GPS vom Nabendynamo laden

[skela]

Ich habe das Thema aktive MOSFET-Gleichrichtung für LED-Beleuchtung mit großer Interesse gelesen. Die Gleichrichterschaltung mit zwei IRF7319 wirkt recht genial.

Es sieht so aus, daß viele Mobiltelefone bald über einen eingebauten GPS-Empfänger verfügen. So ein Gerät wäre bei längeren Ausflügen nützlich. Da GPS aber ziemlich viel Strom benötigt, wäre es sinnvoll, die Batterie mit dem Nabendynamo zu laden. (Man könnte auch den Nabendynamo als Sensor benutzen und einen guten Tacho-Logger im Mobiltelefon programmieren.)

Viele künftige Geräte werden wohl über USB geladen, wie The Register berichtet. Deswegen wäre es wohl sinnvoll, eine 5-Volt-Spannungsquelle zu bauen.

Leider kenne ich mich nicht gut genug mit Analogelektronik aus, um eine effiziente Schaltung entwerfen zu können. Die Schaltung bräuchte nicht unbedingt bei eingeschaltetem Licht zu funktionieren. Wenn der Licht nicht eingeschaltet ist, liefert der SON leicht große Spannungen. Daher wäre es wohl sinnvoll, einen Abwärtswandler einzusetzen, so daß der Nabendynamo einen kleineren Strom (und größere Spannung) sieht als den Ausgangsstrom bei 5 Volt.

Könnte mir jemand helfen? Was für Schaltungen werden in Zigarettenzünder-USB-Stromadaptern eingesetzt? Lineare Regler, oder Schaltregler mit einem großen Spannungsbereich?

Schöne Grüße aus Finnland,
Marko

 

[brmpfl]

Moin,

in der c't 23/2007 ist dazu ein Artikel: "Strom auf'm Fahrrad".

 

[JuergenH]

Hallo,

das mit den Mosfet-Gleichrichtern ist schon der richtige Weg, allerdings verträgt dieser Gleichrichter weder Siebelko noch Akku. Dazu muss man die Mosfets mit Komparatoren schalten.

Das Transformieren wie in der c't beschrieben ist meiner Meinung nach reine Silizium-Verschwendung, weil bei jeder Transformation etwas an der Energie hängen bleibt. Zuviel Aufwand für zuwenig Nutzen.

Ich würde es so machen: einen normalen Brückengleichrichter, wenns geht in Schottky und die Akkus direkt parallel dazu. Fertig.

Gruß

Jürgen

 

[schmadde]

Ich würde es so machen: einen normalen Brückengleichrichter, wenns geht in Schottky und die Akkus direkt parallel dazu. Fertig.

Aber das kocht doch die Akkus? 500mA Dauerbefeuerung halten NiMH-Akkus doch nicht aus, oder? Die ct-Schaltung hatte doch so ein Akkulade IC mit dU/dt-Erkennung drin. LiIon wäre wohl noch kritischer, das geht am ende noch im Feuerball unter. So was in der Art suche ich schon lange, dann würde ich evtl. auf Dynamo umsteigen - das fehlende Standlicht in maximaler Helligkeit hat mich bisher davon abgehalten.

 

[skela]

Da ich mein Fahrrad das ganze Jahr benutze, manchmal auch bei Temperaturen unter -20°C (letzten Winter hatten wir hier in Südfinnland -25°C an ein paar Tagen, an manchen Wintern sogar -30°C), möchte ich fest installierte Akkus am Fahrrad vermeiden. Die Schaltung wäre die ganze Zeit im Fahrrad eingebaut, und bei gutem Wetter würde ich einen GPS-Empfänger (oder GPS-Mobiltelefon; ich habe noch kein GPS) am Stromleitung vom Fahrrad anschließen.

Wie funktioniert die Schaltung im c't? Auf der c't Suchseite sehe ich folgendes:

Peter Röbke-Doerr (roe)
Strom auf'm Fahrrad
Mit dem Nabendynamo Akkus aufladen
Praxis,Bordnetz fürs Fahrrad,Lichtmaschine, Fahrrad, Bauanleitung, c't Projekt, Mobilität, PDA, Navigation,Energie,Spezial-Elektronik MAX1771CPA+
c't 23/07, Seite 190

Der MAX1771 ist ein Aufwärtswandler mit einer Eingangsspannung von maximal 16,5 Volt. Wenn nichts am Ausgang angeschlossen ist und der Scheinwerfer nicht leuchtet, muß die Überspannung vom Nabendynamo irgendwo verbraten werden, oder man bräuchte einen mechanischen Schalter am Eingang.

Bei einer Belastung von 100 mA sollte der Spannung vom SON gerade in Grenzen bleiben. In meiner Vermessung bei unbekannter Geschwindigkeit war die gleichgerichtete Spannung über einem Widerstand von 22Ω etwa 7 Volt.

 

[TimTailor]

Hi,
schau mal ins Fernradler Forum www.rad-forum.de
Dort wurde der sog. Forumslader entwickelt. Der Läd AA Akkus und USB Geräte am Nabendynamo. Du kannst ihn fertig kaufen oder Dir die Bauanleitung nehmen und selber basteln.
Grüße Tim

 

[skela]

Hi,
schau mal ins Fernradler Forum www.rad-forum.de
Dort wurde der sog. Forumslader entwickelt. Der Läd AA Akkus und USB Geräte am Nabendynamo. Du kannst ihn fertig kaufen oder Dir die Bauanleitung nehmen und selber basteln.
Grüße Tim

Danke Tim,
Du meinst wohl dies:"Das Forumsladegerät - Akkus laden über Nabendynamo". Der Link zur Schaltung scheint nur für Mitglieder verfügbar zu sein. Google schlägt dies vor: 6V-Forumsladegerät von cyclist. Es geht um einen Gleichrichter und einen lineären Spannungsregler, also eine vermutlich viel einfachere Schaltung als die von c't.

 

[skela]

Wie funktioniert die Schaltung im c't?

Ich habe eine Kopie des Artikels von einem Freund bekommen. In der Schaltung auf Seite 194 von c't Heft 23/2007 gibt es leider eine Menge Schreibfehler, z.B. "22" statt "L2" und "JRF" statt "IRF". Außerdem gibt es zwei C2 auf der Stückliste. Der letztere sollte IC2 sein. Man darf nur hoffen, daß die Schaltung sonst richtig ist und die Komponentenwerte stimmen.

Es handelt sich um zwei Schaltungen: einer 5-Volt-Spannungsquelle und einem Batterieladegerät für 4 AA-Zellen.

Die Spannungsquelle besteht aus einem Auf/Abwärtswandler mit dem MAX1771
und einem Gleichrichter aus vier Dioden vom Typ SB130 statt zwei Doppel-MOSFETs IRF7319. Die Eingangsspannung nach dem Gleichrichter wird mit drei Zenerdioden auf 14,1 Volt begrenzt.

Für das Batterieladegerät wird der DS2715 eingesetzt.

Ich denke, ich werde mir nur die Spannungsquelle bauen, und zwar mit dem MOSFET-Gleichrichter. Bei eingeschaltetem Licht (b+m D'Toplight Oval Senso Plus und ein selbstgebasteltes 10 mA Diodenrücklicht) bleibt nach dem Gleichrichter etwa 3 Volt übrig. Daher ist ein Aufwärtswandler sinnvoll.

 

[skela]

Hallo Jürgen,

das mit den Mosfet-Gleichrichtern ist schon der richtige Weg, allerdings verträgt dieser Gleichrichter weder Siebelko noch Akku. Dazu muss man die Mosfets mit Komparatoren schalten.

Wäre es möglich, eine Schottky-Diode seriell zwischen dem MOSFET-Gleichrichter und der Gleichstromschaltung zu schalten? Wenn nicht, was für Komparatoren würdest Du einsetzen, und was für Betriebsspannung würden sie benötigen? (Hoffentlich würde ihre Spannungsversorgung keine zusätzliche Gleichrichter und Kondensatoren benötigen.)

 

[TimTailor]

Danke Tim,
Du meinst wohl dies:"Das Forumsladegerät - Akkus laden über Nabendynamo". Der Link zur Schaltung scheint nur für Mitglieder verfügbar zu sein. Google schlägt dies vor: 6V-Forumsladegerät von cyclist. Es geht um einen Gleichrichter und einen lineären Spannungsregler, also eine vermutlich viel einfachere Schaltung als die von c't.

Hi,
die Seite, die du gefunden hast ist die ricchtige! Das beschriebene LAdegerät ist das aus dem Forum.

Grüße Tim

 

[JuergenH]

Hallo Jürgen,

Wäre es möglich, eine Schottky-Diode seriell zwischen dem MOSFET-Gleichrichter und der Gleichstromschaltung zu schalten? Wenn nicht, was für Komparatoren würdest Du einsetzen, und was für Betriebsspannung würden sie benötigen? (Hoffentlich würde ihre Spannungsversorgung keine zusätzliche Gleichrichter und Kondensatoren benötigen.)

Doch, das geht, eine Schottky-Diode reicht.

 

[skela]

Doch, das geht, eine Schottky-Diode reicht.

Wie würde die Komparatorsteuerung des MOSFET-Gleichrichters funktionieren? Wenn ich die Spannungsabfall der Diode vermeiden könnte, wäre es vielleicht möglich, die Spannungsquelle auch bei eingeschaltetem Diodenscheinwerfer zu benutzen.

Ich habe die c't Schaltung der 5-Volt-Spannungsquelle mit dem Datenblatt des MAX1771 verglichen. Die c't-Schaltung ist fast wie die im Figure 6 (12V Buck/Boost from a 4.5V to 15V input). Die größten Unterschiede sind:

• D2 fehlt
• V+ wird mit einer Zenerdiode auf 8,2V (statt 15V) begrenzt
• L1 ist nicht direkt mit V+ verbunden, sondern der Eingang (bis 14,1V) kommt an L1 (bootstrapped?)
• der Punkt zwischen L1 und Q1 wird durch einen Widerstand und eine Diode den Kondensator am V+ laden
• R2 und R3 (zum Setzen der Ausgabespannung) sind anders
• einige Kondensatoren sind anders

Die Mindesteingangsspannung der c't-Schaltung habe ich nirgendwo gefunden, aber laut Datenblatt beträgt sie 2 Volt im bootstrapped-Modus (und 3 Volt im Normalmodus).

Ich denke, die Schaltung würde bei einem kleinen Ausgangsstrom effizienter funktionieren, wenn V+ bis 15V steigen dürfte. Ich würde auch den Eingang direkt am V+ anschließen, denn die Eingangsspannung sollte nach meinen Vermessungen bei eingeschaltetem b+m-Diodenscheinwerfer etwas über 3 Volt liegen, das heißt genug für den Normalmodus des MAX1771. Allerdings habe ich das bei nur 10 mA (Eigenbau-Rücklicht) gemessen.

Nun bleibt noch die Frage, ob 5 V 100 mA (500 mW) für den Dauerbetrieb eines GPS-Empfängers ausreicht. Meines Wissens können weder der Nokia N95 noch der Garmin GPSMap 60CSx über USB geladen werden, aber hoffentlich geht das bei künftigen Geräten. Laut Hersteller braucht der Nokia N95 773,3 mW während eines Gesprächs. Der durchschnittliche Leistungsbedarf des Garmin GPSMap 60CSx sollte ca. 400 mW sein (18 Stunden Betrieb mit 2 AA-Zellen).

Marko

 

[JuergenH]

Wie würde die Komparatorsteuerung des MOSFET-Gleichrichters funktionieren? Wenn ich die Spannungsabfall der Diode vermeiden könnte, wäre es vielleicht möglich, die Spannungsquelle auch bei eingeschaltetem Diodenscheinwerfer zu benutzen.

Im Elektor-Heft 7/8-2006 war so eine Schaltung drin, leider sehr viel komplizierter als nötig, aber so wirds wohl funktionieren.

 

[skela]

Im Elektor-Heft 7/8-2006 war so eine Schaltung drin, leider sehr viel komplizierter als nötig, aber so wirds wohl funktionieren.

Danke Jürgen, ich denke ich habe sie gefunden:
Power-MOSFET-Gleichrichter

Erschienen in Ausgabe 427, Juli 2006
Will man niedrige Spannungen gleichrichten, können die Verluste in einer Gleichrichterbrücke sehr hoch sein. Spannungsverluste von bis zu 1,5 V entsprechen bei einer Eingangsspannung von 6 V schließlich bereits 25 %. Mit Schottky-Dioden kann dieser Wert zwar fast halbiert werden, aber es gibt noch eine weit bessere Lösung.
Bei der synchronen Gleichrichtung wird eine aktive Schaltung statt eines Brückengleichrichters verwendet. Das Prinzip ist einfach: Solange der momentane Wert der Eingangswechselspannung höher als der Wert der gleichgerichteten Ausgangsspannung ist, leitet ein MOSFET, der die Eingangsspannung zum Ausgang durchlässt.

 

[skela]

Ich die englischsprachige Ausgabe von Elektor 6-7/2006 in unserer Bücherei gefunden. Tatsächlich, die Schaltung sieht sehr kompliziert aus: zwei Spannungsverteiler mit je 6 und 4 Widerständen, 4 Widerstände zwischen den G und S der MOSFETs und ein vierfach-Komparator TL084. Auch in diesem Schaltbild sehe ich schon einen Fehler, und im Text wird anscheinend Milliwatt (mW) und Milliohm (mΩ) verwechselt.

Wenn ich dazu komme, werde ich ein Schaltbild mit MOSFET-Gleichrichter und Auf/Abwärtswandler entwerfen und hier posten.

Marko

 

[skela]

Ich habe mir das Datenblatt des MAX1771 studiert. Im "bootstrapped mode" wie in der c't Schaltung darf die Eingangsspannung nicht die Ausgansspannung übersteigen. Die Überspannung muß also verbraten werden.
Nach meinen Vermessungen kann der SON bei eingeschaltetem Diodenscheinwerfer (b+m Oval Senso Plus) ca. 0,5 W zusätzlich liefern. Die Spannung beträgte ca. 2 Volt und der Strom 270 mA. Bei 2 Volt könnte der MAX1771 vielleicht arbeiten, aber das würde "Bootstrapped mode" benötigen.
Daher denke ich, ich werde die Schaltung im "Non-bootstrapped mode" bauen. So sollte der MAX1771 effizient bei einer Eingangsspannung von 3 bis 16,5 Volt arbeiten.

 

[skela]

Ich habe eine dem 6V-Forumsladegerät von cyclist ähnliche Schaltung und eine einseitige Leiterplatte mit den folgenden Bauteilen entworfen:

• zwei Zenerdioden als Überspannungsschutz
• einem MOSFET-Gleichrichter (2×IRF7319)
• einer Schottky-Diode
• einem Low-Dropout-Linearregler LM2940T-5.0
• zwei Kondensatoren am Linearregler
• einem Widerstand und einer USB-A-Buchse

Die Platine ist etwa 2×0,6 Zoll groß einschließlich der USB-Buchse. Die USB-Buchse und der dazugehörige Widerstand würden einen USB-Ladegerät-Netzteil simulieren. Ohne USB-Buchse könnte die Platine etwas kürzer sein: 1,7×0,6 Zoll bzw. 43x15 Millimeter.

Ich würde die Platine und die Kabeln mit Schrumpfschlauch schützen und in Gabelschaftrohr verstecken. Dazu käme noch ein Schalter (Licht an/aus/Strom an) genau wie beim 6V-Forumsladegerät.

Hat jemand Interesse auf die Eagle-Dateien? Wenn nicht, werde ich sie erst dann veröffentlichen, wenn ich die Schaltung in mein Fahrrad eingebaut habe. Das kann aber dauern, denn ich warte zuerst auf das "perfekte" GPS-Gerät, das ich mit eigener Software und Hardware verbessern kann.

 

[JuergenH]

So muss solch eine Schaltung aussehen. Was eventuell überdenkenswert ist, ist der unbedingt nötige Überspannungsschutz. Zwei Zenerdioden sind möglicherweise überfordert, wenn es nicht 5W-Typen sind. Als Alternative würde ich eine aktive Dummy-LED nehmen:

http://www.led-treiber.de/html/leds_grundlagen.html#AktivDummyLEDhttp://www.led-treiber.de/html/dynamo-treiber.html#LED-Fahrradbeleuchtung

Das ist die Schaltung mit dem BD434, der gekühlt werden muss, und den Dioden an der Basis.

Gruß

Jürgen

 

[skela]

Die Aktiv-Dummy-LED als Überspannungsschutz ist eine gute Idee, Jürgen! Ideal würde man einen AN/AUS/AN-Schalter mit integrierter Leuchtdiode einsetzen, so daß die Schaltung zum größten Teil im Rahmen versteckt werden kann.

Weiß jemand, ob es wasserfeste beleuchtete Schalter gibt? So etwas wie dieser Wippschalter, aber mit Gummi geschützt?

Scheinbar sind nicht alle mit Mini-USB aufgerüstete Ladegeräte miteinander kompatiblel: siehe z.B. pinouts.ru. Leider scheint der USB-Lader-Standard nicht mehr verfügbar zu sein. Aber ich vermute, daß der Zigarettenzünder-Mini-USB-Lader von Nokia dem Standard entspricht. Hoffentlich unterstützen die Geräte unterschiedliche Ladeströme (d.h. wenn das mitgelieferte Ladegerät 1000 mA bringt, wird das Laden auch bei 500 mA klappen).

Gruß und guten Rutsch ins neue Jahr! (Wir haben heute endlich etwas Schnee und Frost bekommen, aber mein Rad hat nicht gerutscht. )

Marko

 

[JuergenH]

Weiß jemand, ob es wasserfeste beleuchtete Schalter gibt? So etwas wie dieser Wippschalter, aber mit Gummi geschützt?

Beides, also wasserfest UND beleuchtet geht wohl nicht. Ich verwende Gummi-Schalterkappen vom C. Ähnliche gibts auch beim Reichelt.

P.S.: Such mal beim C nach 'Dichtkappe', da findest du was passendes.

 

[skela]

Wenn ich doch einen Schaltnetzteil bauen würde, sollte die Seite „Dimensionierung von Schaltnetzteilen” nützlich sein, insbesondere das Vorschaltgerät für sinusförmige Netzstromaufnahme:

Jürgen, was denkst Du, könnte man in dieser Schaltung die Gleichrichterbrücke durch Deinen MOSFET-Gleichrichter ersetzen? Es gibt da ja schon eine Diode zwischen dem gleichgerichteten Eingang |Ue| und dem Ausgang Ua.

 

[JuergenH]

Jürgen, was denkst Du, könnte man in dieser Schaltung die Gleichrichterbrücke durch Deinen MOSFET-Gleichrichter ersetzen? Es gibt da ja schon eine Diode zwischen dem gleichgerichteten Eingang |Ue| und dem Ausgang Ua.

Glaub ich nicht, weil ein erheblicher Teil der Effizienz eines Schaltregler daher kommt, eine einigermaßen konstante Eingangsspannung zu bekommen. Eine Schottky-Diode und ein Elko wären besser.

Aber bevor du dir die Mühe machst, einen solchen Schaltregler zu entwerfen, da gibt es sehr günstige fertige Regler bei:
http://www.dealextreme.com/details.dx/sku.3256

Nur der Weg ist weit und du brauchst Geduld, bis das Paket ankommt.

Gruß

Jürgen

 

[skela]

Glaub ich nicht, weil ein erheblicher Teil der Effizienz eines Schaltregler daher kommt, eine einigermaßen konstante Eingangsspannung zu bekommen. Eine Schottky-Diode und ein Elko wären besser.

Die Diode und einen Kondensator am Eingang kann man sowieso doch nicht vermeiden, denn die (aus dem Bild fehlende) Steuerschaltung des Schaltreglers braucht auch eine Stromversorgung. Die Schaltung sieht sowieso wie ein Aufwärtswandler aus, die normalerweise als die Vorstufe in einem großen Schaltnetzteil dienen würde.

Aber bevor du dir die Mühe machst, einen solchen Schaltregler zu entwerfen, da gibt es sehr günstige fertige Regler bei:
http://www.dealextreme.com/details.dx/sku.3256

Das sieht wie eine Konstantstromquelle aus, für eine Leuchtdiode. Ich möchte ja eine Konstantspannungsquelle haben, aus der ich externe Geräte wie GPS oder Mobiltelefon betreiben kann. Es gibt viele fertige Schaltregler-Module, sogar welche für den erweiterten Temperaturbereich -40°C..85°C. Die kleinsten können einen Linearregler wie den 7805 im TO-220 Gehäuse direkt ersetzen.

Bei mir geht es eher um das Lernen. Ich habe bisher fast keine analogen Schaltungen gebaut. Noch eine Möglichkeit wäre ein Abwärtswandler hinter einem Spannungsverdoppler (zwei Halbwellengleichrichtern). Die Ausgangsspannung könnte konfigurierbar sein, z.B. zwischen 3,3 und 5 Volt. So eine Schaltung sollte ein wenig Strom auch bei eingeschaltetem Scheinwerfer liefern können, z.B. 3,7 Volt und 355 mA für ein altes Mobiltelefon.

Ich muß mir noch einmal die LED-Treibern von Eberhard Haug ansehen. Vor ein paar Jahren hatte er noch keinen kompakten Schaltregler vorgeführt, wenn ich mich richtig erinnere. Ich merke gerade, daß neulich einige Fachzeitschrifte einige seiner Schaltungen gedruckt haben. Sogar in meiner Muttersprache, in der finnischen „Prosessori”: Tehoa LEDivaloille.

 

[JuergenH]

UUps, stimmt, du wolltest ja eine konstante Spannung und nicht LEDs betreiben. Typischer Fall von Betriebsblindheit, ich beschäftige mich mit LED-Treibern wohl zu häufig.

Als Step-down-Wandler solltest du dir mal die Reihe LM257x anschauen, die gibt es preiswert beim Reichelt, benötigen nur wenige passive Bauelemente und es gibt eine Menge an Tipps in den Datenblättern.

Als Step-up käme der LM2585 in Frage, leider schon nicht mehr so leicht erhältlich.

Beste Grüße

Jürgen

 

[skela]

Als Step-down-Wandler solltest du dir mal die Reihe LM257x anschauen, die gibt es preiswert beim Reichelt, benötigen nur wenige passive Bauelemente und es gibt eine Menge an Tipps in den Datenblättern.

Ja, die „Simple Switcher“ von National sehen sehr vernünftig aus. Sowohl die Diode und der MOSFET-Schalter sind integriert. Bei anderen Herstellern habe ich höchstens einen integrierten MOSFET gesehen aber nicht die Diode.

Ich habe gestern eine Pressemitteilung über die LM310x-Serie gelesen und ein Konto bei National eingerichtet, um mit ihr WEBENCH spielen zu können. Ich würde wahrscheinlich den [URL="http://www.national.com/pf/LM/LM3102.html]LM3102[/URL] (Step-Down mit bis zu 42 Volt Eingangsspannung und 2,5 Ampere Ausgangsstrom) einsetzen. Wenn ich richtig verstanden habe, ist die integrierte Diode eigentlich ein MOSFET, ähnlich wie in Deinem hocheffizienten MOSFET-Gleichrichter.

Der maximale Ausgangsstrom 2,5 Ampere des LM3102 ist einigermaßen Overkill, aber ich könnte die Schaltung später modifizieren, z.B. Akku statt Nabendynamo am Eingang, und LEDs treiben. Es ist ja möglich, eine Konstantstromquelle aus einem Schaltregler zu machen.

Schöne Grüße

Marko