Einfacher Umbau des Busch & Müller Luxos auf Cree XM-L fürs E-bike

[_Barracuda]

Mit neuem uC und Serienwiederstand am DAC-Ausgang scheint der uC jetzt geschwindigkeitsunabhaengig stabil zu laufen (ab ~5km/h). Ausserdem hab ich die 10uF MLCCs mal vor den Eingangsstrom-Sensewiederstand gesetzt anstatt direkt vor den Buck (und hinter Eingangsstrom-Sensewiederstand).

​

Ab ~20km/h sieht die Stromaufnahme jetzt so aus wie zuvor mit 1000uF Elko:

Dazu musste ich den Eingangsstrom aber sin**2 - foermig modulieren, damit die Nulldurchgaenge abgerundet werden!

Jetzt gilt es noch den Eingangsstrom optimal zu modulieren. Sprich schauen welche Modulation bei 10, 20, 30 km/h die jeweilige LED-Spannung maximiert.

 

[KDEossi]

Ausserdem hab ich die 10uF MLCCs mal vor den Eingangsstrom-Sensewiederstand gesetzt anstatt direkt vor den Buck (und hinter Eingangsstrom-Sensewiederstand).

wenn ich richtig verstehe, was du da sagt, dann ist das mist. der mlcc muss so dicht am buck sein, wie es nur geht. der sense-widerstand dagegen sollte einen möglichst "sauberen" strom sehen, sonst hast du u.u. aliasing-effekte (wobei die sich in grenzen halten, wenn du die spannung vor dem ADC siebst).

 

[_Barracuda]

... der mlcc muss so dicht am buck sein, wie es nur geht. der sense-widerstand dagegen sollte einen möglichst "sauberen" strom sehen ...

Ich hab versucht die aktuelle Konfiguration aus Buck, Sense-Wiederstand und MLCCs auf dem Foto oben festzuhalten. Auf dem Foto sieht man einen unbesetzten 1210 Footprint (C2). Zuerst hatte ich die MLCCs (10uF - 60uF) dort platziert, jedoch ohne Erfolg. Dann kam mir in den Kopf, dass der Elko aus den vorherigen Tests parallel zu Buck und Sense-Wiederstand (R1) war, woraufhin ich die MLCCs von C2 entfernt und vor den Sense-Wiederstand wieder angeloetet hab (siehe Foto).

Die MLCCs parallel zu Buck und Sense-Wiederstand zu schalten, hat den Eingangsstrom scheinbar verbessert (siehe zweites und drittes Foto in diesem Post zum Vergleich). Mit 20uF in dieser Konfiguration hab ich ab 20km/h eine "saubere" Eingangsstrommodulation. Mit 40uF ist das schon ab 10km/h moeglich. Ich messe jetzt in etwa die selben Leistungen wie zuvor mit Elko.

Grob messe ich gerade eine Eingangsleistung von ~2.5W@10km/h und dann ~+2W jede weitere 10km/h. Von den 4W@10km/h, welche @nikolauzi erwaehnt hat, bin ich noch etwas weit entfernt . Ausserdem frag ich mich, ob ich das gemessene U_in_rms einfach mit I_in_rms zur Eingangsleistungsermittlung multiplizieren kann (evtl. Phasenverschiebung?).

 

[nikolauzi]

Bzgl. Leistung sollte Mittelwert (u(t)×i(t)) über 180° gelten, da RMS ja für eine ohmsche Last gilt, die hier nicht anliegt.
Urms×Irms wird hier zu falschen Werten führen, besonders, wenn man noch die Phase verschiebt.
Und die 4W sind natürlich nur bei passender Phasenverschiebung drin, nicht bei 0°
Das mit dem Kerko vor dem Shunt könnte am Wandler liegen. Wie war das nochmal im Schaltungsvorschlag dargestellt?

 

[_Barracuda]

... Leistung sollte Mittelwert (u(t)×i(t)) über 180° gelten ...

Mein Oszilloskop hat leider nicht Moeglichkeit Signale miteinander zu multiplizieren. Dann bleibt mir in der Leistungsermittlung wohl nur die LED-Spannung zu messen.

... Das mit dem Kerko vor dem Shunt könnte am Wandler liegen. Wie war das nochmal im Schaltungsvorschlag dargestellt?

Im Schaltungsvorschlag befindet sich der Kerko direkt hinter dem Shunt. Inwiefern der Vorschlag auf meinen Anwendungsfall anwendbar ist, weiss ich nicht.

... Und die 4W sind natürlich nur bei passender Phasenverschiebung drin, nicht bei 0° ...

Mhhh, dann kann ich demnaechst wohl schon einen ersten richtigen Prototypen fertigen. Fehlt nurnoch das Standlicht, aber das ist relativ einfach getan (Supercap + Mosfet parallel zu Buck + Shunt).

 

[_Barracuda]

Erster Prototyp geht in Fertigung:

In den letzten Tests hab ich die Kerkos wieder direkt vor den Buck gesetzt und keinen Elko verwendet. Das Schweinchen hat zwar wieder gequiekt und der Eingangsstrom war nicht mehr so "schoen", aber ich konnte mittels 0.05Ohm Wiederstand in Serie zur LED bis zu 2.5A messen.

Zeit fuer den naechsten Schritt

 

[nikolauzi]

... Das Schweinchen hat zwar wieder gequiekt und der Eingangsstrom war nicht mehr so "schoen", aber ich konnte mittels 0.05Ohm Wiederstand in Serie zur LED bis zu 2.5A messen.
...

Bei welcher Geschwindigkeit waren die 2.5A? 7.5W ist ja schonmal ganz akzeptabel für den Anfang
Wegen dem Quieken, das kann auch vom fliegenden Aufbau kommen, wenn die Stromvorgabe durch den Masseversatz mitschwingt. Die uC Masse muß gut mit der Buck Analogmasse zusammenpassen, oder halt ein Tiefpass rein, dessen C auf die DCDC Masse referenziert, um den Takt rauszufiltern. Dürfte aber bei dem kleinen PCB kein Akt sein.

 

[KDEossi]

wie "sauber" ist denn die stromvorgabe genau? quieken kommt normalerweise von stark schwankendem spulenstrom (und gute (off-line-)converter nutzen diverse tricks, um das aus dem hörbaren bereich rauszuhalten). du mußt sicher gehen, daß das signal stabil ist, und sich wirklich nur in einer-schritten ändert (selbst wenn du nur linear interpolierst) - der DAC hat ja sowieso nur 1024 davon.

 

[_Barracuda]

... Bei welcher Geschwindigkeit waren die 2.5A? ...

Genau hab ich das nicht gemessen, war irgendwo bei 30km/h+

... Quieken, das kann auch vom fliegenden Aufbau kommen, wenn die Stromvorgabe durch den Masseversatz mitschwingt. Die uC Masse muß gut mit der Buck Analogmasse zusammenpassen ...

Der neue Prototyp wird ja alle Komponenten recht dicht auf einer einzelnen Platine haben. Ausserdem kann ich mit den drei 1210 Kerko Footprints zwischen 10uF - 60uF (immer zwei aufeinander) installieren. Da sollte sich doch hoffentlich eine quiek-reduzierte Konstellation finden

wie "sauber" ist denn die stromvorgabe genau?

Die Stromvorgabe kann man auf den ganzen Oszilloskop-Screenshots sehen (blaue Kurve).

... du mußt sicher gehen, daß das signal stabil ist, und sich wirklich nur in einer-schritten ändert ...

Das Signal aendert sich so geschmeidig wie moeglich (in 256 Schritten pro Periode) und scheint stabil.


Selbst mit dem ganzen Kabelsalat und an-ab-an-ab-Geloete hat es doch ganz gut funktioniert. Proof of Concept erledigt . Jetzt heisst es warten, bis der erste richtige Prototypen eintrudelt. Dann geht es weiter mit "Einfacher Umbau des Busch & Mueller Luxos auf Cree XM-L fuers E-bike".

An dieser Stelle schonmal einen grossen Dank an @nikolauzi ohne den das alles viel laenger gedauert haette!

 

[KDEossi]

Die Stromvorgabe kann man auf den ganzen Oszilloskop-Screenshots sehen (blaue Kurve).

das kann ich bei der auflösung und dem rauschen beim besten willen nicht ernsthaft beurteilen, aber so ein bissel nach kleinem zick-zack sieht das schon aus. es hilft natürlich auch nicht, daß das oszi sicher auch nur 8-bittig ist ...

 

[_Barracuda]

Da kann ich dir nur zustimmen, mehr als das sehe ich leider auch nicht. Mal schauen ob der Oszi mit dem kommenden Prototypen ein "saubereres" Signal misst.

 

[_Barracuda]

Platinen fuer den ersten Prototypen sind angekommen und wurden gleich bestueckt.

​

Passt perfekt in den Luxos.

Erster Funktionstest ist auch schon bestanden. Es sind 3x10uF vor dem Buck verbaut. Es quiekt zwar noch rum, aber deutlich leiser als vorher (schon eher ein klicken).

Jetzt schau ich mal was sich mit unterschiedlichen Stromvorgaben so herausholen laesst.

 

[_Barracuda]

Hab mal zwei unterschiedliche Stormvorgabe-Verlaeufe ausgetestet (links: Sinus, rechts: Doppel-Sinus)

​

und die daraus resultierenden LED-Stroeme mittels 50 mOhm Serienwiederstand gemessen.

​

v (km/h)	LED-Strom (mA -: Sinus (1V)	LED-Strom (mA) - Sinus (0.816V)	LED-Strom (mA) - Doppel-Sinus (1V)	LED-Strom (mA) - Doppel-Sinus (0.816V)
10	320	480	420	500
15	900	900	1000	880
20	1160	1240	1440	1200
25	1500	1540	1680	1740
30	1920	1780	2100	2000
35	2060	1700	error	error
40	2100	error	error	error

Der Doppel-Sinus mit 1V Peak liefert mir annehmbare LED-Leistungen. Hab mal abgeschaetzt, was mit dieser Stromvorgabe und Nichia 519A LEDs, die hier auf ihren Einsatz warten, moeglich waere

v (km/h)	Helligkeit (Lumen) - Homemade + 519A M650 R70	Helligkeit (Lumen) - Homemade + 519A M450 R9080	Helligkeit (Lumen) - M99 DY PRO Abblendlicht
15	435	300	310
20	600	415	410
25	685	474	490

Bei der Berechnung meiner "Homemade" Helligkeitswerte wurde eine Helligkeits-Verringerung von 10% durch das Scheinwerferglass mit einbezogen. Wie man sieht, kann ich mit einer R9080 Variante (hoher Farbwiedergabeindex) Helligkeiten wie die Supernova erreichen. Die R70 Variante (hohe Effizienz) erlaubt nochmal einen Helligkeitssprung. Durch den Einsatz einer einzelnen LED (keine LED Matrix wie bei der M99) erhoffe ich mir ein sauberes fleckenfreies Leuchtbild.

Was mich aber noch stoert ist, das die Helligkeit um ca. 35km/h sprungartig abnimmt (siehe "error" in Tabelle). Das kann ich mir noch nicht so erklaeren und moechte ich gerne noch beheben. Wenn ich mir Eingangsstrom (links, I = U / 20 / 0.068) und -spannung (rechts) ansehe faellt mir auf, dass es bei einer Phase von etwa 90 Grad einen schlagartigen und kurzen Einbruch gibt. Das gilt sowohl bei Sinus-foermiger als auch bei Doppel-Sinus-foermiger Stormvorgabe.

​

Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die "V-foermige Spalte" in der Eingangsspannung immer kleiner. Eine schlagartige Helligkeitsverringerung tritt immer dann auf, wenn die Geschwindigkeit so hoch ist, das die Spalte ausgefuellt ist. Der Buck kann nur bis 42 V... eventuell zu viel Spannung? Der uC liefert bei den betroffenen Geschwindigkeiten eine "saubere" Stromvorgabe ohne Aussetzer, an dem scheint es nicht zu liegen.

 

[nikolauzi]

@_Barracuda
Späte Antwort, war im Urlaub.
Ich denke, daß er ev. die Synchronisation verliert. Wie hast Du denn die Nulldurchgangserkennung gemacht? Ist der Nulldurchgang im Oszi gut zu erkennen? Nicht, daß er durch die Last verschliffen wird?

 

[_Barracuda]

Ich denke, daß er ev. die Synchronisation verliert.

Kann gut sein, hab die Ursache wohl schon gefunden.

Der Buck hat einen Pin, ueber den seine internen Komponenten mit Strom versorgt werden koennen. Der Pin ist bei mir (wie im Datenblatt vorgeschlagen) an den Spannungsausgang des Bucks angeschlossen. Ab einer Ausgangsspannung von ca. 3.3V holt er sich den Strom ueber den Pin, was bei etwa 30km/h der Fall war. Denke mal das die Synchro dann bei diesem Uebergang floeten geht.

Mit einer LED, die eine niedrigere Vorfaertsspannung besitzt und schnellem Supercap, konnte ich diesen Leistungs-Drop ueber 40 km/h druecken. Bis dahin steigt der Strom auf 2.5A an (~8W LED Leistung , ~1000 Lumen aus einer einzelnen LED!!!)! Bestaetigt meine Vermutung also. Am besten waere es wohl den Pin (BIAS Pin im Datenblatt des LT8613) direkt zu erden damit auch im seltenen Fall von 40km/h Stabilitaet gewaehrleistet ist und evtl noch mehr Leistung abgerufen werden kann.

Bin jetzt dabei das Ganze abzuschliessen, finale Fotos und Leistungskurve folgen.

 

[_Barracuda]

Ich muss meinen vorherigen Post etwas korrigieren. Der Leistungs-Drop hat wohl damit zu tun, das die Platine bei hohen Geschwindigkeiten durch die hohen Stroemstaerken zu heiss wird.

Nach einer Minute bei 40 km/h kann ich den Leistungs-Drop beobachten (Strom sinkt langsam ab). Danach ist die Platine recht heiss, sodass es unangenehm ist sie zu beruehren. Mit Kuehlkissen unter der Platine bleibt der Leistungs-Drop auch nach fuenf Minuten bei 40 km/h (~2.5 A) aus.

Vermute mal, das Schottky-Dioden und Spule (bzw. der Spannungsausgang an sich) die Haupt-Heizquellen sind. Evtl. ist es eine gute Idee auf der Rueckseite ein 3mm-Alublech oder so anzubringen. Eine Raumtemperatur von 28 Grad wird wohl auch ihren Teil dazu beigetragen haben. Die Platine hat insgesamt vier Lagen (aussen: 1 Oz, innen 0.5 Oz). Die inneren beiden und eine aeussere sind voll ausgegossen und dienen als Ground-Planes.

Hier mal LED-Leistungskurven:

Ich hab zwei Platinen bestueckt. Platine "PCB 1" hat eine Nichia 519A sm573 R9080 M450 betrieben. Platine "PCB2" eine Nichia 519A sm353 R9080 M400. LED Strom hab ich an 50 mOhm in Serie zur LED gemessen. Die jeweilige LED-Vorwaerts-Spannung wurde zuvor mittels Labornetzteil in 30 Sekunden und 200mA Intervallen (aufsteigend) gemessen.

Grob erhaelt man zusaetzliche 2 W alle 10 km/h. Die Leistung scheint sich von 20 km/h auf 30 km/h fast zu verdoppeln. Man kann zwei Plateaus erkennen. Einmal bei 17.5-20 km/h und einmal ab 40 km/h. Woran das liegt weiss ich nicht. Wenn ich die Geschwindigkeit ueber 40 km/h erhoehe, passiert leistungstechnisch nicht mehr viel. Die beiden Exemplare zeigen jedenfalls, das diese Leistungskurve reproduzierbar ist.

Mit dieser Leistungskurve, krieg ich aus eine reinzelnen LED in jedem Fall genauso viel Licht bei 35 km/h raus wie Supernova mit ihrer LED-matrix bei 70 km/h. RIP DY PRO

 

[nikolauzi]

Das sieht doch schonmal gut aus Ev. kommt die Drossel in die Sättigung bei dem Strom? (und/oder Ripple zu hoch?) Dann steigt der Strom und der Regler wird auch schnell heiß.
Im unteren Bereich würde ich jetzt mit der Phase spielen (ev. eine Kennlinie Phase über Speed), um da die Leistung hochzubringen. Und oben die max. Leistung ev. begrenzen, da muß man eh schon gut strampeln und man verhindert eine Überhitzung/Überspannung.

 

[_Barracuda]

... Im unteren Bereich würde ich jetzt mit der Phase spielen (ev. eine Kennlinie Phase über Speed), um da die Leistung hochzubringen ...

Die LUT-Phase wurde schon optimiert soweit es geht (M-foermiges Signal). Eine konstante Phasenverschiebung von ~ -17.5 Grad funktioniert am besten.

Im Folgenden mal Eingangsspannung (gelb) und Shunt-Spannung (blau, 1V entspricht ~735 mA) fuer aufsteigende Geschwindigkeit:

~ 10 km/h

~ 20 km/h

~ 30 km/h

​

So komisch es auch aussieht... funktionieren tut es . Sieht irgendwie eher nach in Phase aus. Die mystische Phasenverschiebung bleibt aus.

... Und oben die max. Leistung ev. begrenzen, da muß man eh schon gut strampeln und man verhindert eine Überhitzung/Überspannung ...

Das scheint nicht noetig zu sein. Mit einem kleinen Alu-Blech (35mmx11mmx2mm) bleibt die Leistung bei 40 km/h konstant. Ich hab mal hochgedreht auf 60 km/h... Regler lief einwandfrei (~ 2.5A konstant ab 40 km/h). Sieht so aus als ob die Spannung ab 40 km/h von sich aus nicht weiter steigt.

 

[nikolauzi]

Ich bin noch ein wenig irritiert über die Eingangsspannung?! Ist das nach dem Gleichrichter oder am Dynamo? Du mißt beide Kanäle AC
Nach dem Gleichrichter sollte eigentlich fast konstante Spannung anliegen (fast 100% TV mit kleinen Einbrüchen durch die Nulldurchgänge), da sind aber nur 50%. Und der Strom steigt schon, obwohl keine Spannung anliegt?

 

[_Barracuda]

Die Eingangsspannung wurde direkt hinterm Gleichrichter gemessen. Im Grunde ist das die Spannung an Shunt+Buck. Hab die Oszilloskop Einstellungen auf DC korrigiert. Es wird quasi dasselbe gemessen.

Das mit dem spannungslosem Strom in der ersten Haelfte ist durchaus komisch. Evtl doch eine Art Phasenverschiebung, die die 50% Spannung wieder kompensiert?

Es gibt soweit ich weiss leider keine Messdaten von vergleichbaren Projekten im Netz. Wer weiss ob ich mit meinen „Fertigkomponenten“ da noch weiter optimieren kann oder nicht. Letztlich hab ich nur Zugriff auf die Stromvorgabe, die recht weit entfernt ist vom tatsaechlichen Eingangsstrom

 

[nikolauzi]

Ok, mit der AC Messung war mir nur nicht klar, wo Du mißt Aber Stromfluß ohne Spannung geht ja erstmal nicht?! Die Spannung ist 'unten', aber der Strom steigt, dafür müßten ja min. 3V am Buck Eingang anliegen, oder? Wie hoch ist die untere Spannung bei Deiner Messung und wie hoch der 'Peak'?

 

[_Barracuda]

​

Hab den aktuellen Prototypen heute mal kurz getestet. Obwohl ich in diesem Exemplar eine ineffiziente 519A sm573 r9080 m450 verbaut habe, ist das Abblendlicht sehr hell. Rein subjektiv gefallen mir die 5700k nicht, alles wirkt kalt. Es fuegt sich nicht so gut in die Umgebung ein (viel warmweisse Strassenbeleuchtung). Als naechstest werd ich die LED dedomen, um das Abblendlicht noch etwas weiter in die Ferne auszurichten und die Farbtemperatur der LED auf ~4300k zu reduzieren.

Auf den ersten Fotos erkennt man die Scheinwerfer-Halterung, welche aus leichten, stabilen 3D-Druck-Teilen und einem hochwertigen Steckverbinder besteht, erkennen. Darin sitzt der Scheinwerfer sicher und wackelfest. Die An- und Abmontage geht damit sehr schnell, damit laesst sich die Lampe ueberall mit hinnehmen.

 

[_Barracuda]

... Wie hoch ist die untere Spannung bei Deiner Messung und wie hoch der 'Peak'? ...

Ich hab den Teststand mittlerweile abgebaut. Jetzt moechte ich das Ding erstmal ausfahren , damit ich bis zum Herbst sagen kann ob es zuverlaessig laeuft. Ich schau mir das bei der naechsten Gelegenheit nochmal an.

 

[_Barracuda]

Update:

Ich kann scheinbar noch mehr Leistung herausholen, wenn ich anstelle einer 3V LED eine 6V LED verwende:

Erfreulicherweise verschwindet das Plateau bei 20 km/h und die Leistung ist ab 10 km/h immer hoeher. Bei 20 km/h ist 1 W hinzugekommen. Eine 6V LED erlaubt es ausserdem ein Ruecklicht mitzuversorgen. Oft funktionieren ja Dynamo-Rueckleuchten an 6V DC und E-Bike Rueckleuchten sollten damit sowieso klarkommen. Ausserdem ist das fiepen jetzt auch mit nur noch 20 uF vor dem Buck weg.

Getestet wurde an einer 12 V OSRAM, bei der nur die mittleren beiden LEDs mit Strom versorgt wurden. Die LEDs sind gerade mal 1mmx1mm gross, sprich das Leuchtbild sollte nochmal besser sein.

​

Eingangsspannung und -strom sehen in ihrer Form unveraendert aus.

 

[_Barracuda]

Finales Update

Da der letzte Prototyp zuverlaessig funktionert, hab ich in der Zwischenzeit V1.0 (siehe hier) fertiggestellt. Der hat verbessertes Standlicht und (dynamisches) Fernlicht. Bei 20 km/h macht der Scheinwerfer 50 % mehr Licht als der DY Pro von Supernova und bei 25 km/h etwa genauso viel Licht wie Laempies 8W Akku-Umbauten.

Den Leistungseinbruch auf 6W bei >= 40 km/h auf dem Teststand konnte ich zwar nicht beseitigen, aber bei mir im Flachland hab ich den in der Praxis noch nicht beobachtet.

Ich hoffe, das man hier einen interessanten Einblick in die Entwicklung dieses Umbaus bekommt. Zu Beginn meiner Basteleien hat mir soetwas zwar gefehlt, aber durch die freundliche Unterstuetzung von @nikolauzi und etwas Frustrationstoleranz hat doch alles wunderbar geklappt!