Bikebox Standlichtanlage
Sinn des Projekts
Diese Schaltung richtet sich an alle Rad-Tourenfahrer, die die Energie ihres Nabendynamos sinnvoll nutzen wollen ;)
Sie kombiniert eine Standlichtfunktion mit einer Lade- und Betriebsmöglichkeit für USB- und andere Kleingeräte am Fahrrad:
- Speisung über herkömmlichen Nabendynamo
- Interner Akku als Puffer
- 2 Ausgabespannungen: 7.2V für Fahrtlicht (LED-Scheinwerfer) (6V sind auch möglich) + 5V für USB
- USB-Lademöglichkeit
Die Schaltung, Platine und ein paar Bilder hängen diesem Beitrag an.
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
- Gesamteffizienz: 82% bei 11V in, 7.2V & 550mA out. (siehe Anmerkung)
- Gewicht: Etwa 420 Gramm (USB-Version inkl. Kabelpeitsche)
- Name: BikeBox EVO
Die Daten sind gemittelt und hängen natürlich auch vom Dynamo sowie der Laufradgröße ab. Die Effizienz wurde am Labornetzteil (also mit Gleichspannung) gemessen, muss also nicht der realen Effizienz am Dynamo entsprechen.
Disclaimer
Die BikeBox hat keine StVO-Zulassung. Nachbau und Betrieb erfolgen auf eigenes Risiko.
Funktion
Schaltplan und Erklärung
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 JP5 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.
Wozu OptCap?
OptCap besteht 2 470µF-Elkos, die antiseriell verschaltet werden. Er dient dazu, den induktiven Blindwiderstand des Dynamos teilweise zu kompensieren, was den Ladestrom erhöht. Bei mir hat sich dies als nicht notwendig erwiesen, da die Ladeleistung (ca 5.5W bei >=15 km/h) auch so ausreicht. Soll OptCap nicht bestückt werden, sind die Anschlüsse einfach mit einer Drahtbrücke zu brücken.
Platinenlayout
Anmerkung: Die Massefläche fehlt hier, ist aber in der eagle-Datei (siehe Projektdateien) vorhanden. Das Bild entspricht nicht der Originalgröße der Platine, sondern wurde zwecks besserer Lesbarkeit vergrößert.
Version ohne USB
Kann auf USB verzichtet werden, sind folgende Änderungen notwendig:
- R8 wird auf 7.2V oder 6V justiert
- R11 entfällt ebenso wie JP5
- C12&C13 können etwas kleiner ausgelegt werden (100µF 35V)
- Der Ausgang (Fahrtlicht) wird direkt an JP3 angeschlossen
- Als Ein- / Ausschalter reicht ein simpler Schalter, angeschlossen an JP4
- Das Kabel für den USB-Anschluß entfällt
Aufbau
Benötigtes Material
- 2-Komponenten-Kleber wasserfest
- Schrumpfschlauch diverse
- 4× Schraube M3×2.5 Schlitz mit Kontermutter Metall
- 4× 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
- Lötzinn
- Draht (z.B. 0.6mm²) für Innenverkabelung
- Witterungsfeste Zwillingslitze 1mm² für Außenverkabelung
Benötigtes Werkzeug
- Lötkolben regelbar mit SMD- und Standardspitzen
- Schraubendreher Schlitz
- Seitenschneider
- 1× Bohrer für Alu 3mm
- 1× Bohrer für Alu 6mm
- 1× Akkubohrer oder Bohrmaschine regelbar
Aufbau der 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) (Alternativ auch 6V) 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 3mm-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 PVC-Folie) haben sich hierfür 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.
Anbei die Reicheltliste für die benötigten Teile (Preisangaben Stand 10.06.2013; LIFEPO4 18650FPZ nicht lieferbar; LIFEPO4 26650FP - doppelte Kapazität, andere Abmessungen! - 9,95 €)):
| LIFEPO4 | 18650FPZ Lithium-Eisen-Phosphat Akku YT18650 FP | 1 | 3 | 9,95 € |
| CK HQ RT | Cinchkupplung, High-Quality, 6,4mm, rot | 1 | 1 | 1,15 € |
| LA 205-5 | Zwillingslitze, flexibel, 2x0,5mm², 5m-Ring | 1 | 1 | 1,10 € |
| MS 500J | Kippschalter, 2-polig, 3A-250VAC, (Ein)-Aus-(Ein) | 1 | 1 | 2,65 € |
| BOPLA A-102 | Alu-Gehäuse, IP66, 98×64×34mm | 1 | 1 | 16,65 € |
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 ;)
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.
Ich verwende zur Montage am Rahmen simple Scharniere aus dem Baumarkt als Montagewinkel, wobei durch die verbleibenden Schraublöcher der Scharniere Kabelbinder gezogen werden, welche die Box am Rahmen halten. Die Scharniere selbst sind mit M4-Schrauben (M4x8) und Kontermuttern am Gehäuse verschraubt.
Die elektrische Verbindung stellen Stecker und Kabelschuhe aus dem KFZ-Bereich her, 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 vergessen, bei Fragen einfach fragen ;)
Bilder
Akku
Frontansicht
Innenleben
Anbau am Rad 1
Anbau am Rad 2
Licht eines SON EDELUX an der Bikebox
Projektdateien
Links
Support
Ich beantworte Fragen im Thread oder auch per Mail an hacker-tobi [at] gmx.net gern. Auch helfe ich bei der Beschaffung von Bauteilen und beim Aufbau. Aus rechtlichen Gründen stelle ich jedoch KEINE komplett aufgebauten Geräte bereit. Bitte berücksichtigt auch, das ich aus Zeitgründen nicht immer sofort antworten kann.