Fahrradzukunft

Ausgabe 12

Juli 2010

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Steckdose unterwegs – Teil 2

Nabendynamo-Ladeadapter im Vergleich

von Andreas Oehler

Dieser Artikel ist ein Update zu Steckdose unterwegs aus Fahrradzukunft 11.

Das Thema Dynamo-Ladeadapter boomt. Gerade erst meldete Nokia noch im laufenden Jahr ein Gerät zum Aufladen ihrer Mobiltelefone per Fahrrad in Afrika anbieten zu wollen. Während das Thema 2009 noch im Wesentlichen ein Tummelfeld für verschrobene Bastler war, bietet mittlerweile jeder bessere Fahrradladen zumindest das Busch&Müller E-Werk an.

Kurzvorstellung Ladeadapter

Dahon ReeCharge

Schon im letzten Heft wurde das Ladegerät ReeCharge vom Faltradhersteller Dahon erwähnt. Weltweit beworben will man ganz groß einsteigen. Wir erhielten als Allererste in Europa zwei Muster aus der Serienproduktion. Das System besteht im Wesentlichen aus zwei Baugruppen: Der eigentlichen ReeCharge-Einheit mit Akku, Schaltern, LED-Anzeigen und Steckanschlüssen sowie dem sogenannten Leistungsregulator.

Bild 1: Dahon ReeCharge

Das Gerät macht einen sehr durchdachten, hochwertigen Eindruck. Silikonkautschuk-Hülle und -Gurt sorgen für Spritzwasserschutz und schnelle, klapperfreie Befestigung am Rad. Drei weiße 5-mm-LEDs geben Auskunft über den Ladezustand des internen Lithium-Polymer-Akkus. Diese Anzeige wird über den mittleren Druckschalter permanent ein- bzw. ausgeschaltet und dient so ggf. auch als Notlicht für nächtliche Reparaturen oder als Taschenlampe im Zelt. Zwei kleine LEDs in rot und grün an der Gehäuseseite zeigen an, ob mit Nabendynamo-Strom aufgeladen wird oder der USB-Ausgang aktiv ist.

Beide Funktionen sind wieder jeweils mittels eigenem Druckschalter zu bedienen. Leider sind diese Status-LEDs aber bei hellem Tageslicht so gut wie nicht erkennbar. Da auch die Schalter nicht zeigen, wie der Schaltzustand ist, kann es passieren, dass unbeabsichtigt und unbemerkt die Verbindung zum Nabendynamo oder zum angeschlossenen Mobilgerät gekappt wird.

Zum Lieferumfang gehört auch ein Netzladegerät, ein USB-Kabel mit Adaptern für die gängigsten Mobilgeräte sowie eine minimalistische Befestigungslösung für Mobiltelefone am Fahrradlenker. Aus dem Akku lassen sich bei üblichen Betriebs-Bedingungen 1.650 mAh entnehmen. Tiefentlade- und Überladeschutz stellen sicher, dass der LiPo-Akku keinen Schaden nimmt.

Problematisch ist aber der Leistungsregulator. Der besteht im Wesentlichen aus einem Brückengleichrichter und einem 7806 Linearregler zzgl. einer »Schutzschaltung« aus Zenerdiode und Leistungswiderstand. Der einfache Linearregler hat recht hohe Verluste und sorgt für unnötig niedrige Ladeleistung bei langsamer Fahrt. Die Schutzschaltung ist überfordert, wenn mit einem verlustarmen Nabendynamo wie SON28 oder Shimano DH-3N80 schneller als 30 km/h gefahren wird, sowie der Ladeschalter ausgeschaltet oder der Akku voll geladen ist. Dann platzt reproduzierbar der Eingangs-Kondensator auf und korrosives Elektrolyt läuft über die Platine. Die Funktion ist aber auch bei zerstörtem Kondensator nicht sofort gestört, so dass der Defekt ggf. erst nach längerem Betrieb auffällt. Es bleibt zu hoffen, dass Dahon diesen Fehler bald behebt. Die Auslieferung der ersten Serie scheint zumindest gestoppt zu sein. Bei seinem Funktionsumfang ist das ReeCharge für 79 Euro ein sehr interessantes Angebot.

Bild 2: Geöffneter Leistungsregler des Dahon ReeCharge, rot markiert der aufgeblähte Eingangs-Kondensator mit zu niedriger Spannungsfestigkeit.
Kemo M172

Schon einige Zeit auf dem Markt, aber in Radfahrerkreisen noch völlig unbekannt ist das Kemo M172. Die KEMO Electronic GmbH kommt auch nicht aus der Fahrrad-Branche, sondern stellt seit 30 Jahren Module und Bausätze für Elektronik-Bastler her. Der USB-Lader findet sich somit zwischen Modelldampflok-Geräuschgenerator, Antennenverstärker und Ultraschall-Wildtiervertreiber im Regal der Elektronik-Händler. Die Gehäusebeschriftung wie auch die Bedienungsanleitung kommt etwas altmodisch daher mit Symbol für Reibraddynamo, Glühbirnchen-Leuchten und Masse am Fahrradrahmen – aber das sollte den Käufer nicht abschrecken. Auch die Angabe zum Ladestrom mit »max. 300 mA» sowie der Verweis, der Dynamo könne nicht Licht und Ladegerät gleichzeitig versorgen, muss als vornehme Untertreibung betrachtet werden. Die Elektronik im Gehäuse ist wasserdicht vergossen, eine LED signalisiert Ladebetrieb. Der Schalter ist als Umschalter Ladefunktion/Lichtanlage vorgesehen kann aber bei parallelem Anschluss an eine Nabendynamo-Lichtanlage auch schlicht zum Ausschalten des Ladegerät verwendet werden. Fest angeschlossen ist ein Kabel mit Mini-USB-Stecker, wie er mittlerweile in vielen Mobilgeräten zum Laden Verwendung findet. Mit unserem Referenz-Handy MDA Compact (und auch anderen) funktioniert das M172 einwandfrei und liefert genug Leistung zum gleichzeitigen Betrieb und Laden. Mit 26 Euro ist das M172 der preisgünstigste kommerzielle Ladeadapter am Markt.

Bild 3: Kemo M172 – klein, robust und preisgünstig
Low-Drop-Lader von Michael Paudler

Fahrradzukunft-Leser Michael Paudler realisierte einen Ladeadapter, der mit einem LowDrop-Linearregler mehrere wählbare Spannungen liefern kann. Wir untersuchten hier nur die Schalterstellung »5 Volt«. Um den Linearregler zu schützen und hohe Verluste bei Teillast und schneller Fahrt zu vermeiden, wird hier der Nabendynamo bei hoher Eingangsspannung kurzgeschlossen. Günstig ist diese Lösung in erster Linie dann, wenn der angeschlossene Verbraucher entweder den gesamten Dynamostrom aufnimmt oder aber gar nichts. Das Ansprechen der Schutzschaltung wird durch eine LED signalisiert und ist meist auch durch verstärkte Vibrationen aus dem Nabendynamo spürbar.

Auf Wunsch von Michael Paudler testeten wir sein Gerät auch mit vorgeschaltetem Serien-Kondensator 330 µF.

Bild 4: flexibel einsetzbares Ladegerät mit LowDrop-Linearregler von Michael Paudler
Zzing

Die im letzten Heft getestete Standard-Ausführung des Zzing-Ladeadapters schnitt hinsichtlich des Wirkungsgrades bei der Umsetzung der Spannung (5–7 Volt) des internen Akkupacks aus 5 NiMH-Zellen zum USB-Ausgang eher schlecht ab. Zzing-Entwickler Roland Schoen hat dies zum Anlass genommen, die Schaltung zu überdenken und hier einen sehr effizient arbeitenden Schaltregler zum Einsatz zu bringen. Vom letzten Platz in der Konkurrenz kann das Zzing jetzt beim Entlade-Wirkungsgrad zum ersten Platz vorrücken! Die neue Lösung soll in Kürze alternativ zum Standard-Zzing für 10 Euro Aufpreis verfügbar sein.

ADA

Auch Herr Braun aus Berlin hat unseren Test zum Anlass für eine Verbesserung genommen. Sein Gerät ADA-Bikekonverter kann im Leerlauf (außer durch Abziehen der Steckverbindung) nicht einfach abgeschaltet werden. Die vorgenommene Änderung führte nun dazu, dass bei Tempo 30 statt 2,1 Watt nur noch 0,7 Watt an Verlustleistung anfällt.

The Plug

Tout Terrain kritisierte mehrere Punkte in unserem Test. Da wir nur die Elektronik, nicht aber das komplette Gerät vorliegen hatten, entging uns, dass ein Schalter existiert, um »The Plug« komplett abzuschalten. Die hohen Leerlaufverluste sind somit nicht relevant, wenn man daran denkt, den Schalter zu betätigen, wenn nicht geladen wird.

Stromverbrauch des Smartphones HTC TyTn2

Um den Energiebedarf eines aktuellen Smartphone einzuschätzen wurde direkt an dessen internem Akku (3,7 Volt Nennspannung, 1.300 mAh) der Strom gemessen. Das HTC TyTN2 verfügt über UMTS, WLAN und GPS sowie einen »klassischen« Bildschirm mit 240 × 320 Bildpunkten. Um im Sonnenlicht auf dem Display etwas ablesen zu können, ist maximal helle Hintergrundbeleuchtung unumgänglich. Eingeschaltet, aber ohne rechenintensive Programme fließen bereits 160 mA. Ein laufendes Navigationsprogramm wie TomTom oder Glopus sorgen für 350–380 mA Verbrauch. Verwendet man GoogleMaps, was immer wieder per UMTS Kartendaten nachlädt, so schwankt die Stromaufnahme zwischen 350 und 700 mA.

Schaltet man den WLAN-Empfang ein, fließen zusätzlich ca. 150 mA. Problematisch dabei ist, dass die Ladeschaltung im Handy den Ladestrom auf etwa 450 mA begrenzt – auch wenn aktuell mehr verbraucht wird. Ladegeräte die mehr als 500 mA liefern können, haben somit wenig Nutzen. Mit SON28 und dem Minimal-Lader wird ab 14 km/h gerade so viel Strom geliefert, dass der Akku bei Navigationsbetrieb mit Glopus oder TomTom nicht leerer wird. Bei Nutzung des Minimalladers mit 330 µF Serienkondensator reichen dafür 12 km/h, mit dem E-Werk sind es 13 km/h. Die etwa 80 mA, die bei zügiger Fahrt dann neben dem Navi-Betrieb im Handy.Akku ankommen, reichen nur dann für nachhaltige Versorgung aus, wenn Pausen und Langsamfahrtzeiten sehr kurz bleiben.

Modernere Handy-Modelle tragen dem Problem Rechnung, indem sie höhere Ladeströme zulassen. Beim HTC Touch pro 2 sind bis knapp 1 Ampere USB-Ladestrom möglich. Hier lohnen sich somit Ladeadapter, die deutlich mehr als 500 mA liefern können.

Bild 5: Strommessung am Akku eines HTC TyTN2 bei Navigation mit GoogleMaps

Ladeleistung im Test

Alle beschriebenen Ladeadapter wurden in gleicher Weise getestet wie in Steckdose unterwegs in Fahrradzukunft 11. Die breiter bekannten Modelle Forumslader und E-Werk aus dem vergangenen Test tauchen in den folgenden Diagrammen als Referenz mit auf.

Wie Bild 6 und Bild 7 zeigen, liegt das Kemo M172 bei mittlerem Tempo bei der Ladeleistung leicht niedriger als die Konkurrenz. Ab spätestens ca. Tempo 20 erreichen alle mehr als 2 Watt und laden ältere HTC-Smartphones wie das MDA Compact oder das HTC TyTN2 mit maximalem Ladestrom. Schon bei unter 15 km/h wird dies erreicht, wenn man dem Ladegerät von Michael Paudler einen nicht-polarisierten Kondensator mit 330 µF in eine Nabendynamo-Zuleitung einfügt. Allerdings erkauft man das frühere Mehr an Leistung mit einem verschlechterten Wirkungsgrad.

Bild 6: elektrische Leistung an Handy MDA Compact (Ladeadapter ohne Akkupuffer)
Bild 7: elektrischer Wirkungsgrad (Ladeadapter ohne Akkupuffer)

Das Dahon ReeCharge mit dem originalen Leistungsbegrenzer lädt bei Tempo 20 gerade einmal 1,45 Watt in den Akku – zu wenig um damit stromhungrige Smartphones im Navigationsbetrieb dauerhaft zu versorgen. Für sparsameres wie Garmins Outdoor-GPS-Geräte sollte es aber gut ausreichen. Etwas erhöhen kann man die Leistung durch Verwendung des Minimal-Laders statt des Leistungsbegrenzers. Die magische 2-Watt-Marke kann man überschreiten, wenn man den Minimal-Lader mit Serienkondensator vorschaltet. Der Ersatz des Leistungsbegrenzers wirkt sich auch sehr positiv auf den Wirkungsgrad des Dahon ReeCharge aus.

Bild 8: Akkuladeleistung (Ladeadapter mit Akkupuffer)
Bild 9: elektrischer Wirkungsgrad Nabendynamo zu Akku (Ladeadapter mit Akkupuffer)

Beim Wandeln der Akkuspannung in USB-kompatible 5,0 Volt ist das Dahon ReeCharge dagegen mit 70–85 % von Haus aus bereits recht gut. Das Zzing schnitt in dieser Hinsicht im letzten Test deutlich schlechter ab – insbesondere durch den hohen Eigenverbrauch des Linearreglers. Die neue Version des Zzing mit einem Schaltregler zwischen Akku und USB-Ausgang begeistert hingegen jetzt mit eindrucksvollen 90 % und mehr. Beide Geräte liefern zudem bei Bedarf bis zu 5 Watt. Der am E-Werk betriebene Akkupack ohne weitere Elektronik vor dem Verbraucher kann nur bedingt zum Vergleich herangezogen werden, da hier Spannungsschwankungen (Akku voll: 5,6 Volt; Akku leer: 4,0 Volt; kein Tiefentladeschutz) nicht mittels Regler ausgeglichen werden.

Bild 10: Leistung am USB-Anschluss (Ladeadapter mit Akkupuffer)
Bild 11: Akku-Entladewirkungsgrad (Ladeadapter mit Akkupuffer)

Wer mit GPS-Navigation fährt, hat eigentlich immer Strombedarf. Wenn aber doch einmal nichts aufgeladen werden soll, muss entweder daran gedacht werden den Ladeadapter auszuschalten, oder man lebt mit den Verlusten. Beim ADA wurden die Leerlaufverluste durch eine Schaltungsänderung auf angenehm niedriges Niveau gebracht. Auch das Kemo M172 bleibt bis 30 km/h mit unter 1 Watt akzeptabel. Das Gerät von Paudler liegt in dieser Hinsicht deutlich günstiger als die Minimallader-Varianten, aber doch deutlich über der kommerziellen Konkurrenz. Etwas Optimierung an der Thyristor-Schutzschaltung könnte vermutlich für Besserung im Bereich bis 30 km/h sorgen.

Bild 12: elektrische Leistungsaufnahme im Leerlauf

Das Kemo M172 sieht den eingebauten Schalter zwar explizit als Umschalter zwischen Ladebetrieb und Lichtbetrieb vor. In der Praxis funktioniert das Gerät aber recht gut parallel zu einem eingeschalteten Edelux. Beim Ladeadapter von Paudler ist das ebenso.

Bild 13: Leistung bei eingeschalteter Lichtanlage

Daten im Überblick

Tabelle 1: Daten im Überblick
Typ Hersteller/
Erbauer
Gewicht (mit Zuleitung, ohne Halter) Preis Ausstattung Zubehör Leerlauf-
Spannung bei 20 km/h
Max. Strom bei 4,2 V bei 20 km/h Verhalten mit Fahrradlicht Abdichtung Akku-
Eigenschaften
Zzing (neue effizientere Version) Ronald Schoen 267 g 89 € 1×USB-Buchse, 1×lösbares Zuleitungskabel, Ladekontroll-LED, schaltbarer USB-Ausgang mit Kontroll-LED Klick-Fix Haltersystem, Gerät werkzeuglos abnehmbar 4,99 V > 1.000 mA keine Aufnahme von Strom bei Licht nicht wasserdicht NiMH; 6 V; 2.700 mAh
Kemo M172 Kemo ca. 50 g 26 € 1×Mini-USB-Stecker, Zuleitungskabel, Schalter   5,15 V 445 mA Beleuchtung etwas reduziert, 1–1,4 W Ladeleistung wasserdicht vergossen  
Low-Drop-
Lader
Michael Paudler ca. 150 g Bauteile 20–30 € Stecker/Buchsen nach Wunsch, Schalter zur Wahl der Ausgangs-Spannung, LEDs zur Kontrolle des Ladestrom und der Schutzschaltung   5,00 V 450 mA (640 mA mit Serien-
Kondensator 330 µF)
Beleuchtung etwas reduziert, 1–1,4 W Ladeleistung nicht wasserdicht  
Dahon ReeCharge Dahon ca. 150 g 79 € Akku-Ladestandsanzeige, Schalter für Ein- und Ausgang schnelle Befestigung mit Silikonband, verschiedene Kabel und Adapter, Netzteil 5,05 V > 1.000 mA Beleuchtung leicht reduziert, Ladeleistung 0,5–1 W spritzwasserdicht Li-Polymer; 3,7 V; 1.600 mAh

Zum Autor

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

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