Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bikebox - Standlichtanlage fürs Fahrrad


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von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hi,

der(die) ein oder andere Leser(in) hier im Forum hats vielleicht schon 
mal mitbekommen, dass ich eine Standlichtschaltung fürs Fahrrad 
entwickelt habe.

Diese Schaltung richtet sich an alle Rad-Tourenfahrer, die die Energie 
ihres Nabendynamos sinnvoll nutzen wollen ;)

Sie bietet folgende Funktionalitäten an:

-Speisung über herkömmlichen Nabendynamo
-Interner Akku als Puffer
-2 Ausgabespannungen: 7.2V für Fahrtlicht (6V sind auch möglich) + 5V 
für USB
-siehe oben ;) USB-Lademöglichkeit

Die Schaltung, Platine und ein paar Bilder hängen diesem Beitrag an.

Kurze Erklärung der Funktion:

Die vom Dynamo kommende Wechselspannung wird gleichgerichtet, und von 
C2/C3 gepuffert. 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 11.2 Volt.
Warum das?
(Anmerkung hierzu: Da ein Dynamo eine Stromquelle ist, kann die 
abgegebene
Spannung sehr viel höher sein als die angegebenen 6V)
Mit dieser Spannung wird ein LiFePO4-Akku aus 3 Zellen geladen.
Sie entspricht in etwa der Ladeschlußspannung des Akkus.
Der Akku wird zunächst vom Dynamo (der eine Stromquelle ist!) mit einem 
nahezu konstanten Strom von 500mA geladen, bis 11.2V erreicht sind.
Dann greift der Shuntregler, und hält die Spannung stabil bei 11.2V.
Der Akku kann jetzt als geladen angesehen werden.
Das Ladeverfahren ist also CCCV, was für LiFePo4 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 demselben Grund habe ich mich auch entschlossen, hier einen 
Shuntregler einzusetzen, da sich Schaltrgeler bei stark schwankender 
Eingangsspannung in Kombination mit der Charakteristik des Dynamos als 
problematisch erwiesen haben.

An den Laderegler/Akku schließt sich ein Schaltregler rund um IC2 an, 
welcher aus der Akkuspannung eine stabile Spannung von 7.2 bzw. 5V für 
Fahrtlicht bzw. USB erzeugt.
Der Regler erzeugt 7.2V, wenn JP2 offen ist, andernfalls 5V. Ggf. muss 
R11 etwas justiert werden.
Der Regler wird durch R5 strombegrenzt, wobei R5 so ausgelegt ist, das 
etwa 550 mA entnommen werden können. Achtung: Da R5 im Eingangszweig des 
Reglers hängt, ist der max. Strom am Ausgang auch von der Akkuspannung 
abhängig.
Die Schaltung eignet sich also NICHT, um damit direkt LEDs zu treiben; 
Die Strombegrenzung dient dem Kurzschluß- und Überlastschutz.
Der Regler ist so ausgelegt, dass er direkt mit modernen 
LED-Scheinwerfern zusammenarbeitet (darum auch 7.2V).

Die ganze Schaltung habe ich in ein Metallgehäuse eingebaut, wobei 
zusätzlich zu der Platine und dem Akku nur noch die Schalter (bzw. ein 
Schalter 2*um mit Mittelstellung) und einige Kleinteile benötigt werden.
Die Halterung habe ich so ausgelegt, dass sie direkt am Rahmen befestigt 
wird; Die Schaltung wird dabei einfach in die Zuleitung des Dynamos 
eingeschleift.
Für die elektrischen Verbindungen nutze ich Stecker aus dem KFZ-Bereich, 
die ich mit Schrumpfschlauch isoliert habe.
Der Einbau muss sorgfältig erfolgen, da die Schaltung später am Rad 
Schütteleien und auch mal Stürze aushalten können sollte.

Ein paar Daten:

-Eingangsspannung 0-12V AC, 500mA
-Ausgang 7.2V / 5V DC, 500mA
-Akkukapazität: 1.2 Ah, reicht für etwa 2:45 Std Standlicht
-Ladung: Bei Licht aus ab etwa 8-10 km/h, bei Licht an ab etwa 15 km/h
-Ladeleistung: C/0.4 bei Licht aus, C/12 bei Licht an
-Max. Ladestrom 500 mA bei >15 km/h
-Max. aufgenommene Leistung: 6 VA bei 12V
-Name: BikeBox EVO

Die Daten sind gemittelt und hängen natürlich auch vom Dynamo sowie der 
Laufradgröße ab.

Die Schaltung ist komplett getestet und läuft seit einigen Wochen über 
bis jetzt ca. 1000 km fehlerfrei am Tourenrad.

Fragen sind willkommen ;)

gruß

tobi

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Eine Anmerkung: Nicht über manche Bauteile wundern ;) Ich hab das 
genommen, was ich grad da hatte ;)
PS. Ich sehe grad, das auf dem Bild der Platine die Massefläche fehlt - 
in der Eagle-Datei ist sie vorhanden.

Noch ein Wert:

Effizienz: etwa 82%, gemessen bei Pout=3.6W und Uin=12V. Allerdings war 
Uin DC, so dass dies nicht der tatsächlichen Effizienz im Dynamobetrieb 
entspricht.
Die praktische Erfahrung zeigt aber, dass mein Shinamo-Nabendynamo ab 
etwa 15 km/h ausreicht, um die Akkus selbst bei eingeschaltetem Licht 
noch mit C/12 zu laden; Bei ausgeschaltetem Licht ist die Ladeleistung 
bei C/0.4 bei >=15 km/h. Das reicht für mich.

gruß

tobi

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Anbei eine kurze Aufbauanleitung.

Ich verwende das Alu-Gehäuse Bopla A102. Die Platine wird einfach mit 
dem Gehäuse am Boden mittels 4 M3-Schrauben verschraubt. Logisch, das 
hierfür 4 3m--Löcher gebohrt werden müssen ;)
Auf ausreichenden Abstand der Platine zum Gehäuse ist dabei zu achten, 
um Kurzschlüsse zu vermeiden. 2mm Abstandhalter und eine zusätzliche 
Isolation des Gehäusebodens (z.b. mittels aufgeklebter PC-Folie) haben 
sich herfür bewährt.

Der Shuntregel-transistor Q3 und der Ladekondensator C2 werden dabei 
nicht auf der Platine montiert; Q3 wird mittels Glimmerschreibe und 
Plastikschraube an der Gehäuserückwand befestigt; C2 wird liegend an den 
Gehäuseboden geklebt.
Auf guten Wärmekontakt von Q3 mit dem Gehäuse ist dabei zu achten, da Q3 
bei vollem Akku bis zu 5.5W verheizen muss.

Die 3 Lithium-Akkus werden zu einem Pack zusammengefügt, + und - mit 
einen ca 7 cm langen Draht versehen und dann geeignet isoliert (z.B. 
mittels Klebeband oder Schrumpflschlauch) und mit 2-Komponenten-Kleber 
im Gehäusedeckel verklebt.

Der Schalter wird in die Gehäusefront gesetzt, dafür muss ein 6mm-Loch 
gebohrt werden.
Das Verdrahtungsschema habe ich angehängt.

Die Drähte für Ein- und Ausgang sowie für den USB werden über die 
vorhandenen Kabeleinführungen des Gehäuses nach außen geführt und 
beidseitig mit Kabelbindern o.ä. zugentlastet.
Anschließend werden die Einführungen versiegelt; Ich habe sie einfach 
mit wasserbeständigem Kleber aufgefüllt.

Die Anschlüße für Dynamo und Licht werden mit geeigneten 
Anschlußsteckern (z.B. aus dem KFZ-Bereich) versehen, für den USB nutze 
ich eine simple Chinchbuchse, die ich abgedichtet habe. Dazu dann 
natürlich einen Adapter Chinch auf USB.

Ich hoffe ich habe nichts gergessen, bei Fragen einfach fragen ;)

Anbei die Reicheltliste für die benötigten Teile:

LIFEPO4 18650FPZ   Lithium-Eisen-Phosphat Akku YT18650 FP   1   3   9,95 
€   29,85 €
CK HQ RT   Cinchkupplung, High-Quality, 6,4mm, rot   1   1   1,05 € 
1,05 €
LA 205-5   Zwillingslitze, flexibel, 2x0,5mm², 5m-Ring   1   1   1,10 € 
1,10 €
MS 500J   Kippschalter, 2-polig, 3A-250VAC, (Ein)-Aus-(Ein)   1   1 
2,45 €   2,45 €
BOPLA A-102   Alu-Gehäuse, IP66, 98x 64x 34mm   1   1
  15,95 €   15,95 €

Verdrahtungsschema:

Schalter-PIN : Bikebox-Platine

1 und 3 : + Eingang Schaltgler (JP4/1)
2 : Akku + (JP4/2)
4 : +Ausgang USB (USB-Kabel + und JP5/1)
5 : +Ausgang Schaltregler (JP3/1)
6 : +Ausgang Licht

Masse (JP3/2) wird mit Minus des Ausgangskabels und des USB-Kabels 
verbunden; JP5/2 bleibt offen.

So entsteht eine Verschaltung, in der mit dem Schalter die Positionen 
Fahrtlicht - aus - USB gewählt werden können.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Nochmal komplett, da fehlte was. Sorry!

Anbei eine kurze Aufbauanleitung.

Benötigtes Material:

2-Komponenten-Kleber wasserfest
Schrumpfschlauch diverse
4 * Schraube M3*2.5 Schlitz mit Kontermutter Metall
1 * Abstandhalter M3 2mm
1 * PVC-Folie
1 * Schraube M3*2.5 Schlitz mit Kontermutter Kunststoff für Q3
1 * Zwillingslitze 2*0.5mm² ca. 50 cm
5 * Kabelbinder

Benötigtes Werkzeug:
Lötkolben
Schraubendreher Schlitz
1 * Bohrer für Alu 3mm
1 * Bohrer für Alu 6mm
1 * Akkubohrer oder Bohrmaschine regelbar

Aufbau Platine:

Zunächst wird die Platine bestückt. Es empfiehlt sich, erst die 
kleinsten SMD-Bauteile zu bestücken, dann die Kondensatoren, und zum 
Schluß die bedrahteten Teile. Q3 und C2 werden dabei nicht auf der 
Plaine montiert (siehe unten).
Q1 wird "liegend" montiert, siehe Fotos.
Kein Bauteil darf höher von der Platine abstehen als die Kondensatoren, 
da es sonst im komplett eingebautem Zustand mit dem Akku kollidieren 
kann!
Die Platine wird dann an ein Labornetzteil (13V, 100 mA) gehängt, und 
der Shuntregler wird mit R4 auf 11.2 Volt (gemessen an JP1-1 und JP1-2) 
eingestellt.
Dann wird JP4 gebrückt, womit der Schaltregler einschaltet. Dieser wird 
mit R6 auf 7.2V (gemessen an JP3-1 und JP3-2) abgeglichen. Dann wird JP5 
gebrückt, und geprüft, ob die Ausgangsspannung auf etwa 5V zurückgeht. 
Ist dies nicht der Fall, wird R11 vergrößert, bis etwa 5V anliegen.
Alle Brücken werden jetzt entfernt.

Einbau ins Gehäuse:

Ich verwende das Alu-Gehäuse Bopla A102. Die Platine wird einfach mit 
dem Gehäuse am Boden mittels 4 M3-Schrauben und Kontermuttern 
verschraubt. Die Schrauben werden dabei von außen eingeführt. Logisch, 
das hierfür 4 3m--Löcher gebohrt werden müssen ;)
Auf ausreichenden Abstand der Platine zum Gehäuse ist dabei zu achten, 
um Kurzschlüsse zu vermeiden. 2mm Abstandhalter und eine zusätzliche 
Isolation des Gehäusebodens (z.b. mittels aufgeklebter PC-Folie) haben 
sich herfür bewährt.
Die Platine sollte so tief wie möglich im Gehäuse sitzen, da der Akku 
später einen Großteil des Raums im Gehäuse einnimmt. Aus diesem Grund 
wird auch C2 nicht auf der Platine bestückt (siehe nächsten Abschnitt).

Der Shuntregel-Transistor Q3 und der Ladekondensator C2 werden nicht auf 
der Platine montiert; Q3 wird mittels Glimmerschreibe und 
Plastikschraube an der Gehäuserückwand befestigt; C2 wird liegend an den 
Gehäuseboden geklebt. Beide werden mit Drähten (ca 5 cm lang) mit der 
Platine verbunden; Die Lötungen sollten dabei zwecks besserer Stabilität 
mit Schrumpfschlauch versehen werden.
Auf guten Wärmekontakt von Q3 mit dem Gehäuse ist dabei zu achten, da Q3 
bei vollem Akku bis zu 5.5W verheizen muss.

Die 3 Lithium-Akkus werden zu einem Pack zusammengefügt (in 
Reihenschaltung verlötet und zusammengeklebt), + und - des Akkupacks mit 
je einem ca 7-8 cm langen Draht versehen und dann geeignet isoliert 
(z.B. mittels Klebeband oder Schrumpflschlauch) und mit 
2-Komponenten-Kleber im Gehäusedeckel verklebt. Auf festen Sitz des 
Akkus ist dabei unbedingt zu achten!
Es empfiehlt sich, den Akkudraht zusätzlich mit Schrumpfschlauch zu 
isolieren.

Der Schalter wird in die Gehäusefront gesetzt. Dafür muss ein 6mm-Loch 
gebohrt werden.
Das Verdrahtungsschema habe ich angehängt.

Die Drähte für Ein- und Ausgang sowie für den USB werden über die 
vorhandenen Kabeleinführungen des Gehäuses nach außen geführt und 
beidseitig mit Kabelbindern o.ä. zugentlastet.
Anschließend werden die Einführungen versiegelt; Ich habe sie einfach 
mit wasserbeständigem Kleber aufgefüllt. Ggf. müssen die 
Kabeleinführungen etwas erweitert werden.

Test: Die ganze Box kommt jetzt an ein Labornetzteil (13V, 500mA). Nun 
wird getestet, ob der Akku geladen wird, und ob Licht und USB 
funktionieren.

Wenn alles funktioniert, wird das Gehäuse verschlossen und verschraubt. 
Dabei ist darauf zu achten, das keine Kabel o.ä. vom Akku gequetscht 
werden, da nur sehr wenig Platz im Gehäuse verbleibt.

Anbau am Rad:

Die Anschlüße für Dynamo und Licht werden mit geeigneten 
Anschlußsteckern (z.B. aus dem KFZ-Bereich) versehen, für den USB nutze 
ich eine simple Chinchbuchse, die ich abgedichtet habe. Dazu dann 
natürlich einen Adapter Chinch auf USB.

Ein Wort noch zur Montage am Rad: Ich verwende dafür simple Scharniere 
aus dem Baumarkt als Montagewinkel, wobei durch die verbleibenden 
Schraublöcher der Winkel Kabelbinder gezogen werden, welche die Box am 
Rahmen halten.
Die elektrische Verbindung stellen Stecker und Kabelschuhe aus dem 
KFZ-Bereich der, die zusätzlich mit Schrumpfschlauch ummantelt wurden.
Das Gerät selbst wird damit direkt in die Dynamozuleitung eingefügt. Die 
Zuleitung MUSS dabei zweipolig sein, da bei Nutzung des Rahmens als 
"Masse" eine Halbwelle kurzgeschlossen wird, was die Ladeleistung 
halbiert.

Ich hoffe ich habe nichts gergessen, bei Fragen einfach fragen ;)

Anbei die Reicheltliste für die benötigten Teile:

LIFEPO4 18650FPZ   Lithium-Eisen-Phosphat Akku YT18650 FP   1   3   9,95 
€   29,85 €
CK HQ RT   Cinchkupplung, High-Quality, 6,4mm, rot   1   1   1,05 € 
1,05 €
LA 205-5   Zwillingslitze, flexibel, 2x0,5mm², 5m-Ring   1   1   1,10 € 
1,10 €
MS 500J   Kippschalter, 2-polig, 3A-250VAC, (Ein)-Aus-(Ein)   1   1 
2,45 €   2,45 €
BOPLA A-102   Alu-Gehäuse, IP66, 98x 64x 34mm   1   1
  15,95 €   15,95 €

Verdrahtungsschema:

Schalter-PIN : Bikebox-Platine

1 und 3 : + Eingang Schaltgler (JP4/1)
2 : Akku + (JP4/2)
4 : +Ausgang USB (USB-Kabel + und JP5/1)
5 : +Ausgang Schaltregler (JP3/1)
6 : +Ausgang Licht

Masse (JP3/2) wird mit Minus des Ausgangskabels und des USB-Kabels 
verbunden; JP5/2 bleibt offen.

So entsteht eine Verschaltung, in der mit dem Schalter die Positionen 
Fahrtlicht - aus - USB gewählt werden können.


Ach ja, schwarz lackiert hab ich das Gehäuse noch - aber das ist kein 
Muss ;)

gruß

tobi

von TKT (Gast)


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Respekt für diesen guten Beitrag.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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danke :)

von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Sehr schön beschrieben!
Ich habe ähnliches vor, nur noch etwas umfangreicher. 60Wh an Akkus, 
damit ich meinen 15W LED-Flagscheinwerfer damit betreiben kann. Nur 
nimmt man sich dann gleich zu viel vor, auch noch mit auswertung des 
Nabendynamos als Tachogeber, "Boardnetz" damit man die Lampe mit und 
ohne Akkus betreiben kann etc.
Mir gefällt, dass du dein Gerät auf das wesentliche Reduziert hast, 
sodass man es "mal eben" nachbauen kann (und vor allem mit 
Standardbauteilen)
Respekt und Danke! :)

PS: Vielleicht solltest du einen Artikel im Wiki dadraus machen? Dann 
geht das nicht so leicht unter!

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hallo Hauke,

danke für die Anregung. Werd ich gern tun.

Aber jetzt muss ich ja doch mal fragen: 60 Wh an Akkus? Da vermute ich 
mal was a la 12V 5 Ah.
Willst du die nur per Dynamo laden? Das dauert doch ewig...und das 
Gewicht ist auch nicht ganz ohne, selbst bei Lithium-Akkus.

gruß

tobi

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hier sind Bilder von einem weiteren Gerät.

Dies ist das erste Gerät aus einer Kleinserie von 3 Geräten für ein paar 
Freunde und Bekannte.

gruß

tobi

von Tobias W. (hacker-tobi)


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von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Eher 2x 3,3V 10Ah ;) LiFePO

Ja natürlich dauert es ewig, wenn man das nur über den Dynamo laden 
will, deswegen ist auch eine externe Lademöglichkeit vorgesehen. Der 
Akku soll auch ein Fahrradnavi versorgen.
Außerdem versuche ich etwas mehr als die 6VA aus dem Dynamo zu holen, 
mal sehen ob das funktionieren wird ;)

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hi Hauke,

korrektur: Es sind regulär 3 VA (6V, 500mA). Mit Optimierungen (siehe 
BikeBox-Wiki) bekommst du aber auch mehr heraus, mit guten Dynamos sind 
6-8 Watt drin, allerdings ist das auch Geschwindigkeitsabhängig!
Die BikeBox selbst schaftt 5.5W Ladeleistung (11V, 500mA) am Shimano 
Nabendynamo bei >= 15 km/h.

Allerdings ist deine Akkuspannung selbst in Reihenschaltung recht 
niedrig (6.6V), so das die Ladeleistung max. 3.3W (mit 
Serienkondensatoren vielleicht auch 4 Watt oder so) erreichen kann.
Schaltregler zu Erhöhung des Ladestroms am Dynamo funktionieren nach 
meiner Erfahrung auch nicht besonders gut, da sich der Dynamo in etwa 
wie eine Konstantstromquelle mit stark schwankendem Spannungsbereich 
verhält. Ergo auch keine Lösung ;(

Und wozu brauchst du 60 Wh am Fahrrad? Das reicht selbst bei deinem 
15W-Scheinwerfer, um ihn (effizienter Regler vorausgesetzt) für mind. 3h 
zu betreiben. Dein GPS würde bestimmt zwei Wochen dran laufen ;)
Zum Vergleich: Ich nutze 9.9V und 1.2 Ah (knapp 12 Wh) aus einem 
LiFePo4-Akku. Ein Standardscheinwerfer mit 3W + 0.5W Rücklicht läuft 
damit rund 2,5h im reinen Akkubetrieb, mein Garmin GPS würde 40h im 
reinen Akkubetrieb laufen. Im kombinierten Betrieb übernimmt der Dynamo 
ab etwa 10-15 km/h die Versorgung und lädt den Akku nebenbei noch.

Gewicht ist auch noch ein Thema. Ich komme mit Gehäuse & co auf 420 
Gramm.

Tip von mir: wähle eine höhere Akkuspannung (z.B. 9.9V oder 13.2V), dann 
ist die Ladeleistung deutlich höher. Die Kapazität würde ich kleiner 
wählen (zB. 2.5 Ah = Zellengröße 26550), dann ist der Akku im 
Dynamobetrieb auch deutlich schneller geladen.
Zusätzlich würde ich die Ladeschaltung möglichst effizient auslegen, und 
mit Serienkondensatoren experimentieren, und dann ab Akku alle 
benötigten Ausgangs-spannungen und -ströme mittels Schaltregler 
erzeugen.

gruß

tobi

von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Hi Tobias,

danke schon mal für die Tipps!
Ich hab nen SON28, ich hoffe aus dem kann ich etwas herauskitzeln!
Geplant hatte ich gleichrichter --> "zwischenkreis" --> maximum power 
point tracker --> step down laderegler.
Ob das effizient funktioniert wird sich zeigen, aber ich hatte gehofft 
durch eine höhere zwischenkreisspannung und evtl kapazitive 
impedanzanpassung mehr leistung aus dem Dynamo holen zu können.
Die Geschwindigkeitsabhängigkeit dürfte nicht so ins gewicht fallen, bin 
eh meistens mit über 25 unterwegs.
Nach den nächsten zwei Klausuren und dem Urlaub kann das Testen dann 
losgehen ;)

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hallo Hauke,

interessanter Ansatz. Zwei anmerkungen dazu:

Hauke Radtki schrieb:
> Geplant hatte ich gleichrichter --> "zwischenkreis" --> maximum power
> point tracker --> step down laderegler.

Der Ansatz mit dem MPP-Tracker macht es interessant. 2-3 Dinge gebe ich 
dir noch mit auf den Weg:

1.) Wenn keine Last gezogen wird, weil der Akku voll ist, geht die 
Spannung des Dynamos hoch. Das muss der Regler aushalten können oder 
mittels Last (Shuntregelung) vernichten.

2.) Der MPP-Tracker muss mit schnellen Änderungen der Eingangsspannung 
zurechtkommen, was das Design z.B. gegenüber Solarreglern 
verkomplizieren dürfte.

Hauke Radtki schrieb:
> Die Geschwindigkeitsabhängigkeit dürfte nicht so ins gewicht fallen, bin
> eh meistens mit über 25 unterwegs.

Du musst bedenken, dass die Regelung unter allen Bedingungen auch stabil 
arbeiten muss, z.B. beim Anfahren, Ampelstops oder wenns mal bergauf 
geht.
Oder eben auch, wenn der Akku voll ist, du aber mit 40km/h unterwegs 
bist.

Hauke Radtki schrieb:
> Nach den nächsten zwei Klausuren und dem Urlaub kann das Testen dann
> losgehen ;)

Viel Spass dabei ;) Ich muss aber noch loswerden, dass die Bikebox und 
auch andere Schaltungen wie z.B. der Forumslader eben so einfach 
gehalten werden, weil wir als Entwickler schon lange Testreihen hinter 
uns haben.
Das soll dich nicht entmutigen, aber es gibt viele Probleme zu lösen, 
und die Regelung muss unter allen Bedingungen stabil arbeiten.

Folgendes habe ich z.B. schon selbst getestet (vereinfacht dargestellt):

-Simpelvariante Gleichrichter-Sieb C-Akku: Akku wird überladen

-Schaltregler Step-Down mit Eingangsstromüberwachung: Regelung pulsiert, 
da eine Spannungsquelle hinter eine Stromquelle läuft, Dynamospannung 
läuft bei zu geringer Last hoch

-Shuntregler: Das momentane Optimum; Akku wird nicht überladen, Regler 
ist inaktiv und sehr effizient bis Akku geladen ist, überflüssige 
Leistung wird verheizt

Folgende Faktoren sind beim Design zu berücksichtigen:

-Die Akkus müssen für eine Ladung mit CCCV ohne Temperaturmessung o.ä. 
geeignet sein (ist bei Lifepo4 gegeben, wenn man die Ladeschlußspannung 
nicht höher als 3.7V/Zelle ansetzt)

-Akkus müssen eigensicher sein, d.h. dürfen bei Kurzschluß oder Überlast 
kein Feuer fangen (ist bei LiFePo4 gegeben)

-Dynamo verhält sich ab etwa 15 km/h wie eine Stromquelle bei 500mA 
Abgabestrom; Ohne Last läuft die Spannung hoch und kann mehr als 60V 
erreichen!

-Unter 15 km/h ist die Leistungabgabe stark geschwindigkeits- und 
lastabhängig.

-Mit geeigneten Serien-C lässt sich mehr als 500mA aus dem Dynamo 
ziehen, da der induktive Blindwiderstand teilweise kompensiert wird.

-Der Dynamo gibt durch Gleichrichtung und Sieb-C keinen sauberen Sinus 
ab, auch treten Spikes auf.

-mechanische Faktoren sind ebenso zu berücksichtigen; Die gesamte 
Schaltung muss rüttel- und sturzfest sein.

-Die Schaltung muss von -10 bis +50 Grad funktionieren

gruß

tobi

von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Vielen Dank für die ganzen Tipps! :D

>>2.) Der MPP-Tracker muss mit schnellen Änderungen der Eingangsspannung
>>zurechtkommen, was das Design z.B. gegenüber Solarreglern
>>verkomplizieren dürfte.

Ich denke schneller als 1-2Hz brauch man die MMP Regelung nicht 
nachführen, da man im Bereich in dem die Effizienz wichtig ist eh keine 
großen Geschwindigkeitsänderungen haben wird.


>>-Schaltregler Step-Down mit Eingangsstromüberwachung: Regelung pulsiert,
>>da eine Spannungsquelle hinter eine Stromquelle läuft, Dynamospannung
>>läuft bei zu geringer Last hoch

Bei geringer Last könnte man die Dynamospannung choppen, so muss man 
nicht sinnlos leistung verheizen. Mosfets mit 150V Spannungsfestigkeit 
gibt es ja genug. Zur not kann man noch eine Überspannungssicherung bei 
100V oder so ähnlich parallel zum  Dynamo schalten. Dann kann nix 
hochlaufen ;)


>>-Die Akkus müssen für eine Ladung mit CCCV ohne Temperaturmessung o.ä.
>>geeignet sein (ist bei Lifepo4 gegeben, wenn man die Ladeschlußspannung
>>nicht höher als 3.7V/Zelle ansetzt)

Ja ich habe Lifepo4 im geplanten Einsatz ;) CC sollte kein problem sein, 
CV wird da schon kritischer, zur not kann man im CV betrieb dann einen 
shuntregler einsetzen, wenn das die regelung vereinfacht.


>>-Dynamo verhält sich ab etwa 15 km/h wie eine Stromquelle bei 500mA
>>Abgabestrom; Ohne Last läuft die Spannung hoch und kann mehr als 60V
>>erreichen!

Wie gesagt, man könnte die Dynamospannung (am einfachsten nach dem 
Gleichrichter, vor den Elkos) choppen, also Spannung per komparator mit 
maximalspannung vergleichen und wenn sie dadrüber liegt, den Mosfet 
abschalten. So kann die Spannung im leichtlastbetrieb nicht zu hoch 
werden.


>>-Mit geeigneten Serien-C lässt sich mehr als 500mA aus dem Dynamo
>>ziehen, da der induktive Blindwiderstand teilweise kompensiert wird.

Ja das habe ich mir auch schon gedacht, hast du eine größenordnung für 
die Induktivität eines Dynamos? Oder zur not für den Serien-C?



>>-mechanische Faktoren sind ebenso zu berücksichtigen; Die gesamte
>>Schaltung muss rüttel- und sturzfest sein.

>>-Die Schaltung muss von -10 bis +50 Grad funktionieren

Ja das muss man auch beachten, aber ich hoffe in SMD Bauweise wird das 
ganze halbwegs vibrationsfest. Befestigen werde ich das ganze unter 
meinem Gepäckträger, da wirds hoffentlich sturzfest sein ;)

Schön mit jemandem zu Reden der schon ein paar Erfahrungen zum 
Radreglerbau hat ;)

von Fritz (Gast)


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Ich spiel momentan auch mitm Nabendynamo rum, allerdings arbeite ich 
(noch) ohne Akkus. Ich habe mir eher das Ziel gesetzt mit einer XM-L + 
Zusatzschaltung eine in Serie verschaltete MC-E zu toppen (sowohl in 
Leistung als auch in Preis). Das Ergebniss ist bis jetzt allerdings 
etwas ernüchternd.

Ich hab dafür auch meinen Nabendynamo in einen kleinen improvisierten 
Prüfstand vermessen. Das interessante dabei ist, dass der MPP ziemlich 
genau beim halben Kurzschlussstrom liegt (der liegt über nahezu den 
kompletten Geschwindigkeitsbereich bei ca. 0,6A) und auch gar nicht 
genau getroffen werden muss. Solange der Strom ca. 0,2-0,4A beträgt ist 
die Leistungsabgabe des Dynamos recht nahe am Maximum. Dadurch kann man 
natürlich einen einfachen Quasi-MPP Regler realisieren, in dem man den 
Eingangsstrom regelt (ist bei mir momentan ein einfacher Step-Down, 
dessen Regelkreis den Eingangsstrom konstant bei 0,3A hält).
Das ist allerdings auch der Grund, warum ich mein Ziel bisher nicht 
erreichen konnte, da 4 in Serie geschaltete LEDs im Bereich vom 
10-25km/h sehr nahe am MPP sind. Erst bei höheren Geschwindigkeiten kann 
ich mir der XM-L + Zusatzbeschaltung mehr raushohlen.

Du wirst auf Grund der geringeren Akkuspannung sicherlich schon bei 
geringeren Geschwindigkeiten von einer MPP Regelung profitieren können, 
aber warscheinlich wäre es effizienter wenn du einfach 4 Zellen in Reihe 
schalten würdest.

Es gibts aber noch andere Möglichkeiten die Ausgangsleistung des Dynamos 
zu erhöhen. Die Kompensation des Blindwiderstands mittels 
Serienkondensators wurde ja schon genannt. Das könnte man ja durch eine 
geschickte geschwindigkeitsabhängige Verschaltung von zwei oder drei 
unterschiedlichen Kondensatorwerten optimieren.
Man kann natürlich auch noch den Oberwellenanteil reduzieren in dem man 
den Pufferkondensator weglässt (wie bei einer aktiven PFC), allerdings 
ist das auch ein recht großer Aufwand, verglichen mit dem was man 
dadurch rausholt.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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@Hauke: Die Spannung zu choppen, wäre noch eine Idee.
Mit der MPP-Regelung bin ich immer noch skeptisch, lasse mich aber gern 
eines besseren belehren.

Zum Serien-Kondensator: Die besten Ergebnisse bei Nabendynamos hatte ich 
bei 2*470yF antiseriell.
Das ist auch die Größenordnung, die Jens für seinen Forumslader 
verwendet.
Er empfiehlt bei Seitenläufern und 28er Nabendynamos am 20er Rad 
kleinere Kondensatoren.
Allerdings war es bei mir so, dass der Effekt erst >20 km/h deutlich 
ausgeprägt war, während es unter 15 km/h sogar zu Leistungsverlusten 
durch den ESR der Kondensatoren kam. Daher habe ich das zunächst wieder 
verworfen, da für mich die Ladeleistung bis 20 km/h wichtig ist (ich bin 
Bergfahrer g).
Wichtig ist auch der Lade-C. Dieser sollte nicht zu groß werden, da der 
Dynamo sonst in die Sättigung gerät. Bei mir haben sich 220yF als 
optimal erwiesen; Sowohl bei 100yF als auch bei 470yF bricht die 
Ladeleistung deutlich ein.

@Fritz: Wie sieht dein Prüfstand aus? Und die Schaltung des MPP-Reglers 
wäre auch interessant!
Was mich irritiert ist die Tatsache, das du den MP des Dynamos mit 
300-400 mA angibst. Ich schaffe ohne MPP-Regelung schon knapp 500mA, 
Jens beim Forumslader bis zu 800 mA nur durch Optimierung der Schaltung.
Oder habe ich da bezüglich des MPP-Konzeptes irgendwas falsch 
verstanden?

4 Zellen in Reihe sind eine Möglichkeit die Ladeleistung zu erhöhen, die 
Effizienz steigt aber nicht mehr an. Meine Schaltung (nur der Ladeteil) 
erreicht etwa 90% Effizienz, da Leistung lediglich an den Schottkydioden 
des Gleichrichters und der Rückfluß-Schutzdiode verlorengeht. Das sind 
zusammen rund 1.2V * 450 mA = 0,5W bei 5.1W max. Ladeleistung.
Für mich kommen 4 Zellen aus einem anderen Grund nicht in Frage: Die 
würde ich nämlich schlicht nicht mehr in meinem Gehäuse unterbekommen.
Und 2:30 Std Licht reichen mir auch ;)

Anbei mal ein paar Leistungsdaten, ermittelt mit einem 
Taschenoszilloskop während einer Radtour. Die Leistung wurde mit einem 
Lastwiderstand von 25 Ohm gemessen, der einen Akku bei rund 90% 
Ladestand simuliert.
Das Licht war dabei ausgeschaltet.
Die Ladeleistung steigt ab 15 km/h nicht mehr an, da der Shuntregler die 
Spannung begrenzt. Mit Serien-C würde der abgegebene Strom und damit die 
Leistung vermutlich noch weiter ansteigen.
Die Ungenauigkeiten sind natürlich nicht ohne, aber es zeigt sich schon 
ein Trend.

Speed (km/h) / Ua (V) / Ia (A) / Pa (W)
0  0  0 / 0
5  6  0 / 0
10  9  0.2 / 1.8
15 / 11.4 / 0.43 / 4,9 break-even-Point ;)
20 / 11.4 / 0.45 / 5,1
25 / 11.4 / 0.45 / 5,1
30 / 11.4 / 0.45 / 5,1
35 / 11.4 / 0.45 / 5,1
40 / 11.4 / 0.45 / 5,1

Ich gebe noch etwas zu bedenken, warum die Reglung einfach gehalten 
werden sollte: Das Ausfallrisiko. Nichts ist dümmer, als wenn man bei 
all der Technik Nachts ohne Licht dasteht ;)
Aber wenn sich ein Konzept finden würde, dass die Vorteile einer 
MPP-Regelung mit der Forderung nach Robustheit und Stabilität 
kombiniert, bin ich dabei.

gruß tobi

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hi,

ich mache auf Basis der Bikebox mal den Anfang eines einfachen 
Pflichten/Lastenhefts, das die Anforderungen an einen Dynamoladeregler 
dokumentiert, um daraus vielleicht mal etwas mit MPP-Regelung o.ä. 
entwickeln zu können.

Dies ist nur als Anregung zu sehen, momentan bin ich mit der BikeBox 
sehr zufrieden. Aber klar, es gibt immer Verbesserungspotential!

Das Gerät soll

-mit den Verhältnissen am Dynamo (Stromquelle, Imax 500-800? mA, 0-75 
Volt) dauerhaft und ohne Benutzereingriff zurechtkommen. Ob es dabei 
genügend spannungsfest ausgelegt wird, oder sich die Spannung (a la 
BikeBox) selbst ausregelt, ist zweitrangig.

-Mit dem verzerrten Sinus des Dynamos und möglichen Spikes etc. umgehen 
können

-2, 3 oder 4 Zellen LiIon/LiFePo4 oder PB 12V laden können ohne sie zu 
überladen.

-mind 3-4 W (2 Zellen LiFePo4) oder 5 Watt (3/4 Zellen LiFePo4, PB 12 V) 
ab 15 km/h zur Verfügung stellen (nach oben hin gern mehr)

-Parallel zum Akku angeschlossene Verbraucher mit betreiben können.

-schüttelfest und sturzsicher sein

-von -10 bis +50 Grad arbeiten können

-nachbaubar sein und möglichst mit Standardbauteilen arbeiten

-möglichst einfach bedienbar sein (install & forget)

-speziell meine Anforderung: Die Platine darf nicht größer als 55* 8 * 
70 mm (b  h  t) sein. Dafür reichen mir 3 Zellen LiFePo4. Externe 
Unterbringung von Bauteilen ist dabei begrenzt möglich.

-Auch wieder meine Anforderung: Das gesamte Gerät darf nicht schwerer 
als 500g sein, d.h. die Platine sollte nicht schwerer als 100g sein.

Dies sind bewußt nur die Anforderungen für den Lader, was jeder dahinter 
an Akkus und Verbrauchern betreibt ist hier nicht Thema, da die 
Anforderungen hier zu verschieden sind.

von Fritz (Gast)


Angehängte Dateien:

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Tobias W. schrieb:
> Allerdings war es bei mir so, dass der Effekt erst >20 km/h deutlich
> ausgeprägt war, während es unter 15 km/h sogar zu Leistungsverlusten
> durch den ESR der Kondensatoren kam.

Das liegt nicht am ESR, sondern daran, dass der Kondensator bei 
niedrigen Frequenzen eben eine hohe Impedanz hat.

Die maximale Leistung erzielt man bei Leistungsanpassung, also wenn der 
Betrag des Lastwiderstandes gleich dem Betrag der Quellimpedanz ist. 
Zusätzlich kann man die Leistung maximieren, indem man den induktiven 
Anteil des Dynamos mit einer Kapazität kompensiert, die optimale 
Kapazität ist allerdings geschwindigkeitsabhängig, so dass ein 
Serienkondensator immer nur bei einer Geschwindigkeit optimal wirkt. Bei 
höheren Geschwindigkeiten wird er letztendlich wirkungslos, bei 
geringeren Geschwindigkeit wird er zu einem großen Vorwiderstand.

Tobias W. schrieb:
> Wichtig ist auch der Lade-C. Dieser sollte nicht zu groß werden, da der
> Dynamo sonst in die Sättigung gerät.

In Sättigung gerät hier nichts. Das Magnetfeld wird im Dynamo von 
Permanentmagneten erzeugt und ist somit konstant. Die Verschlechterung 
bei großem Puffer Kondensator liegt am induktiven Anteil des 
Quellwiderstandes. Ein großer Pufferkondensator hat mehr Verzerrungen 
zur Folge und damit einen höheren Oberwellenanteil, für die stellt dann 
der induktive Anteil des Dynamos einen höheren Widerstand dar.

Tobias W. schrieb:
> @Fritz: Wie sieht dein Prüfstand aus? Und die Schaltung des MPP-Reglers
> wäre auch interessant!
> Was mich irritiert ist die Tatsache, das du den MP des Dynamos mit
> 300-400 mA angibst. Ich schaffe ohne MPP-Regelung schon knapp 500mA,
> Jens beim Forumslader bis zu 800 mA nur durch Optimierung der Schaltung.
> Oder habe ich da bezüglich des MPP-Konzeptes irgendwas falsch
> verstanden?

Ich hab die Schaltung mal angehängt, allerdings hab ich sie schon leicht 
abgeändert. Der Pufferkondenstor sitzt jetzt vor dem Shunt, dadurch kann 
man prinzipiell die Schaltung noch weiter vereinfachen.
Ist prinzipiell ein aus einem LM293 aufgebauter Schaltregler, der den 
Eingangsstrom regelt.

Du verwechselt übrigens gerade Leistung mit Strom. Der Dynamo bringt die 
maximale Leistung eben nicht beim maximalen Strom.

von 900ss D. (900ss)


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Ich mische mich mal ein ;-)

Tobias W. schrieb:
> 0-75 Volt) dauerhaft

Das reicht nicht. Der SON liefert angeblich Peaks von 100V.

Tobias W. schrieb:
> ohne sie zu überladen.

Ein Tiefentladeschutz für die Akkus ist auch wichtig. Vermisse ich auch 
in deinem aktuellen Lader.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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@Fritz: Vielen dank für die Erklärungen. Du hast natürlich Recht 
bezüglich des Unterschieds Impedanz - ESR. Aber genau das Problem, dass 
der C bei geringen Geschwindigkeiten wie ein Vorwiderstand wirkt, ist 
mein Problem, da ich als Bergfahrer des öfteren mit <15 km/h unterwegs 
bin, und C für derartige Geschwindigkeiten dann schon recht voluminös 
(passt nicht mehr in mein Gehäuse = für mich zu gross) wird.
Mir reichen dann auch die etwa 5.5W Ladeleistung ab 15 km/h aus, mein 
persönliches Ziel "Akku wird auch bei enschaltetem Licht fitgehalten" 
ist erreicht, und die Schaltung ist einfach und effizient.
Trotzdem finde ich die Diskussion sehr interessant, und bin gern bereit, 
an Optimierungen mitzuarbeiten, aber sie müssen (nur nach meiner 
Ansicht!) alle Anforderungen aus meinem letzten Beitrag erfüllen.

Fritz schrieb:
> In Sättigung gerät hier nichts. Das Magnetfeld wird im Dynamo von
> Permanentmagneten erzeugt und ist somit konstant. Die Verschlechterung
> bei großem Puffer Kondensator liegt am induktiven Anteil des
> Quellwiderstandes. Ein großer Pufferkondensator hat mehr Verzerrungen
> zur Folge und damit einen höheren Oberwellenanteil, für die stellt dann
> der induktive Anteil des Dynamos einen höheren Widerstand dar.

Du hast recht, der Begriff Sättigung war hier nicht angebracht, du 
drückst es besser aus.
Definitiv bewirkt ein zu groß gewählter Pufferkondensator einen Abfall 
der Leistung von rund 1-2 W (1000yF zu 220yF), das belegen meine 
Versuche.

Aber nein, ich habe nicht Leistung mit Strom verwechselt ;) Für mich ist 
der maximale Ladestrom relevant. Bei welcher Spannung liegt denn der 
Dynamo am MPP und wie viel Leistung konntest du somit entnehmen?

@900ss D.

Beides so nicht ganz korrekt. Der SON liefert zwar (soweit mir bekannt) 
einzelne Spikes mit 100V und mehr (wie auch andere Dynamos), diese 
lassen sich aber schon mit nem kleinen Varistor oder sogar nur mit 100n 
abfangen, da sie sehr schwach sind. Das haben zumindest meine Tests 
gezeigt. Die Spannung im Leerlauf steigt dagegen Linear mit etwa 
1.5V/km, erreicht also 75V bei 50km/h. Für die meisten Radler sollte das 
ausreichen. Mehr Spannungsfestigkeit schadet natürlich nicht.

Du hast recht, die Akkus müssen vor Tiefentladung geschützt werden. 
Einen dedizierten Tiefentladeschutz hat die Bikebox nicht, allerdings 
verhält
sich der Ausgangsregler der Bikebox wie folgt: Ab etwa 8.2V sinkt die 
Spannung des Reglers im Lichtbetrieb ab, das Licht wird also dunkler. 
Schlußendlich muss man nur in die Pedale treten, falls das Licht dunkler 
wird und beim Abstellen des Rades kontrollieren, dass der Schalter auf 
"aus" steht. Mir reicht das zur Zeit aber klar - ein Tiefentladeschutz 
z.B.
mittels Komparator ist eine simple und gute Ergänzung.

von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Ich würde vermuten, dass man bei geringen Geschwindigkeiten am besten 
mit überbrücktem Kondensator auskommt.
Ich würde die Eingangsbeschaltung auf 150V auslegen, wenn deine Aussage 
stimmt, liegt mein Spannungsrekord bei 119V ...  Aber in dem Bereich 
geht es garnicht mehr um "Effizienz" im eigentlichen Sinne, da würde ich 
eher sagen man schaltet ab, sodass man die "Rollverluste" gering hält, 
in dem Bereich muss man ja nicht zwingend laden ;)
Ich werd in den nächsten Tagen mal anfangen den Schaltplan zu zeichen so 
wie ich mir das vorstelle, also zumindest schon mal Eingangskreis mit 
Schutzschaltung, wie ich den Schaltregler realisiere weiß ich noch nicht 
so ganz.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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119V =80 km/h? respekt ;) Meiner liegt dann wohl bei 91.5V - ok gilt 
nicht war aufm Mountainbike, das hat keinen Dynamo ;)

Spass bei Seite. Wie schon gesagt, Spannungsfestigkeit ist gut, aber die 
meisten werden kaum über 50 km/h kommen ;)
Mein Shuntregler hat hier den Vorteil, dass er sich seine 
Maximalspannung selbst ausregelt, daher spielt Spannungsfestigkeit eher 
weniger eine Rolle. Ich habe die Eingangsstufe für 35V ausgelegt, in der 
Regel liegt die Spannung hier max. bei geregelten 11.4V.

Aber klar, in jedem anderen Design muss die Leistung entweder verheizt 
oder die Verbindung zum Dynamo getrennt werden.

Fritz z.B. vernichtet in seiner Schaltung ja auch alles oberhalb von 33V 
in D8 (in Kombination mit S1).Eine ähnliche Schaltung verwendet auch der 
Forumslader. In Frtz Fall würde ich die Eingangs_C (C1&C2) allerdings 
mit 50V auslegen, um etwas mehr Reserve zu haben. Alternativ nach 
Vorschlag von Hauke per MosFet und Komparator o.ä. choppen.

Auf deinen Plan bin ich schon gespannt!
Prinzipiell hat Fritz keinen schlechten Ansatz gewählt, allerdings ist 
zu klären, inwieweit sich das auf einen Akkulader übertragen lässt, da 
seine LED ganz andere Anforderungen hat als ein Akku.

Aber dazu die Tage mehr, ich geh jetzt ins Bett ;) gute N8.


gruß

tobi

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hauke Radtki schrieb:
> Ich würde vermuten, dass man bei geringen Geschwindigkeiten am besten
> mit überbrücktem Kondensator auskommt.

Das denke ich auch. Oder eben mit sehr großen und voluminösen Cs, was 
für mich keine Option ist.

> Ich würde die Eingangsbeschaltung auf 150V auslegen, wenn deine Aussage
> stimmt, liegt mein Spannungsrekord bei 119V ...  Aber in dem Bereich
> geht es garnicht mehr um "Effizienz" im eigentlichen Sinne, da würde ich
> eher sagen man schaltet ab, sodass man die "Rollverluste" gering hält,
> in dem Bereich muss man ja nicht zwingend laden ;)

119V =80 km/h? respekt ;) Meiner liegt dann wohl bei 91.5V - ok gilt 
nicht war aufm Mountainbike, das hat keinen Dynamo ;)

Spass bei Seite. Ok überzeugt, nehmen wir 150V an.
Mein Shuntregler hat hier den Vorteil, dass er sich seine 
Maximalspannung selbst ausregelt, daher spielt Spannungsfestigkeit eher 
weniger eine Rolle, das Ding muss lediglich Transienten aushalten 
können. Ich habe die Eingangsstufe für 35V ausgelegt, in der Regel liegt 
die Spannung hier max. bei geregelten 11.4V.

Ich gebe dir Recht, aus Effizienzgründen sollte man bei anderen Designs 
als dem Shuntregler z.B. bei 40V choppen.
Alternativ eben Leistung verheizen.

Fritz z.B. vernichtet in seiner Schaltung ja auch alles oberhalb von 33V 
in D8 (in Kombination mit S1).Eine ähnliche Schaltung verwendet auch der 
Forumslader. In Fritz Fall würde ich die Eingangs_C (C1&C2) allerdings 
mit 50V auslegen, um etwas mehr Reserve zu haben. Alternativ nach 
Vorschlag von Hauke per MosFet und Komparator o.ä. choppen.

Auf deinen Plan bin ich schon gespannt!
Prinzipiell hat Fritz keinen schlechten Ansatz gewählt, allerdings ist 
zu klären, inwieweit sich das auf einen Akkulader übertragen lässt, da 
seine LED ganz andere Anforderungen hat als ein Akku.

Aber dazu die Tage mehr, ich geh jetzt ins Bett ;) gute N8.

PS. Ignoriert den letzten Post. Das war die Müdigkeit!

gruß

tobi

von Fritz (Gast)


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Tobias W. schrieb:
> Aber nein, ich habe nicht Leistung mit Strom verwechselt ;) Für mich ist
> der maximale Ladestrom relevant. Bei welcher Spannung liegt denn der
> Dynamo am MPP und wie viel Leistung konntest du somit entnehmen?

Ok, du hast eine Linearanwendung, da entspricht der Ladestrom dem 
Dynamostrom. Bei mir werkelt ein Schaltregler, da gilt das natürlich 
nicht. Die Spannung am MPP ist geschwindigkeitsabhängig, momentan 
erreiche ich mit der Schaltung 6W Ausgangsleistung bei 40km/h, das sinkt 
mit abnehmender Geschwindigkeit nahezu linear ab.

Tobias W. schrieb:
> Fritz z.B. vernichtet in seiner Schaltung ja auch alles oberhalb von 33V
> in D8 (in Kombination mit S1).Eine ähnliche Schaltung verwendet auch der
> Forumslader. In Frtz Fall würde ich die Eingangs_C (C1&C2) allerdings
> mit 50V auslegen, um etwas mehr Reserve zu haben. Alternativ nach
> Vorschlag von Hauke per MosFet und Komparator o.ä. choppen.

D8 ist nur eine Vorsichtsmaßnahme und im Normalfall hat die nichts zu 
tun. Die eigentliche Begrenzung findet über D5 statt, sobald bei höheren 
Geschwindigkeiten die Eingangsspannung über 22V steigt, beginnt die zu 
leiten und dreht damit den DutyCycle des Schaltreglers auf und die 
Schaltung wird vom MPP- zum Shuntregler.

PS: S1 ist ein stinknormaler Schalter, der zum ein- und ausschalten 
dient.

Tobias W. schrieb:
> Auf deinen Plan bin ich schon gespannt!
> Prinzipiell hat Fritz keinen schlechten Ansatz gewählt, allerdings ist
> zu klären, inwieweit sich das auf einen Akkulader übertragen lässt, da
> seine LED ganz andere Anforderungen hat als ein Akku.

So stark unterscheiden sich Akku und LED eigentlich gar nicht. Der 
größte Unterschied ist der, dass die LED nicht voll werden kann. 
Prinzipiell kann man die LED problemlos durch einen (1-2 Zellen-) Akku 
ersetzen, natürlich braucht man dann noch zusätzliche eine Abschaltung 
bei vollem Akku. Das könnte im einfachsten Fall ein einfacher Komparator 
sein, der bei Erreichen der Ladeschlussspannung die Verbindung zum 
Dynamo kappt und mit einer geeigneten Hysterese wieder einschaltet.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hi Fritz,

Fritz schrieb:
> Ok, du hast eine Linearanwendung, da entspricht der Ladestrom dem
> Dynamostrom. Bei mir werkelt ein Schaltregler, da gilt das natürlich
> nicht. Die Spannung am MPP ist geschwindigkeitsabhängig, momentan
> erreiche ich mit der Schaltung 6W Ausgangsleistung bei 40km/h, das sinkt
> mit abnehmender Geschwindigkeit nahezu linear ab.

Okay, vielleicht brauche ich noch mehr Aufklärung zum Thema MPP - habe 
da bis jetzt keine Erfahrungen. Insofern sind meine folgenden Aussagen 
zu verstehen:
Ich finde das recht wenig Ausgangsleistung, da die BikeBox 5.5W schon 
bei 15km/h schafft und der Forumslader bei höheren Geschwindigkeiten 
sogar 8-9W packt.
Oder verstehe ich da jetzt irgendwas falsch und es geht noch mehr, 
insbesondere auch bei geringeren Geschwindigkeiten?

Fritz schrieb:
> D8 ist nur eine Vorsichtsmaßnahme und im Normalfall hat die nichts zu
> tun. Die eigentliche Begrenzung findet über D5 statt, sobald bei höheren
> Geschwindigkeiten die Eingangsspannung über 22V steigt, beginnt die zu
> leiten und dreht damit den DutyCycle des Schaltreglers auf und die
> Schaltung wird vom MPP- zum Shuntregler.
>
> PS: S1 ist ein stinknormaler Schalter, der zum ein- und ausschalten
> dient.

ok, die habe ich gestern gar nicht mehr wahrgenommen - Müdigkeit sei 
dank.
Ich dachte S1 wäre ein Thermoschalter, darum sprach ich von der 
Kombination S1/D8.

> So stark unterscheiden sich Akku und LED eigentlich gar nicht. Der
> größte Unterschied ist der, dass die LED nicht voll werden kann.
> Prinzipiell kann man die LED problemlos durch einen (1-2 Zellen-) Akku
> ersetzen, natürlich braucht man dann noch zusätzliche eine Abschaltung
> bei vollem Akku. Das könnte im einfachsten Fall ein einfacher Komparator
> sein, der bei Erreichen der Ladeschlussspannung die Verbindung zum
> Dynamo kappt und mit einer geeigneten Hysterese wieder einschaltet.

LiIon werden üblicherweise nach CCCV geladen. In Bezug auf den Schritt 
CC gebe ich dir recht, wenn man mal außen vor lässt, das die 
Akkuspannung hier stetig ansteigt.
Im CV-Teil allerdings bestimmt der Akku den Ladestrom, die Ladespannung 
wird vom Lader konstant gehalten.
Hier greift dann im Fall der Bikebox der Shuntregler, beim Forumslader 
und auch anderen lösungen der Linearregler.
Ergo kannst du mit einer reinen Stromquelle und Komparator nur 
ungenügend laden. Im Fall der Bikebox mit parallel angeschlossenem 
Verbraucher wird es dann noch etwas komplexer, hier ist An- und 
abschalten mittels Komparator keine Lösung mehr, da der Akku stänig 
geladen- und (bis zum Wiedereinschalten) entladen würde.

Allen eine gute N8, ich geh jetzt ins Bett ;)

von Fritz (Gast)


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Tobias W. schrieb:
> Okay, vielleicht brauche ich noch mehr Aufklärung zum Thema MPP - habe
> da bis jetzt keine Erfahrungen. Insofern sind meine folgenden Aussagen
> zu verstehen:
> Ich finde das recht wenig Ausgangsleistung, da die BikeBox 5.5W schon
> bei 15km/h schafft und der Forumslader bei höheren Geschwindigkeiten
> sogar 8-9W packt.
> Oder verstehe ich da jetzt irgendwas falsch und es geht noch mehr,
> insbesondere auch bei geringeren Geschwindigkeiten?

Nö, das hast du schon richtig verstanden. Ich habs ja auch in meinem 
ersten Beitrag erwähnt, dass das Ergebnis nicht so berauschend ist. Das 
liegt einerseits am relativ schlechten Wirkungsgrad der Schaltung (Bei 
einem Step Down mit geringem DC und geringer Ausgangsspannung machen 
sich eben die Verluste an der Freilaufdiode bemerkbar) und zum anderen 
auch an meinem Dynamo. Der liefert bei 15 km/h selbst mit optimaler 
ohmscher Last max. 3,5W, bei 30 km/h 7W. Mehr ist dem ohne 
Serienkondensator nicht zu entlocken.
Mit einer höheren Ausgangsspannung wäre das aber wahrscheinlich besser, 
da dann die Schaltung einen besseren Wirkungsgrad haben sollte. 
Allerdings macht eine MPP Regelung in meinen Augen sowieso nur bei max. 
2 Liion Zellen Sinn. Bei höheren Ausgangsspannungen ist ein direkter 
Anschluss an den Dynamo effektiver.

Tobias W. schrieb:
> LiIon werden üblicherweise nach CCCV geladen. In Bezug auf den Schritt
> CC gebe ich dir recht, wenn man mal außen vor lässt, das die
> Akkuspannung hier stetig ansteigt.
> Im CV-Teil allerdings bestimmt der Akku den Ladestrom, die Ladespannung
> wird vom Lader konstant gehalten.
> Hier greift dann im Fall der Bikebox der Shuntregler, beim Forumslader
> und auch anderen lösungen der Linearregler.
> Ergo kannst du mit einer reinen Stromquelle und Komparator nur
> ungenügend laden. Im Fall der Bikebox mit parallel angeschlossenem
> Verbraucher wird es dann noch etwas komplexer, hier ist An- und
> abschalten mittels Komparator keine Lösung mehr, da der Akku stänig
> geladen- und (bis zum Wiedereinschalten) entladen würde.

Mir ist schon klar wie man einen LiIon Akku lädt und dass die CV Phase 
hier problematisch ist. Ich sehe hier nur zwei einfache Möglichkeiten, 
den einen mit dem Shuntregler ist ja schon bekannt, das hat allerdings 
den Nachteil, dass man Energie verheizt, die man mühsam erstrampeln 
muss. Dei zweite wäre eben auf die CV Phase zu verzichten. Dadurch wird 
der Akku allerdings nur zu 70-80% voll. Das ständige laden und entladen 
ist für den Akku allerdings kein Problem, da würd ich mir eher Gedanken 
machen, ob man das zu- und abschalten der Last nicht evtl. beim fahren 
merkt.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hi Fritz,

ok, danke für die Infos. Dann ist MPP für mich erstmal vom Tisch.

Bezüglich des Akkus: Ja, könnte man so machen. Die Lastan/ab-schaltung 
spürt man kaum, ich hatte das in einer älteren Version der Bikebox mal 
in einem anderen Zusammenhang (Avalanche-Diode zur Spannungsbegrenzung + 
Thermoschalter = "russische" Version) getestet. Außer dem hörbaren 
"Klick/Klack" des Thermoschalters war da nix zu spüren. Von daher 
möglich, wenn man mit dem MPP-Regler laden will.
Eins gebe ich aber noch zu bedenken: Jeder Ladezyklus (auch 
Teilladezyklen) reduziert die Lebensdauer des Akkus. Allerdings kann ich 
nicht sagen, wie viel das hier ausmachen würde, vor allem da die Akkus 
ohnehin auch durch andere Faktoren (nicht-optimale Ladung, heftige 
Betriebstemperaturen von -10 bis +50 Grad übers Jahr usw) gestresst 
werden.

gruß

tobi

von Achim M. (minifloat)


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Fritz schrieb:
> Mit einer höheren Ausgangsspannung wäre das aber wahrscheinlich besser,
> da dann die Schaltung einen besseren Wirkungsgrad haben sollte.

Man könnte ja die Spannung mit einem einfachen Spannungsverdoppler, der 
mit Mosfets als gesteuerte Dioden arbeitet, anheben. Vielleicht kann man 
dann einen Step-Down besser betreiben.

mfg mf

von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Ich hab gerade ein ganz Interessantes PDF gefunden, wo vor allem ein 
Paar Messkurven für den SON28 mit und ohne Serienkondensator zu finden 
sind, incl. der nötigen Antriebsleistung.
http://www.enhydralutris.de/Fahrrad/Beleuchtung.pdf

Es ist ewig lang, ich hab gerade erst gefunden und 2 seiten gelesen, 
aber ich bin mir sicher dass da einiges nützliches drin steht!

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Hi,

das ist die Bibel zum Thema Fahrradbeleuchtung ;) Da steht in der Tat 
sehr viel nützliches drin, u.a. zum Lastverhalten von Dynamos und zur 
Bestimmung von Serien-Cs

gruß

tobi

PS.: Alle 4 Geräte meiner Kleinserie sind jetzt fertig ;)

von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Ich bin gerade etwas am herum simulieren was das Choppen und den (zu und 
abschaltbaren) Serienkondensator angeht. Das wird schon ganz schön 
komplex, da man für jeden wechselstromschalter eine galvanisch getrennte 
versorgungsspannung benötigt. Die will wiederum sparsam erzeugt werden.

Beim Choppen der Eingangsspannung will natürlich die eventuell noch in 
der Dynamoinduktivität gespeicherte Energie irgendwo hin, da muss man 
mit einer Spannungsbegrenzung dran, die natürlich auch wieder Leistung 
frisst. Bei mir in der Simulation momentan bis zu 1,85W Ich probier 
gerade die Mosfets weicher schalten zu lassen um das zu 
verhindern/verringern.
Natürlich ist das jetzt alles noch relativ theoretisch.

Aber soweit bin ich schon: Der Serienkondensator sollte so ab etwa 
35-40Hz zugeschaltet werden (vorher durch zwei antiserielle mosfets 
überbrückt) und ca 200µF groß sein. Auch bei höheren Frequenzen sollte 
man ihn nicht verringern, damit der Strom nicht unnötig steigt und durch 
den Wicklungswiderstand den Wirkungsgrad drückt.(Wer will schon 20W 
Ausgangsleistung wenn er dafür 40W strampeln muss)
Man kann zwar die Ausgangsspannung durchs Choppen begrenzen, nur fließen 
dann in den Einschaltphasen so große ströme, dass der Wirkungsgrad 
miserabel wird.

Simulation hat gerade ergeben: mit weniger steilen Schaltflanken geht 
keine Leistung mehr in der Überspannungsschutzschaltung mehr beim 
Choppen verloren ;)

Morgen werd ich den Schaltplan mal etwas aufräumen und dann hier 
eventuell zum Zerreißen freigeben ;)

von Fritz (Gast)


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Ich hab mir heute mal ein paar Gedanken gemacht, wie man die CV Phase 
beim Akkuladen besser realisieren könnte. Prinzipiell muss man nur die 
Dynamoleistung reduzieren. Mir fallen da jetzt zwei Möglichkeiten ein.

Die erste wäre ein normaler Step-Down Wandler zwischen Dynamo und Akku, 
allerdings muss der dann natürlich auch die volle Leerlaufspannung 
aushalten.

Die zweite Variante wäre ein Step-Up Regler, der unterhalb der 
Ladeschlussspannung einen DC von 0% hat, und mit zunehmendem Ladezustand 
den DC immer weiter erhöht, so dass der Dynamo letztendlich 
kurzgeschlossen wird. Ich halte diese Variante für sinnvoller, da hier 
zum einen die Spannung nicht höher als die Akkuspannung wird und man 
evtl. sogar die Dynamoindiktivität missbrauchen könnte und einen 
Bridgeless Step-Up verwenden könnte. Allerdings muss man den Regler 
wahrscheinlich diskret aufbauen, da fertige Regler den Dutycycle falsch 
rum regeln.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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@Hauke: Ich stimme dir soweit erstmal zu. Bei geringen Frequenzen muss 
der Serien-C überbrückt werden. Auch bezüglich deines 
"Leistungsvergleichs" gebe ich dir recht.Also las mal sehen!

@Fritz:Step-Down-Wandler am Akku ist möglich, aber es gibt Probleme mit 
der Regelung, da der Regler selbst als Eingang eine Stromquelle hat, und 
am Ausgang eben eine konstante Spannung liefern soll. Zum einen das 
Thema mit der Leerlaufspannung, das du ja schon erkannt hast. Und dann 
gibt es da aber noch das Problem, dass die Regelung ins "Pumpen" geraten 
kann, da grad bei hoher Last und relativ geringer Dynamospannung! auf 
der Eingansseite große Stromspitzen auftreten können, wodurch die 
Dynamospannung einbricht, was wiederum die Reglung beeinflusst usw. Hat 
bei mir im Test dazu geführt, dass der komplette Regler ins Schwingen 
geraten ist. Darüber hinaus sehe ich den Vorteil auch nicht, da der 
Step-Down zusätzlich selbst Energie verbraucht, während der Shuntregler 
nahezu inaktiv ist, wenn U kleiner als die Ladeschlußspannung ist.
Die zweite Variante mit dem umgekehrten Step-Up finde ich da schon 
interessanter, da hier gegenüber dem Shuntregler nicht soviel Leistung 
unnötig verheizt wird.

von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Den Schaltplan kann man noch niemandem zumuten, und ich werde auch erst 
noch mal den Step down nach der Gleichrichtung dranhängen um zu gucken 
ob das alles so läuft wie ich mir das denke. Ich sollte morgen dazu 
kommen.

von Fritz (Gast)


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Tobias W. schrieb:
> @Fritz:Step-Down-Wandler am Akku ist möglich, aber es gibt Probleme mit
> der Regelung, da der Regler selbst als Eingang eine Stromquelle hat, und
> am Ausgang eben eine konstante Spannung liefern soll. Zum einen das
> Thema mit der Leerlaufspannung, das du ja schon erkannt hast. Und dann
> gibt es da aber noch das Problem, dass die Regelung ins "Pumpen" geraten
> kann, da grad bei hoher Last und relativ geringer Dynamospannung! auf
> der Eingansseite große Stromspitzen auftreten können, wodurch die
> Dynamospannung einbricht, was wiederum die Reglung beeinflusst usw. Hat
> bei mir im Test dazu geführt, dass der komplette Regler ins Schwingen
> geraten ist. Darüber hinaus sehe ich den Vorteil auch nicht, da der
> Step-Down zusätzlich selbst Energie verbraucht, während der Shuntregler
> nahezu inaktiv ist, wenn U kleiner als die Ladeschlußspannung ist.
> Die zweite Variante mit dem umgekehrten Step-Up finde ich da schon
> interessanter, da hier gegenüber dem Shuntregler nicht soviel Leistung
> unnötig verheizt wird.

Ein Step-Down erzeugt unterhalb der Ladeschlussspannung auch nahezu 
keine Verluste, da er dort einen DutyCycle von 100% hat, d.h. die 
zusätzlichen Verluste belaufen sich auf den Eigenverbrauch des Reglers 
und die Verluste an Rdson und Spulenwiderstand (natürlich braucht man 
dazu einen Regler, der die 100% DC auch erreicht)

Die Regelung muss man natürlich an den Dynamo anpassen und dazu muss man 
die Quelle etwas genauer betrachten. In erster Näherung verhält such der 
Dynamo schon wie eine Stromquelle, diese Vereinfachung ist hier aber 
nicht mehr zu gebrauchen. Ein Dynamo ist genaugenommen eher eine 
Spannungsquelle mit komplexem Innenwiderstand. Wie sich diese Quelle 
nach außen hin verhält, ist letztendlich vom Verhältnis von Last- zu 
Quellwiderstand abhängig. Ist der Lastwiderstand deutlich kleiner als 
der Quellwiderstand (was eben meistens der Fall ist), verhält sich der 
Dynamo näherungsweise wie eine Stromquelle. Sind Last- und 
Quellwiderstand ungefähr gleich hat man den Bereich der 
Leistungsanpassung und ist der Lastwiderstand größer als der 
Quellwiderstand verhält sich der Dynamo letztendlich wie eine 
Spannungsquelle. Genau in diesen Bereich zwingt man den Dynamo 
letztendlich, wenn man einen Step Down benutzt, denn dieser wird bei 
erreichen der Ladeschlussspannung den DC runterdrehen und damit den 
Lastwiderstand erhöhen.
Allerdings ist hier die Regelgeschwindigkeit entscheidend, diese muss 
entweder deutlich unterhalb der Dynamofrequenz liegen, so dass der 
Lastwiderstand über eine Periode relativ konstant bleibt, oder sie muss 
deutlich schneller sein, in dem Fall wird der Regler immer nur im 
Bereich des Scheitelwerts aktiv (hier benötigt man aber auf jeden Fall 
einen guten Eingangskondensator, da die schnellen Lastwechsel bedingt 
durch die Dynamoinduktivität sonst hohe Spannungsspitzen erzeugen).
Problematisch wird das ganze nur, wenn der Regler entweder nicht schnell 
oder nicht langsam genug ist, denn dann entstehen z.T. wilde 
Schwingungen.

PS: Hier noch eine etwas genauere Betrachtung des Dynamoinnewiderstandes
http://enhydralutris.de/Fahrrad/Modellierung_eines_Nabendynamos__Mathias_Magdowski_.pdf

von hacker-tobi (Gast)


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hi,

wenn du den stepdown mit 100% dc faehrst, gilt leider aber auch Ua=Ue 
und Ia=Ie, womit der Vorteil des hoeheren Ladestroms beim StepDown weg 
ist.
Bliebe bei dieser Betriebsart also "nur" der vorteil, dass nach Ladeende 
kaum Leistung verheizt wuerde.

Die Regelfrequenz ist das naechste problem. sie schnell auszulegen 
scheidet fuer mich aus, da die ultra-low-esr und high-ripple Cs sehr 
gross werden. Ausserdem waere noch die Frage zu klaeren, inwieweit die 
impulsartige Belastung die Leistungsfaehigkeit des Dynamos 
beeintraechtigt.
Ergo lieber langsam auslegen, vielleicht sogar nur auf 5-10 Hz, dann ist 
die Dynamofrequenz auch bei langsamer Fahrt sicher hoeher.


wie seht ihr das?
gruss tobi

von Fritz (Gast)


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hacker-tobi schrieb:
> wenn du den stepdown mit 100% dc faehrst, gilt leider aber auch Ua=Ue
> und Ia=Ie, womit der Vorteil des hoeheren Ladestroms beim StepDown weg
> ist.
> Bliebe bei dieser Betriebsart also "nur" der vorteil, dass nach Ladeende
> kaum Leistung verheizt wuerde.

Genau das war bei der Überlegung auch die Absicht.

hacker-tobi schrieb:
> Die Regelfrequenz ist das naechste problem. sie schnell auszulegen
> scheidet fuer mich aus, da die ultra-low-esr und high-ripple Cs sehr
> gross werden.

Das eine hat doch mit dem anderen nur bedingt was zu tun. Der Regler 
sollte min. eine Bandbreite von 5-10kHz haben, d.h. das ist auch 
durchaus mit 100-150kHz Schaltfrequenz machbar und da der Regler erst 
bei Ladeströmen unter 0,5-0,6A tätig sind hier keinerlei 
Ultrakondensatoren notwendig. Normale Low-ESR Elkos reichen hier 
vollkommen aus. Bei den Bedingungen könnte man auch Kerkos nutzen.

hacker-tobi schrieb:
> Ausserdem waere noch die Frage zu klaeren, inwieweit die
> impulsartige Belastung die Leistungsfaehigkeit des Dynamos
> beeintraechtigt.
Die Leistungsfähigkeit des Dynamos wird dabei sicher sinken, aber das 
ist ja auch die Absicht, wenn der Akku voll wird. Die Effizienz wird 
wahrscheinlich auch leiden, aber letztendlich wird trotzdem weniger 
Energie verbraten als mit linearem Shuntregler.

hacker-tobi schrieb:
> wie seht ihr das?

Ich hab die Variante mit dem Step-Down nur der Vollständigkeit halber 
erwähnt, die Step-Up Variante ist klar mein Favorit. Die Simulation 
schaut da recht vielversprechend aus.

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Ok, dann sehen wir uns mal den step-up an!

Ich muss mich aber an der Stelle nochmal wiederholen ;) Den Lastwechsel 
spürt man nicht. Von daher ist noch zu klären, ob sich der Aufwand 
lohnt.
gruß

tobi

von Hauke R. (lafkaschar) Benutzerseite


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Hmmm ich merk gerade, dass Spice doch stark an die Grenzen kommt, die 
Kombination aus Quelle mit komplexem Innenwiderstand und schaltregler 
dran (und damit die Kombination aus großen und kleinen Strömen) schmeckt 
ihm nicht sonderlich gut. Ich werde wohl doch einen Testaufbau zum 
experimentieren machen ...

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Las dir Zeit ;) Rennt ja nicht weg ;)

von Tobias W. (hacker-tobi)


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Inzwischen gibts auch eine Version ohne USB-Teil. Leider habe ich davon 
noch keine Bilder, aber die Änderungen sind minimal:

-R8 wird auf 6V oder 7.2V justiert
-R11 entfällt ebenso wie JP5
-C12&C13 können etwas kleiner ausgelegt werden (100yF 35V)
-Der Ausgang (Fahrtlicht) wird direkt an JP3 angeschlossen
-Als Ein/Ausschalter reicht ein simpler Schalter, angeschlossen an JP4

That's it ;)

Das Wiki habe ich angepasst.

gruß

tobi

von hacker-tobi (Gast)


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@Hauke/Fritz: Wie ist der Stand?

gruß

tobi

von Hauke Radtki (Gast)


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Aktuell leider noch nix neues, da durch meinen Urlaub sich letzten Monat 
auch meine Jobs in den letzten Teil des Monats gedrängt haben.
Aber da es jetzt abends immer früher dunkel wird und meine neue 
Federgabel da ist (alte ist beim sturz gebrochen) wird es wieder Zeit 
sich damit zu beschäftigen.

von Tobias W. (hacker-tobi)


Angehängte Dateien:

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Es gibt neues... ;)

Zum einen habe ich die BikeBox verschiedenen Dauertests unterzogen:

Test1: Laden bei Belastung

-Geladen wurde mit 12V Dc bei 450 mA
-Last war ein Halogenscheinwerfer + Rücklicht (530mA bei 7.2V)

Resultat: Das Laden des Akkus klappt auch unter diesen Bedingungen 
(leichte Überlast, reduzierter Ladestrom) noch, allerdings nur noch mit 
etwa C/30.
Das Ergebnis ist auch nicht direkt übertragbar, da die Stromquelle hier 
ein Labornetzteil und kein Fahrrad-Dynamo war. Der Test solte lediglich 
zeigen, dass die Schaltung auch unter schwierigen Bedingungen noch 
Reserven hat.

Test2: Shuntregler-Dauertest:

-Stromquelle: Strombegrenztes Labor-Netzteil, 500mA (Spannung auf 13V 
eingestellt, damit der Shuntregler auf jeden Fall aktiv wird)
-Akkuzustand zu Testbeginn: 100% geladen
-Testdauer: 8h
-Last am Ausgang: Keine, Ausgang war abgeschaltet

Der Shuntregler wurde bei vollem Akku etwa 8 Std. lang mit 500 mA bei 
ausgeschaltetem Ausgang belastet. Dies simuliert eine lange Tour ohne 
Licht oder USB-Geräte, die schon mit vollgeladenem Akku gestartet wird.
Der Test sollte zeigen, ob der Shuntregler diese Situation aushält, denn 
hier muss er ständig Leistung verheizen.
Der Shuntregler hat die Situation problemlos gemeistert, die max. 
Gehäusetemperatur des Leistungstransistor lag nach ca. 45 min. bei 70 
Grad (bei 22 Grad Raumtemparatur) und blieb konstant.
In der Praxis wird die Situation noch deutlich günstiger sein, denn zum 
einen kühlt der Fahrtwind das Gehäuse und zum anderen bleibt man in der 
Regl auch mal stehen, pausiert oder fährt langsam - oder mit 
eingeschaltetem Licht.

Jeder Test wurde mit 2 Geräten durchgeführt.

Eine Erfahrung aus dem Winterbetrieb: Ich bin mit dem Tourenrad pro 
Woche 1-2 Abends oder auch Nachts mit Licht für etwa 1h unterwegs, 
darunter auch Bergfahrten. So etwa alle 2 Wochen fahre ich dann auch mal 
eine längere Tour (3-5 Std.) mit dem Tourenrad tagsüber ohne Licht (mit 
gelegentlicher Nutzung als USB-Ladegerät).
Die Lichtanlage besteht dabei aus einem SON Edelux als Frontscheinwerfer 
+ B&M Toplight als Rücklicht; Beide zusammen ziehen etwa 320 mA bei 7.2V 
(3.2W). Als Dynamo verwende ich einen Shimano-Nabendynamo.
Bis jetzt habe ich nie Probleme mit der Bikebox gehabt, auch der Akku 
hatte immer ausreichend Ladestand für stabile Lichtverhältnisse.

Und jetzt gibts auch ein paar Bilder vom Anbau am Rad. Entschuldigt 
aber, dass das Rad nicht ganz sauber war, als die Bilder entstanden ;)

gruß

tobi

von hacker-tobi (Gast)


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Hi,

die Bikebox läuft immer noch ohne Probleme. Mittlerweile gibt es auch 
einige Nachbauten.
Wie siehts denn bei euch anderen aus, seit fast 6 Monaten kam hier ja 
schon kein update mehr...schade das die Diskussion so eingeschlafen ist 
;(

von Henrik W. (henrik_w)


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Hallo,
ich habe mich mal durch diesen etwas älteren Beitrag gewühlt und finde 
ihn echt klasse.

Ich würde gerne dieses Gerät nachbauen, nur ich weiß nicht so recht 
welche Bauteile verwenden soll.

Kann mir da vielleicht einer helfen?

EVTL. auf eine der großen Apotheken wie das große C, RS oder Reichelt 
bezogen, da ich mit einzel Komponenten recht wenig zu tun habe.

Vielleicht gibt es ja noch ein paar berichte vom Betrieb des Gerätes?

LG Henrik

von tobi -obu (Gast)


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Hey,

Das Gerät funktioniert immer noch bestens.
Die teile habe ich damals imho bei Elv und conrad bezogen.

Die teileliste liegt im wähle Projekt ab. Kann sie aber auch rausziehen, 
falls du kein eagle nutzt.

Bei Fragen frag einfach.

Gruss tobi

von Henrik W. (henrik_w)


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Danke,
ich habe am WE angefangen bei Conrad zu suchen.
Die Woche über suche ich mal bei ELV.

ich habe eagle, nur ich finde die Stückliste davon immer ziemlich 
nichtssagend XD

Henrik

von Frank Peter (Gast)


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Hier hat sich auch einer darin versucht einen Nabendynamo 
voranzutreiben. Ist evtl. für den ein oder anderen Interessant.

http://pauls-werkstatt.blogspot.de/2014/11/nabendynamo-antreiben.html

von Andreas (Gast)


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Ich habe die Bikebox nachgebaut in der vorliegenden Version, mit USB und 
Opt Cap, ist es normal das die Ladespannung von 11,2 V um gut die Hälfte 
einbricht wenn der Scheinwerfer(IQ Cyo) dazugeschaltet wird ?
Im Leerlauf bleiben sowohl die 11,2V als auch die 7,2V stabil.
Mit Netzteil als auch mit Dynamo getestet.

von hacker-tobi (Gast)


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Hi,

nein, das ist nicht normal.
Grad am Netzteil sollte da kaum etwas einbrechen, schließlich sind die 
Schottky-Diode und der gleichrichter die einzigen aktiven Bauteile im 
Strompfad, wenn der Laderegler inaktiv ist.

Mit was für einem Netzteil und Aufbau hast du das denn getestet?

Das Netzteil sollte mind. 500 mA liefern können.

Wenn du es mit einem Dynamo testest, dann am besten auf einem Prüfstand 
bei mind. 15 km/h. Du kannst hier mit verschiedenen Werten für den 
Serien-C experimentieren oder ihn auch mal ganz weglassen.

von Andreas (Gast)


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Das Netzteil war in dem Fall ein Halogentrafo(kein elektronischer), 
natürlich nicht optimal, aber der bringt weit mehr als 500mA, weshalb 
ich den auch nur kurz angeklemmt hatte.
Ich habe die Schaltung überprüft, Bauteile gemessen, scheint alles ok zu 
sein, versuchsweise habe ich auch den Shuntregler, Transistor Q3 und den 
IC2 getauscht, die Spannung scheint jetzt zumindest höher.
Bei einer 1 stündigen Testfahrt konnte ich mit eingeschalteter 
Beleuchtung und Akku die höchste Ladespannung bei 22kmh von 9,9 Volt am 
MM ablesen.(mit OptCap)

Die Beleuchtung besteht aus einem 28" Shimano Nabendynamo(Masse ist 
selbstverständlich von der Schaltung isoliert), einen IQ-Cyo, und ein 
B&M Toplight Rücklicht.
Ich fahre immer mit Licht weswegen ich auch einen 2 poligen Schalter 
eingebaut habe, der Dynamo und Akku gleichzeitig von der Platine trennt.
Die USB Funktion nutze ich derzeit nicht.

Interessant ist auch wenn ich die Schaltung ohne Akku und Last am Dynamo 
bei ca.20kmh auf die 11,4V justiert habe, und dann nur den 
Akku(1600mA)dazuhänge die Ladepannung auch um ca. 1 V einbricht.
Die 7,2V bleiben immer konstant.

Nun gut, jetzt weiß ich immerhin das die Spannung immer stabil bleiben 
sollte, demnach muss der Fehler auf der Platine sein, Lötstellen 
vermutlich.
Ich überprüfe das nochmals, ansonsten bleibt mir nichts anderes übrig 
als eine weitere Platine herzustellen.

Ich danke Dir jedenfalls und melde mich wieder !

von Tim (Gast)


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Was ist mit Bluetooth ?

von hacker-tobi (Gast)


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Hi,

Q3 ist der Shuntregel-Transistor und kann nur bei falsch justiertem oder 
defektem Shuntregler für einen Abfall der Ladespannung verantwortlich 
sein. IC2 hat gar nichts mit der Laderegelung zu tun, das ist der 
Schaltregler für den Ausgang.
Inwieweit hält der Halogentrafo denn die Spannung stabil? Und bei Tests 
an einem Trafor muss optCAP unbedingt entfernt oder kurzgeschlossen 
werden!

9.9V ist definitiv zu wenig, da ist noch irgendwo ein Fehler drin. 
Entweder an der Platine/Verkabelung oder OptCap falsch gewählt.
War der Akku bei der Messung angeklemmt? Nicht das MM durch 
Wechselstromreste falsch anzeigt...

Noch etwas:
Warum trennst du Dynamo und Akku per Schalter von der Elektronik?
Der Laderegler ist dafür ausgelegt, das beides dauerhaft angeschlossen 
ist, und lediglich der Schaltregler und damit das Fahrtlicht/USB via JP4 
an/abgeschaltet wird.

gruß

tobi

von hacker-tobi (Gast)


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@Tim:Bluetooth? Welchen Sinn sollte das machen? falscher Beitrag?

von Stefan Schulz (Gast)


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http://www.mikrocontroller.net/attachment/120555/Bikebox-sch.png
muss C2 ein LOW ESR sein? Wie hoch ist die Frequenz, wenn Du 20km/h 
fährst.

von Stefan Schulz (Gast)


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Achso, danke, das jemand den Thread hoch geholt hat.

von Andreas (Gast)


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Hab jetzt mein Taschenoszi drangehängt, Spannung ist im Prinzip glatt, 
nur ganz leichte Schwankungen(nur bei Dynamobetrieb), komm aber nicht 
über die 9,9 V hinaus.
Test am Fahrrad mit angesteckten Akku.
Es nützt auch nichts im Lastbetrieb den Poti hochzudrehen !, im Leerlauf 
geht die Spannung schon höher.
Was mich aber wundert, die Ladepannung lässt sich im Leerlauf schön 
einstellen, und hält auch, nur wenn eine Last dran ist, fällt sie ab, 
die einzige Verbindung zum Schaltregler geht ja über die D3.
Beim Halogentrafotest war der OptCap(2x 470uF/35V) einmal dran und 
einmal nicht, geändert hat das nichts, oder wurde da schon etwas 
zerstört...?
Glaub ich aber eher nicht, alle Bauteile gemessen, Dioden, Widerstände, 
Transistoren, Drossel, alles wie es sein soll.
Deshalb vermute ich irgenteinen Lötmurks meinerseitig.
Ach ja, von der Platine kommt ein leises hochfrequentes Pfeifen, nehm an 
vom Schaltregler IC.(nur wenn der Lichtjumper gebrückt ist)
Kann aber auch deshalb sein weil ich eine DIL 8 IC verwende, den ich 
mittels Adapter und sehr kurzen Litze an die Pads gelötet habe, für den 
SO 8 hätte ich 2-3 Wochen warten müssen, das war mir zu lang, und das 
Layout wollte ich jetzt auch nicht ändern...

Na ja, aus(vielleicht paranoider) Angst vor "Kriechströmen" o.ä., das 
nicht der Akku leergesaugt wird, die Sache mit dem Schalter, wie gesagt 
ich fahre immer mit Licht da reicht mir "komplett stromlos, oder an" nur 
Akkuladen ohne Licht brauch ich nicht, aber daran wird es nicht liegen.

Ich werde jetzt erstmal eine neue Platine machen(bevor ich jetzt die 
ganzen SMD Teile auslöte), Bauteile hab ich auch noch, wird wohl 
irgentwo der Wurm drin sein.

von hacker-tobi (Gast)


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Hallo Andreas,

die Schaltung zieht im abgeschalteten Zustand keinen Strom aus dem Akku 
und läuft so bei mir seit jetzt fast 4 Jahren störungsfrei.
Der Schaltregler ist ohnehin außen vor, wenn er abgeschaltet ist, und D3 
sorgt dafür, das kein Strom aus dem Akku in den Laderegler fließen kann.

Klar, schlechte Kontaktierung/Lötung kann schuld sein, aber ich denke 
eher, das der Dynamo entweder zu schwach ist oder nicht optimal 
angepasst ist (d.h. OptCAP nicht passt).

von Andreas (Gast)


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Hallo Tobi,

Was ich vergessen habe.
Ich möchte mich an dieser Stelle ganz herzlich für diese Schaltung 
bedanken !!!
Ich finde die echt genial, genau das was ich gesucht habe, zuerst wollte 
ich den bekannten Forumslader bauen, aber der soll für gleichzeitigen 
Licht/Ladebetrieb nicht so geeignet sein, und dann fand ich dein 
Projekt.
Wenig Teile, genau die 7,2V für B&M Lichter, keine 10 Zellen, optimal !
Ich krieg das Ding schon noch zum Laufen, wär doch gelacht bei den paar 
Teilen.

Ich mach jetzt noch ein paar Versuche, ohne den OptCap, und mit anderen 
"Netzteil", hab noch einen 12V/2A Trafo herumliegen.

Danke !
gruß, Andreas

von hacker-tobi (Gast)


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Bitte bitte ;)

Versuchs erstmal mit nem DC-Labornetzteil, um Probleme durch unpassende 
C's o.ä. auszuschließen.
An nem stabilsierten DC-Netzteil darf die Spannung unter Last, gemessen 
an den Akku-Kontakten ohne angesteckten Akku nur um wenige 10tel Volt 
einbrechen.
Erst wenn das dann passt, gehts an Eingemachte, sprich die Analyse des 
Lastverhaltens bei Wechselstrom.

Also: Netzteil z.B. auf 12V, 500 mA einstellen.
Jetzt den Shuntregler so justieren, das an den Akkukontakten etwa 11.1V 
anliegen ohne Last.
Und jetzt belasten mit 500mA am Ausgang. Dabei darf die Spannung nur um 
wenige 10tel Volt einbrechen.

Ein Problem kann/wird aber sein, das das eingeschaltete Licht zuviel 
Leistung zieht, um bei geringer Fahrt (unter 10-15 km/h) noch zu laden.
Da kann es sogar sein, das der Akku langsam entladen wird.

von hacker-tobi (Gast)


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Ich vergaß: Der Spannungsabfall entsteht in diesem Testaufbau nur an D3, 
da der Shuntregler die Eingangsspannung stabil auf etwa 11.1V hält.

von Andreas (Gast)


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Bin gerade mittelmäßig frustriert, Transistor Q3 gestorben, woran weiß 
ich nicht, Hitze kanns nicht gewesen sein, nach gestriger 1 stündiger 
Testfahrt wurde das Gehäuse nichtmal lauwarm, heute früh gings auch 
noch, jetzt wollte ich das Teil an den Trafo hängen, ging gleich gar 
nicht mehr, konstant 17 V, Shuntregler dürfte auch hinüber sein, trotz 
neuen Transistor lässt sich nichts mehr regeln.

Labornetzteil hab ich leider nicht.

Meine normale Fahrgeschwindigkeit liegt zwischen 20-25 kmh, dürfte also 
kein Problem sein mit dem Laden.

von Udo S. (urschmitt)


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Andreas schrieb:
> jetzt wollte ich das Teil an den Trafo hängen, ging gleich gar
> nicht mehr, konstant 17 V, Shuntregler dürfte auch hinüber sein

Ohne jetzt den Schaltplan gesehen zu haben, ein Shuntregler funktioniert 
nur, wenn die Stromquelle davor ausreichend hochohmig ist, da der 
Shuntregler den Strom der "zu viel" ist eben durch den Shunt verheizt 
und so die Spannung begrenzt.
Wenn du da einfach einen Trafo davor klemmst ist es klar, dass der viel 
zu viel Strom bringt und den Shuntregler an den Anschlag bringt und ggf. 
abfackelt.

von tom69 (Gast)


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wie hoch ist eigentlich die Leerlaufspannung eines Fahrrad-Nabendynamo ?

von ArnoR (Gast)


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Ich will ja kein Spielverderber sein, aber die Schaltung scheint mit 
nicht vernünftig dimensioniert zu sein.

Da wären z.B. die Schottky-Dioden SB160. Wozu 60V-Dioden mit UF=0,7V bei 
1A wenn die Elkos nur 35V aushalten und hohe Spannnungen durch den 
Shunt-Regler eh begrenzt werden? Die SB140 hat bei 1A nur 0,5V. Man 
gewinnt dort also einiges.

Wozu 70mA in die Basis von Q1 jagen, wenn die Schaltung nichtmal 1A 
liefern kann? Der BD140 ist für Q1 eine ganz schlechte Wahl, weil der 
bei 1A praktisch keine Stromverstärkung mehr hat. Ein 2SB772 in gleichen 
Gehäuse ist da um Klassen besser.

Der TL431 hat keine Strombegrenzung. Der kann über die Basis von Q3 
beliebig Strom ziehen und dabei Q3 und sich selbst killen.

von ArnoR (Gast)


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Andreas schrieb:
> Bin gerade mittelmäßig frustriert, Transistor Q3 gestorben, woran weiß
> ich nicht,

> jetzt wollte ich das Teil an den Trafo hängen, ging gleich gar
> nicht mehr, konstant 17 V, Shuntregler dürfte auch hinüber sein, trotz
> neuen Transistor lässt sich nichts mehr regeln.

Na bitte, schon passiert:

ArnoR schrieb:
> Der TL431 hat keine Strombegrenzung. Der kann über die Basis von Q3
> beliebig Strom ziehen und dabei Q3 und sich selbst killen.

von Andreas (Gast)


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So, bin wieder im Rennen, TL-431 getauscht, normale Regelung vorhanden.

Das die beiden verbrannt sind kann ich ausschließen, ich hatte den Trafo 
nur für 1sek. eingeschaltet, der Kühlkörper blieb kalt, auch nichts 
gequalmt.
Wie auch immer.

So ein 12V/1A DC Netzteil drangehängt, Schaltung arbeitet.

Einige Messwerte:

Leerlauf ohne Akku, ohne Lichtjumper, auf 11,4 V eingestellt, gemessen 
am Akku Ausgang.

Lichtjumper gebrückt, Spannung 11,2 V.

IQ-Fly(mein Testscheinwerfer) drangehängt, Spannung 11,0 V

Akku drangehängt(Ladezustand 9,95V), Licht aus Spannung 10,8 V

Akku + Licht eingeschaltet Spannung 10,8 V

Gehen also ca.0,8V verloren.

Dynamo Test werde ich morgen durchführen, weil ich alle Leitungen von 
der Schaltung zum Kabelbaum/Steckersystem Fahrrad abgezwickt habe...

Hm, Trafo dranhängen trau ich mich momentan nicht mehr, einen Reserve 
Transistor habe ich noch...

von Andreas (Gast)


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Sorry, es gehen natürlich 0,6 V verloren, falsche Taste erwischt...

von Andreas (Gast)


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Ach was solls, das Leben ohne Risiko ist langweilig, Trafo drangehängt, 
Poti auf Anschlag, unter Last, komm ich jetzt auf 11,10 V, nicht 
schlecht, der Trafo liefert jetzt am Wechselspannugseingang 12,3 V.

von hacker-tobi (Gast)


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Andreas,  das passt!

Dann ist es die Dimensionierung der Elko.

Bitte beachte: wenn am Trafo oder Netzteil, dann nur mit 
Strombegrenzung.

ArnoR,

das ganze ist ein shuntregler für einen nabendynamo.
Der liefert max. 600mA, eher weniger, und verhält sich wie eine 
Stromquelle.

Da Ists auch egal, wie hoch die Stromverstärkung von Q1 ist, er soll ja 
nur verheizen, wenn er aktiv ist.

Bezüglich der Dioden bin ich bei dir, aber auch hier fließen max. nur 
0.6A.

@Tom: je nach Geschwindigkeit und Dynamo kann die Leerlaufspannung in 
der Praxis zwischen 0 und etwa 50v liegen, bei hohem Tempo auch darüber.

von Andreas (Gast)


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Hm, Dynamo Shimano DH-3N30, Leerlaufspannung bei ca.20kmh, 14,5V mit dem 
MM gemessen.

So, Bikebox drangehängt, im Leerlauf Poti auf Anschlag, bei 20kmh, kann 
ich 17V DC messen.

Mit Scheinwerfer, komm ich nicht über 7 V !
Mit Scheinwerfer + Akku nicht über die 9,9 V !
Alles OHNE OpCap !

Scheinwerfer(IQ-Fly) direkt an den Dynamo gehängt, Dynamo bringt 
500mA(20kmh) !, gemessen mit dem MM, das sollte doch eigentlich ok sein 
?

Das heißt jetzt was, Dynamo Schrott ?
Jetzt bin ich etwas verwirrt.

von Andreas (Gast)


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Weil die Dioden angesprochen wurden ich verwende SB 190 statt SB 160,und 
als D3 eine SB5100, Spannungsabfall zu hoch ?
C2 ist ein 220uF/50V Low ESR.
C9 150/35 Low ESR.

von ArnoR (Gast)


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hacker-tobi schrieb:
> Da Ists auch egal, wie hoch die Stromverstärkung von Q1 ist, er soll ja
> nur verheizen, wenn er aktiv ist.

Nee, Q1 ist nicht der Shunt-Regler, sondern der Schaltregler, und da ist 
es nicht egal 70mA von 600mA einfach sinnlos wegzuschmeißen.

Andere geben sich große Mühe, jedes mW zu nutzen und du meinst, dass man 
12% der mühsam erzeugten Energie einfach vergeuden kann?

von Andreas (Gast)


Angehängte Dateien:

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Mal etwas zum Entspannen und Anschauen, mein Nachbau besteht aus "Box 
und Tube", da ich die Elektronik dezent unter meiner 
Lenkertaschenhalterung haben wollte, und ein Standard Gehäuse nicht 
gepasst hätte, habe ich eine Maßanfertigung gebaut, die Akkus hätten 
keinen Platz mehr gehabt und wäre mir dort auch zu schwer gewesen.
Deshalb habe ich die Akkus ausgelagert, diese finden in einem Alurohr 
unter dem Gepäckträger Platz, ursprünglich sollten sie ins Sattelrohr, 
das wäre aber mit der Verkabelung nicht optimal gewesen.
Das Ganze im coolen Military Look lackiert...
Der Kabelbaum wird über Platinensteckverbinder RM 2.0mm angebunden.

von Tim H. (timhe)


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hacker-tobi schrieb:
> @Tim:Bluetooth? Welchen Sinn sollte das machen? falscher Beitrag?

alles ist besser mit bluetooth

von Axel R. (Gast)


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Frank Peter schrieb:
> Hier hat sich auch einer darin versucht einen Nabendynamo
> voranzutreiben. Ist evtl. für den ein oder anderen Interessant.
>
> http://pauls-werkstatt.blogspot.de/2014/11/nabendy...

>> ..., sowie meinen MOS-FET Gleichrichter und
http://4.bp.blogspot.com/-5Vz00jzvl3I/Umo7kYWodXI/AAAAAAAAFhE/fpihwIRQLAk/s640/Schaltplan+komplett.jpg

Der restliche Text ist auch interessant...

edit
http://pauls-werkstatt.blogspot.de/search/label/Licht

von Axel R. (Gast)


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http://fahrradzukunft.de/14/mosfet-gleichrichter/

unten wird auch direkt auf den Fet-Gleichrichter verwiesen.

von Axel R. (Gast)


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Würd ich allerdings andere MOSFETs nehmen:
http://www.vishay.com/product?docid=74410&query=SUD50NP04-94

(gabs bei Farnell 149-7659, find ich dort im Augenblick nicht mehr - 
komisch. Hab die schwarze Tüte ja noch hier)

EDIT:
Here we go :)
http://de.farnell.com/fairchild-semiconductor/fdd8424h/mosfet-2fach-np-smd-d-pak/dp/1498953

Artikelsuche bei Farnell: "MOSFET, NP, D-PAK"

von hacker-tobi (Gast)


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@ArnoR: Hast recht, war gestern schon ein wenig müde und habe meinen 
eigen Schaltplan nicht mehr richtig gelesen ;)
Wenn ich mich recht entsinne war es aber so, das der Basisstrom von T1 
direkt mit in den Ausgangsstrom eingeht.
Effizienz bei Messungen waren dann auch bei >80%, damit war ich 
zufrieden.
Die Schaltung wurde des wegen so gewählt, damit der Regeler mit einer 
geringen Differenzspannung noch sauber regeln kann. Ich meine, ich 
konnte damals in den Tests bis herunter auf 8.4V die Ausgangsspannung 
auf 7.2V halten.

@Andreas:
Der Blindwiderstand des Dynamos muss kompensiert werden. Da lohnt es 
sich, mit OptCap zu experiementieren. OptCap hängt stark vom verwendeten 
Dynamo und vom Radumfang sowie der anvisierten Geschwindigkeit ab.
Ohne OptCap funktinieren nur wenige Dynamos wirklich gut, ich hatte 
Glück.
Wichtig ist, das es sich um lowESR (besser ultralowESR) handelt, und das 
hier entweder 2 Elkos antiseriell verschaltet werden, oder auf 
Wechselspannungselkos zurückgegriffen wird. Als Kapazitäten würde ich 
mal alles bis 1000yF durchprobieren, bei 35V min. Spannungsfestigkeit.

gruß

tobi

von Stefan Schulz (Gast)


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hacker-tobi schrieb:
> @Andreas:
> Der Blindwiderstand des Dynamos muss kompensiert werden. Da lohnt es
> sich, mit OptCap zu experiementieren.
....

Der lässt sich überbrücken :)
Ich lese ja immer mal mit und habe auch noch das "Lasten/Pflichtenheft" 
von oben im Hinterkopf :).
http://www.futureelectronics.com/en/technologies/electromechanical/relays/solid-state-relays/Pages/9468240-CPC1020N.aspx?IM=0

Stefan

von ArnoR (Gast)


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hacker-tobi schrieb:
> Wenn ich mich recht entsinne war es aber so, das der Basisstrom von T1
> direkt mit in den Ausgangsstrom eingeht.

Falsch gedacht. Der Basisstrom kommt aus dem Emitter von Q1 und fließt 
über R9 und den Schalttransistor im MC34063 einfach nach Masse ab. Er 
fließt nicht über den Ausgang.

hacker-tobi schrieb:
> Effizienz bei Messungen waren dann auch bei >80%

Das halte ich für unrealistisch. Selbst wenn der Shunt-Regler geradeso 
inaktiv wäre, hat man den Spannungsabfall an 2 
Brückengleichrichter-Dioden und an D3, die Sättigungsspannung an Q1 bzw. 
die Flussspannung an D2, dazu noch den Eigenverbrauch IC2, 
Drosselverluste... . Allein die Spannungsverluste sind bezogen auf 11V 
schon deutlich über 10%, dazu noch die 12% vom Basisstrom Q1. 
Realistisch sind eher ~70% Wirkungsgrad.

von hacker-tobi (Gast)


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@ArnoR: Dem wiederspricht das Ergebnis meiner damaligen Messungen:

"Effizienz: etwa 82%, gemessen bei Pout=3.6W und Uin=12V. Allerdings war
Uin DC, so dass dies nicht der tatsächlichen Effizienz im Dynamobetrieb
entspricht."

von hacker-tobi (Gast)


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Hier hab ich sogar noch die Daten der alten Messung:

Uout: 7,2V
Iout: 500 mA
Pout 3,6W

Uin: 12V (Durch den Verlust am Gleichrichter war der Shuntregler grad so 
inaktiv)
Iin: 360 mA
Pin: 4,4W

Macht 82% Wirkungsgrad bei Vollast.
Teillast ist hier uninteressant, da der Ausgang in der Regel mit einer 
fixen Last (Lichtanlage) betrieben wird.
Die Messung wurde allerdings mit nicht-geeichten Multimetern 
durchgeführt, so das hier natürlich eine ungenauigkeit bestehen kann.
Und du hast Recht, evtl. könnte man mit einem anderen Transistor im 
Schaltregler mehr herausholen.

von ArnoR (Gast)


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hacker-tobi schrieb:
> Uout: 7,2V
> Iout: 500 mA
> Pout 3,6W
>
> Uin: 12V (Durch den Verlust am Gleichrichter war der Shuntregler grad so
> inaktiv)
> Iin: 360 mA
> Pin: 4,4W
>
> Macht 82% Wirkungsgrad bei Vollast.

Überleg doch mal: die Spannung an den 3 Dioden (2 im Gleichrichter und 
D3) frisst schon 10% Wirkungsgrad. Dann müsste der MC34063 und alles 
andere zusammen 91% Wirkungsgrad haben. Das ist schon wegen des 
Basisstromes von Q1 unmöglich, alle anderen Verluste (Freilaufdiode, 
Drossel, Strombegrenzung 0R22, usw) gar nicht beachtet.

Eine vereinfachte und daher zu gute Simulation mit TINA liefert folgende 
Ergebnisse:

Ue=12V
Ie=0,424A
Pe=5,088W

Ua=7,2V
Ia=0,5A
Pa=3,6W

Macht 70,7% Wirkungsgrad

Drossel: Fastron 09HCP 150µ, 1,6A
Schaltsignal. 0V/12V, 100ns Flanken, 19µs/7µs ein/aus

von ArnoR (Gast)


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Ich seh gerade, die originale Drossel L-PISM 150µ, 1A hat sogar 0,42Ohm 
und nicht nur 0,173Ohm wie in der Simu. Damit steigt die 
Eingangsleistung etwas an (+62mW) und der Wirkungsgrad sinkt etwas 
weiter ab (-1%).

von hacker-tobi (Gast)


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So wars damals gewesen. Nur die Genauigkeit kann ich nicht beurteilen.

Du verwendest in der Simulation die MBR160, ich verwende SB160 (lt. 
Aufdruck, Uf sind ca 0.4V bei 500mA) und als D3 eine Schottky im DO201 
package.
D2 ist bei dir ebenfalls eine MBR160, in der Schaltung ebenfalls 
Schottky im Package DO214. Da sind also einige Differenzen drin.

Wie auch immer, unterm Strich diskutieren wir hier über 0.5W differenz.

von hacker-tobi (Gast)


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Ich vergaß noch: Wie ich ganz am Anfang schon irgendwo erwähnt 
hab,weichen meine Bauteile teilweise von eagle ab. Ich hab halt das 
genommen, was da war.

von Andreas (Gast)


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Bei Gelegenheit versuche ich andere Dioden, vielleicht komme ich so auf 
die benötigte Spannung.

Letztlich soll die Schaltung die Beleuchtung versorgen und den Akku 
laden, wenn man mehr Effizienz mit Standard Bauteilen erreichen kann ist 
es gut, wenn dafür aber Spezialbauteile notwendig sind die schwer zu 
beschaffen sind, ist die Sinnhaftigkeit schon wieder zu hinterfragen, es 
soll ja auch noch nachbaubar sein.
Farnell und RS liefern auch nicht an Private, und die Teile in Asien 
bestellen, na ja...

Was würde manz.B. mit Mosfet Gleichrichtung gewinnen ?

von Linksammler (Gast)


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Andreas schrieb:
> Mit Scheinwerfer, komm ich nicht über 7 V !

Scheinwerfer aufmachen. Der hat eine Dicke Z-Diode über den Eingängen. 
Warum? Weil in der StVZO so vorgeschrieben.

Andreas schrieb:
> Was würde man z.B. mit Mosfet Gleichrichtung gewinnen ?

Nur Ärger.
Außer du nimmst einen Chip wie den LT4320 dafür.

von ArnoR (Gast)


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hacker-tobi schrieb:
> Du verwendest in der Simulation die MBR160, ich verwende SB160 (lt.
> Aufdruck, Uf sind ca 0.4V bei 500mA)

MBR160 ist ebenfalls eine Schottky-Diode, gut vergleichbar mit der 
SB160.

> und als D3 eine Schottky im DO201 package.

Hää? Was soll mir das jetzt sagen?

> D2 ist bei dir ebenfalls eine MBR160, in der Schaltung ebenfalls
> Schottky im Package DO214.

Gleiche Frage: Was soll mir das jetzt sagen? Schreiben wir jetzt 
Gehäusebezeichnungen anstelle Typbezeichnungen auf?

> Da sind also einige Differenzen drin.

Vernachlässigbare, was die elektrischen Daten betrifft.

> Wie auch immer, unterm Strich diskutieren wir hier über 0.5W differenz.

Mittlerweile sind wir bei 0,8W.

Andreas schrieb:
> wenn man mehr Effizienz mit Standard Bauteilen erreichen kann ist
> es gut, wenn dafür aber Spezialbauteile notwendig sind die schwer zu
> beschaffen sind, ist die Sinnhaftigkeit schon wieder zu hinterfragen

Ist mir doch klar, dass immer solche Einwände kommen...  Die von mir 
genannten besseren Bauelemente (Transistor, Drossel) gibts für wenige 
Cent bei Reichelt.

von hacker-tobi (Gast)


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Wieso bei 0.8w? Bei meiner Messung war ich bei 4.4w Input, du bei der 
Simulation bei 5w. Gut ich habs etwas gerundet, es sind 0.6w

Ich hab die packages angegeben,  weil ich die Typen Grad nicht im Kopf 
hab und sie im Schaltplan nicht angegeben sind.

Wenn du die Schaltung modifizieren willsT gern
Iwie

von hacker-tobi (Gast)


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Da fehlte noch was.

@andreas: Das mit der z-diode ist ein guter Ansatz.

von Andreas (Gast)


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Moment, die Beleuchtung wird ja mit konstant 7,2 V Gleichspannung 
versorgt, was hat das dann mit einer Zenerdiode und überhaupt mit dem 
getrennten Akku Ausgang zu tun ?
Eine Zenerdiode wäre ja für den ungeregelten Dynamobetrieb.
Und überhaupt müsste die Spannung ja auch beim Netzteiltest auf 7 Volt 
einbrechen, da blieb sie aber bei 11 V.

von ArnoR (Gast)


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hacker-tobi schrieb:
> Wieso bei 0.8w?

5,088 -> ~5,1W. Dazu die erhöhte Eingangsleistung wegen der anderen 
Drossel mit höherem Drahtwiderstand. 5,2W-4,4W=0,8W.

Ich habe nun mal den BD140 gegen 2SB772 und die Drossel L-PISM gegen die 
o.g. Fastron-Drossel ausgetauscht und natürlich den Basisstrom für Q1 
ohne Optimierung angepasst, alle anderen Bauteile und die 
Betriebsbedingungen (Spannungen, Tastverhältnis) sind gleich, siehe 
Bild. Ergebnis:

obere Schaltung:

Ue=12V        Ua=7,2V
Ie=0,433A     Ia=0,5A
Pe=5,2W       Pa=3,6W
Wirkungsgrad~69%

untere Schaltung:

Ue12V         Ua=7,57V
Ie=0,406A     Ia=0,52A
Pe=4,9W       Pa=4W
Wirkungsgrad~82%

Eine so einfache Modifikation bringt deutlich besseren Wirkungsgrad ohne 
Zusatzkosten.

von Axel R. (Gast)


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man könnte einen npn in Kollektorschaltung einsetzen, oder?
Oder ein P-Kanal MOSFET?
Bei der ersten Version müsste man die Steuerspannung "etwas" anheben, 
der Basisstrom würde aber auch durch den Verbraucher fliessen.
Beim P-CH FET müsste man schauen, wieviel der 34063 an Stromfluß 
"braucht". Aber die beiden Basiswiderstände könnte man sicher um den 
Faktor 10 erhöhen.

von Axel R. (Gast)


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Wenn man die Drossel durch eine 3.3µH ersetzen könnte, hätte man 
automatisch einen wesentlich kleineren Spulenwiderstand.
Man könnte allerdings nicht mehr auf den "altbewährten" MC34063 
zurückgreifen, weil der ja nur mit 150µH "klar kommt" :)
http://www.linear.com/product/LTC3646
Die Freilaufdiode spart man sich auch.
Nur - wo bekommt man den 3646 her? Lieferbar? Preis? Einzelstückzahlen?
Gruß Axel

von Axel R. (Gast)


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von hacker-tobi (Gast)


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Wie gesagt auf die 82% komme ich auch so.
Mich würden aber die werte der modifizierten Schaltung in der Praxis 
interessieren.
Den pnp habe ich bewusst eingesetzt,  da der Wandler bis hinunter auf 
8.5v arbeiten sollte.Mit npn sind es ohne separate höhere Steuerspannung 
etwa 0.6v mehr, daher kam das für mich nicht in frage.
Der mc34063 war schlicht vorhanden und wurde daher genutzt. Ziel war, 
eine einfache und günstige Lösung zu bauen.

Wer mag kann hier aber gern weiter entwickeln.
Vielleicht lege ich auch mal eine neue Version auf, aber dann evtl. mit 
effizienterem laderegler (mpp?) und Steuerung mit Atmel.Dann kann man 
auch über ein moderneres Design des Schaltreglers nachdenken.

von Andreas (Gast)


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Jetzt bin ich endlich dazugekommen, nochmals eine Platine herzustellen, 
die Alte habe ich mir durch das viele herumlöten zerstört.
Die Gleichrichter Dioden habe ich durch SB-140(vorher SB-190) ersetzt, 
damit reduziert sich zumindest der Spannungsabfall.
Insgesamt hat sich nichts geändert, die Schaltung funktioniert, mit 
Licht liegt die Ladespannung zwischen 9,7V und 9,9V, ohne Licht bei 
10,3V.
Habe auch verschiedene OptCap probiert, 470er sind gut geeignet.
Die Ursache ist definitiv der Shimano Dynamo, die Leistung reicht 
einfach nicht(für Beides)

Übrigens hat das auch nichts mit etwaigen Zenerdioden zu tun, auch mit 
Halogenbirnchen, oder eben nur mit Akku allein ändert nichts.

Als Gegenprobe habe ich auch den "Forumslader" auf dem Steckboard 
nachgebaut, die einfache 12V Version ohne USB. 
http://www.forumslader.de/fileadmin/user_upload/Individuelle%20Geraete/jensd/Download/LiXXX3Zellen/Laderschaltplan_LiXXX_3_Zellen.jpg

Auch hier das selbe Ergebnis, die Ausgangsspannung bricht ebenfalls auf 
die Werte der Bikebox ein.
Da ich noch einen weiteren Shimano 3H-3N30 und einen 3N20 hatte, habe 
ich die Test mit diesen wiederholt, auch hier das gleiche Ergebnis.

Allerdings haben auch teurere Shimano Dynamos den selben Wirkungsgrad, 
nur Gewicht und Wicklungsmaterial unterscheiden sich.

Ich denke auch eine etwas effizientere Schaltung würde nichts 
Wesentliches daran ändern, mehr lässt sich aus so einem Dynamo eben 
nicht herausholen.

Ich teste jetzt in nächster Zeit wie brauchbar sich die Ladeleistung(mit 
Dauerlicht) im Alltagsbetrieb erweist, die Akkuspannung kommt so 
natürlich nicht über 9,8V hinaus.

von Andreas (Gast)


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Kleines Update.
Ich habe jetzt den Ladestrom getestet, im realen Fahrbetrieb, mit 
eingeschalteter Beleuchtung, gemessen mit einen Multimeter.

Bis 18km/h wird Strom aus dem Akku gezogen, bei 18km/h ist die Bilanz 0, 
es wird genau soviel Strom erzeugt wie verbraucht wird.

Der IQ-Cyo und das Top Light genehmigen sich zusammen ca.580mA

Ab 19km/h wird geladen, zwischen 22-25km/h wird der höchste Ladestrom 
mit 250mA erreicht.
Ohne Beleuchtung wird mit ca. 600mA geladen.
Interessant, demnach müsste der Dynamo mit den OptCap über 800mA 
liefern, falls die Messung mit dem MM aussagekräftig ist.
Gar nicht schlecht.

Das mit der geringen Ladespannung hängt vermutlich einfach damit 
zusammen das ich den Akku nie vollgeladen habe, der hatte im 
Lieferzustand 9,9V, somit saugt er zum Laden soviel er kann aus dem 
Dynamo, im realen Fahrbetrieb mit Beleuchtung werde ich auch kaum eine 
Vollladung mit der Ladeschlusspannung von 11,2V  erreichen, bei 200mA 
wären dazu über 10 Stunden ohne Stehzeiten notwendig.

von hacker-tobi (Gast)


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Hi,

sorry das ich so lange nichts geschrieben habe.

Die Werte kilingen gut, und decken sich etwa mit meinen.

Nur setzt bei mir die Ladung etwas eher ein (15 km/h), allerdings 
genehmigt sich der SON und das Toplight auch "nur" 500 mA.

gruß

tobi

von Andreas (Gast)


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Hallo,

So, jetzt melde ich mich auch mal wieder, mit Erfahrungswerten der Bike 
Box.
Habe die Anlage jetzt knapp ein Jahr in Betrieb, nach anfänglichen 
Schwierigkeiten funktioniert die Sache bis jetzt tadellos.
Nur einmal hatte ich einen Kurzschluss zwischen Dynamo GND und 
Schaltungs GND aufgrund einer zu scharfkantigen Kabeldurchführung, da 
wurde der Akku dann nicht mehr geladen.

Da ich aber ein kleines Voltmeter zur Überwachung und 
Ladezustandskontrolle eingebaut habe war der Fehler schnell erkannt.

Mit dem 1600mAh Akku waren auch Tagestouren von 130km kein Problem, mit 
Licht versteht sich, allerdings bei permanenten Lichtfahrten reicht die 
Leistung des Dynamos im Alltagsbetrieb nicht aus um den Akku ständig zu 
Laden, es wird also mehr Energie verbraucht als man durch das Strampeln 
erzeugen kann.
Deshalb musste ich mir noch eine externe Lademöglichkeit dazubauen.
Über eine Buchse kann jetzt ein LiFePo Ladegerät angesteckt werden, dazu 
mussten aber auch die Akkuzellen mit Balancer Kabeln versehen werden.
Im Alltagsbetrieb ohne ausgedehnte Touren reicht es aus 1 mal die Woche 
extern zu laden, stört mich nicht wirklich.

Geschont habe ich die Anlage nicht, Kälte, Hitze, Schnee, intensive 
Regengüsse, Erschütterungen über Stock und Stein, nie ist die 
Beleuchtung ausgefallen.
Anfänglich auch ein paar mal vergessen das Licht auszuschalten...

Hier zeigt sich übrigens das es eine weise Entscheidung war den 
Schaltregler MC34063 zu verwenden, ich glaub sogar bis unter 8 Volt hat 
der noch gearbeitet.
Auch sonst hat es bis jetzt keine Ausfälle der Elektronik gegeben, keine 
Überhitzung, kein Durchbrennen der Dioden bei Bergabfahrten.

Bleibt festzuhalten dass ich es mir absolut nicht mehr Vorstellen kann
ohne Standlicht unterwegs zu sein, gerade jetzt in der dunklen 
Jahreszeit unverzichtbar, nie mehr im Dunklen stehen, abendliche 
Bergfahrten, Waldwege langsam und mit Licht zu durchfahren, und ENDLICH 
kein Flackern des Nabendynamos mehr !

Gruß,
Andreas

von Paul M. (paul93)


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Hallo zusammen, ich habe die hier vorgestellte Schaltung vor einer Weile 
in stark modifizierter Variante nachgebaut. Weil ich mir nicht sicher 
war, ob ich die Schaltung wirklich langfristig am Fahrrad haben möchte, 
habe ich zuerst einen Prototyp gebaut. Dieser verzichtet zum Beispiel 
auf eine Schutzschaltung des Akkus und eine Möglichkeit in Abhängigkeit 
der Umgebungshelligkeit die Lampe selbstständig einzuschalten.

Außerdem wollte ich die Schaltung direkt als Puffer für meine 
selbstgebaute LED Lampe nutzen, was bei der hier vorgestellten Variante 
nicht vorgesehen ist. Als Schaltregler habe ich nicht den mc34063 
benutzt, sondern den lm2576t in Standardschaltung als step-down Regler, 
weil ich diesen gerade noch da hatte.

Ich habe mich jetzt zwar dazu entschieden die Schaltung nicht länger am 
Fahrrad zu lassen, möchte jedoch trotzdem Tobias W. für seine Arbeit 
loben das Projekt hier einzustellen und so detailliert zu erklären!

Meine Arbeit habe ich auf meinem Blog dokumentiert, wer es sich ansehen 
möchte findet hier den Link: 
http://pauls-werkstatt.blogspot.de/2015/10/prototyp-eine-akku-gestutzten.html

Grüße Paul

: Bearbeitet durch User

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