Step-Down Wandler f. Dynamo

raymund

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Hallo Zusammen,

mal angenommen, man rüstet eine INOLED Lampe mit einer Cree oder Seoul LEDs aus und möchte diese an ihrem Limit (ca. 1A) betreiben.
Ein Dynamo bringt maximal 650mA, aber reichlich Spannung.
Wie kann man die Spannung halbieren und den Strom verdoppeln?

Hat da jemand eine Idee?

Gruß
Raymund
 
Glaube nicht das das Teil was bringt, das ist ja nur nen Strombegrenzer - und der Strom muss ja nicht begrenzt werden, er soll erhöht werden.
 
Klar ist hier ( auch ) eine Strombegrenzung ( LED-seitig ) gegeben, aber da der SR ja als "Ladungspumpe" funktioniert, dürfte das m.E. funktionieren - entspr. Vin mal unterstellt, damit der überhaupt korrekt regeln kann.
Wenn der Regler an der LED 3,8Volt liefert bei 1A und unterstellten 85% Wirkungsgrad, dann holt der sich rd. 4,5Watt auf der Primärseite, die liefert einen gescheiter Dynamo ja locker.

Im Prinzip genau wie der C-Spot in Originalversion, der ja intern auch nichts anderes macht, nur eben für entsprechende Eingangsspannungen gestrickt wurde.

Man könnte alternativ mal testen, ob das auch mit einem 2:1 Übertrager geht, aber einen SR halte ich für besser.
 
Das Problem ist die schwankende Spannung und der Regelkreis:(
Der Regler versucht immer, den Strom zu halten. D.h. wenn die Leistung nicht ausreicht, bricht die Spannung zusammen, z.B. immer in den Lücken vom Strom...Brauchst also einen großen Elko.

Die Frage ich, wie der Regler damit umgeht: Unterspannung, Neustart, Unterspannung, ... Normalerweise haben die dann eine Schutzabschaltung.
Aber versuchen kann man es.

Bessere Lösung: 2 LEDs in Reihe ergibt gleiche Leistung, aber die sind in einem viel besseren Wirkungsgradbereich:daumen:

Der Nikolauzi
 
Ich habe das so in einem ersten Versuch so gemacht: Einen Takt mit 50 kHz und 50% duty cycle erzeugen, den Takt auf einen Synchronschaltregler geben, 200µH Spule dahinter und schon hat man einen Stromverdoppler. Da der Dynamo max. 500 mA hergibt kommt hinten eben das doppelte raus. Einziges Problem: Der Reglerchip braucht eine Mindestspannungsversorgung, sonst schaltet er ab. Also ev. eine separate Spannungsversorgung für den Regler basteln....
 
Das Problem ist die schwankende Spannung und der Regelkreis:(
Der Regler versucht immer, den Strom zu halten. D.h. wenn die Leistung nicht ausreicht, bricht die Spannung zusammen, z.B. immer in den Lücken vom Strom...Brauchst also einen großen Elko.

Die Frage ich, wie der Regler damit umgeht: Unterspannung, Neustart, Unterspannung, ... Normalerweise haben die dann eine Schutzabschaltung.
Aber versuchen kann man es.

Bessere Lösung: 2 LEDs in Reihe ergibt gleiche Leistung, aber die sind in einem viel besseren Wirkungsgradbereich:daumen:

Der Nikolauzi

Wenn man die Möglichkeit hat mehrere LEDs unterzubringen ist das natürlich die bessere Lösung.
Ich habe auch schon mit dem Gedanken gespielt zwei LEDs in den INOLED Reflektor zu packen.
Vorausgesetzt, die Abstrahlung ist noch zufriedenstellend, stellt man sich dann immer noch die Frage, ob man dann den zwei LEDs etwas mehr Saft zukommen lassen kann. Schliesslich kann ein anständiger Nabendynamo mehr als zwei LEDs versorgen.

Gruß
Raymund
 
Ich habe das so in einem ersten Versuch so gemacht: Einen Takt mit 50 kHz und 50% duty cycle erzeugen, den Takt auf einen Synchronschaltregler geben, 200µH Spule dahinter und schon hat man einen Stromverdoppler. Da der Dynamo max. 500 mA hergibt kommt hinten eben das doppelte raus. Einziges Problem: Der Reglerchip braucht eine Mindestspannungsversorgung, sonst schaltet er ab. Also ev. eine separate Spannungsversorgung für den Regler basteln....

????
Sorry, davon habe ich nichts verstanden, ich bin Maschinenbauer, ich brauche eine Zeichnung.

Gruß
Raymund
 
Im Datenblatt des IRF21531D steht alles wesentliche, lad es dir mal von der IRF website herunter. Der kleine chip hat alles wesentliche an bord. Die 50% dutycycle macht er mit zwei externen komponenten von selbst. Braucht du nur noch zwei Mosfets und eine Speicherspule. Es ist im prinzip ein ganz einfacher (aber hoch-effizienter) step-down regler, nur dass er nicht mit PWM auf konstante Spannung regelt sondern ein festes 50% Verhältnis einstellt. Damit erreichst du genau die gewünscht Stromverdopplung.

Alles roger ?
 

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Stelle hier ein kleines Update zur Diskussion:
Aufgrund einer Anfrage per PM würde ich heute ein anderes Konzept zur Stromerhöhung verfolgen:
Die von Nikolausi angesprochenen Probleme der schwankenden Eingangsspannung werde am besten aufgefangen durch eine Akku-Zwischenspeicherung. Es gibt eine KSQ von DX, die als Ersatz für Halogenspots designed wurde. Eingang bis 30 V Wechselspannung wir gleichgerichtet gepuffert und mit 700 mA auf eine LED ausgegeben. Zur Stromerhöhung lassen sich diese Module problemlos parallel schalten. Wenn man beim Eingangselko jetzt z.B. vier LiFePo4 Akkus in Reihe zwischenklemmt, werden sie bei ausgeschalteter Lampe mit ca 400mA geladen (ja, ja, ich weiß, es sollten doch 500 oder 650 sein, sind aber bei höheren Spannungen >12 Volt kommt etwas weniger an). Beim Zuschalten der Lampe wird dann per step-down Regler die Akkuspannung auf 3,3 Volt runterkonvertiert, was leistungsmäßig ungefähr ein steady state macht (12 Volt 400 mA = 4,8 Watt mal 80% Reglereffizienz ergibt 3,8 Watt Ausgangsleistung). Was in dem Konzept fehlt ist eine Akku Lade-und Entladeelektronik. Die robusten LiFePo4 Zellen z.B. A123 sind aber relativ unempfindlich, was das angeht (Für 3-4 Euro gibt es dann noch Akkuwächter, die bei Unterspannung Alarm geben).

So würde ich heute mit wenig Aufwand einen Stromverdoppler und Verdreifacher angehen (der zudem auch noch sehr geringe Baugröße hat, denn die Akkukapaziät muss nicht hoch sein). Der entscheidende Vorteil gegenüber einem Elko ist, dass der Dymano von dem geringen Elko-Eingangswiderstand immer in die Sättigung getrieben wird, was bei der Batterieladung nicht passiert. Hat man erst mal 12 Volt Bordelektronik am bike, kann man ne Menge Autozubehör dranklemmen, z.B. Handyladerschalen usw...

RedmEx
 
Zuletzt bearbeitet:
verstehe ich das richtig:

durch die Schaltung liefert der (offene) Dynamo immer so hohe Spannung, wie er eben schafft,
und die Schaltung liefert dann - nach dem verwendeten Widerstand - eine bestimmten Strom
und weil eine Led bei (sagen wir mal) 800 mA nur knapp 4 V braucht, werden die gelieferten ~16 V 400 mA entsprechend runtertransformiert?

was passiert bei längerer Langsamfahrt
(querfeldein bergauf, ca. 7-10 km/h? Da schafft n Dyno wohl nicht genug)
 
Ehrlich gesagt, eine Akkupufferung ist für mich nur noch für zickige 5V-Geräte wie Mobiltelefone oder Navis interessant. Licht darf ruhig etwas geschwindigkeitsabhängig heller oder dunkler werden.

Bei dieser Rauf- und Runter-Wandelei bleibt doch immer etwas an Leistung hängen, unnötig und ärgerlich, wenn es schon zu wenig Leistung gibt.

Jürgen
 
Stelle hier ein kleines Update zur Diskussion:
Aufgrund einer Anfrage per PM würde ich heute ein anderes Konzept zur Stromerhöhung verfolgen:
Die von Nikolausi angesprochenen Probleme der schwankenden Eingangsspannung werde am besten aufgefangen durch eine Akku-Zwischenspeicherung. Es gibt eine KSQ von DX, die als Ersatz für Halogenspots designed wurde. Eingang bis 30 V Wechselspannung wir gleichgerichtet gepuffert und mit 700 mA auf eine LED ausgegeben. Zur Stromerhöhung lassen sich diese Module problemlos parallel schalten. Wenn man beim Eingangselko jetzt z.B. vier LiFePo4 Akkus in Reihe zwischenklemmt, werden sie bei ausgeschalteter Lampe mit ca 400mA geladen (ja, ja, ich weiß, es sollten doch 500 oder 650 sein, sind aber bei höheren Spannungen >12 Volt kommt etwas weniger an). Beim Zuschalten der Lampe wird dann per step-down Regler die Akkuspannung auf 3,3 Volt runterkonvertiert, was leistungsmäßig ungefähr ein steady state macht (12 Volt 400 mA = 4,8 Watt mal 80% Reglereffizienz ergibt 3,8 Watt Ausgangsleistung). Was in dem Konzept fehlt ist eine Akku Lade-und Entladeelektronik. Die robusten LiFePo4 Zellen z.B. A123 sind aber relativ unempfindlich, was das angeht (Für 3-4 Euro gibt es dann noch Akkuwächter, die bei Unterspannung Alarm geben).

So würde ich heute mit wenig Aufwand einen Stromverdoppler und Verdreifacher angehen (der zudem auch noch sehr geringe Baugröße hat, denn die Akkukapaziät muss nicht hoch sein). Der entscheidende Vorteil gegenüber einem Elko ist, dass der Dymano von dem geringen Elko-Eingangswiderstand immer in die Sättigung getrieben wird, was bei der Batterieladung nicht passiert. Hat man erst mal 12 Volt Bordelektronik am bike, kann man ne Menge Autozubehör dranklemmen, z.B. Handyladerschalen usw...

RedmEx

Um dem "Steady state" etwas unter die Arme zu greifen, ließe sich evtl. der DIM-Eingang eines PT4115 mit der Akkuspannung koppeln. Dieser hat nämlich die nette Funktion der analogen Dimmung, zwischen ca. 0,5 und 2,5V steigt der LED-Strom halbwegs proportional von 0 bis 100%, siehe Datenblatt S.7 unten rechts (die "µA" sollten natürlich mA heißen).
Nun könnte man doch einfach mit einer Zenerdiode 6,8V ---> Spannungsteiler 20k-(DIM)-10k ---> GND bewirken, daß sich der PT4115 bei <8,8V am 4s LiFePO4 abschaltet und >14,4V auf Maximum läuft - bzw. im Normalfall möglichst immer schön dazwischen.
Ob das aber mit mehreren parallelgeschalteten Reglern alles so problemlos geht, weiß ich nicht.
 
Ich habe das ganz einfach gelöst und habe 3 LEDs in Reihe geschaltet, einen Gleichrichter davor und eine Glättungs-Kondensator, fertig.
Funktioniert Seit 3 Jahren ohne Probleme.



Und hier gibts Vergleichsbilder http://fotos.mtb-news.de/s/11630

Das hat den Vorteil, dass 2 LEDs mit 500 mA betrieben effizienter arbeiten als eine LED die mit 1 A betrieben wird. Dein Stepdown Wandler muss erst mal über 90% Wirkungsgrad kommen, damit Du in die Nähe der Effizienz von 3 LEDs mit Gleichrichter kommst.

Man könnte jetzt auf die Idee kommen 4 LEDs in Reihe zu schalten, aber dann hast Du bei Geschwindigkeiten unter 12 km/h nur gefunzel.
 
Ich wollte vor einer Weile die Idee aufgreifen, mit Hilfe eines Schaltwandlers (=ungeregelt) die höhere gleichgerichtete Dynospannung auf zwei oder drei LEDs runter zu transformieren. Aber, wie Speedskater richtig schrieb, man braucht einen verdammt guten Wirkungsgrad, um zumindest nichts an Leistung einzubüßen. Das wars mir dann doch nicht wert, und so fahre ich mit meinem Mosfet-Gleichrichter und vier LEDs in Reihe immer noch durch die Gegend.

Jürgen
 
verstehe ich das richtig:

durch die Schaltung liefert der (offene) Dynamo immer so hohe Spannung, wie er eben schafft, und die Schaltung liefert dann - nach dem verwendeten Widerstand - eine bestimmten Strom und weil eine Led bei (sagen wir mal) 800 mA nur knapp 4 V braucht, werden die gelieferten ~16 V 400 mA entsprechend runtertransformiert?
Der Dynamo liefert ab eine gewissen Drehzahl Spannungen, die nach der Gleichrichtng den Akku laden. Der Akku bestimmt die Nennspannung, in meinem Fall eine, die eine Verdreifachung des Stroms ermöglicht.
was passiert bei längerer Langsamfahrt
(querfeldein bergauf, ca. 7-10 km/h? Da schafft n Dyno wohl nicht genug)
Es ist ganz wie beim Auto: im Standgas reicht die Generatorspannung nicht aus um die Batterie zu laden, das Licht wird dunkler, weil es aus dem Bleiakku gespeist wird. Bei mehr Drehzahl wird der Akku geladen und das Licht direkt aus der LiMa gespeist. Am Nabendynamo kann man über die Anzahl der Akkus die notwendige Geschwindigkeit selbst wählen, bei der die Akkuspannung noch erreicht wird. Bei längerer Bergauffahrt wird das Licht vom Akku gespeist, mindestens eine Stunde lang bei vollen oben genannten Akkus.
Ja, bei der Konvertiererei gibt es Verluste und es gibt andere Lösungen, aber wenn man nun mal eine einzelne XM-L am Nabendynamo bei 1,2 bis 3Amp betreiben möchte, schlage ich vor, über die Akkupufferung dem Dynamo ab 15 bis 20 km/h runde 5 Watt zu entlocken, im Akku zwischenzuspeichern und dann den Strom nach Bedarf zu multiplizieren. Jetzt da die Tage wieder länger werden, kann man ja durchaus auf dem Hinweg ohne Licht fahren und so Energie einspeisen, die man dann auf dem Rückweg verbrät, oder auch umgekehrt ...

RedmEx
 
Bin gerade auch wieder bei dem Thema, da ich auf eine XM-L in einem Projektorscheinwerfer umsteige beim Alltagsrad. Akkus kommen mir da aber nicht rein, nur ein Goldcap für's Standlicht.
Habe einen relativ einfachen Stromvervielfacher gebaut, mit dem ich aktuell problemlos 1.7A bei gutem Wirkungsgrad erreiche und der sich (für manchen überraschend) problemlos mit einem Dynamo verträgt (Gegentaktdurchflußwandler mit synchronem Gleichrichter).
Einzig der Mosfetgleichrichter fehlt noch für das letzte bißchen Wirkungsgrad und die Standlicht-/Langsamfahrtsteuerug. Das ist aber das kleinste Problem, da der Wandler eh mit einem Controller läuft:)
Ich hoffe, daß ich am WE das Teil testen und dann weiter berichten kann!

Der Nikolauzi
 
Bin gerade auch wieder bei dem Thema, da ich auf eine XM-L in einem Projektorscheinwerfer umsteige beim Alltagsrad. Akkus kommen mir da aber nicht rein, nur ein Goldcap für's Standlicht.
Habe einen relativ einfachen Stromvervielfacher gebaut, mit dem ich aktuell problemlos 1.7A bei gutem Wirkungsgrad erreiche und der sich (für manchen überraschend) problemlos mit einem Dynamo verträgt (Gegentaktdurchflußwandler mit synchronem Gleichrichter).
Einzig der Mosfetgleichrichter fehlt noch für das letzte bißchen Wirkungsgrad und die Standlicht-/Langsamfahrtsteuerug. Das ist aber das kleinste Problem, da der Wandler eh mit einem Controller läuft:)
Ich hoffe, daß ich am WE das Teil testen und dann weiter berichten kann!

Der Nikolauzi

Ist das ein Wandler mit konstantem Tastverhältnis?

Jürgen
 
Ist das ein Wandler mit konstantem Tastverhältnis?

Jürgen
Im Prinzip ja, ist aber ein Spannungswandler mit externer Referenz am Ausgang (eben die XM-L), welche quasi die Eingangsspannung regelt. Ist um ein paar Ecken gedacht, erfüllt aber seinen Zweck recht gut:daumen:

Ein Wandler mit dynamischer Leistungspunktanpassung ist auch schon in Planung, um das Problem bei langsamen Geschwindigkeiten zu lösen. Aber das wird mathematisch wohl etwas komplexer, steht also erstmal hinten an:(

Insofern stellt der aktuelle Durchflußwandler erstmal "nur" die zweitbeste Lösung dar, aber einen guten, da sehr einfachen und effizienten, Kompromiß.

Der Nikolauzi
 
Darf ich fragen wozu du du dir den Aufwand mit einem Gegentaktflusswandler machst?

Die Dinger sind sehr einfach zu bauen, ein Synchrongleichrichter dazu ebenfalls (insg. ein IC, ein Übertrager und 4 Mosfets), die haben einen sehr hohen Wirkungsgrad und machen genau das, was man bei einem Dynamo braucht. Der Nachbau ist ebenfalls kinderleicht.
Insofern ist der Aufwand geringer, als bei einem normalen Step Down mit hohem Wirkungsgrad und der Aufbau deutlich unkritischer. Ein Step Down braucht zudem eine Regelung, damit der optimale Leistungspunkt erreicht werden kann am Dynamo, eine Standardschaltung ist hier kontraproduktiv.

Der Nikolauzi
 
(insg. ein IC, ein Übertrager und 4 Mosfets)
Also ein Push-Pull- oder Halbbrückengegentaktwandler ohne Speicherdrossel?
Dann wäre es aber eher ein Stromwandler und kein Spannungswandler. Aber trotzdem interessanter Ansatz.

Ein Step Down braucht zudem eine Regelung, damit der optimale Leistungspunkt erreicht werden kann am Dynamo, eine Standardschaltung ist hier kontraproduktiv.

Der Nikolauzi
Moment, Schalttopologie und Regelung sind zwei Paar Schuhe. Du schreibst ja selbst dass du eine hast. Nur keine klassische Regelung auf die ausgangsseitige Spannung bzw. Strom, sondern eben auf die Eingangsspannung. Dieses Shuntreglerprinzip könnte man bei einen Step-Down genauso anwenden.
 
Also ein Push-Pull- oder Halbbrückengegentaktwandler ohne Speicherdrossel?
Dann wäre es aber eher ein Stromwandler und kein Spannungswandler. Aber trotzdem interessanter Ansatz.

Moment, Schalttopologie und Regelung sind zwei Paar Schuhe. Du schreibst ja selbst dass du eine hast. Nur keine klassische Regelung auf die ausgangsseitige Spannung bzw. Strom, sondern eben auf die Eingangsspannung. Dieses Shuntreglerprinzip könnte man bei einen Step-Down genauso anwenden.

Es ist ein Durchflußwandler als (aktiver) Spannungsteiler, d.h. Ein- und Ausgangsspannung stehen in einem festen Verhältnis (bei mir 3.5:1). Die Stromwandlung ist "nur" ein Nebeneffekt, aber ein sehr angenehmer;)
Die Regelung der Eingangsspannung durch die Ausgangsspannung geschieht dadurch, daß der Dynamo eine Stromquelle ist und die Diode eine steile U/I Kennlinie hat.
Es ist keine explizite Regelung erforderlich, diese ergibt sich aus dem Prinzip eines Durchflußwandlers!
Beim Sperrwandler wäre eine (aufwändige) Regelung erforderlich. Da muß man auf die max. Leistung regeln. Ich mach die Tage mal ein Schaltbild, dann wird es klarer und einfacher.

Der Nikolauzi
 
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