Comment charger n'importe quel périphérique USB en faisant du vélo : 10 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:10

Pour commencer, ce projet a été lancé lorsque nous avons reçu une subvention du programme Lemelson-MIT. (Josh, si tu lis ceci, nous t'aimons.)

Une équipe de 6 étudiants et un enseignant ont monté ce projet, et nous avons décidé de le mettre sur Instructables dans l'espoir de gagner un cutter laser, ou au moins un t-shirt. Ce qui suit est une compilation de notre présentation et de mes notes personnelles. J'espère que vous apprécierez ce Instructable autant que nous. Je remercie également Limor Fried, créateur du circuit MintyBoost. Il a joué un rôle clé dans notre projet. Jeff Brookins Divine Child Membre de l'équipe Inven

Étape 1: Notre intention initiale…

Notre projet initial était de développer un produit utilisant le principe de Faraday pour permettre aux coureurs de recharger leur iPod pendant qu'ils courent. Ce concept générerait de l'électricité de la même manière que les lampes de poche Faraday.

Cependant, nous avons eu un problème. Pour citer mon coéquipier Nick Ciarelli, Au début, nous avons envisagé d'utiliser un design similaire à l'une de ces lampes de poche shake-up et de le convertir afin qu'un coureur puisse l'attacher pour courir et avoir de l'énergie pour charger son iPod ou tout autre appareil qu'il La lampe de poche shake-up tire son énergie de l'interaction du champ magnétique en mouvement de l'aimant dans la lampe de poche et de la bobine de fil enroulée autour du tube à travers lequel l'aimant glisse. Le champ magnétique en mouvement provoque le déplacement des électrons dans la bobine le fil, créant un courant électrique. Ce courant est ensuite stocké dans une batterie, qui est ensuite disponible pour être utilisée pour l'ampoule de la lampe de poche / LED. Cependant, lorsque nous avons calculé la quantité d'énergie que nous pourrions obtenir d'une course, nous avons déterminé qu'il faudrait une course de 50 miles pour obtenir assez d'énergie pour charger une pile AA. C'était déraisonnable, alors nous avons changé notre projet pour le système de vélo. Nous avons alors décidé d'utiliser un système monté sur vélo à la place.

Étape 2: Notre déclaration d'invention et l'évolution du concept

Nous avons initialement théorisé le développement et la faisabilité d'un système de freinage régénératif pour une utilisation sur les vélos. Ce système créerait une source d'alimentation mobile pour prolonger la durée de vie de la batterie des appareils électroniques portables transportés par le cycliste.

Lors de la phase d'expérimentation, le système de freinage régénératif s'est avéré incapable de remplir simultanément sa double fonction. Il ne pouvait ni produire assez de couple pour arrêter le vélo, ni générer assez de puissance pour recharger les batteries. L'équipe a donc choisi d'abandonner l'aspect freinage du système, pour se concentrer uniquement sur le développement d'un système de charge continue. Ce système, une fois construit et étudié, s'est avéré tout à fait capable d'atteindre les objectifs souhaités.

Étape 3: Concevoir un circuit

Pour commencer, nous avons dû concevoir un circuit capable de prendre les ~6 volts du moteur, de les stocker, puis de les convertir en 5 volts dont nous avions besoin pour le périphérique USB.

Le circuit que nous avons conçu complète la fonction du chargeur USB MintyBoost, développé à l'origine par Limor Fried, d'Adafruit Industries. Le MintyBoost utilise des piles AA pour charger les appareils électroniques portables. Notre circuit construit indépendamment remplace les piles AA et alimente le MintyBoost. Ce circuit réduit les ~6 volts du moteur à 2,5 volts. Cela permet au moteur de charger le BoostCap (140 F), qui à son tour alimente les circuits MintyBoost. L'ultracondensateur stocke de l'énergie pour charger en continu le périphérique USB même lorsque le vélo n'est pas en mouvement.

Étape 4: Obtenir de l'énergie

La sélection d'un moteur s'est avérée une tâche plus difficile.

Des moteurs coûteux fournissaient le couple approprié nécessaire pour créer la source de freinage, mais le coût était prohibitif. Pour fabriquer un appareil abordable et efficace, une autre solution était nécessaire. Le projet a été repensé en tant que système de charge continue, hors de toutes les possibilités, le moteur Maxon serait un meilleur choix en raison de son diamètre plus petit. Le moteur Maxon fournissait également 6 volts alors que les moteurs précédents nous donnaient plus de 20 volts. Pour ce dernier moteur, la surchauffe serait un énorme problème. Nous avons décidé de nous en tenir à notre Maxon 90, qui était un beau moteur, même si son coût était de 275 $. (Pour ceux qui souhaitent construire ce projet, un moteur moins cher suffira.) Nous avons fixé ce moteur près des supports de frein arrière directement sur le cadre du vélo en utilisant un morceau de mètre entre le moteur et le cadre pour agir comme une entretoise, puis serré 2 colliers de serrage autour d'elle.

Étape 5: Câblage

Pour le câblage du moteur au circuit, plusieurs options ont été envisagées: pinces crocodiles pour maquette, cordon téléphonique et fil de haut-parleur.

Les pinces crocodiles se sont avérées bien fonctionner pour la conception de la maquette et à des fins de test, mais elles n'étaient pas assez stables pour la conception finale. Le fil téléphonique s'est avéré fragile et difficile à manipuler. Le fil de haut-parleur a été testé en raison de sa durabilité, devenant ainsi le conducteur de choix. Bien qu'il s'agisse de fil toronné, il était beaucoup plus durable en raison de son plus grand diamètre. Nous avons ensuite simplement attaché le fil au cadre à l'aide de fermetures éclair.

Étape 6: le circuit réel

S'attaquer aux circuits était le défi le plus difficile du processus. L'électricité du moteur passe d'abord par un régulateur de tension qui permettra jusqu'à un courant continu de cinq ampères; un courant plus important que les autres régulateurs passerait. À partir de là, la tension est abaissée à 2,5 volts, ce qui est le maximum que le BOOSTCAP peut stocker et gérer en toute sécurité. Une fois que le BOOSTCAP atteint 1,2 volts, il a suffisamment de puissance pour permettre au MintyBoost de fournir une source de 5 volts pour l'appareil en cours de charge.

Sur les fils d'entrée, nous avons attaché une diode 5A afin que nous n'obtenions pas un "effet de démarrage assisté", où le moteur commencerait à tourner en utilisant l'électricité stockée. Nous avons utilisé le condensateur 2200uF pour égaliser le flux d'énergie vers le régulateur de tension. Le régulateur de tension que nous avons utilisé, un LM338, est réglable en fonction de la façon dont vous le réglez, comme le montre notre schéma de circuit. Pour nos besoins, la comparaison de deux résistances, 120 ohms et 135 ohms, connectées au régulateur détermine la tension de sortie. Nous l'utilisons pour réduire la tension de ~6 volts à 2,5 volts. Nous prenons ensuite le 2,5 volts et l'utilisons pour charger notre ultracondensateur, un BOOSTCAP de 140 farads, 2,5 volts fabriqué par Maxwell Technologies. Nous avons choisi le BOOSTCAP car sa capacité élevée nous permettra de tenir la charge même si le vélo est arrêté à un feu rouge. La prochaine partie de ce circuit est quelque chose que je suis sûr que vous connaissez tous, l'Adafruit MintyBoost. Nous l'avons utilisé pour prendre les 2,5 volts de l'ultracondensateur et les augmenter jusqu'à 5 volts stables, la norme USB. Il utilise un convertisseur boost MAX756, 5 volts couplé à une inductance 22uH. Une fois que nous aurons 1,2 volts sur l'ultracondensateur, le MintyBoost commencera à produire les 5 volts. Notre circuit complète la fonction du chargeur USB MintyBoost, développé à l'origine par Limor Fried, d'Adafruit Industries. Le MintyBoost utilise des piles AA pour charger les appareils électroniques portables. Notre circuit construit indépendamment remplace les piles AA et alimente le MintyBoost. Ce circuit réduit les ~6 volts du moteur à 2,5 volts. Cela permet au moteur de charger le BoostCap (140 F), qui à son tour alimente les circuits MintyBoost. L'ultracondensateur stocke de l'énergie pour charger en continu le périphérique USB même lorsque le vélo n'est pas en mouvement.

Étape 7: L'enceinte

Afin de protéger le circuit des éléments extérieurs, une enceinte était nécessaire. Une "pilule" de tube PVC et d'embouts a été choisie, d'un diamètre de 6 cm et d'une longueur de 18 cm. Bien que ces dimensions soient grandes par rapport au circuit, cela a rendu la construction plus pratique. Un modèle de production serait beaucoup plus petit. Le PVC a été sélectionné en fonction de sa durabilité, de sa résistance aux intempéries presque parfaite, de sa forme aérodynamique et de son faible coût. Des expériences ont également été réalisées sur des conteneurs fabriqués à partir de fibre de carbone brute imbibée d'époxy. Cette structure s'est avérée à la fois solide et légère. Cependant, le processus de construction était extrêmement long et difficile à maîtriser.

Étape 8: Testez

Pour les condensateurs, nous testons deux types différents, le BOOSTCAP et un super condensateur.

Le premier graphique illustre l'utilisation du supercondensateur, qui est intégré au circuit de sorte que lorsque le moteur est actif, le condensateur se charge. Nous n'avons pas utilisé ce composant car, alors que le supercondensateur se chargeait à une vitesse extrême, il se déchargeait trop rapidement pour nos besoins. La ligne rouge représente la tension du moteur, la ligne bleue représente la tension du supercondensateur et la ligne verte représente la tension du port USB. Le deuxième graphique est celui des données collectées avec l'ultracondensateur BOOSTCAP. La ligne rouge représente la tension du moteur, la bleue est la tension de l'ultracondensateur et la ligne verte représente la tension du port USB. Nous avons choisi d'utiliser l'ultracondensateur car, comme ce test l'indique, l'ultracondensateur continuera à maintenir sa charge même après que le cycliste ait arrêté de bouger. La raison du saut de tension USB est que l'ultracondensateur a atteint le seuil de tension nécessaire pour activer le MintyBoost. Ces deux tests ont été effectués sur une période de 10 minutes. Le cycliste a pédalé pendant les 5 premières minutes, puis nous avons observé comment les tensions réagiraient pendant les 5 dernières minutes. La dernière photo est une photo Google Earth de l'endroit où nous avons fait nos tests. Cette photo montre que nous avons commencé à notre école, puis que nous avons fait deux tours à Levagood Park pour une distance totale approximative de 1 mile. Les couleurs de cette carte correspondent à la vitesse du coureur. La ligne violette mesure environ 28,9 mph, la ligne bleue 21,7 mph, la ligne verte 14,5 mph et la ligne jaune 7,4 mph.

Étape 9: Plans futurs

Afin de rendre le dispositif plus économiquement viable en tant que produit de consommation, plusieurs améliorations doivent être apportées dans les domaines de la protection contre les intempéries, de la rationalisation des circuits et de la réduction des coûts. La protection contre les intempéries est essentielle au fonctionnement à long terme de l'unité. Une technique envisagée pour le moteur consistait à l'enfermer dans un conteneur Nalgene. Ces conteneurs sont connus pour être étanches et presque indestructibles. (Oui, nous en avons écrasé un avec une voiture sans effet néfaste.) Une protection supplémentaire a été recherchée contre les forces de la nature. La mousse d'expansion scellerait l'unité, mais le matériau a des limites. Non seulement il est difficile à positionner correctement, mais cela empêcherait également une ventilation indispensable au fonctionnement global de l'appareil.

En ce qui concerne la rationalisation du circuit, les possibilités incluent une puce de régulateur de tension multitâche et une carte de circuit imprimé (PCB) personnalisée. La puce pourrait remplacer plusieurs régulateurs de tension, ce qui réduirait à la fois la taille et la puissance calorifique du produit. L'utilisation d'un PCB fournira une base plus stable car les connexions seront directement sur la carte et ne flotteront pas en dessous. Dans une mesure limitée, il agira comme un dissipateur thermique en raison du traçage en cuivre dans la carte. Ce changement réduirait le besoin d'une ventilation excessive et augmenterait la durée de vie des composants. La réduction des coûts est de loin le changement le plus important et le plus difficile qui doit être apporté à la conception. Le circuit lui-même est extrêmement bon marché, mais le moteur coûte 275 $. Une recherche est en cours pour un moteur plus rentable qui répondra toujours à nos besoins en énergie.

Étape 10: Terminez

Merci d'avoir lu notre Instructable, si vous avez des questions, n'hésitez pas à demander.

Voici quelques photos de notre présentation au MIT.