.
Mengenai penyelarasan litar, kemungkinan termasuk cip pengatur voltan multitasking dan papan litar cetakan tersuai (PCB). Cip boleh menggantikan pengawal voltan berganda, ini akan mengurangkan kedua-dua saiz produk dan output haba. Menggunakan PCB akan menyediakan pangkalan yang lebih stabil kerana sambungan akan terus di papan dan tidak terapung di bawahnya. Setakat yang terhad ia akan bertindak sebagai tenggelam panas kerana pengesanan tembaga di papan. Perubahan ini akan mengurangkan keperluan untuk pengudaraan yang berlebihan dan meningkatkan kehidupan komponen.
Pengurangan kos adalah yang paling penting, dan sukar, perubahan yang mesti dibuat kepada reka bentuk. Litar itu sendiri adalah sangat murah, walau bagaimanapun, kos motor $ 275. Carian sedang dijalankan untuk motor yang lebih cekap kos yang masih akan memenuhi keperluan kuasa kami.
Langkah 10: Selesaikan!
Terima kasih kerana membaca Instructable kami, jika anda mempunyai sebarang soalan jangan ragu untuk bertanya.
Berikut adalah beberapa gambar dari persembahan kami di MIT.
