Ausgabe 31 · März 2021

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Selbstbau eines USB-Laders mit Step-Down-Regler

von Gerold Schütte

Schon lange lese ich die Fahrradzukunft und neben vielen anderen Artikeln hat mich immer das Thema »Steckdose unterwegs« interessiert. Vor einigen Jahren habe ich den Minimal-Lader nachgebaut, aber nur wenig benutzt, da mir das Gehäuse nicht so gut gelungen ist. Stattdessen kam der Dynamo Harvester zum Einsatz, der dann irgendwann nicht mehr funktionierte. Also habe ich wieder angefangen, selbst zu basteln.

Mein Ansatz ist es, einen gekauften Step-Down-Spannungsregler mit der Gleichrichterschaltung des Minimal-Laders zu kombinieren. Der gewählte Step-Down-Regler hat bei kleiner Baugröße (26,4 mm × 15,0 mm × 7,4 mm) eine hohe Wandlungseffizienz, eine USB-Buchse und als Schutz fürs Handy einen Überspannungsschutz am Ausgang. Die Kosten halten sich mit 3,58 € plus Versand in Grenzen.

Bild 1: Step-Down-Spannungsregler

Herausgekommen ist dabei die in Bild 2 dargestellte Schaltung.

Bild 2: Schaltplan
Tabelle 1: Stückliste
Kurzbezeichnung Stück Bauteil
D1-D2 2 Zenerdiode 1N 5349BG ONS, 12 V/5 W
D3 1 Schottky-Brückengleichrichter CS 40D DIO: 80 V; 1 A
C1-C2 2 Elektrolytkondensator 680 µF/25 V
C3 1 Elektrolytkondensator 1.000 µF/16 V
S1 1 Bimetall Temperaturschalter 60°C; NC KSD9700
  1 QITA DC-DC 6V-24V to 5V 3A Step-down Voltage Regulator Power Module Phone Charger

Die Funktion des Serienkondensators (hier zwei polarisierte Elkos) ist in den Steckdose-unterwegs-Artikeln erläutert. Die einzelnen Schottky-Dioden des Minimal-Laders wurden durch einen Schottky-Brückengleichrichter ersetzt, was Platz spart und das Löten einfacher macht.

Da der verwendete Step-Down-Regler nur maximal 25 V verträgt, muss die maximale Spannung begrenzt werden. Dies erfolgt hier durch zwei parallel geschaltete 12-V-Zenerdioden, die die übrige Energie »verbraten«. Die Dioden sind auf einem Temperaturschalter montiert, bei 60°C wird der USB-Lader abgeschaltet. Höhere Spannungen wären hier wünschenswert, damit die mühsam erstrampelte Leistung nicht schon bei normaler Fahrt und vollem Handyakku in Wärme umgewandelt wird. Doch die zusätzliche Leistung lässt sich dann nur schwer wegkühlen (@ Andreas Oehler: Danke für den Tipp).

Die Dimensionierung der Bauteile ist ein bisschen zufällig und kann sicher noch optimiert werden.

Bevor es an den Zusammenbau geht, sollte man sich über Anschluss und Montage am Fahrrad Gedanken machen.

Der Anschluss an den Nabendynamo erfolgt meiner Meinung nach am besten durch eine Hohlstecker-Hohlbuchsen-Kombination. Am einfachsten kauft man ein Niedervolt-Verlängerungskabel, schneidet das Kabel durch und schließt das Ende mit der Buchse parallel zum Licht an den Nabendynamo an. Die Buchse kann man dann irgendwo im Bereich des Lenkers nach unten gerichtet montieren, sodass man eine »Steckdose unterwegs« hat. Bild 3 zeigt eine Buchse am Frontgepäckträger, die gefühlt seit fünf Jahren im Gebrauch ist. Das andere Ende des Kabels kann man dann für den USB-Lader verwenden. Durch Stecker und Buchse kann meistens auf einen zusätzlichen Einschalter für den USB-Lader verzichtet werden.

Bild 3: Hohlbuchse als Anschluss für einen USB-Lader

Im einfachsten Fall platziert man den USB-Lader in einer Lenkertasche. Der USB-Lader ist sowohl in der Tasche als auch zu Hause in der Schublade vor Feuchtigkeit geschützt. Die Überlängen der Kabel und eine eventuell benötigte Powerbank können in der Tasche einfach verstaut werden.

Falls der USB-Lader direkt am Fahrrad montiert werden soll, geht das relativ einfach mit einer Taschenlampenhalterung (siehe Bild 4). Bei Nichtgebrauch können USB-Lader und Halterung einfach abgenommen werden. Dafür muss das Gehäuse rund sein und sollte nicht mehr als 30 mm Durchmesser haben.

Bild 4: USB-Lader mit Taschenlampenhalterung befestigt

Bei einer dauerhaften Montage am Fahrrad bietet sich das Schaftrohr einer Gabel mit Ahead-Vorbau an, dann darf der Durchmesser des USB-Laders aber nicht größer als 25 mm sein.

Bild 5: Aufbau auf Lochrasterplatine

Eine zylindrische Bauform mit kleinem Durchmesser ist somit ziemlich universell einsetzbar. Die acht Bauelemente lassen sich problemlos auf einer kleinen Lochrasterplatine aufbauen (siehe Bild 5). In dieser Anordnung ergab sich eine Länge von 85 mm, ein Außendurchmesser von 25 mm und ein Gewicht von 60 g.

Für das Gabelschaftrohr und eventuell die Lenkertasche reicht es, das Ganze mit Schrumpfschlauch zu überziehen. Ansonsten bietet sich als Gehäuse ein leichtes Rohr, das an beiden Enden mit Kappen verschlossen wird, an (siehe Bild 6). In eine Kappe muss man dann noch die Öffnungen für den USB-Anschluss und das Kabel zum Dynamo einarbeiten. Hier kann natürlich auch ein 3-D-Drucker helfen. Als Alternative kann man alte Verpackungen wie z. B. Dosen für Vitamin-Brausetabletten verwenden.

Bild 6: USB-Lader-Gehäuse aus einem verchromten Messingrohr (Duschstange), Durchmesser 25 mm

Die Leistung der kleinen Schaltung habe ich mit einem USB-Multimeter gemessen und die dazugehörige Geschwindigkeit vom Fahrradtacho abgelesen (siehe Bild 7). Die Ergebnisse sind mehr eine grobe Schätzung als eine exakte Messung. Getestet wurde mit zwei Fahrrädern mit unterschiedlichen Dynamos und zwei unterschiedlichen Handys.

Bild 7: Leistungsmessung mit USB-Multimeter am Fahrrad

In Bild 8 ist die gemessene Leistung dargestellt. Die gepunkteten Linien zeigen zum Vergleich den Minimal-Lader mit identischer Gleichrichterschaltung. Durch den Serienkondensator mit 340 µF kommt es zu einer Leistungsspitze bei circa 20 km/h. Der moderne Shutter Precision gibt mehr Leistung ab als der betagte Shimano DH-3N20. Gegenüber dem Minimal-Lader liefert der Step-Down-Regler bei größeren Geschwindigkeiten mehr Leistung. Während der Step-Down-Regler die dann auftretende höhere Spannung relativ verlustarm auf 5 V wandelt, wird diese Leistung beim Minimal-Lader an der Zenerdiode in Wärme gewandelt. Durch das Zusammenspiel von Handy und USB-Ladeschaltung im Step-Down-Regler ergeben sich Sprünge in der USB-Leistung, die man im Diagramm aufgrund der niedrigen Anzahl von Messwerten nicht sieht.

Bild 8: Gemessene Leistung am USB-Anschluss

Aus wenigen Komponenten kann man mit einem Step-Down-Regler einen USB-Lader zusammenbauen, dessen Leistung ausreicht, normale Handys dauerhaft als Navi am Fahrrad zu betreiben. Gegenüber dem Minimallader hat man etwas mehr Leistung und durch die integrierten Funktionen des Step-Down-Reglers einen besseren Schutz des Handys vor Überspannung. Bei beiden wird leider im Leerlauf Leistung in Wärme umgewandelt, sodass beide bei vollem Akku vom Nabendynamo getrennt werden sollten.

Zum Autor

Gerold Schütte, Maschinenbauingenieur: Das Fahrrad war für mich immer ein wichtiges Verkehrsmittel; heute regelmäßige Fahrten zur Arbeit und längere Tagestouren.