Формулирования наших идей и эволюция концепции
Изначально, мы строили теории по разработке и осуществимости использования рекуперативных тормозных систем на велосипедах для создания мобильного источника питания, чтобы продлить срок работы электронных устройств, перевозимых велосипедистом.
Во время экспериментов, эти системы оказались неспособны одновременно выполнять сразу две функции.
Тем самым, наша группа решила отказаться от функций устройства по торможению и целиком сосредоточиться на разработке системы постоянной зарядки. После конструирования данной системы, она оказалась полностью способной выполнять поставленные задачи.
Разработка схемы
Прежде всего, нам пришлось разработать цепь, которая могла бы получить напряжение около 6 В от мотора, сохранить заряд, а затем преобразовывать его в 5 В, которые требуются для устройств USB.
Цепь, которую мы разработали, повторяет функции зарядника для USB - MintyBoost, изначально разработанного Лимором Фридом из Адафрут Индастриз. MintyBoost использует батарейки типа АА для зарядки портативных электронных устройств. Наша цепь, разработанная отдельно от этого устройства, заменяет батарейки и передает напряжение на MintyBoost. 6-и вольтовое напряжение от мотора снижается до 2.5 В, что позволяет мотору заряжать BOOSTCAP (140 Ф), который в свою очередь передает напряжение на схему MintyBoost. Ультраконденсатор сохраняет заряд, чтобы обеспечить постоянную подзарядку USB устройства, даже когда велосипед стоит на месте.
Выбор мотора оказался боле сложным. Моторы подороже обеспечивают надлежащий крутящий момент, необходимый для тормозного момента, но цена у них непомерная. Необходимо было найти другое решение для создания эффективного и доступного устройства. Проект был переработан в рамках создания зарядного устройство постоянного действия и из всех подходящих моторов Maxon стал бы лучшим, ввиду своего небольшого диаметра.
Он также обеспечивает подачу 6 В, тогда как другие моторы выдавали до 20 В. Для подобных моторов возникнет серьезная проблема с перегревом.
Мы решили остановить свой выбор на Мaxon 90 - прекрасном моторе, несмотря на его цену – 275 долларов. (Для желающих самим повторить данный проект будет достаточно и более дешевого мотора).
Мы прикрепили свой мотор вблизи от крепежа задних тормозов, прямо на велосипедной раме, положив кусочек линейки между рамой и мотором в качестве прокладки, и притянув мотор двумя хомутами.
Электропроводка
Мы рассматривали несколько вариантов проводки от мотора к схеме: зажимы-«крокодилы» в качестве импровизации, телефонный кабель и акустический кабель
«Крокодилы» оказались хороши в качестве импровизированного дизайна и для тестирования, но не были достаточно надежными для окончательного варианта.
Телефонный кабель оказался хрупким и неудобным в работе.
Акустический кабель тестировался из-за своей прочности и тем самым стал предпочтительным.
Хотя сам провод был многожильным, он оказался более надежным ввиду большого диаметра.
Затем мы просто прикрепили провод к раме, с помощью хомутовых стяжек.
Сама схема!
Монтаж схемы был самой сложной частью работы. Напряжение мотора сначала поступает на регулятор напряжения, который позволяет держать непрерывный ток, силой до 5 А – это больше, чем обычно пропускают другие регуляторы. После него напряжение уменьшается до 2,5 В – что является максимальным напряжением, которое может безопасно накапливать BOOSTCAP. Как только BOOSTCAP накапливает 1,2 В – его мощности достаточно, чтобы MintyBoost подал напряжение в 5 В для зарядки устройств.
На выходные провода мы припаяли пятиамперный диод для избежания случаев, когда мотор начинает крутиться, используя накопленный заряд.
Мы использовали конденсатор емкостью 2200 мкФ для выравнивания потока мощности, поступающего на регулятор напряжения.
Использованный нами регулятор напряжения – LM338, является настраиваемым, в зависимости от того, как вы его разместите, что видно из принципиальной схемы. В нашем случае, связка двух резисторов – 120 Ом и 135 Ом – подключенные к регулятору, определяют выходное напряжение. Их мы использовали для снижения напряжения с примерно 6 В до 2,5 В.
Затем, эти 2,5 В идут на зарядку «ультраконденсатора» BOOSTCAP – на 140Ф, 2,5В, произведенного Maxwell Technologies. Наш выбор обусловлен тем, что его большая емкость позволит поддерживать процесс подзарядки, даже если велосипед остановится на красный свет.
Следующей частью нашей схемы является то, что вам, безусловно, всем знакомо - MintyBoost от Adafruit. Его мы использовали для снятия 2,5 В с конденсатора и их трансформации в постоянные 5 В – стандартные для USB устройств. MintyBoost использует MAX756 – пятивольтовый преобразователь напряжения, объединенный с индуктором на 22 мкГн. Как только через «ультраконденсатор» проходит 1,2 В - MintyBoost начинает выдавать 5В.
Наша схема дополняет работу, MintyBoost, зарядника для USB, изначально разработанного Лимором Фридом из Adafruit Industries . MintyBoost использует батарейки типа АА для зарядки портативных электронных устройств. Наша отдельно сконструированная схема заменяет батарейки и передает напряжение на MintyBoost. Наша схема снижает 6В, поступающие с мотора до 2,5В, что позволяет мотору заряжать BOOSTCAP (140Ф), который в свою очередь передает напряжение на схему MintyBoost. «Ультраконденсатор» сохраняет напряжение для постоянного заряда USB устройств, даже когда велосипед стоит на месте.
Корпус
Корпус необходим для предохранения схемы от внешних воздействий. Мы выбрали трубку их ПВХ – диаметром 6см, длиной 18см - и концевые колпачки. Хотя эти размеры велики, по сравнению с габаритами самой схемы, однако из-за этого работать с ней удобнее. Производственная модель была бы гораздо меньше. ПВХ был выбран из-за своей прочности, почти прекрасную стойкость к атмосферным воздействиям, аэродинамической стойкости и низкой цены. Был также проведен ряд экспериментов с контейнерами из углеволокна, пропитанного эпоксидной смолой. Этот материал оказался одинаково прочным и легким. Однако, его создание получилось чрезвычайно сложным и отнимает много времени.
Тестирование
Мы испытывали два различных типа конденсаторов – BOOSTCAP и суперконденсатор.
Первый график отражает использование суперконденсатора, который встроен в схему так, что когда мотор вращается, конденсатор заряжается. Мы не использовали его, потому что, хотя суперконденсатор заряжается с огромной скоростью – для нас он также слишком быстро разряжается. Красная линия показывает вольтаж мотора, а синяя отображает напряжение суперконденсатора, тогда как зеленой линией указывается напряжение на порте USB.
Второй график показывает информацию о применении BOOSTCAP. Красной линией отображается напряжение мотора, синей – напряжение ультраконденсатора, зеленой – напряжение на порте USB. Мы выбрали именно ультраонденсатор, потому что, как показывает тестирование, ультраконденсатор продолжает удерживать заряд, даже после остановки велосипеда. Причина прыжка напряжения на USB в том, что ультраконденсатор достиг порога напряжения, необходимого для включения MintyBoost.
Оба теста проводились в течение 10 минут. Велосипедист крутил педали в течение 5 минут, затем мы следили за изменением напряжения на протяжении последующих 5 минут.
Последняя картинка – снимок с Google Earth того места, где проводились тесты. Данная картинка показывает, что стартовали мы от школы, затем проехали 2 круга по Leavegood Park, покрыв общую дистанцию в 1 милю. Цвета на карте соответствуют определенной скорости велосипедиста: фиолетовый – примерно 28,9 м/ч, синий – 21,7 м/ч, зеленый – 14,5 м/ч, а желтый – 7,4 м/ч.
