原创 把旅行变成修行之“装备篇（上）”

灵魂自行车的“心脏”——链条发电机及摩电发电机的原理

自行车骑行作为一项“绿色”环保的旅行方式，已经被越来越多的户外旅行爱好者所推崇。而在我的上一篇博文《把旅行变成修行--TI销售工程师的15天绿色环岛骑行梦》中也特别强调了这是一次“绿色”的环岛骑行，所以在此次台湾1300公里大环岛之旅中，我将用尽所有可能的方式来实现“绿色”骑行，这包括我随身携带的所有“TI Inside”电子装备，都必须做到“绿色”使用，即尽可能不增加能源的消耗。

所以我打算尝试一下全程不接市电的骑行，而要实现这个计划，首先就必须为自己的全程旅行装备增加一个源源不断将我的“生物能”转换成电能的“心脏”——人力发电机。这一切就是在我的“灵魂实验室”（图1）里完成的。

图1.我的“灵魂实验室”工作台。

摩电发电机设计灵感和原理

在设计灵魂自行车的总体框架时，我首先考虑的问题是这个发电系统需要多大的输出功率，因为身上的所有电子设备，如果同时开启，总共的耗电功率差不多是接近10W（包括LED前车灯照明，GPS全天候导航，手机通话，移动视频监控系统等），如果是间歇性开启，那也至少需要平均5W的功率，因此，设计一个输出功率接近10W的发电系统是很有必要的。我的灵感来源于小时候邻居家的高级自行车上装着的一个不需要用电池就能点亮的小灯。在一个靠摩擦轮胎而发电的小发电机后接上两个白炽灯珠，在骑行时轮胎带动摩电机产生电能使小灯点亮，而且骑行速度越快，灯就越亮，当自行车停下后灯也就灭了。

经过一番搜寻，功夫不负有心人，我终于在一辆老式自行车上找到了当年的摩电发电机，并拆了下来，打算用它来改装一个带USB输出端口，并可为蓄电池充电的小型自行车发电蓄电系统。该摩电发电机外形如下图2所示。

图2. 从老式自行车上拆下来的摩电发电机。

老式的摩电发电机之所以可以直接接上小灯珠实现照明，是因为其发电所产生的交流电在白炽灯上可以直接点亮工作，而如果用他来实现5V直流电的供电，那还需要增加整流电路，稳压电流及限流保护电路。

经过测试验证，在车轮旋转时，在示波器上测量发电机的输出端可见发电机的输出电压为+/- 12V左右的近似正弦交流电，且周期随车轮速度的改变而改变，如下图3所示。

图3. 在示波器上测量发电机输出端电压。

这种交流发电机是最为简单的单相交流发电机，可以简单地看作如下图4所示的原理，当磁铁在转动时，不停地改变着线圈里感应出的电动势方向，形成了随着转速变化的交流电动势

图4. 最简单的单相交流发电机原理。

我用了四个二极管做了一个最典型和简单的桥式整流电路，然后再配上一个大的滤波电容滤波，如下图5所示：

图5. 用四个二极管制成的桥式整流电路及滤波电容构成的回路。

由于滤波之后的电压不稳定，且随着发电机转速的变化会产生较大纹波，因此在基本的滤波电路之后需要经过一级可靠的稳压电路来实现稳定的5V输出。我选用了TPS5430作为稳压输出的DCDC开关电源。TPS5430拥有最大36V的输入电压范围，虽然发电机的标称发电电压是12V，但是不排除由于发电机转速不同时会产生超过12V的电压的可能，在汽车电路设计上，电压的耐压余量都要求在标称工作电压的2.5倍以上，所以选用TPS5430可以完全不用担心耐压的问题。此外，其最大3A电流的输出能力，理论上可以在我的系统上实现最大15W的输出，完全满足设计要求的负载能力，且TPS5430的Demo板面积很小，周边电路简单，只需稍微调整两个反馈电阻即可调整输出电压，具有很好的设计方便性。如下图6所示。经过TPS5430输出的电压就是很稳定的直流5V电压了。

图6. 用TPS5430作为稳压输出的DCDC开关电源。

灵魂自行车的“心脏”——发电系统

整个灵魂自行车整个发电系统的架构如下图7所示：

图7. 整个发电系统的架构。

最后我们要考虑的是这套电源系统对手机及iPad等设备的过流保护等问题，如果要支持iPad和iPhone/ipod充电，该设备还需在后级增加一个iPad及iPhone/ipod自动识别并根据不同设备进行限流保护的器件。由于iPhone和iPad等苹果系列设备需要特别的检测来输出不同限流值的充电电流，普通的充电电路无法正常对iPad进行充电，而TI的TPS2543可以很好地实现这个功能，实现1A/2.1A的切换，这一点其实也是制作兼容iPad和iPhone充电器所必须注意的问题，不然iPad就会显示“没有充电”的字符。

同时采用摩电发电机和链条发电机两套系统的目的是为了互作备份，因此次路途遥远，如果长时间使用摩电发电机，担心轮胎磨损会较为严重，故另外采用了挂载在链条上的发电机，其原理与摩电系统类似。另外，当自行车在下坡时，将摩电发电机挂载上，还可以有效地起到阻尼的作用，一来可以限制车速，二来可以实现势能的回收，一举两得。

灵魂自行车的“心脏”就先讲到这里，在我的下一篇《把旅行变成修行之装备篇（下）》中，我将为大家介绍关于与灵魂自行车配套的其他一些装备技术细节，欢迎大家继续围观啊！