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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltung für Taschenlampe mit Akku, Laden über Fahrraddynamo oder USB


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Autor: Tuxpilot (Gast)
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Hi,

ich möchte meine Led Lenser M7R auf LiFePo4 umrüsten, und zwar so, dass 
ich sie über USB oder am Fahrraddynamo aufladen kann. (Ladeadapter ist 
sowieso kaputt.)

Bekanntlich kann ein Fahrraddynamo verschiedenste Spannungen erzeugen. 
Bei normaler Last irgendwas bis 20V, im Leerlauf 
geschwindigkeitsabhängig, bei Wackelkontakten (ist halt ein Fahrrad) 
sehr hoche Spitzen. Andererseits hat USB nur 5V. Ich brauche Elektronik, 
die damit zurechtkommt.

Ich habe mir bisher einen APR18650 Akku, einen TPS54340 (Buck) als 
Spannungswandler, zwei bq25070 als Laderegler, einen TPS61169 (SEPIC) 
als LED-Treiber, und einen ATtiny 841 zur Steuerung rausgesucht. 
Schaltplan ist angehängt.

Der Eingang ist ein Einweg-Gleichrichter mit Z-Dioden als 
Überspannungsschutz.

Der Spannungswandler soll die Eingangsspannung auf 4,3V reduzieren, 
damit die Laderegler nicht kaputt gehen.

Der zweite Laderegler erhöht den Ladestrom, solange der Akku nicht fast 
voll ist. (Natürlich würde ein Laderegler reichen.)

Der LED-Treiber ist SEPIC, da die Akkuspannung mal aufwärts und mal 
abwärts gewandelt werden muss. Bezahlbare Buck-Boost-Wandler oder 
invertierende Wandler habe ich nicht gefunden.

Der tn841 kontrolliert alles, und setzt den Ladestrom so hoch, wie die 
Dynamo-Drehzahl zulässt.

Mit folgenden Dingen bin ich noch unzufrieden:

Da ist eine Diode im Gleichrichter. Wegen dem Spannungsabfall bei USB 
fände ich eine ideale Diode mit MOSFET sinnvoller. Ich finde aber keinen 
ausreichend spannungsfesten Controller.

Der TPS54340 hat bei meiner Eingangsspannung (36V) eine niedrige 
Schaltfrequenz (ich habe 790kHz berechnet). Und das COMP-Netzwerk 
verstehe ich nicht, ich habe es einfach nur laut Datenblatt berechnet. 
Wozu ist es gut?

Der bq25070 hat einen relativ geringen Ladestrom (nur 1A). Ich hätte 
gerne einen Laderegler mit höherem Strom, und hoher Eingangsspannung, so 
dass der Spannungswandler nicht nötig ist.

Kennt jemand bessere (und einfache) Schaltungen für Spannungsbegrenzung, 
Gleichrichter, Spannungswandler, Laderegler, oder LED-Treiber? Über 
Vorschläge würde ich mich freuen.

Autor: Jobst Q. (joquis)
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Viel aufwändiger geht es wohl kaum.

Ich würde zum Laden einfach ein Stepdown-Modul mit einem MP1584 nehmen, 
das ich auf 3,6V einstelle.

Ebay-Artikel Nr. 253133165481

Zur Strombegrenzung eine 12V 50W Halogenlampe vor den Akku.

Die Eingänge von Dynamo und USB müssten getrennt werden.

Fahraddynamos haben meist Wechselspannung, also muss ein Gleichrichter 
dazwischen. Dann ein dicker Elko zum Stabilisieren. Eine dicke 
Zenerdiode von 24V zur Spannungsbegrenzung.

Dann kann die Spannung vom Dynamo und die vom USB-Eingang über Dioden in 
Durchlassrichtung (USB besser mit Schottky) auf den Eingang des 
Step-Downmoduls zusammengeführt werden.

Autor: Tuxpilot (Gast)
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Dein Vorschlag ist also, den Laderegler durch eine andere 
Ausgangsspannung und die Halogenlampe zu ersetzen. Darüber habe ich noch 
nicht nachgedacht. Das Problem dabei: Die Taschenlampe soll zwar 
leuchten, aber für eine Halogenlampe ist darin überhaupt kein Platz. 
Ausserdem hat sie nur zwei Kontakte.

Theoretisch reicht es doch, wenn ich einen Buck-Wandler für 3,6V 
benutze, der schnell startet (1ms) und einstellbare Strombegrenzung hat. 
Dann wird der Akku eben nur während der positiven Halbwelle geladen, und 
ich kann auch I_prechg einstellen. Mehr Schutzfunktionen hat der bq25070 
auch nicht...

Die Strombegrenzung könnte man sicher an FB „anschließen“, fehlt nur 
noch der schnelle Start.

Als Ersatz für die Schottkydiode habe ich diese Schaltung gefunden. Ich 
weiß noch nicht, ob sie auch gleichrichten kann, also negative 
Eingangsspannung überlebt.

http://robotics.ong.id.au/2014/07/30/raspberry-pi-b-power-protection-circuit/

Autor: Jobst Q. (joquis)
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Tuxpilot schrieb:
> Die Taschenlampe soll zwar
> leuchten, aber für eine Halogenlampe ist darin überhaupt kein Platz.

Ich dachte, du wolltest ein Ladegerät für deine Taschenlampe. Die ganze 
Elektronik deines Plans braucht doch auch Platz, oder? Ich würde in der 
Lampe nur die Akkuanschlüsse herausführen.

Die Halogenbirne soll übrigens nicht leuchten. Sie dient nur als 
Kaltleiter mit einem sehr niedrigen Widerstand. Ein Widerstand von etwa 
0,22 Ohm würde es auch tun.

> Die Strombegrenzung könnte man sicher an FB „anschließen“, fehlt nur
> noch der schnelle Start.

Wofür soll ein schneller Start (1ms) wichtig sein?

Autor: Tuxpilot (Gast)
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Das ganze soll auf eine runde Platine (18mm), einseitig bestückt (3–4mm 
hoch), um dann in der Taschenlampe die bisherige Lade- und 
Treiberelektronik zu ersetzen. Mehr Platz ist darin nicht.

Die 5 ICs aus meinem ersten Schaltplan müssten knapp darauf passen...

Dann muss ich nichts zusätzliches mitschleppen, was schwer zu ersetzen 
ist. Optional den originalen Magnetadapter, der an irgendwelche 
Stromkabel angeschlossen wird.

Die schnelle Startzeit sollte dazu dienen, eine Halbwelle des 
Nabendynamos möglichst gut auszunutzen. Ich finde diese Idee sehr 
einfach, aber würde dem Akku solch eine pulsweise Ladung schaden? 
Solange ich den max. Ladestrom von 4A nicht überschreite, nicht, oder?

Autor: Mani W. (e-doc)
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Aufwändiger und umständlicher geht es nicht mehr?

Tuxpilot schrieb:
> Die schnelle Startzeit sollte dazu dienen, eine Halbwelle des
> Nabendynamos möglichst gut auszunutzen.

Ich finde diese Idee sehr
> einfach, aber würde dem Akku solch eine pulsweise Ladung schaden?
> Solange ich den max. Ladestrom von 4A nicht überschreite, nicht, oder?

Ich finde diese Idee ziemlich eigenartig...

Autor: Tuxpilot (Gast)
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So, ich habe mich am Vorschag von joquis orientiert und den Akku direkt 
an einen TPS54332 angeschlossen. (Siehe Schaltplan). Spannung ist auf 
3,6V eingestellt.

Strombegrenzung über R8 (0,02Ω) und einen OpAmp, der die 
Feedback-Spannung erhöht, sobald der gewünste Strom erreicht ist. Der 
TPS54332 soll dann runterregeln. Der Strom wird über PWM_CHG 
eingestellt.

PWM_CHG hat einen Tiefpass mit integriertem Spannungsteiler. Der OpAmp 
vergleicht die Spannung am Tiefpass mit dem Spannungsabfall an R8. Den 
Rest schreibe ich besser in einen anderen Beitrag: 
Beitrag "Kleine Verständnisfrage OpAmp als Differenzverstärker"

Als Eingangsgleichrichter nutze ich einen N-FET, das habe ich real 
getestet. (Schaltung vom RPi.) Ist die mit ? markierte Z-Diode sinnvoll, 
oder reicht die TVS-Diode? (Eine einzelne Shottky-Diode würde auch 
gehen.)

Damit die Regelung auch bei tiefentladenem Akku funktioniert, gibt es 
als alternative Stromversorgung einen 78L05 für μC und OpAmp.

Jupp, der Schaltregler startet (laut Datenblatt S. 23) schnell genug, um 
eine einzelne Halbwelle vom Nabendynamo zum Laden des Akkus zu benutzen. 
Bezüglich Akkuverschleiß habe ich nichts zu einer solchen „Impulsladung“ 
gefunden, scheint also unproblematisch zu sein.

Autor: Harlekin (Gast)
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Stichwort: Brückengleichrichter

Autor: Dieter (Gast)
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Ein Fahrraddynamo bringt in der Regel 3W, kurzzeitig sind auch 5W 
möglich oder mit sorgfältiger Leistungsanpassung. Also wäre der 
Durchschnittsladestrom höchstens ca. 1A und kurze Spitzen von bis zu 4A 
daher relativ unkritisch.

Deine Eingangsschaltung für USB/Dynamo setzt nun voraus, dass Du vor der 
Schaltung einen Brückengleichrichter hängen hast. Diesen kannst Du auch 
in der Zuleitung vom Dynamo verstecken, da vier Dioden 1N40xx oder 
Schottky nicht viel Platz brauchen.

Für die Schaltung solltest Du eine Li-Zelle mit integrierter 
Schutzschaltung verwenden, d.h. mit integrierten Unterspannungsschutz. 
Falls das Rad über den Winter etwas lange im Keller steht oder die Lampe 
brennt unerwartet weiter, wäre die Zelle vielleicht hinüber.

Autor: Tuxpilot (Gast)
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Was soll der Brückengleichrichter? Da ist doch extra ein Gleichrichter 
im Schaltplan, nur dass der nicht beide Halbwellen nutzt. Ausserdem 
möchte ich ja nicht ausschließlich über Dynamo laden, und bei USB sind 
zwei Dioden-Spannungsabfälle schon doof.

Mir ist nicht bewusst, dass es LiFePo4-Zellen mit Schutzschaltung gibt. 
Stelle ich mir auch ziemlich sinnlos vor. Es gibt LiPo mit 
Schutzschaltung (so eine habe ich bereits), aber das wäre bezüglich 
Schutz trotzdem ein Rückschritt.

Die Taschenlampe wird sich natürlich ausschalten, wenn der Akku leer 
ist. (Würde sogar der LED-Treiber alleine machen...)

Autor: Dieter (Gast)
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Tuxpilot schrieb:
> USB sind zwei Dioden-Spannungsabfälle schon doof.
USB direkt hinter Brueckengl Dyn vor diesem oder nur Halbwellen.

> Schutzschaltung
Wenn die IC bereits einen Tiefentladeschutz bewirken ist das 
vorteilhaft. (erwaehnt damit es geklaert wird).

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