Cómo cargar cualquier dispositivo USB en bicicleta: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Para empezar, este proyecto se inició cuando recibimos una subvención del Programa Lemelson-MIT. (Josh, si estás leyendo esto, te amamos).

Un equipo de 6 estudiantes y un maestro armaron este proyecto, y hemos decidido ponerlo en Instructables con la esperanza de ganar un cortador láser, o al menos una camiseta. Lo que sigue es una recopilación de nuestra presentación y mis propias notas personales. Espero que disfrutes de este Instructable tanto como nosotros. También me gustaría agradecer a Limor Fried, creador del circuito MintyBoost. Jugó un papel clave en nuestro proyecto. Miembro de Jeff Brookins Divine Child InvenTeam

Paso 1: Nuestra intención original …

Nuestro proyecto original era desarrollar un producto que utilizara el principio de Faraday para permitir a los corredores cargar sus iPods mientras corren. Este concepto generaría electricidad de la misma manera que lo hacen las linternas de Faraday.

Sin embargo, tuvimos un problema. Para citar a mi compañero de equipo Nick Ciarelli, "Al principio pensamos en usar un diseño similar a una de esas linternas vibratorias y convertirlo para que un corredor pudiera sujetarlo para correr y tener energía para cargar su iPod o cualquier dispositivo que La linterna de agitación obtiene su energía de la interacción del campo magnético en movimiento del imán en la linterna y la bobina de alambre envuelta alrededor del tubo por el que se desliza el imán. El campo magnético en movimiento hace que los electrones en la bobina se muevan a lo largo el cable, creando una corriente eléctrica. Esta corriente se almacena en una batería, que luego está disponible para usar en la bombilla / LED de la linterna. Sin embargo, cuando calculamos cuánta energía podríamos obtener de una carrera, determinamos que se necesitaría una carrera de 50 millas para obtener suficiente energía para cargar una batería AA. Esto no era razonable, así que cambiamos nuestro proyecto al sistema de bicicletas ". Entonces decidimos utilizar un sistema montado en bicicleta.

Paso 2: Declaración de nuestra invención y evolución del concepto

Inicialmente teorizamos el desarrollo y la viabilidad de un sistema de frenado regenerativo para uso en bicicletas. Este sistema crearía una fuente de energía móvil para extender la vida útil de la batería de los dispositivos electrónicos portátiles que lleva el ciclista.

Durante la fase de experimentación, se encontró que el sistema de frenado regenerativo era incapaz de cumplir sus funciones duales simultáneamente. No podría producir suficiente torque para detener la bicicleta, ni generar suficiente energía para recargar las baterías. Por lo tanto, el equipo decidió abandonar el aspecto de frenado del sistema para centrarse únicamente en el desarrollo de un sistema de carga continua. Este sistema, una vez construido e investigado, demostró ser plenamente capaz de lograr los objetivos deseados.

Paso 3: diseñe un circuito

Para empezar, tuvimos que diseñar un circuito que pudiera tomar los ~ 6 voltios del motor, almacenarlos y luego convertirlos a los 5 voltios que necesitábamos para el dispositivo USB.

El circuito que diseñamos complementa la función del cargador USB MintyBoost, originalmente desarrollado por Limor Fried, de Adafruit Industries. El MintyBoost usa baterías AA para cargar dispositivos electrónicos portátiles. Nuestro circuito construido de forma independiente reemplaza las baterías AA y suministra energía al MintyBoost. Este circuito reduce los ~ 6 voltios del motor a 2,5 voltios. Esto permite que el motor cargue el BoostCap (140 F), que a su vez suministra energía al circuito MintyBoost. El ultracondensador almacena energía para cargar continuamente el dispositivo USB incluso cuando la bicicleta no está en movimiento.

Paso 4: obtener energía

Seleccionar un motor resultó ser una tarea más desafiante.

Los motores costosos proporcionaban el par adecuado necesario para crear la fuente de frenado, sin embargo, el costo era prohibitivo. Para hacer un dispositivo asequible y eficaz, era necesaria otra solución. El proyecto fue rediseñado como un sistema de carga continua, de todas las posibilidades el motor Maxon sería una mejor opción debido a su menor diámetro. El motor Maxon también proporcionó 6 voltios, mientras que los motores anteriores nos dieron más de 20 voltios. Para este último, el sobrecalentamiento del motor sería un gran problema. Decidimos seguir con nuestro Maxon 90, que era un motor hermoso, aunque su costo era de $ 275. (Para aquellos que deseen construir este proyecto, un motor más barato será suficiente). Colocamos este motor cerca de los soportes del freno trasero directamente en el cuadro de la bicicleta usando un trozo de un metro entre el motor y el cuadro para actuar como un espaciador, luego apretó 2 abrazaderas de manguera a su alrededor.

Paso 5: cableado

Para el cableado del motor al circuito se consideraron varias opciones: pinzas de cocodrilo para maquetas, cable telefónico y cable de altavoz.

Las pinzas de cocodrilo demostraron funcionar bien para el diseño de la maqueta y los propósitos de prueba, pero no fueron lo suficientemente estables para el diseño final. El cable telefónico resultó frágil y difícil de trabajar. El cable de altavoz se probó debido a su durabilidad, por lo que se convirtió en el conductor de elección. Aunque era un cable trenzado, era mucho más duradero debido a su mayor diámetro. Luego, simplemente unimos el cable al marco con bridas.

Paso 6: ¡El circuito real

Abordar los circuitos fue el desafío más difícil del proceso. La electricidad del motor viaja primero a través de un regulador de voltaje que permitirá hasta una corriente continua de cinco amperios; una corriente mayor que la que pasarían otros reguladores. A partir de ahí, el voltaje se reduce a 2,5 voltios, que es el máximo que BOOSTCAP puede almacenar y manejar de forma segura. Una vez que el BOOSTCAP alcanza los 1.2 voltios, tiene suficiente energía para permitir que el MintyBoost proporcione una fuente de 5 voltios para el dispositivo que se está cargando.

En los cables de entrada adjuntamos un diodo de 5A para que no obtenemos un "efecto de arranque asistido", donde el motor comenzaría a girar utilizando la electricidad almacenada. Usamos el capacitor de 2200uF para igualar el flujo de energía al regulador de voltaje. El regulador de voltaje que usamos, un LM338, es ajustable dependiendo de cómo lo configure, como se ve en nuestro diagrama de circuito. Para nuestros propósitos, la comparación de dos resistencias, 120 ohmios y 135 ohmios, conectadas al regulador determina el voltaje de salida. Lo usamos para reducir el voltaje de ~ 6 voltios a 2.5 voltios. Luego tomamos los 2.5 voltios y los usamos para cargar nuestro ultracondensador, un BOOSTCAP de 140 faradios y 2.5 voltios fabricado por Maxwell Technologies. Elegimos el BOOSTCAP porque su alta capacitancia nos permitirá mantener una carga incluso si la bicicleta está parada en un semáforo en rojo. La siguiente parte de este circuito es algo con lo que estoy seguro de que todos están familiarizados, el Adafruit MintyBoost. Lo usamos para tomar los 2.5 voltios del ultracondensador y subirlo a 5 voltios estables, el estándar USB. Utiliza un convertidor de refuerzo MAX756 de 5 voltios junto con un inductor de 22uH. Una vez que tengamos 1.2 voltios a través del ultracondensador, el MintyBoost comenzará a generar los 5 voltios. Nuestro circuito complementa la función del cargador USB MintyBoost, originalmente desarrollado por Limor Fried, de Adafruit Industries. El MintyBoost usa baterías AA para cargar dispositivos electrónicos portátiles. Nuestro circuito construido de forma independiente reemplaza las baterías AA y suministra energía al MintyBoost. Este circuito reduce los ~ 6 voltios del motor a 2,5 voltios. Esto permite que el motor cargue el BoostCap (140 F), que a su vez suministra energía al circuito MintyBoost. El ultracondensador almacena energía para cargar continuamente el dispositivo USB incluso cuando la bicicleta no está en movimiento.

Paso 7: el recinto

Para proteger el circuito de elementos externos, era necesario un recinto. Se eligió una "pastilla" de tubo de PVC y tapones terminales, con un diámetro de 6 cm y una longitud de 18 cm. Si bien estas dimensiones son grandes en comparación con el circuito, esto hizo que la construcción fuera más conveniente. Un modelo de producción sería mucho más pequeño. El PVC se seleccionó en función de su durabilidad, resistencia a la intemperie casi perfecta, forma aerodinámica y bajo costo. También se realizaron experimentos en contenedores elaborados con fibra de carbono en bruto empapada en epoxi. Esta estructura demostró ser fuerte y ligera. Sin embargo, el proceso de construcción requería mucho tiempo y era difícil de dominar.

Paso 8: ¡Prueba

Para los condensadores, probamos dos tipos diferentes, el BOOSTCAP y un supercondensador.

El primer gráfico muestra el uso del supercondensador, que está integrado con el circuito para que cuando el motor esté activo, el condensador se cargue. No usamos este componente porque, aunque el supercondensador se cargó con una velocidad extrema, se descargó demasiado rápido para nuestros propósitos. La línea roja representa el voltaje del motor, la línea azul representa el voltaje del supercondensador y la línea verde representa el voltaje del puerto USB. El segundo gráfico son los datos recopilados con el ultracondensador BOOSTCAP. La línea roja representa el voltaje del motor, el azul es el voltaje del ultracondensador y la línea verde representa el voltaje del puerto USB. Elegimos usar el ultracondensador porque, como indica esta prueba, el ultracondensador continuará manteniendo su carga incluso después de que el ciclista haya dejado de moverse. La razón del salto en el voltaje del USB es porque el ultracondensador alcanzó el umbral de voltaje necesario para activar el MintyBoost. Ambas pruebas se realizaron durante un período de 10 minutos. El ciclista pedaleó durante los primeros 5 minutos, luego observamos cómo reaccionarían los voltajes durante los últimos 5 minutos. La última imagen es una toma de Google Earth del lugar donde hicimos nuestras pruebas. Esta imagen muestra que comenzamos en nuestra escuela y luego dimos dos vueltas en Levagood Park por una distancia total aproximada de 1 milla. Los colores de este mapa corresponden a la velocidad del ciclista. La línea púrpura es de aproximadamente 28,9 mph, la línea azul 21,7 mph, la línea verde 14,5 mph y la línea amarilla 7,4 mph.

Paso 9: planes futuros

Para hacer que el dispositivo sea más viable económicamente como producto de consumo, se deben realizar varias mejoras en las áreas de impermeabilización, racionalización de circuitos y reducción de costos. La impermeabilización es fundamental para el funcionamiento a largo plazo de la unidad. Una técnica considerada para el motor fue encerrarlo en un contenedor Nalgene. Estos contenedores son conocidos por ser impermeables y casi indestructibles. (Sí, atropellamos a uno con un automóvil sin ningún efecto negativo). Se buscó protección adicional contra las fuerzas de la naturaleza. La espuma de expansión sellaría la unidad, sin embargo, el material tiene limitaciones. No solo es difícil de colocar correctamente, sino que también evitaría la ventilación esencial para el funcionamiento general del dispositivo.

En cuanto a la racionalización del circuito, las posibilidades incluyen un chip regulador de voltaje multitarea y una placa de circuito impreso (PCB) personalizada. El chip podría reemplazar múltiples reguladores de voltaje, esto disminuiría tanto el tamaño del producto como la salida de calor. El uso de una placa de circuito impreso proporcionará una base más estable porque las conexiones estarán directamente en la placa y no flotarán debajo de ella. Hasta cierto punto, actuará como un disipador de calor debido al trazado de cobre en la placa. Este cambio disminuiría la necesidad de ventilación excesiva y aumentaría la vida útil de los componentes. La reducción de costos es, con mucho, el cambio más importante y difícil que se debe realizar en el diseño. El circuito en sí es extremadamente económico, sin embargo, el motor cuesta $ 275. Se está buscando un motor más rentable que aún satisfaga nuestras necesidades de energía.

Paso 10: ¡Termina

Gracias por leer nuestro Instructable, si tiene alguna pregunta, no dude en preguntar.

Estas son algunas de las imágenes de nuestra presentación en el MIT.