Minimal Lader

Fahrradzukunft

Ausgabe 12 Juli 2010

Minimal-Ladervon Andreas Oehler

In Steckdose unterwegs (Fahrradzukunft 11) war als Referenz fr eine mglichst einfache undpreisgnstige Lsung zur Versorgung bzw. zum Aufladen mobiler Elektronik-Gerte amNabendynamo der sogenannte Minimallader aufgefhrt. Mehrere Fragen erreichten den Autor dazuund die Bitte, den Aufbau auch fr absolute Laien verstndlich zu erklren. Die Schaltung sollgem USB-Standard eine Spannung von recht genau 5 Volt (oder zumindest nicht mehr als5,2 Volt) und 500 mA liefern. Die Begrenzung des Stroms in dieser Grenordung erledigt bereitsjeder gngige Nabendynamo es reicht die Spannung gleichzurichten und auf das gewnschteNiveau zu begrenzen. Diese einfache Schaltung aus Gleichrichter und Parallelregler hat sichbewhrt um auf effiziente Art stromhungrige Gerte zu versorgen wie Smartphone, PDA oderAuto-Navi. All diese Gerte ziehen i.A. zwischen 300 und 600 mA an 5 Volt USB-Spannung.Sparsamere Gerte wie Garmin-Outdoor-GPS mit ihren 100 bis 200 mA Stromaufnahmefunktionieren auch, bedeuten aber unntig verheizte Energie.

Bild 1: Schaltplan der einfachsten Version mit Serienkondensator

Tabelle 1: Stckliste

Kurzbezeichnung Stck Bauteil Stckpreis

D1-D4 4 Schottky-Diode SB140 0,10

D5 1 Zenerdiode 5,1 V/5 W 1N5338B 0,501,00

Minimal-Lader | Fahrradzukunft - Ausgabe 12 http://fahrradzukunft.de/12/minimal-lader/

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Kurzbezeichnung Stck Bauteil Stckpreis

C1 1 Elektrolytkondensator 330 F/16 V nicht-polarisiert 1,002,00

C2 1 Elektrolytkondensator 1.00010.000 F/6,3 V; 105 C;low-ESR

0,202,00

USB-Anschlu 1 USB-A-Einbaubuchse, 2-Port 0,501,00

K1-K2 2 Abschnitte Messing-, Kupfer- oder Stahlblech, z. B. 1 2 cm

Bild 2: Prinzip-Aufbau Minimallader

Das Herz der Schaltung besteht aus einem Brckengleichrichter aus 4 Shottkydioden und einerZenerdiode. Der Gleichrichter macht aus der Wechselspannung des Nabendynamos einepulsierende Gleichspannung. Der Vorteil von Schottkydioden gegenber den gngigerenSiliziumdioden ist der geringere Spannungsabfall (0,4 Volt statt 0,7 Volt) und damit geringereVerluste. Die Zenerdiode D5 begrenzt die Spannung am Ausgang auf ihren Nennwert von 5,1 Volt.Der gewhlte 5-Watt-Typ ist schwieriger zu beschaffen, vertrgt aber entgegen den blicheren1,3-Watt-Typen problemlos den kompletten Dynamo-Strom, wenn keine Last am Ausgang derSchaltung angeschlossen sein sollte. Der Kondensator C2 glttet die pulsierende Gleichspannung.


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Je grer seine Kapazitt und je geringer sein Innenwiderstand (ESR), desto geringer dieRestwelligkeit der Spannung.

C1 ist ein nicht-polarisierter Kondensator, der die Induktivitt der Nabendynamo-Spule kompensiertund so dessen Strom-Output bei mittlerem bis schnellem Tempo deutlich erhht. Bei Tempo 15 bis20 im 28-Laufrad lassen sich so statt der blichen 500 mA ber 700 mA erzeugen. Der gewhlteWert von 330 F hat sich bei Nabendynamos von Schmidt und Shimano als optimal herausgestellt.Kleinere Werte sorgen fr einen krftigen Strompeak bei ca. 20 km/h und deutlich reduziertenStrom bei langsamer Fahrt. Grere Werte bedeuten weniger Stromausbeute. Statt einem nicht-polarisierten Kondensator knnen alternativ auch zwei gleiche, polarisierte Kondensatorendoppelter Kapazitt antiseriell verschaltet werden hier also z. B. zwei Elkos mit 680F.

Bild 3: C1 als Kombination zweier polarisierter Elkos antiseriell verschaltet

Die gewhlte Zenerdiode passt sehr gut zur USB-Definition 5 Volt 0,2 Volt. Um eine besondersgute Regelcharakteristik zu erzielen und die Diode bei Betrieb ohne Last zu schtzen, empfiehlt sichaber in jedem Falle eine Khlung. Am einfachsten geht das durch Anlten von 2 Blechstreifen dichtam Krper der Diode (siehe Bild 2). Beim Einbau in ein Gehuse ist darauf zu achten, dass dieBleche keinen Kurzschluss mit anderen spannungsfhrenden Teilen erzeugen. Mit Messingblechengekhlt steigt die Spannung am USB-Ausgang auch ohne Last nie ber 5,1 Volt.

Als Steckverbindung zu den Verbrauchern wird hier eine 2-Port-USB-Buchse des Typs A verwendet.Platzsparender aber weniger universell wre es, direkt ein Kabel mit passendem Stecker fr das zubetreibende Mobilgert anzuschlieen. In jedem Fall sollte grte Sorgfalt auf die richtige Polungder Spannung am USB-Anschluss gelegt werden. Das Foto zeigt dies: Von den 4 Kontakten in derUSB-A-Buchse sind die jeweils ueren fr die Stromversorgung verantwortlich. Blau symbolisiertMinus, Rot Plus. Vor dem ersten Anschlieen eines Mobilgertes unbedingt berprfen!


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Bild 4: Spannungs-Strom-Kennlinie der Zenerdiode 1N5338B

Bild 5: Spannung am USB-Ausgang bei variierter Stromaufnahme der Last (SON28,Laufraddurchmesser 700 mm, 20 km/h)

Individuell austoben kann man sich bei der Wahl bzw. Gestaltung des Gehuse. Dieses soll dieBauteile mechanisch schtzen und Kurzschlsse vermeiden. Wrmeabfuhr der Khlbleche an die


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Umgebung muss sichergestellt werden. Passend ist ein dnnwandiges Kunststoffgehuse in derGre einer Filmdose. Die Khlbleche sollten so gebogen werden, dass sie flchig an der Gehuse-Innenwand anliegen. Die Kondensatoren sollten mglichst weit entfernt von den Khlblechen undder D5 platziert werden. Erschtterungsfestigkeit und gute Wrmeabfuhr ermglicht man durchVergieen mit Epoxidharz (aus dem Modellbau-Handel). Durch dichtes (!) Umwickeln derUSB-Buchse mit Frischhaltefolie stellt man sicher, dass das Harz nicht auch diese fllt.

Bild 6: Der vergossene und einsatzbereite Minimallader ist kleiner als eineStreichholzschachtel

Variante mit zwei Schaltern

Dem Konzept wrde es widersprechen, jetzt noch allzu viel Kontroll-Leuchten und weiteren Luxushinzuzufgen. Die Effizienz in der Benutzung kann aber durch Ergnzen von zwei einpoligenSchaltern (z. B. Kippschalter MS-243 12 ) verbessert werden (Bild 7). S1 schaltet schlicht denganzen Lader ab. So vermeidet man das unntze Heizen der Zenerdiode, wenn kein Mobilgertmehr angeschlossen ist oder dieses voll aufgeladen ist. S2 berbrckt den Serienkondensator C1.Dies reduziert den Ladestrom und Verluste in C1 und D5, wenn das angeschlossene Gert unter400 mA verbraucht.


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Bild 7: Variante mit zwei Schaltern

Viel Spa beim Nachbau!

Zum Autor

Andreas Oehler (40) arbeitet als Maschinenbauingenieur beimFahrradbeleuchtungshersteller Schmidt Maschinenbau.

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