Fahrradzukunft

Ausgabe 12

Juli 2010

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Minimal-Lader

von Andreas Oehler

In Steckdose unterwegs (Fahrradzukunft 11) war als Referenz für eine möglichst einfache und preisgünstige Lösung zur Versorgung bzw. zum Aufladen mobiler Elektronik-Geräte am Nabendynamo der sogenannte Minimallader aufgeführt. Mehrere Fragen erreichten den Autor dazu und die Bitte, den Aufbau auch für absolute Laien verständlich zu erklären. Die Schaltung soll gemäß USB-Standard eine Spannung von recht genau 5 Volt (oder zumindest nicht mehr als 5,2 Volt) und 500 mA liefern. Die Begrenzung des Stroms in dieser Größenordung erledigt bereits jeder gängige Nabendynamo – es reicht die Spannung gleichzurichten und auf das gewünschte Niveau zu begrenzen. Diese einfache Schaltung aus Gleichrichter und Parallelregler hat sich bewährt um auf effiziente Art stromhungrige Geräte zu versorgen wie Smartphone, PDA oder Auto-Navi. All diese Geräte ziehen i.A. zwischen 300 und 600 mA an 5 Volt USB-Spannung. Sparsamere Geräte wie Garmin-Outdoor-GPS mit ihren 100 bis 200 mA Stromaufnahme funktionieren auch, bedeuten aber unnötig verheizte Energie.

Bild 1: Schaltplan der einfachsten Version mit Serienkondensator
Tabelle 1: Stückliste
Kurzbezeichnung Stück Bauteil Stückpreis
D1-D4 4 Schottky-Diode SB140 0,10 €
D5 1 Zenerdiode 5,1 V/5 W 1N5338B 0,50–1,00 €
C1 1 Elektrolytkondensator 330 µF/16 V nicht-polarisiert 1,00–2,00 €
C2 1 Elektrolytkondensator 1.000–10.000 µF/6,3 V; 105 °C; low-ESR 0,20–2,00 €
USB-Anschluß 1 USB-A-Einbaubuchse, 2-Port 0,50–1,00 €
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 Brückengleichrichter aus 4 Shottkydioden und einer Zenerdiode. Der Gleichrichter macht aus der Wechselspannung des Nabendynamos eine pulsierende Gleichspannung. Der Vorteil von Schottkydioden gegenüber den gängigeren Siliziumdioden ist der geringere Spannungsabfall (0,4 Volt statt 0,7 Volt) und damit geringere Verluste. Die Zenerdiode D5 begrenzt die Spannung am Ausgang auf ihren Nennwert von 5,1 Volt. Der gewählte 5-Watt-Typ ist schwieriger zu beschaffen, verträgt aber entgegen den üblicheren 1,3-Watt-Typen problemlos den kompletten Dynamo-Strom, wenn keine Last am Ausgang der Schaltung angeschlossen sein sollte. Der Kondensator C2 glättet die pulsierende Gleichspannung. Je größer seine Kapazität und je geringer sein Innenwiderstand (ESR), desto geringer die Restwelligkeit der Spannung.

C1 ist ein nicht-polarisierter Kondensator, der die Induktivität der Nabendynamo-Spule kompensiert und so dessen Strom-Output bei mittlerem bis schnellem Tempo deutlich erhöht. Bei Tempo 15 bis 20 im 28″-Laufrad lassen sich so statt der üblichen 500 mA über 700 mA erzeugen. Der gewählte Wert von 330 µF hat sich bei Nabendynamos von Schmidt und Shimano als optimal herausgestellt. Kleinere Werte sorgen für einen kräftigen Strompeak bei ca. 20 km/h und deutlich reduzierten Strom bei langsamer Fahrt. Größere Werte bedeuten weniger Stromausbeute. Statt einem nicht-polarisierten Kondensator können alternativ auch zwei gleiche, polarisierte Kondensatoren doppelter Kapazität antiseriell verschaltet werden – hier also z. B. zwei Elkos mit 680µF.

Bild 3: C1 als Kombination zweier polarisierter Elkos – antiseriell verschaltet

Die gewählte Zenerdiode passt sehr gut zur USB-Definition »5 Volt ± 0,2 Volt«. Um eine besonders gute Regelcharakteristik zu erzielen und die Diode bei Betrieb ohne Last zu schützen, empfiehlt sich aber in jedem Falle eine Kühlung. Am einfachsten geht das durch Anlöten von 2 Blechstreifen dicht am Körper der Diode (siehe Bild 2). Beim Einbau in ein Gehäuse ist darauf zu achten, dass die Bleche keinen Kurzschluss mit anderen spannungsführenden Teilen erzeugen. Mit Messingblechen gekühlt steigt die Spannung am USB-Ausgang auch ohne Last nie über 5,1 Volt.

Als Steckverbindung zu den Verbrauchern wird hier eine 2-Port-USB-Buchse des Typs A verwendet. Platzsparender aber weniger universell wäre es, direkt ein Kabel mit passendem Stecker für das zu betreibende Mobilgerät anzuschließen. In jedem Fall sollte größte Sorgfalt auf die richtige Polung der Spannung am USB-Anschluss gelegt werden. Das Foto zeigt dies: Von den 4 Kontakten in der USB-A-Buchse sind die jeweils äußeren für die Stromversorgung verantwortlich. Blau symbolisiert Minus, Rot Plus. Vor dem ersten Anschließen eines Mobilgerätes unbedingt überprüfen!

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 Gehäuse. Dieses soll die Bauteile mechanisch schützen und Kurzschlüsse vermeiden. Wärmeabfuhr der Kühlbleche an die Umgebung muss sichergestellt werden. Passend ist ein dünnwandiges Kunststoffgehäuse in der Größe einer Filmdose. Die Kühlbleche sollten so gebogen werden, dass sie flächig an der Gehäuse-Innenwand anliegen. Die Kondensatoren sollten möglichst weit entfernt von den Kühlblechen und der D5 platziert werden. Erschütterungsfestigkeit und gute Wärmeabfuhr ermöglicht man durch Vergießen mit Epoxidharz (aus dem Modellbau-Handel). Durch dichtes (!) Umwickeln der USB-Buchse mit Frischhaltefolie stellt man sicher, dass das Harz nicht auch diese füllt.

Bild 6: Der vergossene und einsatzbereite Minimallader ist kleiner als eine Streichholzschachtel

Variante mit zwei Schaltern

Dem Konzept würde es widersprechen, jetzt noch allzu viel Kontroll-Leuchten und weiteren Luxus hinzuzufügen. Die Effizienz in der Benutzung kann aber durch Ergänzen von zwei einpoligen Schaltern (z. B. Kippschalter MS-243 á 1–2 €) verbessert werden (Bild 7). S1 schaltet schlicht den ganzen Lader ab. So vermeidet man das unnütze Heizen der Zenerdiode, wenn kein Mobilgerät mehr angeschlossen ist oder dieses voll aufgeladen ist. S2 überbrückt den Serienkondensator C1. Dies reduziert den Ladestrom und Verluste in C1 und D5, wenn das angeschlossene Gerät unter 400 mA verbraucht.

Bild 7: Variante mit zwei Schaltern

Viel Spaß beim Nachbau!

Zum Autor

Andreas Oehler (40) arbeitet als Maschinenbauingenieur beim Fahrradbeleuchtungshersteller Schmidt Maschinenbau.

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