Ein GPS-Gerät dient mir als Fahrradtacho. Dessen Akkus mussten alle paar Fahrten gegen frische getauscht werden, weil sie halt nur 24 Stunden halten. Wenn das Fahrrad eh über einen Nabendynamo verfügt, liegt es nahe, diesen auch zum Betrieb des GPS-Geräts zu benutzen. Damit die Spannung nicht beim kurzen Anhalten an einer Kreuzung zusammenbricht, ist ein Akkupuffer sinnvoll. Er kann dann gleich die Beleuchtung im Stand mitversorgen. Das Standlicht soll dabei im Normalbetrieb keiner besonderen Aufmerksamkeit bedürfen, sondern einfach so funktionieren. Allzu viele Stellen gibt es am Fahhrad nicht, wo Platz für so viel Elektronik ist, aber unter dem Gepäckträger standen noch ca. 4×10×16 cm zur Verfügung.

Das LED-Rückicht funktionierte problemlos mit der Schaltung, das Vorderlicht (b+m Lumotec Lyt) musste jedoch modifiziert werden, da es unerwartet einfach gebaut war.

Übersicht

Das Standlicht besteht aus mehreren Komponenten, die unabhängig von einander zu verschiedenen Zeiten entworfen wurden:

Der Dynamo wird an das Standlicht angeschlossen. Hierbei ist zu beachten, dass zumindest an meinem Shimano-Dynamo ein Pol mit dem Fahrradrahmen verbunden ist. Deswegen ist die ganze Schaltung an keinem anderen Punkt geerdet, sondern schwimmt auf der Wechselspannung des Dynamos. Zwei antiserielle 470µF-Elkos bilden mit dem Dynamo einen Schwingkreis mit Resonanz im niedrigen Drehzahlbereich (15–20 km/h), wodurch bei der Geschwindigkeit durch die Resonanzüberhöhung mehr Leistung als ohne die Elkos zur Verfügung steht. Die Spannung gelangt dann in einen 6-V-Schaltregler mit Steuerung. Mit den erzeugten 6 V wird die Beleuchtung versorgt, der Akku geladen und auch die 12 V für das GPS-Gerät werden daraus erzeugt. Im Stand versorgt der Akku dann die Beleuchtung und den 12-V-Wandler. Alle im Plan dargestellten Teile – Fahrrad und Dynamo ausgenommen ;-) – kommen in ein Gehäuse. Die dicken schwarzen Linien grenzen verschiedene Platinen voneinander ab, dazwischen werden Kabel gezogen.

Nicht eingezeichnet sind außerdem Schutzdioden, die bei beliebigen Permutationen der Eingangsbuchsen das Standlicht vor der Dynamospannung schützen. Es sind also an den Stellen noch Z- oder Verpolschutzdioden nachzurüsten, wo diese noch nicht vorhanden sind. Dann haben auch hinterhältige Zeitgenossen keine Chance mehr, wenn sie ganz bauernschlau die Stecker vertauschen.

Steuerung mit 6V-Regler

Die Steuerung beherbert einen 6V-Regler und ein Zeitrelais. Die Spannung des Dynamos wird zuerst gleichgerichtet, gefiltert und mit einer aktiven Z-Diode auf einen für den Regler ungefährliche 30 V begrenzt. Aufgrund seiner Größe ist der Filterelko weder auf der Steuerungsplatine noch im Gehäuse des Standlichts, sondern wird am Fahrrad unter dem Sattel befestigt und mit einer Buchse angeschlossen. Ein Schaltregler erzeugt stabilisierte 6,1 Volt aus der Rohspannung, die dann nach einer Diode zur restlichen Schaltung geleitet wird. Nach dem Aufbau ist der Schaltregler so abzugleichen, dass im Leerlauf 6,1 V am Ausgang zum Laderegler anliegen.

Neben der Spannungsversorgung verbindet und trennt ein Schaltrelais den Akku von der Ladeschaltung. Der Akku wird erst dazugeschaltet, wenn eine Mindestgeschwindigkeit von 10 km/h für einige Sekunden erreicht wurde. Danach wird der Akku geladen oder puffert die Versorgungsspannung. Liefert der Schaltregler für eine von 0 bis 17 Minuten einstellbare Zeit (hier eingestellt: 5 Minuten) keinen Strom mehr, wird der Akku getrennt und die ganze Schaltung ist stromlos. Damit ist sichergestellt, dass der Akku nicht tiefentladen wird, wenn das Ausschalten des Lichts vergessen wird.

Ein Schalter („immer an“) überbrückt das Reed-Relais des Zeitschalters und verbindet den Akku permanent mit der Schaltung, wodurch keine Abschaltung nach einer gewissen Standzeit mehr stattfindet. Ein zweiter Schalter („Not-Aus“) trennt die Batterie von der Schaltung und alles außer der Beleuchtung vom 6V-Spannungsregler. Damit soll im Falle eines Fehlers zumindest noch die Beleuchtung funktionieren, sofern der Schaltregler und Eingangsteil noch intakt ist.

12V-Regler

Ein 12V-Schaltregler erzeugt aus den mehr oder weniger stabilen 6 Volt die Betriebsspannung für das GPS-Gerät. Bei sehr niedriger Geschwindigkeit reicht der Strom noch nicht aus, um es bei voller Helligkeit zu betreiben. Dann bricht die Spannung immer wieder zusammen und erholt sich, wenn das GPS-Gerät die externe Spannungsversorgung nicht mehr verwendet. Bei normaler Fahrt reicht der Strom aber locker für das Laden des Akkus bei voller Helligkeit aus.

Laderegler

Vier NiMH-AA-Rundzellen werden über einen Laderegler geladen. Es ist ein guter Ort für alte Zellen, die sonst verschrottet würden. Sie werden andauernd mit Lade-Entlade-Zyklen gequält, dafür müssen sie ihre Energie nur 5 Minuten halten. Die Schaltung entstammt einem Artikel aus der c’t 23/2007 und konnte zumindest eine Zeit lang gratis heruntergeladen werden. Eine äquivalente Schaltung findet sich auch im Datenblatt des verwendeten Lade-ICs DS2715 (linearer Laderegler mit vier Zellen). Der Schaltreglerteil mit MAX1771 aus der c’t-Schaltung kann getrost ignoriert werden, da er im, übrigens nie verwendeten, Aufwärtsbetrieb erst viel zu spät anläuft und außerdem durch die komplizierte Schaltreglertopologie nur einen mäßigen Wirkungsgrad hat.

Gehäuse

Wind und Wetter stellen sehr hohe Anforderungen an ein Gehäuse, wenn sich innen kein Kondenswasser sammeln darf. Deutlich einfacher wird es, wenn Kondenswasser zugelassen, aber auch abgeleitetet wird. Dann braucht das Gehäuse nur noch regendicht sein.

Die Platinen mit Akkus im Standard-Rundzellenhalter samt Verkabelung, Buchsen und Schaltern kommen in dem Gehäuse eines alten WLAN-AP von D-Link unter. Es war das einzige vorhandene Gehäuse, das unter den Gepäckträger passte und genug Platz bot. Seine Lüftungsschlitze wurden bis auf einen an der Unterseite, der als Luftloch dient, mit dem Lötkolben bei 160 bis 170 °C verschlossen. Eine dünne Schicht Nagellack mit Aceton oder Ähnlichem löst das Plastik erst an und trocknet dann zu einer wasserdichten Schicht aus. Dennoch im Gehäuse befindliches Wasser kann verdunsten und durch das verbliebene Lüftungsloch an der Unterseite nach draußen gelangen. Alle Platinen wurden dick mit Lötlack besprüht, Akkus und Steckverbinder mit Kontakt 61 (Gleit- und Schutzöl) versehen, Kabelenden mit Schrumpfschlauch überzogen. Ganz schön vorbildlich für eine Hobbyfrickelei. ;-) Die Konstruktion stellt ihre Wetterfestigkeit derweil unter Beweis, bisher erfolgreich.

Cinch-Buchsen stellen die Verbindung nach draußen dar. Sie sind preiswert und vergoldet, aber leider mechanisch kaum stabil und groß. Man darf ob der beleidigend billigen Konstruktion skeptisch sein, doch an meinem alten Rad halten die Cinch-Buchsen schon sechs Jahre. Das grün-rote Seil wurde mittlerweile durch Kabelbinder ersetzt. Die Cinch-Buchsen sind zwar farblich codiert, aber alle Stecker schwarz. Bunte Stecker würden die Konstruktion nur noch komischer aussehen lassen. Der Dynamo ist hier an der roten Buchse angeschlossen, die grüne ist mit dem zusätzlich angeschlossenen 10-mF-Kondensator verbunden, die gelbe versorgt die Beleuchtung (6V) und die schwarze das GPS-Gerät (12V).

LED-Vorderlampe

Wer Erwartungen hat, wird bekanntlich enttäuscht. So ging es mir mit der Vorderlampe, Modell b+m Lumotec Lyt N. Ganz naiv erwartet man vielleicht bei einer nicht ganz preiswerten LED-Lampe, dass sie über eine Konstantstromquelle (KSQ) in Form eines Schaltreglers verfügt, sodass die Lampe von 6 bis weiß ich wieviel Volt hell leuchtet funktioniert.

Erste Enttäuschung: Die Lampe leuchtet erst ab ca. 8 Volt Gleichspannung am Eingang hell genug.
Zweite Enttäuschung: Die Lampe hat gar keinen Schaltregler, sondern einen Gleichrichter mit dahinter geschalteter 1-W-Leistungs-LED, deren Durchflussspannung mit 3 Dioden in Reihe auf so rund 6 Volt angehoben wird.

Enttäuschend, aber eigentlich ganz schlau, wenn man ehrlich ist: Ein Nabendynamo hat einen fast konstanten Kurzschlussstrom – also ideal für eine LED, wenn man darin eine Konstantstromquelle sieht. Dennoch sollte die Spannung begrenzt werden, da sie im Leerlauf stark ansteigt und auch bei Teillast über den gewollten 6–8 V liegt. Die LED begrenzt die Spannung auf ihre Flussspannung (jaja, die ist nicht konstant) – auch dieses Problem ist ohne ein zusätzliches Bauteil gelöst. Die LED-Lampe wurde also mit einem Minimum an Bauteilen realisiert. Nicht schlecht. Dass dann die eingesetzten Flachsteckzungen nur an einer von drei Stellen verlötet wurden – nun ja, sogar da wurde gespart. Sicherlich reduzierte der höhere Strom durch die LED ihre Lebensdauer, nur wer weiß schon, um wieviel.

Doch zum Umbau. Die kleine SMD-Schaltung wird aufgebaut. Größer sollte sie nicht werden, denn sie soll in die Lampe passen. Sie ist eine Konstantstromquelle und auf eine 1-W-LED ausgelegt, wobei sie auch erst bei 6 V die maximale Helligkeit liefert. Mit einer 1-W-LED lässt sie sich zuvor testen. Der blaue Kondensator (22 µF oder so) an der Versorgungsspannung war nötig, da der Schaltregler sonst mit den paar Metern Kabel zum Standlicht ins Schwingen geraten ist. Wenn alles funktioniert, lötet man vier Drähte ran (10 cm sind mehr als genug), lackiert alles und packt es dünn mit Klebeband oder Schrumpfschlauch ein.

Danach ist die Lampe an der Reihe: Das durchsichtige Plastik lässt sich nach vorne herausziehen, wenn man die schwarze Plastikwulst oben und unten vom durchsichtigen Plastik wegdrückt.

Nach dem Entfernen der Schrauben an der Optik kommt einem auch die Platine entgegen. Der Gleichrichter wird entlötet, die Stromversorgungskabel so an den Wechselspannungseingang geklemmt, dass der Pluspol an der mit „+“ markierten Flachsteckzunge entspricht, der Minuspol entsprechend an „–“. Ja, wir bauen die Lampe von einer Wechsel- zu einer Gleichspannungsversion um, um die Flussspannungsverluste im Gleichrichter zu sparen. Doch dafür ist der Überspannungs- und Verpolschutz explizit auszuführen: Auf die LED-Platine wird nun noch eine Z-Diode mit 6,2 V an den Eingang gelötet, sodass die Eingangsspannung auf 6,2V begrenzt wird, um den Schaltregler zu schützen. Angsthasen löten noch antiparallen dazu eine Schottky-Diode, welche die Z-Diode bei falsch herum angeschlossener Versorgungsspannung beschützt.

Nebeneffekt dieser Konstruktion: Die Lampe darf direkt am Nabendynamo betrieben werden. Sie nutzt zwar nur noch eine Halbwelle, schließt die andere kurz und flackert enorm, doch funktioniert erst einmal. Außerdem wollen wir sie am Standlicht nutzen, das 6,1 V Gleichspannung liefert.

Die LED wird an die verbliebenen Kabel richtig gepolt angeschlossen. Die Leiterbahnen lassen sich gut zu Bauteilen verfolgen, an denen die Kabel angelötet werden. Dies geschieht alles auf der Rückseite – die Vorderseite mit der LED bleibt unberührt!

Wenn alles funktioniert, leuchtet die LED hell auf, wenn ein Labornetzteil die Schaltung mit 6 V (Strombegrenzung auf ungefährliche 300 mA einstellen) versorgt und die Metalllasche auf der Rückseite runtergedrückt wird.

Nun schraubt man die LED-Platine mit der Optik wieder fest, der Schaltregler wird links von der LED-Platine in die Lücke gequetscht. Die Platine ist groß genug, um vom transparenten Deckplastik gehalten zu werden, aber klein genug, um an diese Stelle zu passen. :-)

GPS-Gerät

Mein GPS-Gerät von Garmin verfügt über einen herstellerspezifischen Stecker, über den es mit 12 Volt versorgt werden kann. Das Kabel bleibt immer im Gerät stecken, sonst baumelte es nur am Fahrrad rum. 12 Volt und Regen zersetzen auch jeden Kontakt dieses teuren Steckers. Stattdessen ist an der anderen Seite des Kabels ein 3,5-mm-Stereo-Klinkenstecker. Am Fahrrad befindet sich eine passende Klinkenbuchse, fest angebracht. Der Masseanschluss bleibt aber unbeschaltet – denn die 12-V-Masse entspricht nicht der Fahrradmasse. Schlüge man sonst mit der Vollmetallbuchse auf den Rahmen, überbrückte man die Hälfte des Gleichrichters und verlöre die Hälfte der Dynamoleistung. Stattdessen werden die beiden anderen Kontakte für die 12-V-Versorgung benutzt.

Am Fahrrad

Am Fahrrad sind einige Kabel zu verlegen: * 2 Adern vom Nabendynamo zum Standlicht * 3 Adern Beleuchtung: 2 vom Standlicht zum Vorderlicht, 1 Rückleitung vom Vorder- zum Rücklicht, da das Vorderlicht einen Schalter hat und auch das Rücklicht schaltet (Pluspol Rücklicht) * 1 Ader vom Standlicht zum Rücklicht (Minuspol Rücklicht) * 2 Adern vom Standlicht zur 12-V-Buchse für das GPS-Gerät

Der Fahrradmasse würde ich nicht trauen, nur um eine Ader zu sparen. Außerdem ist der Nabendynamo einseitig mit dem Fahrrad verbunden, weswegen die gesamte Schaltung schwimmt.

Praxis

Die Schaltung funktioniert besser als erwartet, sogar abends mit Licht und GPS-Gerät auf moderater Helligkeit wird der Akku geladen. Wie viel er bei voller Helligkeit des GPS-Geräts noch dafür übrig bleibt, weiß ich nicht. Nachts ist die Anzeige eh nur dezent beleuchtet, um nicht zu stören.

Ideen für das nächste Mal

• Vielleicht bessere Stecker als Cinch?
• 12-V-Beleuchtung würde vieles einfacher machen
• Lithium-Akkus sparen Gewicht und liefern mehr Energie pro Volumen
• Schaltung höher integrieren, damit das Gehäuse schrumpfen kann
• Schaltregler mit höherer Effizienz; der bisher verwendete wird deutlich warm, die Spule auch (aktive Trocknung des Gehäuses :-))

Dateien

Die Firmware (BSD-lizenziert) und die Eagle-Dateien für die Steuerplatine stehen zum Download zur Verfügung.

Dateien
standlicht-r2078.tar.bz2

Reparatur-Logbuch

• Ende 2008: Idee, mein GPS-Gerät oder Handy über einem Nabendynamo mit Strom zu versorgen; Ausprobieren der „c’t-Lichtmaschine“ mit gemischtem Erfolg am Labornetzteil; bisher kein Nabendynamo vorhanden
• Anfang 2012: Vorderrad erhält Nabendynamo, wenn auch durch unschöne Umstände
• Mitte Juni 2012: Inbetriebnahme Standlicht
• Anfang Juli 2012: Blauer Elko an LED-KSQ beim Öffnen zum Fotographieren abgebrochen. Wäre eh bald passiert, nochmal richtig eingelötet.