Как зарядить любое USB устройство с помощью велосипеда

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.

фрагменты обсуждения

• А что?! Кризис на дворе. Похоже, у них там вот-вот оключат электричество. А может платить нечем? На бензин тоже не хватает (а то бы от «прикуривателя» сделали). Вот и готовятся к худшему… А так — покатался на велике, укрепил здоровье, а заодно и сэкономил кучу бабок!PS. Правда, «7,4 м/ч» не следует читать как «7,4 метра в час» (получается примерно 2 миллиметра в секунду — с такой скоростью ехать ну очень трудно). На самом деле, это их дурацкие мили в час (то есть «7,4 м/ч» следует читать как примерно 11,9 км/ч). Остальные скорости пересчитываются в той же пропорции.
• 200$ за мотор + супер конденсатор + микрухи — накладненько выходит. Совсем по РАЙКИНУ : «Был в балете, что балерина зря крутится, ей к ноге динамомашину пуЩай электричество вырабатывает»
• Это как из пушки по воробьям. 🙂 А что будет если не постоянным током заряжать? Большая часть схемы придумана для постоянного заряда, поэтому, если заряд сделать с перерывами, можно немного сэкономить без ущерба для заряжаемого устройства.
• Генератор можно было бы и по проще взять, а в общем ничего нового
• Если у кого осталась «динамка» от велосипеда, то почему бы не попробовать. У меня осталась, а вот велосипеда, увы, нету.:(
• У меня в городе динамку можно за 30 гривень взять, чуть подшаманить и тот же резутльтат будет
• Берём счёты, считаем. Время зарядки (dt) конденсатора ёмкостью (C) постоянным током (I) до напряжения dU: dt=C*dU/I. Ёмкость 140Ф, напряжение 2,5В, ток 5А: dt=140*2.5/5=70 секунд. Получается, что они заряжали конденсатор больше минуты! А если взять хиленькую динамку, которая расчитана на питание лампочки, то вспотеете крутить педали. :pУ них там, на графиках, по оси Х — минуты. То есть реально оне крутили педали 5 минут (график 2), пока зарядили этого монстра до 2,5В…
• Еще раз возьмем счеты. 🙂 Подсчитаем сколько надо кататься, чтобы зарядить устройство емкостью 0,5 А*ч. Как правило для зарядки применяют ток равный 0,1 — 0,2 максимальной емкости, т. е. максимум 0,1 А. Тогда для полной зарядки необходимо кататься 5 часов. Это время справедливо для любого устройства, так как время заряда не зависит от емкости применяемого аккумулятора. Неплохая прогулка. 🙂 К.п.д. устройства «человек-велосипед» стремится к нулю.
• Не совсем так! Кататься 5 часов не надо! Весь «фокус» в том, что супеконденсатор заряжается быстро и полностью большим током. Авторы статьи заряжали его 5 минут. А потом заряд, накопленный в конденсаторе, медленно и печально сливается в заряжаемое устройство. Опять берём, угадайте что? 🙂 Правильно, счёты! Итак, заряд (Q), накопленный в конденсаторе ёмкостью (C=140Ф), заряженном до напряжения (U=2.5В) равен Q=C*U=140*2,5=350 Кулон. Если разряжаться он будет током (I=0,1А), то заряда хватит на t=Q/I=350/0,1=3500 секунд (при условии, что заряд «высасывается» полностью). Почти час! Вывод: поездил 5 минут, потом 1 час можно «курить». Если заряд аккумулятора заканчивается при 1,2В, то «перекур» будет полчаса. Правда и заряжатся, в следующем цикле, он будет в два раза быстрее.
  А вот если взять конденсатор 1500Ф (такие бывают), то «временнАя диаграмма» будет выглядеть следующим образом: час катаемся, ставим велик в гараж, и к утру (через 5 часов) Ваш аккумулятор заряжен!Не знаю как с зарядом аккумуляторов (с USB или без USB), но вот где это точно будет полезной вещью — питание лампочек велосипеда в тёмное время суток!
• Сообщение от YAA Совершенно с Вами согласен с небольшим уточнением. Если учитывать все потери, то «перекур» будет минут 20-25. Но не в этом суть моего предыдущего сообщения, а в том Поясню. В статье применение суперконденсатора (СК) оправдано тем, что возможна непрерывная зарядка, а это значит, что катиться на велосипеде нужно постоянно (или находиться при велосипеде), так как отсутствие индикации насколько зарядился СК не позволяет определить сколько можно стоять и ждать его разрядки. А это и определяет время в 5 часов, ну, может, за вычетом получаса, и см. мою цитату выше.
• Расчёты носили оценочный характер (по порядку величины), поэтому, в этом смысле, «полчаса» и 25 минут — фактически одно и то же.По Вашим словам, получается, что кататься непрерывно нужно только потому, что невозможно определить момент, когда СК разрядился? Дешёвенький вольтметр — индикатор напряжения «бортовой сети», решает эту проблему? По-моему, да!Ещё хотелось бы понять, что значит: «К.п.д. устройства «человек-велосипед» стремится к нулю». Для начала, нужно определиться в терминах. Что, в данном случае, имеется ввиду под понятием «КПД», и по какой формуле его считать? (Понятно, что это некое отношение энергий, вопрос — энергий чего?)
• Ну я же написал, что не в этом суть. 🙂 Все правильно, но в статье это не заявлено. Ну даже и с прибором нужно находиться постоянно с велосипедом, чтобы решать, продолжать движение или нет. Под КПД понимается отношение произведенной полезной работы (заряд usb устройства) к затраченной (мышеченые затраты на движение велосипеда).
• Так я и предлагал «доработать» схему… Во первых, увеличить ёмкость конденсатора до 1500Ф. Тогда заряжаться она будет примерно за 1 час. Это как раз нормальное время, чтобы хорошо покататься. 🙂 Но после этого, заряд в конденсаторе может сохраняться очень и очень долго. В течение 5,5 часов можно обеспечить нагрузку током 100мА! Как раз зарядится, приведённый Вами аккумулятор. Другими словами, увеличение ёмкости приведёт к уменьшению частоты цикла заряд-разряд в 10 раз. Вместо цикла «5 минут-25 минут», будет «1 час-5 часов». При таком «раскладе» уже не надо постоянно находиться рядом с великом! Часок покатался (можно и больше) — и в гараж… А если ещё идикатор бортовой сети — вообще «песня»!Про КПД, в Вашей формулировке, ничего сказать не могу… Просто не знаю как посчитать? Могу только предположить, что основная часть мышечных затрат пойдёт на обеспечение движения велосипеда и собственно велосипедиста (то есть — на удовольствие). 🙂 Выработка электричества, при этом, — просто совмещение приятного с полезным…
  А вот КПД системы (или «подсистемы»), если её считать, начиная с генератора и далее (то есть отношение энергии в нагрузке, к энергии, вырабатываемой генератором), может быть довольно высок, если использовать импульсные преобразователи!
• YAA В какую сумму выльется подобное устройство? Пожалй будет дорогое или слишком дорогое «удовольсвие.
• Ну вот, Вы всё испортили!… 🙁 Нельзя же всё мерить деньгами! :p А как же полёт фантазии? 🙂 «Космические корабли бороздят просторы Большого театра…»PS. Как-нибудь, на досуге, спущусь с небес на землю и попробую прикинуть $.
• А вообще-то существует такая емкость в «природе». Я нашел только на 350Ф.
• Да, существуют! Вы не поверите, но бывают 5000Ф (с ума сойти!) 2,7В. http://www.nesscap.com/products_lineup.htmПричём, с конденсаторами 400Ф 2,7В имел удовольствие лично пообщаться. Вот где подтверждается теория о переходе количества в качество! Кстати, и цены на них, относительно, не «запредельные». 360Ф можно купить (в России) за ~600р (~$20) при партии от 1000шт, ~1500р (~$50) за 1шт. Кроме того, никто не запрещает соединять их параллельно или последовательно (что сложнее).По данной теме форума: замечу, что генератор, авторы статьи, купили за $275!
• Для информации — ультраконденсаторы выпускает фирма ЭЛИТ http://www.elit-cap.com/index.htm
• Очень интересно! Правда! Радует, что и у нас что-то делается в этой области… Но, по ссылке — только готовые конденсаторные батареи. А отдельные конденсаторы они продают? И если да, то почём опиум (в смысле «фарады») для народа?
• В ранней версии сайта было предложение по отдельным элементам Кроме того, подобные элементы предлогает http://www.esma-cap.com/Products/default.htm. При использовании ультраконденсаторов следут обратить внимание, что они ДОЛЖНЫ ХРАНИТЬСЯ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ. Длятельное нахождение в разряженом состоянии приводит к необратимым последствиям.
• Откуда такая информация?
  Я довольно подробно изучал документацию и читал статьи по устройству и применению суперконденсаторов, и нигде не встречал даже упоминания об этом!
  Более того, они поставляются в коробках, у которых дно — из металлической фольги. Конденсаторы, при хранении, стоят выводами на фольге, то есть — закорочены!
• Наверное мы называем УЛЬТРАКОНДЕНСАТОРОМ различные приборы. Вот окуда инф. http://www.esma-cap.com/Products/Cap…04/default.htm и в догонку — для более «глубококопающих» http://www.ntpo.com/patents_electric…city_136.shtml
• Вы правы, ультра(супер)конденсаторы бывают разные. Вот статья на русском языке http://news.cxem.net/articles/circuit_28.php. Там внизу есть ссылки и на документацию (описание, принцип работы, применение) производителя (в частности NessCap). В пользу того, что мы говорим о несколько разных приборах, говорит и то, что, например, заметно отличаются рабочие напряжения.
• Огромное спасибо за ссылку. Информация сжата и ясно изложена. К сожалению мне неудалось найти подробную информацию по характеристикам супреконденсаторов различных типов. Может Вы подскажете «где рыть»?
• Самую подробную информацию, почти всегда, можно найти на сайтах производителей (правда, на английском 🙁 ).
  Я, в своё время, довольно подробно «прошерстил» сайт южнокорейской NessCap http://www.nesscap.com/
  и американской Maxwell http://www.maxwell.com/ (именно их конденсатор Bootscap, присутствует на фото в обсуждаемой статье). Это, пожалуй, крупнейшие производители… Там есть, кроме pdf на конкретные конденсаторы и модули, статьи об устройстве, применении и т.п.
• Не поленился, разыскал свою старую динамку. На корпусе написано ВГ-8041 мощность 5,3 Вт напряжение 7В. Для зарядки мобильника, по-моему и без ультраконденсаторов вполне достаточно.
• Да, но в статье самая «изюминка» в этом ультраконденсаторе.
  Не знаю, как тяжело крутить мотор, котрый заявлен в статье (5А*6В=30Вт), но даже динамку в пять ватт ощутимо тяжело вращать на номинальной мощности, не говоря уже о кз. А работа на кз предусматривается в начале заряда суперемкости.
• Я бы ещё добавил, что вторая «изюминка» — велотренажёр (покачать мышцы ног). Иначе бы заряжали суперконденсатор от сети или от прикуривателя автомобиля. Что такое 30Вт в механике? Это, например, поднимать 30кг со скоростью 0,1м/сек.
  Если в преобразователе «динамо-спартак» 😮 (тьфу, «динамо-суперконденсатор») ограничить ток величиной 5А, то мощность в любом случае не превысит 30Вт.