5V supply uit fiets dynamo krijgen

[Heilige Kaas]

Beste Tweakers,

Ik heb een mooie nieuwe fiets waarop ik graag in de toekomst lange tochten zou willen maken. Deze fiets heeft een naafdynamo, iets wat mij eigenlijk meteen deed inspireren om een knutselprojectje te beginnen. Namelijk het maken van een 5V usb poort die zijn energie levert met behulp van die dynamo. Nu komen daar helaas meteen wat probleempjes bij kijken.
De eerste is het bijzonder hoge voltage. Met een kort stukje fietsen kwam ik op een AC voltage van 50V, dit betekend dat met wat wind mee, of tijdens afdelingen ik verwacht dat het voltage nog hoger kan oplopen.


Na het bouwen van een lineaire converter al vrij snel ontdekt wat ik eigenlijk al verwachtte. Met een AC adapter van 24V en 0.3A load (op 5V output) begonnen dingen al vrij snel nogal 'toasty' te worden. Lineair gaat hem dus niet worden.


Dus maar eens aan het zoeken geweest op ali. Best een zoektocht om iets te vinden wat zo'n wijde input range heeft. Uiteindelijk wel een gevonden die een theoretisch maximum heeft van 80V.
Mijn eerste vraag: Wat is een goed en efficiënt circuit die beschermd tegen een te hoog voltage? Bijvoorbeeld tot 75V.
Een bescherming lijkt mij wel handig om het geheel heel te houden, maar vooral ook om een potentieel knallend eind van mijn telefoon te voorkomen. Ik kom heel veel tegen, maar vaak in de range van 5v en 12v oplossingen met zener diodes.

Het tweede probleem waar ik tegen aan loop is de volgende gekke situatie. Zodra ik mijn verlichting aanzet veranderd de output van de dynamo drastisch. Het lijkt er op alsof er wat PWM in de lamp gedaan wordt om het voltage te reguleren. Precies wat ik ook wil doen, maar ik vind het wel erg gek dat dit te zien is op de oscilloscoop. Let er hier op dat ik de V/div van 20V naar 5V heb gezet.

Waar het voltage zonder load nog afhankelijk was van de snelheid, is met mijn verlichting de spanning vastgezet op een square wave van zo'n 7,5 volt. Enkel de frequentie verandert.
Het lijkt er dus op dat de elektronica in de lamp invloed heeft op de spanning.
Waarop mijn tweede vraag volgt: Is er een mogelijkheid dat de step down converter een negatieve wisselwerking heeft met de elektronica in de lamp? En ik dus iets sloop in mijn verlichting.
Enige wat ik kan bedenken wat deze invloed veroorzaakt is de manier waarop ik mijn oscilloscoop had aangesloten. De + op de dynamo en als ground een deel van de fiets.
De derde vraag: Als er dus onder ook maar enige load het voltage inderdaad naar beneden gaat, kom ik dan weg met een lineaire converter? Dit lijkt mij niet, dit zou betekenen dat de IC mogelijk direct defect raakt zodra de load van het circuit is (en tegelijkertijd de lamp uit staat).

Mijn elektronica kennis is wat beperkt en mogelijk zie ik dus dingen over het hoofd. Ik leer graag bij!

Overigens heb ik hierop al heel wat gegoogled. Ik kon geen teardown vinden van een daadwerkelijk bestaand product en DIY oplossingen kwamen niet veel verder dan de lineaire converter die ik zelf ook al had bedacht.

[auto660]

Zo'n dynamo kan onbelast een hoge spanning afgeven inderdaad, maar deze zal rap inzakken zodra de dynamo belast wordt. Dit komt ook wel overeen met je bevindingen.

Misschien zou je eerst de wisselspanning kunnen gelijkrichten, daarna zou je een transistor met een flink koelblok kunnen gebruiken welke geleidelijk steeds meer begint te geleiden bij bijvoorbeeld 20+ volt om zo een soort van spanningsbeveiliging in te bouwen. Zodra de transistor gaat geleiden wordt de spoel belast waardoor het voltage weer inzakt. De overbodige energie wordt dan afgefakkeld door de transistor, een redelijk koelelementje is dan wel belangrijk. (of gewoon je fietsframe)

Dan zou ik daarna gewoon zo'n sigaretten aansteker blokje gebruiken welke op 12~24V werkt en quick charge heeft. Zoiets:
https://nl.aliexpress.com...eb201602_,searchweb201603

[Fordox]

Ik denk niet dat je lamp PWM geregeld is, de golven zijn namelijk ook met een dutycycle van 50% en ik denk dat je lamp niet dimt bij daglicht of iets dergelijks.

De AC voltage die je los meet van je dynamo is zonder load. Wanneer je een load toevoegd, zoals een lamp, zal je voltage inkakken. Ik begrijp ook nog niet precies hoe het de frequentie veranderd.

Je lamp zal waarschijnlijk een aardig beetje vermogen vragen maar ik denk dat je dynamo nog wel wat vermogen over houdt om een USB poort aan te sturen (al zou ik geen quick-charge achtige vermogens verwachten). Weet je zogauw welke naafdynamo je hebt?

Lineaire converters worden altijd warm. Alle voltage die je niet gebruikt (50V-5V=45V) komt op je converter te staan, dat is nog aardig aan de warme kant. Je full-bridge rectifier zal ook een beetje vermogen innemen, dus misschien komt er net iets minder in je regulator, maar ik verwacht wel dat ie nog aardig wat voltjes verstookt. Het vermogen dat hij verstookt is afhankelijk van wat je aan je regulator hangt (stel je trekt 1A op je 5V usb, en de input is 20V, dan verstook je (20Vin-5Vusb)*1A=15W) Je kan regulators vinden die wel 15watt kunnen verstoken maar ik denk niet dat je dat wilt. Tikje inefficient als je 15W verstookt en 5W gebruikt.

Er bestaan op het internet ook genoeg DC to DC converters op basis van buck/boost principes, die werken een stuk efficienter (die verstoken niet al je rest-voltage) en zullen ook een wide-input accepteren. Dit zijn gewoon simpele en zeer handige printplaatjes die ook tekoop zijn op alle bekende chineze sites.
Plemp daar je FULL BRIDGE RECTIFIER en USB poort aan en je bent bijna klaar. Moet je wel even de goeie DC DC converter vinden die jouw inputrange heeft met gewenste (of regelbare) 5V output.

[Heilige Kaas]

auto660 schreef op zaterdag 27 maart 2021 @ 00:35:
Zo'n dynamo kan onbelast een hoge spanning afgeven inderdaad, maar deze zal rap inzakken zodra de dynamo belast wordt. Dit komt ook wel overeen met je bevindingen.

Misschien zou je eerst de wisselspanning kunnen gelijkrichten, daarna zou je een transistor met een flink koelblok kunnen gebruiken welke geleidelijk steeds meer begint te geleiden bij bijvoorbeeld 20+ volt om zo een soort van spanningsbeveiliging in te bouwen. Zodra de transistor gaat geleiden wordt de spoel belast waardoor het voltage weer inzakt. De overbodige energie wordt dan afgefakkeld door de transistor, een redelijk koelelementje is dan wel belangrijk. (of gewoon je fietsframe)

Dan zou ik daarna gewoon zo'n sigaretten aansteker blokje gebruiken welke op 12~24V werkt en quick charge heeft. Zoiets:
https://nl.aliexpress.com...eb201602_,searchweb201603

Jouw beveiliging klinkt wel interessant. Daar ga ik eens naar zoeken.

Fordox schreef op zaterdag 27 maart 2021 @ 00:45:
Ik denk niet dat je lamp PWM geregeld is, de golven zijn namelijk ook met een dutycycle van 50% en ik denk dat je lamp niet dimt bij daglicht of iets dergelijks.

De AC voltage die je los meet van je dynamo is zonder load. Wanneer je een load toevoegd, zoals een lamp, zal je voltage inkakken. Ik begrijp ook nog niet precies hoe het de frequentie veranderd.

Je lamp zal waarschijnlijk een aardig beetje vermogen vragen maar ik denk dat je dynamo nog wel wat vermogen over houdt om een USB poort aan te sturen (al zou ik geen quick-charge achtige vermogens verwachten). Weet je zogauw welke naafdynamo je hebt?

Lineaire converters worden altijd warm. Alle voltage die je niet gebruikt (50V-5V=45V) komt op je converter te staan, dat is nog aardig aan de warme kant. Je full-bridge rectifier zal ook een beetje vermogen innemen, dus misschien komt er net iets minder in je regulator, maar ik verwacht wel dat ie nog aardig wat voltjes verstookt. Het vermogen dat hij verstookt is afhankelijk van wat je aan je regulator hangt (stel je trekt 1A op je 5V usb, en de input is 20V, dan verstook je (20Vin-5Vusb)*1A=15W) Je kan regulators vinden die wel 15watt kunnen verstoken maar ik denk niet dat je dat wilt. Tikje inefficient als je 15W verstookt en 5W gebruikt.

Er bestaan op het internet ook genoeg DC to DC converters op basis van buck/boost principes, die werken een stuk efficienter (die verstoken niet al je rest-voltage) en zullen ook een wide-input accepteren. Dit zijn gewoon simpele en zeer handige printplaatjes die ook tekoop zijn op alle bekende chineze sites.
Plemp daar je FULL BRIDGE RECTIFIER en USB poort aan en je bent bijna klaar. Moet je wel even de goeie DC DC converter vinden die jouw inputrange heeft met gewenste (of regelbare) 5V output.

Is het niet simpelweg zo dat de frequentie toeneemt omdat de RPM van de dynamo toeneemt? Dit lijkt mij het meest aannemelijk. Die toename zie ik ook zonder load.
De dynamo is een shimano DH-3D37. Simpelweg geadverteerd als 6V 3W dynamo, zoals de meeste.
Verder is het aanbod buck converters reuze, dus heb ik maar wat gekozen die iig tot 80V ondersteund.
Toch blijft mijn zorg bestaan dat wanneer ik alles loskoppel, dus lamp uit en telefoon vol, er potentieel een overload op het circuit komt.

[AlexanderB]

Een schakelende netvoeding is officieel bedoeld voor 100-240V, maar werkt vaak al vanaf 20-ish volt. Je kan kijken wat er gebeurt als je een USB stekker oplader gebruikt?

[edit:] oh, de spanning zakt tot 7.5Vpp. Dan zal je inderdaad iets anders moeten verzinnen.

[Voor 21% gewijzigd door AlexanderB op 27-03-2021 01:48]

[Brahiewahiewa]

Heilige Kaas schreef op zaterdag 27 maart 2021 @ 00:25:
...
Overigens heb ik hierop al heel wat gegoogled. Ik kon geen teardown vinden van een daadwerkelijk bestaand product en DIY oplossingen kwamen niet veel verder dan de lineaire converter die ik zelf ook al had bedacht.

https://webshop.fietsvakantiewinkel.nl/usb-werk
Granted, belachelijk duur, kan me voorstellen dat je het meteen weer uit je geheugen gebannen hebt ;o)

Anyway, het verschijnsel wat je ziet; het inzakken van de spanning, wordt veroorzaakt door de hoge inwendige weerstand van de dynamo. Daar zit zomaar 100 meter extreem dun koperdraad in. Als je dat gaat uitrekenen kom je wel op een paar honderd Ω. Terug rekenend: onbelast 50V. Belast met 200mA 7,5V. Inwendige weerstand dus (50 - 7,5) / 0,2 = 212,5Ω
Die 200mA is een aanname. Je zou metingen kunnen doen om het precies vast te stellen

Bottom line is: zorg dat de dynamo belast wordt. In principe zou een buck convertor voldoende last moeten zijn om de uitgangsspanning van de dynamo tot een aanvaardbaar niveau terug te brengen. Bij twijfel kun je nog besluiten een zenerdiode over de ingang van de convertor te zetten

[GeeEs]

Heilige Kaas schreef op zaterdag 27 maart 2021 @ 00:52:
[...]


Jouw beveiliging klinkt wel interessant. Daar ga ik eens naar zoeken.


[...]


Is het niet simpelweg zo dat de frequentie toeneemt omdat de RPM van de dynamo toeneemt? Dit lijkt mij het meest aannemelijk. Die toename zie ik ook zonder load.
De dynamo is een shimano DH-3D37. Simpelweg geadverteerd als 6V 3W dynamo, zoals de meeste.
Verder is het aanbod buck converters reuze, dus heb ik maar wat gekozen die iig tot 80V ondersteund.
Toch blijft mijn zorg bestaan dat wanneer ik alles loskoppel, dus lamp uit en telefoon vol, er potentieel een overload op het circuit komt.

Als je alles loskoppelt... Hoe kan je dan een overload krijgen? Dat gebeurt toch alleen als je de boel zou kortsluiten/overbelasten aan de afnamekant?
Of bedoel je dat de buck converter dan een te hoge input krijgt zonder dat deze afgenomen wordt? Ik weet niet zeker, maar volgens mij doet zo'n converter niks als er geen load aanhangt? Maar stel dat deze wel wat verbruikt in idle....
zou ik alleen daarom al een (extra) schakelaar tussen de dynamo en converter doen, je wilt namelijk geen extra energie in je trappers duwen als het niet nodig is ??

Mijn vader heeft de hierboven genoemde set. Is hij erg over te spreken, is wel erg prijzig inderdaad, voor een veredelde gelijkrichter.... Wel plug en play en waterdicht (niet geheel onbelangrijk) Ik zou er zelf inderdaad -al is het maar als test- gewoon een gelijkrichter en buck converter aanhangen. What could possibly go wrong? Hooguit paar eurocent aan componenten als het doorfikt

[Heilige Kaas]

GeeEs schreef op zaterdag 27 maart 2021 @ 10:17:
[...]


Als je alles loskoppelt... Hoe kan je dan een overload krijgen? Dat gebeurt toch alleen als je de boel zou kortsluiten/overbelasten aan de afnamekant?
Of bedoel je dat de buck converter dan een te hoge input krijgt zonder dat deze afgenomen wordt? Ik weet niet zeker, maar volgens mij doet zo'n converter niks als er geen load aanhangt? Maar stel dat deze wel wat verbruikt in idle....
zou ik alleen daarom al een (extra) schakelaar tussen de dynamo en converter doen, je wilt namelijk geen extra energie in je trappers duwen als het niet nodig is ??

Mijn vader heeft de hierboven genoemde set. Is hij erg over te spreken, is wel erg prijzig inderdaad, voor een veredelde gelijkrichter.... Wel plug en play en waterdicht (niet geheel onbelangrijk) Ik zou er zelf inderdaad -al is het maar als test- gewoon een gelijkrichter en buck converter aanhangen. What could possibly go wrong? Hooguit paar eurocent aan componenten als het doorfikt

Ik bedoel inderdaad dat wanneer ik mijn telefoon loskoppel, al dan niet per ongeluk, het mogelijk resulteert in een te hoge input voor de IC’s in de buck converter. Met een klein beetje pech sluit ik ergens iets kort en krijg ik hoge spikes op de output van de buck.

Hoe dan ook. Vandaag maar eens mijn lineaire converter proberen aan te sluiten om te kijken wat het doet onder en zonder load.
Hetzelfde straks met de buck, wanneer die binnen is.

[Sine]

Dynamo's zijn stroombronnen , als je ze niet belast met 0,5A (3W bij 6V) dan gaat de uitgangsspanning de lucht in.

Ik zou in dit geval een gelijkrichter en een schakelende DCDC converter gebruiken, met daarvoor een opgevoerde zener die de uitgangsspanning clamped op de maximale ingangsspanning van de DCDC.

[Microkid]

Buck converter wellicht? Ik zag van de week toevallig deze, en dat deed me aan jouw probleem denken. Moet dan nog een een gelijkrichter tussen.
YouTube: Switch mode power supply tutorial: DC-DC buck converters

[elleP]

Je kan ook nog met een zender diode zorgen dat de spanning nooit boven de 20v/15v uit komt. Zodra je een stroompje laat lopen is de hoogste spanning al weg, dus ik denk niet dat je veel vermogen weg stookt op die manier.

[GeeEs]

Het gaat in een standaard situatie toch ook niet mis als je je lampjes uitzet op de fiets? Tenminste... Ik heb daar nog nooit van gehoord (en me dit ook nooit afgevraagd eerlijk gezegd)... Je verbreekt dan letterlijk fysiek de stroomkring.
Een (fiets) dynamo doet helemaal niks als je deze niet belast en heeft dan dus ook zo goed als 0 weerstand (zeker een naafdynamo). Dat is ook precies wat je wilt als je er geen gebruik van maakt.
Als je echt zorgen hebt over dit soort "overbelasting" is een simpele aan/uit schakelaar die fysiek de verbinding verbreekt naar alles achter de dynamo het beste en makkelijkst lijkt me.

[Sine]

Heilige Kaas schreef op zaterdag 27 maart 2021 @ 00:25:

Dus maar eens aan het zoeken geweest op ali. Best een zoektocht om iets te vinden wat zo'n wijde input range heeft. Uiteindelijk wel een gevonden die een theoretisch maximum heeft van 80V.
Mijn eerste vraag: Wat is een goed en efficiënt circuit die beschermd tegen een te hoog voltage? Bijvoorbeeld tot 75V.

75V is al veel voor die Chinese bordjes, de "HV" varianten van de regelaars waarmee geadverteerd wordt zitten er vaak stiekem helemaal niet op.

Ik zou zelf een LM2576 bordje nemen zoals die met massa's te vinden zijn, en de ingang zeneren op een 35V.

Dat kan gewoon met een power zener, een dikke 33V zener is een hele standaard diode, of drie 12V zeners in serie.
Als je geen dikkere (1W) zeners kunt vinden dan kun je natuurlijk ook nog een zener opvoeren met een torretje.

[obcd007]

https://nl.aliexpress.com...b201602_,searchweb201603_

Deze isolated 5V voeding gaat tot 80V ingangsspanning. Bovendien heeft een isolated het grote voordeel dat als er iets doorbrand de uitgangsspanning gewoon wegvalt. Vermoedelijk zul je ook nog een diodebrug en condensator moeten plaatsen voor het printje. Voor de prijs moet je het alvast niet laten.
Eventueel kun je nog een minimale belastingsweerstand voorzien om de piekspanning iets naar beneden te halen. Hier zul je wat mee moeten experimenteren om tot een aanvaardbaar compromis te komen. Ik zou zeker niet lager dan 150 ohm gaan. Dan krijg je ongeveer 50 mA belasting bij 6V Dit is 10% van hetgeen je naafdynamo voor gemaakt werd. (Het is eigenlijk een naaf alternator. Een dynamo produceert gelijkspanning.) Aan de hand van je resterende klemspanning kun je berekenen hoeveel watt die weerstand opstookt. Hij moet minimaal tegen een dergelijk wattage bestand zijn. Voor kortstondige testen kun je een lager wattage weerstand gebruiken. Je kunt ook de dissipatie verdelen door meerdere weerstanden in serie of parallel te schakelen. Verder zal je best 'of' je gsm laden 'of' je licht gebruiken maar niet de 2 samen.
Het zou kunnen dat je niet de minimaal benodigde 12V ingangsspanning krijgt bij belasting. Het zal er een beetje vanaf hangen met welke stroom je gsm oplaad. Er bestaan ook non isolated switching converters die een XL7015 regulator gebruiken. Deze kan ook tegen een hogere spanning vergeleken met de LM2596

[encryped]

Je hebt zo kant en klare dynamos met 5V/1A output.
https://nl.aliexpress.com...b201602_,searchweb201603_

Dan hoef je ook geen zorgen te maken over gelijkrichter en piek voltages

[obcd007]

Heb je een mooie naaf dynamo (alternator) en dan ga je terug zo'n wieltje tegen je band plaatsen?
Dat kan toch onmogelijk de bedoeling zijn?

[guido66]

Hier een lange lijst met bestaande oplossingen: https://www.cyclingabout....supplies-for-usb-devices/

Deze zou slechts €30,- kosten volgens die lijst en kan met een naafdynamo overweg: https://www.kemo-electron...Charge-Controller-USB.php