Prototyp eine Akku gestützten Fahrradbeleuchtung

Idee

Ich denke die Grundlagen der Fahrradbeleuchtung und Möglichkeiten der Optimierung inzwischen ganz gut verstanden zu haben. Dazu empfehlenswert ist die Bibel der Fahrradbeleuchtung - ein 645 Seiten langes pdf-Dokument von Olaf Schultz. Link Deswegen war es mal wieder an der Zeit eine neue Beleuchtung für das eigene Fahrrad zu bauen. Der Aufwand kann dabei größer ausfallen, weil ich nur für mich baue. Bei einer Beleuchtung für Freunde würde ich zu bewährter Technik von Busch und Müller raten. Selbst die günstigste Lampe dieser Firma macht schon gutes Licht, für >50€ bekommt man Lampen die deutlich besser sind als die Meisten die man im Straßenverkehr sieht.

Ich bin mit meiner ersten selbst gebauten LED-Beleuchtung nun über 10.000 Kilometer problemlos gefahren. In dieser Zeit konnte ich meine Kenntnisse über die Elektronik verbessern. Auch die Entwicklung von high power LEDs ist weitergegangen, sodass mit einer aktuellen LED bei gleicher elektrischer Leistung die doppelte Menge Licht erzeugt werden kann als noch vor wenigen Jahren. Beispielsweise erzeugt die Cree XM-L T6 bei gleicher elektrischer Leistung die 4-fache Lichtmenge der deutlich älteren Luxeon K2, welche um das Jahr 2004 bei Bastlern beliebt war. (Beide im höchsten Binning) Es lohnt sich also schon in Folge der Entwicklung auf diesem Gebiet immer mal wieder zu schauen, was gerade machbar ist.

Ich habe verschiedene LED-Beleuchtungen gebaut und auch gerne einen Rat Beziehung bezüglich einer käuflichen Beleuchtungsanlage gegeben. Wobei man in Abhängigkeit des Budgets zu jeder Lampe von Busch und Müller raten kann.

Grund genug sich mal wieder an eine etwas kompliziertere Lampe zu wagen. Der finanzielle und zeitliche Aufwand steht hier nicht im Vordergrund, weil ich diese Lampe zum einen nur für mich selbst baue und, wie angedeutet auch weiß, dass es am einfachsten wäre einfach eine Lampe zu kaufen.

Gewünschte Funktionen

• Es soll möglichst viel elektrische Leistung aus dem Nabendynamo entnommen werden.
• Die Gleichrichtung der Eingangsspannung soll mit Transistoren erfolgen.
• Um ein echtes Standlicht zu realisieren, soll ein Lithium Akku genutzt werden. Dazu ist eine ganze Reihe von Schutz-Elektronik rund um den Akku nötig, wovon der Überladeschutz und ein Tiefentladeschutz nur einen Teil sind.
• Auf mechanische Schalter soll verzichtet werden. Eine Ausnahme bildet die Lichthupe, sollte sie denn realisiert werden.
• Das Standlicht soll annähernd die gleiche Lichtmenge wie das Fahrlicht bereitstellen und nach einer bestimmten Zeit selbstständig ausgehen.
• Der Reflektor soll das Licht möglichst sinnvoll auf die Straße bringen ohne dabei andere Verkehrsteilnehmer übermäßig zu blenden.
• Für die gesamte Elektronik soll eine Platine geätzt werden.
• Die Schaltung soll möglichst klein und Wasserdicht (IP65) sein. Ein dickwandiges Aluminiumgehäuse scheint geeignet.

Andere Projekte bei denen abgeschaut wurde 

• Zufällig bin ich auf mikrocontroller.net auf ein Thema von Tobis W. gestoßen. Link zum Wiki-Artikel. Dort wird Schaltplan und Bauanleitung für ein Gerät veröffentlicht, welches von einem Nabendynamo gespeist wird, einen Akku lädt und mittels einem Schaltregler Spannung für Frontlicht und USB-Geräte bereit stellt. Das Projekt wurde kritisch diskutiert und schon mehrfach nachgebaut. Die Möglichkeit direkt High-Power LEDs anzuschließen besteht jedoch nicht.
• http://www.forumslader.de/ Der Forumslader ist eine nichtkommerzielle Lösung um z.B. das Handy während der Fahrt zu laden und wurde über viele Jahre im Radreise-Forum entwickelt. Die Schaltung hat einen hohen Wirkungsgrad und schneidet in Vergleichstests sehr gut ab. Die Möglichkeit direkt High-Power LEDs anzuschließen besteht jedoch auch hier nicht.
• http://www.mtb-news.de/forum/t/steuerung-fuer-dynamolampen.437115/ Eine Steuerung, welche mehrere LEDs in Stufen schaltet um möglichst viel Licht, auch bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten, zu erhalten.
• http://www.mtb-news.de/forum/t/siams-powerbox.727130/  Hier wurde eine Schaltung entwickelt, welche meinen Vorstellungen sehr nahe kommt. Es wird ein zwei-zelliger Lithium Akku geladen, an dem dann direkt High-Power LEDs und 5V Technik betrieben werden kann. Viele Aufgaben wurden mit Mikrocontrollern gelöst.

Vereinfachung

Um zu testen ob einige Funktionen so möglich sind, wie ich sie mir vorstelle, soll vorerst eine stark vereinfachte Schaltung entwickelt werden, welche die wesentlichen Funktionen realisiert.

• Die Gleichrichtung wird mit Schottkydioden realisiert.
• Der Akku besteht aus drei Lithium-Ionen Zellen (18650) aus einem Laptopakku. Auf sämtliche Schutzschaltung wird verzichtet. Die Möglichkeit manuelle die Zellen zu balancieren ist gegeben. Die Erfahrung zeigt, dass das selten nötig ist.
• Es wird manuell Ein und Aus geschaltet.
• Das Standlicht ist identisch mit dem Fahrlicht und muss manuell geschaltet werden.
• Der Reflektor wird von der vorhandenen Lampe übernommen.
• Die Elektronik wird auf Lochraster gelötet um leicht Änderungen vornehmen zu können.
• Als Gehäuse dient eine Kabelabzweigdose (IP54).

Schaltplan und Erklärung

"Die vom Dynamo kommende Wechselspannung wird gleichgerichtet. C1 dient der Unterdrückung von HF-Störungen. Danach folgt ein Shuntregler, der rund um VR1 und Q3 aufgebaut ist. Dieser begrenzt die vom Dynamo abgegebene Spannung auf 13,1V. Über D3 fallen nochmal 0,5V ab, wodurch der Akku mit deiner Ladeschlussspannung von 12,6V (3*4,2V) geladen wird. (Da ein Dynamo eine Stromquelle ist, kann die abgegebene Spannung sehr viel höher sein als die angegebenen 6V) Mit dieser Spannung wird ein Li-Io-Akku aus 3 Zellen (Bauform 18650) geladen. Der Akku wird zunächst vom Dynamo mit nahezu konstanten Strom von 500mA geladen, bis 13,1V erreicht sind. Dann greift der Shuntregler und hält die Spannung stabil bei 13,1V. Der Akku kann jetzt als geladen angesehen werden. Das Ladeverfahren ist also CCCV, was für Li-Io das gängige Verfahren darstellt. Die Ladeschaltung ist nicht optimal, aber hier müssen die Gegebenheiten am Fahrrad (schwankende Eingangsleistung und -Spannung) berücksichtigt werden, wodurch sich komplexe Ladeschaltungen verbieten."

(Aus der Originalen Beschreibung des Autors)

Der Akku wird immer geladen, alle folgenden Einheiten lassen sich mit dem Schalter an JP4 trennen. Das Rücklicht erhält die volle Akkuspannung. Ich verwende ein Standard Rücklicht des Herstellers Busch & Müller, dieses kommt mit der hohen Eingangsspannung problemlos zurecht.

Um VR2 ist eine sehr einfache aber genaue Entladeanzeige aufgebaut. Sinkt die Akkuspannung unter 9,9V leitet VR2 nicht und überbrückt LED1 so nicht mehr. Das ist zwar nicht sonderlich sparsam, aber einfach und sehr genau. Der Nutzer sollte dann die Beleuchtung abschalten, denn das ist nur eine Anzeige und kein Tiefentladeschutz!

Um den Schaltregler-IC LM2576T ist die Standardschaltung (Step-Down) aus dem Datenblatt aufgebaut. Der Wirkungsgrad dieser einfachen Schaltregler ist zwar nicht so hoch, wie von Modernen Schaltreglern, der Aufbau dafür umso einfacher. Mit dem Potentiometer R4 wird die Ausgangsspannung so eingestellt, dass die LED den gewünschten Strom aufnimmt. 

Aufbau

Ursprünglich wollte ich das Board ätzen. Diesen Gedanken habe ich dann aber schnell verworfen. Das entwickelte Layout half aber auch beim Bestücken der Lochrasterplatine.

Mit EAGLE3D und POV-Ray erstelltes Bild der fertigen Platine im halb-fertigen Zustand.

Die gesamte Schaltung einschließlich der Akkus wurde in der Kabelabzweigdose untergebracht.

Inbetriebnahme

• Am Labornetzteil prüfen ob der Shunt-Regler um VR1 ab 13,1V schaltet.
• Prüfen ob der Akku geladen wird.
• R4 so einstellen, das der gewünschte Strom über die LED fließt
• Prüfen ob der Akku bei Durchschnittsgeschwindigkeit und eingeschalteter Beleuchtung noch etwas geladen wird. Ich verwende eine Seoul P7 Led und habe die Ausgangsspannung des Schaltreglers so eingestellt, dass 80mA mehr in den Akku rein als raus fließen. Damit kann ich an der Ampel etc. mit voller Beleuchtung stehen und dennoch meist mit vollem Akku fahren. Möchte man z.B. am Tag ohne Licht fahren ist dieser "Stromüberschuss" von 80mA natürlich nicht notwendig.

Der Schaltregler wurde auf ein Stück Lochrasterplatine gelötet.

Das Gehäuse des Schaltregler-IC wurde an einen Streifen Aluminium Blech genietet, welches federnd gegen die Innenseite des Lampengehäuses drückt. Dadurch sollte ein sehr guter Wärmeübergang gewährleistet sein.

Wirkungsgrad

Der Gesamtwirkungsgrad der Schaltung wird wesentlich von den zwei Dioden der Gleichrichtung, der Diode D3 (verhindert Stromfluss vom Akku zum Dynamo), der Diode des Step-Down-Reglers, den Schaltverlusten des integrierten Transistors im Schaltregler-IC LM2576T (NPN) und den Verlusten der Induktivität. Der Coulomb-Wirkungsgrad der drei Lithium-Zellen beträgt annähernd 100 %, das heißt, fast die gesamte in den Akku geflossene Ladung kann diesem auch wieder entnommen werden. Der Tausch der Dioden durch FETs und ein moderner Schaltregler sollten den Gesamtwirkungsgrad deutlich verbessern. Nicht zu vernachlässigen ist natürlich auch der Wirkungsgrad der High-Power Led selbst, der verwendeten Optik und dem Frontglas. 

Zusammenfassung der Technischen Daten

• Eingangsspannung 0-14V (Üblicher Fahrraddynamo)
• Ausgang 11V (1,3A oder mehr)
• Kapazität der Akkus ca. 1500mAh
• Ladestrom bei 10km/h -120mA
• Ladestrom bei 20km/h ±0A
• Ladestrom bei 30km/h +100mA
• Standlichtzeit bei vollem Akku ca. 2 Stunden
• Masse 180g

Erkenntnisse und Verbesserungen

Mit dieser Schaltung hat man auch schon im Stand beeindruckend viel Licht. Natürlich kann der Wirkungsgrad niemals so hoch sein, wie wenn eine oder mehrere LEDs direkt an gleichgerichteten Dynamostrom liegen. Ich werde das Projekt nicht weiter verfolgen, weil ich gemerkt habe, dass ich im Stand nicht so viel Licht brauche und sich deswegen der Aufwand, zusätzliche Elektronik und den Akku immer am Rad zu haben, für mich nicht lohnt. Für jemanden der hin und wieder auf unbeleuchteten Wegen fährt oder den Akku nutzen will um sein Handy daran zu laden ist die Schaltung jedoch eine gute Möglichkeit diese Vorstellungen zu realisieren. Dann sollte aber der Akku auch eine Schutzelektronik bekommen.

Ausblick

Ich werde in Zukunft ein anderes Projekt verfolgen. Ziel wird wieder sein aus dem Nabendynamo möglichst viel Leistung zu entnehmen und diese mit möglichst hohen Wirkungsgrad an die LED weiter zu geben. Dabei soll als Energiespeicher kein Akku, sondern eine kleiner Induktivität dienen, welche zentrales Element eines Step-Down-Reglers sein wird. So wie das gute kommerzielle Lampen z.B. von Busch und Müller auch machen.