Cara Mengisi Daya Perangkat USB Apa Pun dengan Mengendarai Sepeda Anda: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Untuk memulai, proyek ini dimulai ketika kami menerima hibah dari Program Lemelson-MIT. (Josh, jika Anda membaca ini, kami mencintaimu.)

Sebuah tim yang terdiri dari 6 siswa dan satu guru menyusun proyek ini, dan kami telah memutuskan untuk memasukkannya ke dalam Instructables dengan harapan memenangkan pemotong laser, atau setidaknya sebuah kaos. Berikut ini adalah kompilasi dari presentasi kami dan catatan pribadi saya. Saya harap Anda menikmati Instructable ini sama seperti kami. Saya juga ingin berterima kasih kepada Limor Fried, pencipta sirkuit MintyBoost. Ini memainkan peran penting dalam proyek kami. Jeff Brookins Divine Child InvenTeam Anggota

Langkah 1: Niat Asli Kami…

Proyek awal kami adalah mengembangkan produk yang menggunakan Prinsip Faraday untuk memungkinkan pelari mengisi daya iPod mereka saat mereka berlari. Konsep ini akan menghasilkan listrik dengan cara yang sama seperti yang dilakukan oleh senter Faraday.

Namun, kami punya masalah. Mengutip rekan setim saya Nick Ciarelli, "Awalnya kami mempertimbangkan untuk menggunakan desain yang mirip dengan salah satu senter pengguncang itu dan mengubahnya sehingga seorang pelari dapat mengikatnya untuk berlari dan memiliki energi untuk mengisi daya iPod atau perangkat apa pun yang mereka miliki. Senter pengocok mendapatkan energinya dari interaksi medan magnet yang bergerak dari magnet di dalam senter dan gulungan kawat yang melilit tabung yang dilewati magnet. Medan magnet yang bergerak menyebabkan elektron dalam kumparan bergerak bersama kawat, menghasilkan arus listrik. Arus ini kemudian disimpan dalam baterai, yang kemudian tersedia untuk digunakan untuk bola lampu senter/LED. Namun, ketika kami menghitung berapa banyak energi yang bisa kami dapatkan dari lari, kami menentukan bahwa dibutuhkan lari 50 mil untuk mendapatkan energi yang cukup untuk mengisi satu baterai AA. Ini tidak masuk akal sehingga kami mengubah proyek kami ke sistem sepeda." Kami kemudian memutuskan untuk menggunakan sistem yang dipasang di sepeda.

Langkah 2: Pernyataan Penemuan dan Evolusi Konsep Kami

Kami awalnya berteori pengembangan dan kelayakan sistem pengereman regeneratif untuk digunakan pada sepeda. Sistem ini akan menciptakan sumber daya bergerak untuk memperpanjang masa pakai baterai perangkat elektronik portabel yang dibawa oleh pengendara.

Selama fase eksperimen, sistem pengereman regeneratif ditemukan tidak mampu memenuhi fungsi gandanya secara bersamaan. Itu tidak dapat menghasilkan torsi yang cukup untuk menghentikan sepeda, atau menghasilkan daya yang cukup untuk mengisi ulang baterai. Oleh karena itu, tim memilih untuk mengabaikan aspek pengereman dari sistem, untuk fokus hanya pada pengembangan sistem pengisian terus menerus. Sistem ini, setelah dibangun dan diteliti, terbukti sepenuhnya mampu mencapai tujuan yang diinginkan.

Langkah 3: Desain Sirkuit

Untuk memulai, kami harus merancang rangkaian yang dapat mengambil ~6 volt dari motor, menyimpannya, dan kemudian mengubahnya menjadi 5 volt yang kami butuhkan untuk perangkat USB.

Sirkuit yang kami rancang melengkapi fungsi pengisi daya USB MintyBoost, yang awalnya dikembangkan oleh Limor Fried, dari Adafruit Industries. MintyBoost menggunakan baterai AA untuk mengisi daya perangkat elektronik portabel. Sirkuit kami yang dibangun secara independen menggantikan baterai AA dan memasok daya ke MintyBoost. Rangkaian ini mengurangi ~6 volt dari motor menjadi 2,5 volt. Hal ini memungkinkan motor untuk mengisi BoostCap (140 F), yang pada gilirannya memasok daya ke sirkuit MintyBoost. Ultracapacitor menyimpan energi untuk terus mengisi daya perangkat USB bahkan saat sepeda tidak bergerak.

Langkah 4: Mendapatkan Kekuatan

Memilih motor terbukti menjadi tugas yang lebih menantang.

Motor mahal menyediakan torsi yang tepat yang diperlukan untuk membuat sumber pengereman, namun biayanya mahal. Untuk membuat perangkat yang terjangkau dan efektif diperlukan solusi lain. Proyek ini didesain ulang sebagai sistem pengisian terus menerus, dari semua kemungkinan motor Maxon akan menjadi pilihan yang lebih baik karena diameternya yang lebih kecil. Motor Maxon juga menyediakan 6 volt di mana seperti motor sebelumnya memberi kami lebih dari 20 volt. Untuk motor yang terakhir over-heating akan menjadi masalah besar. Kami memutuskan untuk tetap menggunakan Maxon 90 kami, yang merupakan motor yang indah, meskipun harganya $275. (Bagi mereka yang ingin membangun proyek ini, motor yang lebih murah sudah cukup.) Kami memasang motor ini di dekat dudukan rem belakang langsung pada rangka sepeda menggunakan sepotong tongkat meteran antara motor dan rangka untuk bertindak sebagai pengatur jarak, kemudian mengencangkan 2 klem selang di sekitarnya.

Langkah 5: Pengkabelan

Untuk pengkabelan dari motor ke sirkuit, beberapa opsi dipertimbangkan: klip buaya untuk tiruan, kabel telepon, dan kabel speaker.

Klip buaya terbukti bekerja dengan baik untuk desain tiruan dan tujuan pengujian tetapi tidak cukup stabil untuk desain akhir. Kabel telepon terbukti rapuh, dan sulit untuk digunakan. Kabel speaker telah diuji karena daya tahannya sehingga menjadi konduktor pilihan. Meskipun kawat terdampar, itu jauh lebih tahan lama karena diameternya yang lebih besar. Kami kemudian hanya memasang kawat ke bingkai menggunakan ikatan ritsleting.

Langkah 6: Sirkuit Sebenarnya

Mengatasi sirkuit adalah tantangan paling sulit dari proses tersebut. Listrik dari motor pertama-tama mengalir melalui pengatur tegangan yang akan memungkinkan hingga arus lima amp terus menerus; arus yang lebih besar dari regulator lain akan lewat. Dari sana tegangan diturunkan menjadi 2,5 volt yang merupakan maksimum yang dapat disimpan dan ditangani BOOSTCAP dengan aman. Setelah BOOSTCAP mencapai 1,2 volt, ia memiliki daya yang cukup untuk memungkinkan MintyBoost menyediakan sumber 5 volt untuk perangkat yang sedang diisi.

Pada kabel input kami memasang dioda 5A sehingga kami tidak mendapatkan "efek assisted-start", di mana motor akan mulai berputar dengan menggunakan listrik yang tersimpan. Kami menggunakan kapasitor 2200uF untuk meratakan aliran daya ke pengatur tegangan. Regulator tegangan yang kami gunakan, LM338, dapat disesuaikan tergantung pada cara Anda mengaturnya, seperti yang terlihat pada diagram rangkaian kami. Untuk tujuan kami, perbandingan dua resistor, 120ohm dan 135 ohm, yang terhubung ke regulator menentukan tegangan output. Kami menggunakannya untuk menurunkan tegangan dari ~6 volt menjadi 2,5 volt. Kami kemudian mengambil 2,5 volt dan menggunakannya untuk mengisi daya ultrakapasitor kami, BOOSTCAP 140 farad, 2,5 volt yang dibuat oleh Maxwell Technologies. Kami memilih BOOSTCAP karena kapasitansinya yang tinggi akan memungkinkan kami untuk menahan muatan meskipun sepeda berhenti di lampu merah. Bagian selanjutnya dari sirkuit ini adalah sesuatu yang saya yakin Anda semua kenal, Adafruit MintyBoost. Kami menggunakannya untuk mengambil 2,5 volt dari ultracapacitor dan menaikkannya ke 5 volt yang stabil, standar USB. Ini menggunakan konverter boost MAX756, 5 volt yang digabungkan dengan induktor 22uH. Setelah kita mendapatkan 1,2 volt melintasi ultracapacitor, MintyBoost akan mulai mengeluarkan 5 volt. Sirkuit kami melengkapi fungsi pengisi daya USB MintyBoost, yang awalnya dikembangkan oleh Limor Fried, dari Adafruit Industries. MintyBoost menggunakan baterai AA untuk mengisi daya perangkat elektronik portabel. Sirkuit kami yang dibangun secara independen menggantikan baterai AA dan memasok daya ke MintyBoost. Rangkaian ini mengurangi ~6 volt dari motor menjadi 2,5 volt. Hal ini memungkinkan motor untuk mengisi BoostCap (140 F), yang pada gilirannya memasok daya ke sirkuit MintyBoost. Ultracapacitor menyimpan energi untuk terus mengisi daya perangkat USB bahkan saat sepeda tidak bergerak.

Langkah 7: Kandang

Untuk melindungi sirkuit dari elemen eksternal, penutup diperlukan. Sebuah "pil" dari pipa PVC dan penutup ujung dipilih, dengan diameter 6cm dan panjang 18cm. Meskipun dimensi ini besar jika dibandingkan dengan sirkuit, ini membuat konstruksi lebih nyaman. Sebuah model produksi akan jauh lebih kecil. PVC dipilih berdasarkan daya tahan, tahan cuaca hampir sempurna, bentuk aerodinamis, dan biaya rendah. Eksperimen juga dilakukan pada wadah yang dibuat dari serat karbon mentah yang direndam dalam epoksi. Struktur ini terbukti kuat dan ringan. Namun, proses konstruksinya sangat memakan waktu dan sulit untuk dikuasai.

Langkah 8: Pengujian

Untuk kapasitor, kami menguji dua jenis yang berbeda, BOOSTCAP dan kapasitor super.

Grafik pertama menggambarkan penggunaan superkapasitor, yang terintegrasi dengan rangkaian sehingga ketika motor aktif, kapasitor akan terisi. Kami tidak menggunakan komponen ini karena, sementara superkapasitor diisi dengan kecepatan ekstrem, ia menghabiskan terlalu cepat untuk keperluan kami. Garis merah mewakili tegangan motor, garis biru mewakili tegangan superkapasitor, dan garis hijau mewakili tegangan port USB. Grafik kedua adalah data yang dikumpulkan dengan ultracapacitor BOOSTCAP. Garis merah mewakili tegangan motor, biru adalah tegangan ultrakapasitor, dan garis hijau mewakili tegangan port USB. Kami memilih untuk menggunakan ultrakapasitor karena, seperti yang ditunjukkan oleh pengujian ini, ultrakapasitor akan terus menahan muatannya bahkan setelah pengendara berhenti bergerak. Alasan lonjakan tegangan USB adalah karena ultracapacitor mencapai ambang tegangan yang diperlukan untuk mengaktifkan MintyBoost. Kedua tes ini dilakukan selama 10 menit. Pengendara mengayuh untuk 5 menit pertama, kemudian kami mengamati bagaimana voltase akan bereaksi selama 5 menit terakhir. Gambar terakhir adalah bidikan Google Earth tempat kami melakukan pengujian. Gambar ini menunjukkan bahwa kami memulai di sekolah kami, dan kemudian melakukan dua putaran di Levagood Park dengan total perkiraan jarak 1 mil. Warna peta ini sesuai dengan kecepatan pengendara. Garis ungu sekitar 28,9 mph, garis biru 21,7 mph, garis hijau 14,5 mph, dan garis kuning 7,4 mph.

Langkah 9: Rencana Masa Depan

Untuk membuat perangkat lebih ekonomis sebagai produk konsumen, beberapa perbaikan harus dilakukan di bidang tahan cuaca, perampingan sirkuit, dan pengurangan biaya. Tahan cuaca sangat penting untuk pengoperasian unit dalam jangka panjang. Salah satu teknik yang dipertimbangkan untuk motor adalah dengan membungkusnya dalam wadah Nalgene. Wadah ini dikenal tahan air dan hampir tidak bisa dihancurkan. (Ya, kami menabrak satu dengan mobil tanpa efek buruk.) Perlindungan tambahan dicari terhadap kekuatan alam. Busa ekspansi akan menyegel unit, namun bahannya memiliki keterbatasan. Tidak hanya sulit untuk memposisikan dengan benar, tetapi juga akan mencegah ventilasi yang penting untuk pengoperasian perangkat secara keseluruhan.

Mengenai perampingan sirkuit, kemungkinan termasuk chip pengatur tegangan multitasking dan papan sirkuit cetak khusus (PCB). Chip dapat menggantikan beberapa pengatur tegangan, ini akan mengurangi ukuran produk dan keluaran panas. Menggunakan PCB akan memberikan dasar yang lebih stabil karena koneksi akan langsung di papan dan tidak mengambang di bawahnya. Sampai batas tertentu itu akan bertindak sebagai penyerap panas karena jejak tembaga di papan. Perubahan ini akan mengurangi kebutuhan akan ventilasi yang berlebihan dan meningkatkan umur komponen. Pengurangan biaya sejauh ini merupakan perubahan yang paling penting, dan sulit, yang harus dilakukan pada desain. Sirkuit itu sendiri sangat murah, namun biaya motor $275. Pencarian sedang dilakukan untuk motor yang lebih hemat biaya yang masih akan memenuhi kebutuhan daya kita.

Langkah 10: Selesai

Terima kasih telah membaca Instruksi kami, jika Anda memiliki pertanyaan, jangan ragu untuk bertanya.

Berikut adalah beberapa gambar dari presentasi kami di MIT.