DIESEN SCHALTPLAN NICHT NUTZEN! (Siehe weiter unten)
Der Strom vom Nabendynamo wird über einen Silizium-Brückengleichrichter und einen 1000µF Kondensator in Gleichstrom umgewandelt. Die Spannung stellt sich durch 3 Chips einer Cree MC-E LED auf ca. 12V ein. (3x3,5V der LED + 2x0,7V der Siliziumdioden).
-> Vorne leuchtet!
Danach folgt eine Konstantspannungsquelle (MC7806CT) welche auf 6V regelt. Danach eine Schottkydiode. Jetzt sind es nur noch 5,5V, welche einen GoldCap (Super Kondensator mit 1F) aufladen und 2x5mm Leds rot mit Vorwiderstand zum leuchten bringen. Der Goldcap gibt seine Energie wieder an die roten Leds ab, wenn man steht.
->Hinten leuchtet auch!
Ordentliche Bilder habe ich diesmal leider nicht, es sollte schnell gehen.
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Leider hat diese Beleuchtung nicht sehr lange überlebt. Schuld daran hat wahrscheinlich der 1000µF ElKo. Jedenfalls sind alle Leds hinüber. Also habe ich nochmal von vorne angefangen und diesmal eine moderne Led eingebaut, sowie meinen MOS-FET Gleichrichter und eine geeignete Optik.
Zunächst möchte ich hier die Funktion der Schaltung erklären.
Stromquelle
Ganz Links ist "G1" der Nabendynamo. Dieser liefert Typen abhängig bis zu 20V und 5W bei ≥20km/h. Weil die Haupt Led deutlich mehr Leistung aufnehmen kann, wird auf eine Strombegrenzung verzichtet. Danach folgt "S1", ein beliebiger Hauptschalter. Dieser unterbricht die gesamte Beleuchtungsanlage, jedoch nicht das Standlicht.
Schutz vor Überspannung
Die beiden Zenerdioden "D1" und D2" schützen die Transistoren T1 bis T4 vor Überspannung. Die verwendeten Typen halten nur 12VGS aus. Sollte nun die Haupt Led ("P1") einmal nicht verbunden sein (z.b. durch Vibrationen), so steigt die Spannung am Dynamo weiter an und die Transistoren könnten beschädigt werden.
Gleichrichtung
Nun kommt der interessante Teil, der MOS-FET Gleichrichter. Üblicherweise werden zum Gleichrichten von Wechselspannungen 4 Dioden benutzt. Silizium Dioden haben aber den Nachteil, dass ca. 0,7V über sie abfallen. Weil immer zwei von vier Dioden aktiv sind beträgt der Spannungsabfall ca. 1,4V. 0,8W Leistungsverlust! (Ausgehend von 600mA Betriebsstrom)
Brückengleichrichter haben natürlich auch Vorteile, sie sind z.b. wesentlich günstiger, robuster und einfacher zu montieren.
"T1" und "T2" sind P-Kanal Typen, "T3" und "T4" sind N-Kanal Typen. Angesteuert werden die FETs indem zwischen Gate und Source eine Spannung angelegt wird. Bei den N-Kanal Typen muss diese Spannung positiv sein und bei den P-Kanal Typen negativ. Zwischen Drain und Sorce liegt noch eine Reverse-Diode, hier rot markiert.
Betrachtet wird nun, der Fall in dem zwischen oberen und unterem Strang eine positive Spannung anliegt, die obere Halbwelle. (Tatsächlich ist die Spannung vom Dynamo kaum Sinus förmig.)
Jetzt fließt ein Strom über die Reverse-Diode von "T1", die Leds, die Reverse-Diode von "T3" zum untern Strang. Dadurch liegt zwischen Gate und Source von T1 eine negative Spannung an. An "T3" eine positive. Folglich steuern beide FETs auf und der Strom kann ungehindert von Drain zu Source fließen. Da der Drain-Source-Widerstand (RDS(ON)) <0,1Ω ist werden die Dioden praktisch überbrückt.
Bei der unteren Halbwelle, also wenn zwischen oberen und unterem Strang eine negative Spannung anliegt schalten entsprechend "T2" und "T4".
Frontlicht
Die Haupt-Led ist eine Cree MK-R. Bei einem Strom von 500mA stellt sich eine Spannung von 11,5V ein. Das ist für uns ein Vorteil denn, der Dynamo liefert einen Strom von ca. 500mA. Die Spannung stellt sich dazu ein. Wenn die Spannung bei einer Led 3V beträgt und der Strom 500mA, werden nur 1,5W genutzt. Bei zwei Leds sind es schon 3W und bei vier Leds (oder der MK-R, welche eine eine 4-Chip Led ist) 6W. Das ganze lässt sich natürlich nicht unendlich steigern und ist Typen abhängig und funktioniert auch nur bei entsprechend hoher Drehzahl des Dynamos. Messungen dazu können in der Fahrrad-Zukunft nachgelesen werden. LINK
Einen wesentlichen Nachteil gibt es auch. Bei niedriger Drehzahl leuchten die Leds noch nicht. Um diesen Effekt zu umgehen könnte man unterhalb von ca. 15km/h 2 von 4 Leds mit einem Schalter überbrücken. Das geht natürlich nur wenn man die Leds einzeln ansteuern kann. Bei der von mir verwendeten Cree MK-R geht das nicht. Schön wäre eine Elektronik die dann noch den Schalter ersetzt und Spannungs abhängig die Leds zuschaltet.
Reflektor
Ich habe eine Reflektor der Firma LEDIL genutzt. Dieser strahlt rotationssymetrisch. Würde man den Reflektor nun parallel zur Straße ausrichten ist die Blendung hoch. Richtige Fahrradlampen und auch übliche PKW-Scheinwerfer sind deswegen so geformt, dass viel Licht auf der Straße landet und wenig geblendet wird. Als Radfahrer sollte man nun für sich überlegen wie stark man andere Verkehrsteilnehmer blenden möchte. Gesehen wird man auf jeden Fall. Auch dazu gibt es in der Fahrrad-Zukunft einen kurzen und guten Artikel. LINK
Mit dem hier verwendeten Reflektor lässt sich ein gutem Kompromiss zwischen sehen und gesehen werden finden.
Tipps und Verbesserungen
Ganz Links ist "G1" der Nabendynamo. Dieser liefert Typen abhängig bis zu 20V und 5W bei ≥20km/h. Weil die Haupt Led deutlich mehr Leistung aufnehmen kann, wird auf eine Strombegrenzung verzichtet. Danach folgt "S1", ein beliebiger Hauptschalter. Dieser unterbricht die gesamte Beleuchtungsanlage, jedoch nicht das Standlicht.
Schutz vor Überspannung
Die beiden Zenerdioden "D1" und D2" schützen die Transistoren T1 bis T4 vor Überspannung. Die verwendeten Typen halten nur 12VGS aus. Sollte nun die Haupt Led ("P1") einmal nicht verbunden sein (z.b. durch Vibrationen), so steigt die Spannung am Dynamo weiter an und die Transistoren könnten beschädigt werden.
Gleichrichtung
Nun kommt der interessante Teil, der MOS-FET Gleichrichter. Üblicherweise werden zum Gleichrichten von Wechselspannungen 4 Dioden benutzt. Silizium Dioden haben aber den Nachteil, dass ca. 0,7V über sie abfallen. Weil immer zwei von vier Dioden aktiv sind beträgt der Spannungsabfall ca. 1,4V. 0,8W Leistungsverlust! (Ausgehend von 600mA Betriebsstrom)
Brückengleichrichter haben natürlich auch Vorteile, sie sind z.b. wesentlich günstiger, robuster und einfacher zu montieren.
"T1" und "T2" sind P-Kanal Typen, "T3" und "T4" sind N-Kanal Typen. Angesteuert werden die FETs indem zwischen Gate und Source eine Spannung angelegt wird. Bei den N-Kanal Typen muss diese Spannung positiv sein und bei den P-Kanal Typen negativ. Zwischen Drain und Sorce liegt noch eine Reverse-Diode, hier rot markiert.
Betrachtet wird nun, der Fall in dem zwischen oberen und unterem Strang eine positive Spannung anliegt, die obere Halbwelle. (Tatsächlich ist die Spannung vom Dynamo kaum Sinus förmig.)
Jetzt fließt ein Strom über die Reverse-Diode von "T1", die Leds, die Reverse-Diode von "T3" zum untern Strang. Dadurch liegt zwischen Gate und Source von T1 eine negative Spannung an. An "T3" eine positive. Folglich steuern beide FETs auf und der Strom kann ungehindert von Drain zu Source fließen. Da der Drain-Source-Widerstand (RDS(ON)) <0,1Ω ist werden die Dioden praktisch überbrückt.
Bei der unteren Halbwelle, also wenn zwischen oberen und unterem Strang eine negative Spannung anliegt schalten entsprechend "T2" und "T4".
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| (Zwischen + und - liegt natürlich ein Verbraucher, sonst funktioniert die Schaltung nicht.) |
Frontlicht
Die Haupt-Led ist eine Cree MK-R. Bei einem Strom von 500mA stellt sich eine Spannung von 11,5V ein. Das ist für uns ein Vorteil denn, der Dynamo liefert einen Strom von ca. 500mA. Die Spannung stellt sich dazu ein. Wenn die Spannung bei einer Led 3V beträgt und der Strom 500mA, werden nur 1,5W genutzt. Bei zwei Leds sind es schon 3W und bei vier Leds (oder der MK-R, welche eine eine 4-Chip Led ist) 6W. Das ganze lässt sich natürlich nicht unendlich steigern und ist Typen abhängig und funktioniert auch nur bei entsprechend hoher Drehzahl des Dynamos. Messungen dazu können in der Fahrrad-Zukunft nachgelesen werden. LINK
Einen wesentlichen Nachteil gibt es auch. Bei niedriger Drehzahl leuchten die Leds noch nicht. Um diesen Effekt zu umgehen könnte man unterhalb von ca. 15km/h 2 von 4 Leds mit einem Schalter überbrücken. Das geht natürlich nur wenn man die Leds einzeln ansteuern kann. Bei der von mir verwendeten Cree MK-R geht das nicht. Schön wäre eine Elektronik die dann noch den Schalter ersetzt und Spannungs abhängig die Leds zuschaltet.
Reflektor
Ich habe eine Reflektor der Firma LEDIL genutzt. Dieser strahlt rotationssymetrisch. Würde man den Reflektor nun parallel zur Straße ausrichten ist die Blendung hoch. Richtige Fahrradlampen und auch übliche PKW-Scheinwerfer sind deswegen so geformt, dass viel Licht auf der Straße landet und wenig geblendet wird. Als Radfahrer sollte man nun für sich überlegen wie stark man andere Verkehrsteilnehmer blenden möchte. Gesehen wird man auf jeden Fall. Auch dazu gibt es in der Fahrrad-Zukunft einen kurzen und guten Artikel. LINK
Mit dem hier verwendeten Reflektor lässt sich ein gutem Kompromiss zwischen sehen und gesehen werden finden.
Tipps und Verbesserungen
Für eine zuverlässige Beleuchtung sind gute Kontaktstellen und Zugentlastungen Ich habe die meisten Kontaktstellen gelötet und ausschließlich Doppeladrige Litzen mit einem Querschnitt von 0,5mm² verwendet. Jemand hat mal gesagt: An einer guten Verkabelung kann man das Fahrrad aufhängen und es funktioniert noch!
Wichtig ist die Kühlung der Led. Bei einem Strom von 500mA werden über 5W in Wärme umgewandelt. Je wärmer die Led wird, desto geringer ihr Wirkungsgrad. Eine gute Kühlung ist also wichtig. Idealerweise wird die Wärme auch noch an das Gehäuse angegeben. Ich habe einen Aluminium Zylinder gedreht, welcher die Wärme kaum an die Umgebungsluft abgeben kann.
Eine mögliche Erweiterung wäre noch ein Standlicht für vorne. Dazu könnte man, wie hier blau dargestellt, eine weiter helle Led einbauen. Möglicherweise empfiehlt es sich dann auch die Kapazität des Kondensator zu erhöhen, z.b. von 1F auf 2F.
Bei den MOS-FETs sollte darauf geachtet werden, dass VGS möglichst gering ist, damit diese schon bei geringen Spannungen schalten. Ich habe als N-Kanal zwei IRF7402 verwendet. Diese haben heute bei Conrad die Artikelnummer 162 462 -62. Als P-Kanal habe ich zwei IRF9321PbF benutzt, diese haben die Artikelnummer 160 913 -62. Ich werde die Artikelnummern nicht aktualisieren.
Einfacher geht es mit dem empfohlenen IRF7319, dieser hat in einem Gehäuse je einen P- und einen N-Kanal MOS-FET.
Zum Schluss möchte ich noch drei Links erwähnen.
Die Anleitung von Jürgen Heidbreder in der Fahrrad-Zukunft
Die Grundidee aus dem mtb-Forum
Eine gute Bezugsquelle für Leds
Diesmal gibt es auch wieder Bilder in gewohnter Qualität.
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