Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 1, No. 2,  February 20 1 6 , pp. 282 ~  287   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v1.i2.pp28 2-2 8 7        282     Re cei v ed O c t ober 3, 20 15;  Revi se d De cem ber 18, 20 15; Accepted  Jan uary 12, 2 016   Portable Dual Mode Mobile Charger with Hand Crank  Generator and Solar Panel        Md. Atiqur Rahaman* 1 , Nusrat  Hoqu e 2 , Nipu kum a r Das 3 , Farial  Nur Ma y s ha 4 ,   MD Morshed  Alam 5   1,2, 3,5 Dept. of El ectrical a nd El ectronic En gin eeri ng, Ch itta g ong U n ivers i t y   of Engin eer ing  and T e chno log y ,  Chittag o n g , Bangl ades h   4 Dept. of Electrical a nd Electr onic En gin eer i ng,  Univ ersit y  of  Information T e chnolog y  & Scienc es,  Chittag o n g , Bangl ades h   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : atiqure ee@ g m ail.com 1 , nus ratcuet08 @gm a il.com 2 , n i pu 16 @ g mai l . co m 3 ,  ma y s ha.u i tsc@gmai l.com 4 , malame ee 06 0 205 9@gm ail.c o m 5       A b st r a ct   A new  metho d  of chargi ng a  mo bil e  ph on e w i th  the help of  hand cra n k ge nerator, an d so lar pa ne l   is be in g pr ese n ted  in th is p a per. So lar  pan el is  us eful  dur ing  day lig ht a n d  h and  crank   gen erator c a n   be   used at ni ght. So this is a dua l mode ch arger w h ich is  operate d  in e i ther w a y and  both w a ys do no t   consume system  power. This type of m o bile charger  is  ver y  useful when traveling because it uses s o lar   pan el to  co nve r t renew ab le s ource  li ght i n to  el ectric ity. Me chan ical  h and   crank   gen erato r  is us ed  w h ic h   converts  mec h anic a l  ener gy i n to el ectrica l  e nergy  an d the n  charg e s th e  mobil e . N o  e l ectr ical s ourc e s ar e   nee de d for it. Our design  u s es a co mpo u nd ge ar tr ain  for transformation of the  me chan ical e ner g y   gen erate d  fro m  th e ha nd cr a n k to the  ge ner ator. F o r that  r easo n  it is c o n v eni ent as w e l l  as eco n o m ical  to  use such ki nd  of mo bil e  char ger for our  mo bile  pho ne.      Ke y w ords : Geared D C  Gener ator; mo bil e  ph one ch arg e r; solar p ane l; Han d  crank         Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Dema nd of p o we r ene rgy  has n e ver be en deni ed an d human  are  trying their best to   prod uce p o wer e n e r gy in  efficient  way. Thou sa nd s of  pro c e d u r e of  extractin g  energy  ha s b een   investigate d  and the mo st  effective is  done to  form ulate them [1 ]. From all the experim ent ed   method s of  e x traction, g e n e ration  of el e c tri c al  e nergy to me cha n ical ene rgy  and  from  sun  test ed  to be th e m o st effe ctive. Thu s   we  ha ve re sea r che d  versatile  ways of  doin g  that an d fin a lly  ende d up  wit h  this  sol u tio n : Solar  po wered  an d Me cha n ical ha n d  cran k m obi le ch arger [2 ]. In   gene ral cell   p hone   batte ry necessitate s 3.6  – 6  Volt s dc and   18 0  –  200 mA  curre n t  for ch argi n g .  Since  we  a r e  usi ng  12  Vol t s an d 6 0 0  m A  dc ge nerator  and  a  6  Watt sola r  pan el, we  will  ea sily  be getting de sire d output.       2. Compone nts   The followi ng  compo nent s are in this  ch arge r    2.1. Gear  Train   It is a mech a n ical sy stem whi c h is don e  by  conne ctin g several gea rs on a frame  to carry  power from one place to another [2]. This is  kno w n as gea r train .  The gear ratio can  be  cal c ulate d  directly from the  numbe rs of  teeth on the g ears in the ge ar train  [3].  The  p r oj ect plan co nsi s ts  of  a com p o und gea r  trai n i.e. it ha s  more  than  o ne g ear  present on a shaft, because of high speed reductio ns. There are two gears in our proj ect. One  gear is conne cted to the ha nd cran k and kno w n a s  driving gea r and  the other gear con n e c ted to   the gene rato r is calle d  driven gea r [4]. Two ge ars are given belo w .   1)  Big Gear: It is  a diameter of 2 inch  and h a s 14 0  teeth  2)  Small gear: It is a diamete r  of  1.2 inch a nd ha s 7 teeth  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Portable  Dual  Mode Mobil e  Charge r with  Hand  Cra n k  Gene rato r an d… (Md. Atiq ur Ra ham an)  283 For rotating mech ani sm of  the  gen erator  we u s e d  han dle an d the ha ndle ’ s rotatin g   spe ed is 5 rpm. It is connected with the big gear. The relation shi p  between bi g gear and small   gear  spe e d  ratio come s from the followi ng  Equation (1) [5].    A B A B B A N N R R                      ( 1 )     Her e ,   A = Speed of th e hand  cra n k  or the big ge a r     B = Speed of th e gene rato r o r  the small g e a r   R A  = Ra diu s  of the big gea r   R B  = Ra diu s  of the small g ear   N A  = Teeth of  the big gear   N B  = Teeth of  the small ge ar    So after putting the value s  the ultimate spe ed ratio  comes to:        12 1 B A     The  small gear i s  connect ed to the  dc  generato r shaft. The big gear i s  rotated in 5 rpm,  so th e  small   gear rotating  spe ed i s   60  rpm. If the d c   gene rato r p r o duced th e p o w er for 60  –   70   rpm  speed, t he generator produced  7  Watt, 12V  and current dropped to  550  mA. So it would   take le ss tha n  2 hours to  fully charge  the cell battery. This is t he main adv antage of usi ng  interme d iate gears.     2.2. Hand  Cran k    It is an arm attache d  at right angles to a ro tating shaft  [6].  It provide s  recip r ocating   motion to or from the shaft. It consi s ts  of a handl e. T he main purpose  of  the hand crank i s  to   rotate the driv ing gea r [1].    2.3. DC  G e ner a to r  DC  gen erat o r  convert s  m e ch ani cal e n e rgy into  ele c tri c al e nerg y . When  a condu ctor  cuts the  magnetic flux, dynamically  induced e.m.f. is produced in i t  accordi ng to  Faraday’s Laws  of Electroma gnetic Indu cti on. Th is  e.m.f cau s e s  a curre n t to flo w  if the con ducto r ci rcuit  is  clo s ed. When  the shaft of the motor  rota tes,  there i s  a relative mo tion betwe en  the perm ane nt  magnet s and  the coils  whi c h ge nerates  ac cu rrent in  the coil  [7].  The flux associate d  with the  coil is radial i n  nature. Co mmutator is u s ed a s  a  me chani cal re ctifier to conve r t AC cu rre nt to DC  curre n t [8]. T he output val ue of gene rat o r is 12V/ 60 0 mA.    2.4. Small  Solar  Panel  Solar cell co nverts  sola r energy into elec tri c al e n e rgy. The tot a l amount of  energy  provide d  by this device is cha r a c teri ze d  by  an output voltage and a current. A numbe r of so lar  cell s are inte rcon ne cted to gether to  form a re quired  sola r pa nel i s  kno w n a s   PV module  [9]. It  store s  po wer from  the su n and  let s   the mobile  phon e ,  iPod, etc. chargi ng.  Our  Portable  Mob ile  Cha r ge r u s e s  small sol a r p anel. Some feature s  of this sol a r pa nel  are given b e l o w:   Our  sola r pan el use s  hig h e r  efficien cy base d  mono crystalline sili co n  Solar pa nel (Max.)  :  6V/500mA, 6 Watt  Open circuit  voltage   :  10.8V  Short ci rcuit  current   :  950 mA   Time take n to charge mo bil e  phon e usi n g the cha r ge r: about 2 hou rs for typical mobile   Specification  of the battery use d :  Make r     :   No kia   Model     :  1208   Cap a city    :  1000mA h   Life of th e b a ttery will  be  hi gh a s  we  a r e   usin g  sola r  p anel i n  thi s  m obile  ch arg e r.   As  the  battery is 100 0 mAh so it would take nea rly  2 hours to fully charg e  the mobile b a ttery.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  282 – 287   284 2.5.  Protec ting o r  Blocking Diode  The maxim u m part  of po rtable  device s  u s e s  Li -ion  batterie s  fo r power  su ppl y. So a   good  solar  charg e r st rate gy is re qui re d to  ch arg e   an inte rn al b a ttery. Du ring  the  ch arg e   cycle  this avoid s   h eating the  po rtable  device. The  fu ndam ental comp on ents  req u ire d  to build  up f o r  our cha r ge r system are: th e sola r cell, the  hand  cran k gene rato r, a stora ge bat tery and a diode  to preve n t b a ttery disch a r ge to  sol a r  cell. Althou g h  this i s  a  good  sta r ting  point, a di rect  con n e c tion b e twee n sol a r  cell an d batte ry is not very  efficient and  shoul d not b e  impleme n te d   [9].     2.6. Regula t or   Due to th e ri sk of dam age  in device pe rm anently, plu gging  a batte ry at an un re gulated  power  su pply  might n o t be  a go od i dea.  Besid e s,  ce ll  ope ration  voltage i s  defin e d  by the  batte ry  voltage  sum m ed to  voltag e d r op  a c ro ss the  diode,  which  varie s  d u ring   cha r ge   and  ca n’t be  f i xed   at the cell’ s  maximum po wer  point. Thi s  mea n s th at  the system i s ,  in fact, wa sting so me am o unt  of availabl e li ght en ergy. A se co nd  app roach a nd  mo st ap plicabl e   approa ch  wo uld b e  in clu d i ng  a 5 Voltag e regulato r  bet ween  sola r  cell  and b a ttery . No w the b a ttery termi nals  are  con n e c te d to   a regul ated p o we r su pply. This  solves t he over cha r g e  or pe rman ent damag e  probl em s of the  cha r ge r.      2.7. LED    The LED de tects wh ethe r  e noug h po wer  i s   avail a ble to  ch arg e  the  mobil e  pho ne   battery. If LED sh ows gre en light then  it can be sa i d  that mobile  phone b a ttery is ready to be   cha r ge d. If L E D sho w s n o  light then it will not  be charg ed be ca use the sola r panel or the  dc   gene rato r is n o t supplyin g  enou gh po we r to cha r ge th e battery.      3. Basic Blo ck Diagr a m  The blo ck di agra m  of our portable d u a l  mode sol a r  cha r ge r is  sh own in the fo llowing   Figure 1.          Figure 1. Basic blo ck di agram of dual m ode charge r      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Portable  Dual  Mode Mobil e  Charge r with  Hand  Cra n k  Gene rato r an d… (Md. Atiq ur Ra ham an)  285 The current from sol a r p a n e l or d c  ge ne rator  both co mes to the bl ocking di ode.  The d c   gene rato r op erate s  by th e han d cran k ge ar m e ch anism. T he  blockin g  dio de protect s  the  gene rato r an d solar pa ne l from th e re verse  voltag e coming  fro m  the b a ttery. And then  the  current limiting resistor lim its t he cu rren t if accide ntly huge  curren t enters to th e battery. Th e   voltage re gul ator regul ate s  the voltag e  to 5V. Fi nall y  by USB ch argin g  po rt a  battery ca n  b e   cha r ge d with  this dual mo d e  cha r ge r.       4. Circuit Dia gram                         In  Figure  2  ci rcuit  diag ram  of  our  du al  mode  mo bile   cha r ge r  with   hand  cra n k  dc  gene rato r an d sola r pan el is sh own.          Figure 2. Circuit diagra m  of dual mode  charg e r      The  circuit is mainly a s se mbled o n  the  vero b oard. The  cha r gin g  cu rre nt of th e battery  come s f r om t he sola r pa n e l or the d c   g enerator  or   b o th. The  cu rrent limiting  re sisto r  i s  u s ed  to   limit the curre n t. And voltage regul ator i s  use d  for the voltage limiting  purpo se.       5. Working  Mecha n isms   De sign pla n  con s i s t of mech ani cal en ergy whi c h p r odu ce d by the rotation o f  hand  cra n k.  Thi s  e nergy  used  a s  in put to th e  gen erato r   by the g e ar trai n. In this devi ce  a  comp ou nd  gear train  wi th spu r  g ears is  also u s ed. It has   o ne d r iver g e a r a nd o ne  driving g e a r . This  mech ani cal e nergy i s  con v erted into el ectri c al e n e r gy by gene rator an d tra n s mitted it to  the   regul ator a n d  convert the  supply to regul ated 5V DC.   The po we r e nergy p r o duced from th e solar p anel th en tran sfe r s t o  the re gulat o r which   then goe s to the mobile p hone to ch arge the battery . The purpo se of the rect ifier is to con v ert  any a c  p o we r supply to  d c  p o wer. F o r  low  sp eed,  th e DC  gene ra tor p r od uces  DC but  wh en  it  gets hig h  spe ed by rotating  its gear,  som e time it  prod u c e s  voltage  spike s  [10]. Otherwise for th e   variable  sp ee d it can p r o d u ce  ac. So fo r the p r ote c tion a rectifier  circuit is  used in this device.  Forme r ly the  hand  cran k  may not be  a b le to p r od uc e de sire d po wer. T hat’s  why a ca pa cito r of  1000 0uf is  used he re fo r b oostin g  up th e voltage  p u rpose. Reve rse voltage s is  blocke d by th e  diode a nd transfe r the re sultant voltag e to the so la r panel to p r otect the pan el. The filtering  cap a cito r is  also u s e d  wi th the voltage reg u lator f o r filtering  p u rpo s e s . The  electri c al o u t put  sup p ly is  given to the  LE D an d o u tput  pin  co n n e c ted on  the ve robo ard. The  mobile  ca n  be  cha r ge d by conne cting the  output pin to the mobile.        6. Hard w a re  Circuit                 Several hard w a r e p i cture of the d ual mode  cha r ge r are give n belo w :    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  282 – 287   286       Figure 3. Han d  cra n k a nd  DC g ene rato r  Figur e 4. Cha r ging of the m obile u s ing  so lar  panel           Figure 5. Dua l  mode ch arg e r main  circui try      Figure 3  sh o w s th e  whol e ci rcuit incl uding  DC ge nerato r  a nd  sola r p anel.  Figure 4   sho w s the mobile ph one chargi ng u s ing  solar p o wer.  And Figure  5 sho w s the main ci rcuitry of   our d ual mo de ch arger.  All the devices a r e mou n t ed on a gla ss  she e t to make  a better  appe ara n ce.      7. Mode Co mparison of  this Du al Mode Cha rger   Since we are  using two types of ene rg y to c harge t he battery so  the compa r ison of this  two mode s a r e discu s sed h e re.       Table 1. Vari ous mo de s  T y pe   Hand Crank Mob ile Charger  Solar Charg e r  T y pe  of po w e r so urce  Geared DC  gene rator  Sun PV energ y   T y pe  of ene rg y   u s ed  Mechanical energ y   Electrical energ y   Time of using  An y  time   At da y  Input Voltage   5-18 V   4-7 V   Output Voltage   5 V  5 V      8. Results a nd Discu ssi on  The dual m o de ch arg e r i s  implemente d  on a NOKIA mobile pho n e  battery to test th e   operation of this charge r. Se veral data  have bee n taken  while the  test wa s ru nn ing.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Portable  Dual  Mode Mobil e  Charge r with  Hand  Cra n k  Gene rato r an d… (Md. Atiq ur Ra ham an)  287 Table 2. Spe ed and Volta ge gen erate d  relation   Gene rator Sp eed  (hand crank spe ed)   Voltage Gene rat ed  60 rpm ( 5  rpm )   12 V  84 rpm ( 7  rpm )   13 V  120 rpm  (10 rp m )   14.5 V  180 rpm  (15 rp m )   16  V  216 rpm  (18 rp m )   18 V      Table 2  sh ows the relation ship  between   gene rato r or  hand  cran k speed  and th e  voltage   gene rated fro m  it. The voltage is in crea sing  slo w ly when the ha nd  cra n k  spe ed i s  increa sin g .      Table 3. Sola r panel a nd b a ttery cha r gin g  relation   Time  Batter y  V o ltage ( V )  Solar Panel Char ging Condition  10:30 am   1.7  Charging on   11:10 am   2.5  Charging on   12:00 pm   3.3  Charging on   12:30 pm   3.7  Charging on   01:00 pm   4.2  Fully charged       Table 3 sho w s the sola r pa nel cha r gi ng con d ition with  resp ect to the voltage. When the   battery voltage is above 4 V  then the ba ttery is fu lly charg ed. And  no nee d to charg e  the bat tery  further.       9. Conclusio n   We are usi n g  human effort  instead of ce remo ni ou s el ectri c ity, so we do not add  up with   gree nho use  emission s. T he  cha r ge r i s  co mpa c t  so   it can  be   carried o u t ea sily  whil e travelli ng  whi c h fullfill s  the pu rpo s e   of this i n ven s ion. Pl asti c o u ter ca sing  maintena nce the  cha r ge r  from  being  dam ge d from  the  en viroment.The  be st featu r e s  of t h is devi c e i s  th at it i s  economi c al   and  eco - frie ndly. We  can  also  place a  simi lar ta ctics  in  our  sho e  sol e  so th at the  battery can  be   cha r ge d whil e joggi ng an d there i s  n o  need  of extra ene rgy for  cha r gin g .We  can  also u s e  an  epicy clic  gea r train i n ste a d  of co mpo u nd ge ar  trai n so th at large spa c e o c cupi ed by th e   comp oun d ge ar train  can b e  redu ce d an d the cha r ge r can be com e  more p a ked.        Referen ces   [1]    Nikhi l Kumar J a in, V Aravin d, Eranki V S Kris hna Pr as ad, Y Kal y a n  Chakr a varth y . Virtu a l  Protot ype of  Mecha n ica l  Ha nd Cra n k Mobi l e  Char ger.  IJIT EE.  2(2): 2278- 307 5.  [2]    Uicker JJ, GR  Penn ock, JE Shig le y. T heor y   of Machi n es an d Mech anisms. Ne w   York: Oxfor d   Univers i t y  Pr es s. 2003.   [3]    B Paul. Kinem atics and D y n a m ics of Planar  Machi ner y. Pre n tice Ha ll   [4]    JS Brar, Dr RK Bansal. T heory of Mach ines.  ch. 10   [5]   http://en. w i kipedia .org/ w iki/Gear_train  [6]    Amitabh a Gho s h, Ashok Kum a r Malik. T heory of Mech anis m s and Mach in es.   [7]    DP Kothari, IJ Nagr ath. Electric Machi nes.   [8]    N Ragh u Ram  Red d y , Yes hal a Sreeka n th, Dr M Nara yana.  Mecha n ica l  an d Electrical mo bile ch arg e r .  IJERA.  3(6): 2248- 962 2.   [9]    F   T a vora. Solar batter y  c h arger for port abl e devic es and  appl icati o n.  2012:  1-27 .  Avail a b l e:   www . s il iconr ee f.com.br.  [10]   José F  da Roc haa, Marce lin o  B dos Santosb ,  José M Dores  Costac.  Voltag e Spikes i n  Integrate d   CMOS Buck DC-DC Co nvert e rs: Analysis fo r Reson ant an d Hard Sw itchi ng T opo lo gies.  Procedi a  T e chnolog y. 2 014; 17: 3 27-3 34.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.