Hallo "biopilz",
das von Dir genannte Teil scheint wirklich was zu haben. Was ICs betrifft, aus denen sich Schaltregler bauen lassen, so ist der
L4971 von SGS-Thomson allerfeinst: er hat einen DMOS-Schalttransistor und damit sehr geringe Schaltverluste.
Allerdings haben Schaltregler für niedrige Ausgangsspannungen das Problem, dass die Freilaufdiode allerleihand Energieverluste verursacht. Selbst eine Schottky-Diode wie die 11DQ10 hat da leicht eine Durchlassspannung von 0,6V.
Ausprobiert habe ich folgendes:
DH-3N20, Serienkondensator 2x470uF, Delonschaltung, Ladekondensatoren 2x2200uF.
1. Daran eine Konstantstromsenke angeschlossen und festgestellt, dass bei 15km/h ca. 3,5W verfügbar sind, bei 20 km/h sind es etwa 5,5W, bei 25km/h etwa 6,5W, bei 30km/h etwas über 7W - ich habe konstante Lastströme von 350-500mA ausprobiert und Spannungen von gut 14V bis über 17V im Bereich 20...25km/h bekommen. Die Messungen sind recht grob: fahren und dabei Tacho und Voltmeter ablesen.
2. Versuch: einen NiMH-Akku mit 9 Zellen angeschlossen und festgestellt, dass der Ladestrom bei knapp 25km/h auf 530mA steigt, und dann mit steigender Geschwindigkeit nicht mehr weiter - da wird dann der Strom durch die Feldstärke der Magneten begrenzt.
Übrigens scheint es mir, dass bei den gewählten Kondensatoren eine Delon-Graetz-Umschaltung gar nicht mehr notwendig ist - ich lass die dschedenfalls wäch.
Nun zum Laden bei 4V: nehmen wir an, die Eingangsspannung betrage gerade 14V, dann ergibt sich ein Tastverhältnis von 4/14=0,28. Nehmen wir weiter an, die Spule sei so groß, dass der Schaltregler im "continous mode" betrieben wird, also immer Strom durch die Spule fließt. Nehmen wir weiter an, der Ausgangsstrom sei so gewählt, dass gerade 400mA IN den REGLER fließen. Jetzt betrüge der IDEALE Ausgangstrom bei 100% Wirkungsgrad (14/4)*400=1400mA und die Ausgangsleistung wie die Eingangsleistung 5,6W. Tatsächlich aber fließt ja während der 10/14 jeder Schwingungsperiode des Reglers ein Strom durch die Freilaufdiode.
Bei 0,6V Duchlassspannung schätzen wir mal den Verlust: 0,6V*(10/14)*I. Die Ausgangsleistung beträgt (4V + 0,6V*(10/14))*I = 4,43V*I = 5,6W. Damit wird I zu I = 5,6W/4,43V = 1,26A.
Das erste Zehntel der Dynamoleistung ist damit schon wech - da haben wir das Betrügen
-; dazu kommt noch der Verlust im Regel-IC und in der Spule und den Kondensatoren. Ich denke aber, dass 80% Wirkungsgrad mit dem L4971 drin liegen.
Das andere, größere Problem ist, den Ausgangsstrom passend zur Fahrgeschwindigkeit zu wählen. Das hat mich schon eine Weile beschäftigt, bis ich dahinter kam, dass ein 9-Zellen-NiMH-Akku keine Optimierung benötigt, denn seine Ladespannung liegt bei 12-13V - da geht der ganze verfügbare Strom in Akku, und bei diesen Spannungen ist damit auch Leistung des Dynamos gut ausgenutzt (25km/h: 530mA*13V=6,54W).
Einen Mikrokontroller einzusetzen (AVR oder dergel), wäre da Overkill: nur deutlich über 30km/h gäbe es was zu verbessern, und wann fahr ich schon so schnell... vielleicht bau ich da noch was, aber nur, um den Ladezustand in Leuchtdiodenanzeige umzusetzen und ggfs. das Laden zu beenden.
Bei Deiner speziellen Situation wäre ein Mikrokontroller die feinere Variante, aber da der Nabendynamo eine bestimmte Leistungscharakteristik hat, könnte man den Sollwert des Ladestroms auch so vorgeben, dass die Geschwindigkeit in eine Spannung umgesetzt und diese dann von einem Operationsverstärker mit einem sog. Polygonzug in eine Steuerspannung als Sollwert für den Ladestrom transformiert wird.
Der Polygonzug besteht aus mehreren Z-Dioden und damit in Reihe geschalteten Widerständen im Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers und sorgt für einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung. Durch Auswahl der Dioden und Widerstände legst Du dann die Eckwerte fest, z.B. für 12, 15, 20, 25 km/h, und die Zwischenwerte hängen dann in diesen Intervallen einfach linear von der Geschwindigkeit ab.
Der Spannungs-Frequenz-Wandler lässt sich leicht mit einem Transistor und einem NE555 bauen - der Transistor setzt die Dynamospannung ins Triggerimpulse für den Timer um, und ein RC-Integrator am Ausgang des NE555 liefert dann die Eingangsspannung für den Operationsverstärker. Der DH3-N20 hat 28 Pole, damit bekommst Du eine Frequenz von 74Hz bei 25km/h und typischen 28-Zoll-Reifen mit 2,3m Umfang, also 3Hz/km/h.
Man könnte latürmich auch den Transistor an den Interruptanschluss eines ATMEGA8 anschließen, die Intervalle messen und mit einer PWM-Funktion den Sollwert für den Schaltregler .. ach was, besser: der PWM-Ausgang steuert einen MOSFET, an dem Spule, Kondensator und Freilaufdiode angesclossen sind! Der interne A/D-Wandler misst den erzielten Ladestrom, und ein Suchalgorithmus sucht durch beständiges Variieren den optimalen Arbeitspunkt, d.h. das zur Fahrgeschwindigkeit bzw. Dynamofrequenz passende Tastverhältnis! Das interne EEPROM nimmt dann gefundene Kenngrößen auf, damit der Regler bei Geschwindigkeitsänderungen gleich passend reagieren kann.
Was ich mit diesem arg länglichen Sermon (SCNR
) meinen lassen wollte:
- bei nur 4V Ausgangsspannung bekommst Du einen schlechten Wirkungsgrad
- die Leistungsoptimierung muss gelöst werden, sontz bringt dat Janze nüscht.
Alterna-iven:
- verwende als Puffer einen 12V-Akku, dann wird die Leistungsoptimierung überflüssig.
- ein billigerer Standard-Schaltregler wie der MC34060 oder LM2575 tuts auch. Der mittlere Eingangsstrom des Reglers ist nicht so groß, dass der Energieverlust nicht zu verschmerzen wäre: bei 1A Ausgangsstrom, continous-mode-Betrieb, einem Spannungsverlust im Schalttransistor des Reglers von 1,2V und einem Tastverhältnis von 1:3 gehen ca. 0,4W verloren - 7% der Eingangsleistung bei 20km/h. Ach...
Der LM2575 ist mit einem Wirkungsgrad von mindestens 75% angegeben, wenn von 12V auf 5V umgesetzt wird.
Ich nun wieder....
viel Erfolg!
so unsigned long elwood = 42;
).