& strohbeck
& thiele-wieland
ingenieurbüro für hard- und softwareentwicklung
Intelligenter HI-Power LED Treiber für Fahrraddynamo
Motivation und Überblick
Die Krux der heutigen Fahrradelektrik
Die Verwendung von LEDs an einem Dynamo
Schaltungsanforderungen
Schaltungsbeschreibung
Portierung Fix- und Floatingpoint Library für PIC18
Links
Seit 2006 fordert die StVZO für Fahrräder eine Lichtleistung von mindestens 10 Lux für den Frontscheinwerfer. Dies ist durch verbesserte Dynamos und neu konstruierte Reflektoren gerade so noch zu erfüllen, jedoch ist mit den konventionellen 'Glühbirnchen' keine wesentliche Verbesserung möglich.
Hi-Power LEDs, die eine wesentlich höhere Leistung und Lichtausbeute bieten, sind eine vielversprechende Alternative. Sie sind teurer in der Anschaffung aber dafür robuster, langlebiger und haben einen etwas höheren Wirkungsgrad. LEDs sind jedoch aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften nicht ohne Zusatzbeschaltung für den Betrieb an den heute üblichen Standard Fahrraddynamos geeignet.
Das hier diskutierte Projekt hat das Ziel eine in vielen Punkten optimale Fahrradbeleuchtung zu entwickeln. Basis hierfür ist ein selbstentwickeltes microcontrollergesteuertes Schaltnetzteil, welches nicht nur ermöglicht, möglichst effizient und leistungsoptimiert HiPower-LEDs an einem Standard Fahrraddynamos zu betreiben, sondern dies auch noch optimal angepasst an die Bedürfnisse und Leistungsbereitschaft des jeweiligen Radfahrers.
Die Krux der heutigen Fahrradelektrik
Glühlampen haben in unserem Anwendungsbereich, sie also Licht produzieren, idealisiert einen konstanten Widerstand. Der Strom der durch sie hindurch fliesst ist proportional zur angelegten Spannung und folgt der Gleichung I = U/R. Der Widerstand beträgt bei der üblichen 2,4 Watt Birne ca. 15 Ohm, die 0,6 W Birne für das Rücklicht hat ca. 60 Ohm. Bei der gängigen Parallelschaltung von Haupt- und Rücklicht ergibt das einen Gesamtwiderstand von ca. 12 Ohm.
Die StVZO schreibt vor dass der Dynamo an diesem Widerstand eine Leistung von mindestens 3W abgibt. Aus den aus dem Physikunterricht bekannten Formeln P=U*I und U=R*I folgt nach Umformen und Einsetzen U=SQR(P*R). Hieraus lässt sich errechnen dass der Dynamo um 3W Leistung an 12Ohm zu erzeugen eine Spannung von 6V aufbauen muss. Die Fahrraddynamos nach StVzo tragen deshalb die Beschriftung "3W/6V", also 3W Leistung bei 6V Spannung.
Die Erfahrung zeigt: Fährt man schnell den Berg hinunter so hat man ein wunderbar helles Licht. Hingegen wird das Fahrrad geschoben oder man fährt den Berg hinauf so hat man nur wenig Licht zur Verfügung. Das liegt daran dass die vom Dynamo erzeugte Leistung proportional zur Drehzahl und somit zur Fahrgeschwindigkeit ist. Und ist diese hoch wird eine hohe Spannung erzeugt der wiederum bei zu schneller Fahrt erst die eine und dann die andere Birne zum Opfer fällt, so dass die Freude von kurzer Dauer ist und man im Dunkeln das Rad nach Hause schieben muss.
Den Fahrraddynamoentwicklern ist das Problem natürlich nicht entgangen, vermutlich ist ihnen das auch öfters passiert. Fahrraddynamos werden deshalb so gebaut dass die abgegebene Leistung bei höheren Drehzahlen nur noch wenig ansteigt. Man sagt die Dynamos geraten in eine 'Sättigung', was u.a. durch die Verwendung 'minderwertiger' Bleche erreicht wird. Leider hat diese konstruktionsbedingte Leistungsbegrenzung den Nebeneffekt dass insgesamt der Wirkungsgrad des Dynamos absinkt, was heisst mehr treten um ausreichend Licht zu haben, was ja irgendwie kontraproduktiv ist.
'Bessere' Dynamos, also die mit einem hohen Wirkungsgrad, werden heute so gebaut dass sie bereits bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Leistung erzeugen. Sie müssen aber eine Spannungsbegrenzung haben die die Glühlampen bei höheren Drehzahlen schützt. Dies wird meist durch eine integrierte parallelgeschaltete Z-Diode erreicht. Was aber bedeutet dass ab einer bestimmten Drehzahl die überschüssige Leistung einfach in Wärme anstelle in Lichtleistung umgewandelt wird, weil die Beleuchtung nur insgesamt 3W 'aushält'. Was ja auch unbefriedigend ist, denn je besser der Dynamo, je eher wird zwar die maximale (Licht-)leistung und Helligkeit erzeugt, umso früher tritt der Radfahrer umsonst in die Pedale weil die Birnchen sonst überlastet werden.
Jedoch gerade bei höheren Geschwindigkeiten wäre es aus Sicherheitsgründen wichtig mehr Licht zu haben. Je besser die Ausleuchtung der Fahrbahn, je weiter das Lichtreichweite, umso früher können Hindernisse erkannt werden.
Fazit: Obwohl die Dynamos in den letzten Jahren immer besser wurden und besser werden, kann eine wesentliche Steigerung der Lichtausbeute für eine Fahrradbeleuchtung mit den heute üblichen 2,4W und 0,6 Glühbirnchen nicht erreicht werden.
Die Verwendung von LEDs an einem Dynamo
Sollen anstelle von konventionellen Glühlampen moderne Hi-Power LEDs zur Lichterzeugung mittels Fahrraddynamo eingesetzt werden so müssen einige Punkte beachtet werden.
Eine LED ist im Prinzip eine Diode die den Strom nur in einer Richtung fliessen lässt. Da die meisten LEDs nur eine geringe Rückwärtsspannung zulassen, müssen sie mit Gleichspannung betrieben werden. Übliche Fahrraddynamos liefern aufgrund ihrer Konstruktion jedoch eine Wechselspannung. Um beide Halbwellen für die Lichterzeugung zu nutzen und um die LED vor Zerstörung zu schützen ist deshalb eine Gleichrichterschaltung notwendig.
Betrachtet man eine typische U/I-Diodenkennlinie so ist diese, im Gegensatz zu der einer Glühlampe, stark nichtlinear. Unterhalb der sog. Durchlassspannung (Forward Voltage, Uf) fliesst kein Strom d.h. der Widerstand geht gegen Unendlich. Da dabei kein Strom fliesst kann der Dynamo seine erzeugte Leistung nicht 'nach aussen' abgeben.
Oberhalb der Durchlassspannung steigt der Strom durch die LED überproportional stark an, ihr Widerstand geht gegen 0. In diesem Fall macht die LED quasi einen Kurzschluss und die Spannung am Dynamo bricht ein. Da.der Dynamo einen grösseren Innenwiderstand als die LED hat wird ein Teil der erzeugten Leistung ebenfalls im Dynamo in Wärme umgewandelt.
Einfache Schaltungen zur Strombegrenzung, z.B. aus einem FET oder Widerstand, wandeln die überschüssige Leistung lediglich in Wärme um, die letztlich nicht zur Lichterzeugung im Scheinwerfer genutzt werden kann. Einfache Schaltungen mit Vorwiderständen nutzen nur ein Bruchteil (ca. 25%) für die Lichterzeugung.
Fazit: Die Leistung des Dynamos kann aufgrund der Fehlanpassung zwischen Quellen- und Lastwiderstand nicht optimal an eine LED abgegeben werden sondern wird intern in Wärme umgewandelt. Dies führt zu einer Erhitzung von LED und Dynamo und kann im schlimmsten Fall zu deren Zerstörung führen.
Vereinfacht ausgedrückt: Für eine optimale Leistungsanpassung sich der am Dynamo entnommene Strom verhalten als ob eine Last von 22Ohm angeschlossen wäre, d.h. Strom und Spannung sind ideal sinusförmig und phasengleich. Dieses Verhalten wird in der Energietechnik als 'Power Phase Correction', kurz 'PFC' bezeichnet.
Hinsichtlich der oben genannten stark nichtlinearen Eigenschaften einer LED können folgende Teilbereiche der Diodenkennlinie zur Vereinfachung getrennt betrachtet werden:
Unterschreitet die Dynamospannung Uf so muss die Schaltung trotzdem einen Stromfluss erzwingen um die im Dynamo erzeugte Leistung abzurufen. Dazu muss die Dynamospannung so angehoben werden dass sie Uf übersteigt. Dies kann mit einer nachfolgend beschriebenen 'Step-Up'-Schaltung erreicht werden.
Übersteigt die Dynamospannung Uf so muss aufgrund des geringeren Innenwiderstandes der LED der entnommene Strom begrenzt werden. Dies kann wiederum durch eine 'Step-Down'-Schaltung erzielt werden.
Die Grafik zeigt den Verlauf der gleichgerichteten Dynamospannung (Ug), die Durchlassspannung der LED (Uf) sowie den den Stromverlauf 'Id' mit der folgenden abgebildeten Schaltung. Zum Vergleich ist noch der Stromverlauf 'Diode.dat' abgebildet welcher das typische Diodenverhalten der LED bei einer Beschaltung der LED mit einem einfachen Vorwiderstand aufzeigt.
Die hier vereinfacht dargestellte Schaltung misst die Spannung am Gleichrichterausgang und stellt den entnommenen Strom so ein dass dieser entsprechend der Gleichung I = P/U proportional zur momentan abgebbaren Leistung des Dynamos ist.
Mittels der beiden Schalter S1/S2, die als FET ausgeführt sind, wird der Strom durch die beiden Spulen L1/L2 gesteuert. Ist S1 geschlossen und S2 offen so liegt L1 direkt an der Ug und bildet einen Stromkreis in dem L1 geladen wird. Wird dann S2 geschlossen und S1 geöffnet so bildet sich nun ein zweiter Stromkreis über L1,L2 und D1. Die Spannungen Ug und UL1 addieren sich so dass US1 größer ist als Uf der Diode und somit die LED leuchtet.
(TBC) Da diese drehzahlabhängig ist bestimmt die Schaltung zusätzlich die Nulldurchgänge der Spannung.
Portierung Fix- und Floatingpoint Library für PIC18
Die bei Microchip frei verfügbaren Algorithmen für die Floating- und Fixpointarithmetik beziehen sich auf die Familien PIC16 bzw. PIC17. Für die PIC18 Familie verweist Microchip auf die Bibliotheken seines C18 C-Compilers. Dieser ist zwar in einer eingeschränkten 'Student'- Version nach einer Registrierung frei erhältlich, darf aber für kommerzielle Anwendungen nicht verwendet werden. Für dieses Projekt wurden daher die PIC16 Assembler Sourcen für den PIC18F4431 wie folgt modifiziert:
Die Verwendung einer Library hat viele Vorteile: