Dynamo-LED-Treiber

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Der kurze Weg geht hier entlang:


WICHTIGER HINWEIS für die folgenden Vorschläge! (3.3.2004)

Ein Fahrraddynamo ist (etwas vereinfacht) eine Stromquelle (Wechselstrom) und deshalb mit einer geeigneten Treiberschaltung nahezu ideal zum Treiben von LEDs geeignet.

Folgende Dynamo-basierende Schaltungen nützen diese Eigenschaft aus und dürfen deshalb [z.B. beim Experimentieren statt an einem Dynamo] keinesfalls an einem 6V-Transformator (= relativ niederohmige Wechselspannungsquelle) betrieben werden!

Das hätte den "plötzlichen LEDs-Tod" zur Folge!


Noch ein wichtiger Tipp (21.12.2006)

Falls bei seriengeschalteten LEDs eine Unterbrechung auftritt (z.B. Kabelbruch), besteht bei Dynamos ohne Spannungsbegrenzung die Gefahr, dass die Elkos über Gebühr aufgeladen werden (u.U. wird sogar deren Nennspannung überschritten) und sich bei Wiederanschluss der LEDs sich die sehr große Kondensator-Energie schlagartig über die LEDs abbaut, was aufgrund zu hohen LED-Spitzenstroms meist zwangsläufig den "plötzlichen LEDs-Tod" zur Folge hat!

Deshalb unbedingt die Elkos vorher entladen, falls kein Überspannungsschutz (z.B. mit einer Aktiv-Dummy-LED) vorgesehen ist!


LED-Fahrradbeleuchtung für 6V-Dynamobetrieb (22.2.2004)

Längst überfällig bei LED-Treiber.de sind Schaltungen für eine LED-Fahrradbeleuchtung mit den 1W-Luxeon™-LEDs, und zwar für Dynamobetrieb - hier sind sie! Und jeder Nachbauer weiß, dass sie (noch) nicht der StVZO §67 entsprechen ...

Mit einer kleinen List kann man einen normalen 6V-Fahrraddynamo ganz einfach LED-kompatibel machen und zwar paradoxerweise mit einer Spannungsverdopplerschaltung (die den Strom halbiert) mit nur zwei Gleichrichterdioden, die eine ganze Reihe von Vorteilen hat:

  • hohe Ansprechempfindlichkeit, d.h. Licht bereits bei sehr geringer Fahrgeschwindigkeit
  • Stromanpassung für 1W-Luxeon™-LEDs
  • Maximalstrom bereits bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten
  • robust auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten
  • geringerer Spannungsabfall gegenüber Schaltungen mit Brückengleichrichter1

Wie wir schon in den Grundlagen erfahren haben, sind LEDs nicht mit Glühlampen direkt vergleichbar, deshalb geben oberflächliche Betrachtungen der Spannungs-, Strom- und Leistungs-Bilanz bei einer dynamobetriebenen Fahrradbeleuchtung mit LEDs ab und zu Rätsel auf!

Das soll uns aber im Moment weniger beschäftigen. Deshalb hier gleich der erste Schaltvorschlag, der trotz der guten Eigenschaften ganz ohne integrierte Schaltungen auskommt und deshalb auch für den Anfänger sehr einfach aufzubauen ist.

LED-Fahrradbeleuchtung (1)

Bei der Auswahl der Gleichrichterdioden D1/D2 hat man ausreichend Freiheit. Man sollte allerdings wegen möglichst geringem Spannungsabfall an diesen Dioden z.B. 3A-Schottky-Dioden nehmen.

Falls man nur die weiße 1W-Luxeon™-LED mit der Schaltung betreibt, beträgt der maximale LED-Strom etwa 330mA, der aber bereits bei relativ niedriger Geschwindigkeit erreicht wird!

Jeder weitere Strom für Rücklicht-LEDs geht an diesem Strom ab. Betreibt man z.B. (wie in obiger Schaltung) drei rote ultrahelle LEDs jeweils mit ca. 10mA, sind diese immer noch ganz schön hell und für das Frontlicht bleiben dennoch ca. 300mA übrig - der optimale Strom für lange Luxeon™-LED-Lebensdauer!

Wenn man einen massefreien Dynamo hat, kann man die LED-Kathoden elektrisch mit dem Rahmen verbinden und somit zumindest für die Rücklicht-LEDs ein Kabel einsparen (grundsätzlich wird davon abgeraten), muss dann aber darauf achten, dass der gemeinsame Elko-Anschluss (entgegen der gestrichelten Verbindung im Schaltplan) NICHT mit dem Rahmen verbunden ist!

Schutz tut Not

Der beim Fahrraddynamo bekannte Effekt, dass das Rücklicht stirbt, wenn die Frontlampe defekt ist und keine Schutzbeschaltung vorhanden ist, gilt auch bei dieser LED-Version. Das liegt einfach daran, dass der Fahrraddynamo mehr eine Stromquelle als eine Spannungsquelle ist: Fehlt die Hauptlast (das Frontlicht), bekommt das Rücklicht mehr (zu viel) davon ab.

Das ist übrigens auch der Grund, warum die Frontlicht-LED in diesem Schaltvorschlag nicht den sonst nötigen LED-Vorwiderstand hat, wodurch der Wirkungsgrad der Schaltung relativ hoch und der Kraftaufwand des Radlers entsprechend geringer ausfällt!

Vorsorge gegen Rücklichtausfall durch Überstrom trifft man einfach mit einer Aktiv-Dummy-LED, die dann zusätzlich noch einen eventuellen Luxeon™-LED-Ausfall per extra Kontroll-LED anzeigt.

Mit den beiden zusätzlichen Dioden D3/D4 wird die Flussspannung der Dummy-LED soweit angehoben, dass diese im Normalfall so gut wie keinen Strom vom Dynamostrom abzweigt (die Kontroll-LED leuchtet bei Maximalstrom im Normalbetrieb nur sehr schwach, ist im Dunkeln aber sichtbar).

Erst bei einem Ausfall von LED1 übernimmt die Dummy-LED deren Anteil und schützt so die Rücklicht-LEDs, deren Strom dann etwas steigt, aber immer noch im sicheren Bereich liegt. Die Kontroll-LED leuchtet nun (abhängig von der Stromverstärkung des bipolaren Transistors Q1) "normal" hell.

Falls keine Rücklicht-LEDs mit an diese Schaltung angeschlossen werden, kann man sich die Dummy-LED sparen, verzichtet nun aber auf eine Ausfallanzeige [wobei die dunkle Straße eigentlich schon als Hinweis auf ein ausgefallenen Frontlicht reichen müsste ;-)].

Die Leerlaufspannung steigt ohne Schutzbeschaltung bei Ausfall von LED1 (bei dem angegebenen Dynamo) auf ca. 14 Volt4 an. Deshalb ist auf ausreichend spannungsfeste Elkos C1/C2 zu achten.

Dort liegt wegen der Serienschaltung pro Elko jeweils ca. die halbe Spannung an, d.h. < 2V bei Normalbetrieb, < 3V bei Schutzbetrieb, aber ca. 7V bei Leerlaufbetrieb. Deshalb dürften 16V-Elkos normalerweise ausreichend dimensioniert sein. Mit 25V-Ausführungen (gibt es auch für 105°C) macht man bestimmt keinen Fehler

Dennoch an diesen wichtigen Tipp denken!

Optik zwingend nötig

Dass man mit einer LED-Lampe nur mit geeigneter Optik eine vernünftige Straßenausleuchtung bekommt, muss man wohl nicht besonders erwähnen. Speziell für Luxeon™-LEDs gibt es LED-Optiken mit einem relativ kleinen Lichtkegelwinkel von 10° und weniger oder gleich eine Luxeon™-Star/o3 mit integrierter 10°-Optik nehmen!

Auch beim LED-Rücklicht könnte man sich einige Gedanken bezüglich der Lichtoptik machen.

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Mehr Front-LEDs (23.2.2004)

Nachdem die beschriebene Schaltung mit einer 1W-Luxeon-LED3 so viel versprechend funktioniert, war es nahe liegend, auch zwei und sogar drei LEDs in Reihe zu schalten. Und immerhin ist die Leerlaufspannung 14V (ohne Schutzschaltung).

Das folgende Diagramm (nichtlinearer Maßstab!) zeigt das Ergebnis (Dynamo "AXA HR Traction" [nicht kastriert, siehe auch Anmerkung unter dem Diagramm] und keine zusätzlichen Rück-LEDs angeschlossen):

  • Bei zwei LEDs in Serie sieht es immer noch sehr gut aus, denn mit ca. 1W pro LED hat man nun ca. doppelte Helligkeit! Allerdings ist der Maximalstrom erst bei etwas höherer Geschwindigkeit erreicht.
  • Bei drei LEDs in Serie sinkt die Leistung pro LED aber bereits auf ca. 0,8W (dennoch steigt die Gesamtleistung).
  • Mit vier LEDs in Serie ist die Schaltung allerdings überfordert: sie schafft gerade noch 100mA maximalen LED-Strom.

LEDs am Dynamo

Interessante Feststellung (28.4.2004):

Obiges Diagramm gilt mit dem Original-AXA-HR-Traction-Dynamo, der intern eine Spannungsbegrenzung mittels zweier 7,5V-Z-Dioden hat.

Entfernt man diese, schafft dieser Dynamo mit obiger Treiberschaltung locker 280mA in mindestens 5 in Serie geschaltete weiße 1W-Luxeon™-LEDs, das entspricht stolzen 4,7W! Damit kommt der kastrierte AXA-HR-Dynamo einer echten (Wechsel-) Stromquelle schon ein ganzes Stück näher.

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Mehr Licht für den sportlichen Radler (23.2.2004)

Die Version mit zwei Luxeon™-LEDs3 in Serie scheint also ein guter Dynamo-Kompromiss zu sein.

Und hier könnte man für das Rücklicht drei ultrahelle rote LEDs mit einem 120-Ohm-Vorwiderstand in Serie schalten (für ca. 10mA LED-Strom statt 3x 10mA, s.u.) und würde damit dennoch fast den selben Front-LED-Strom erreichen wie bei nur einer Luxeon™-LED - bei insgesamt doppelter Helligkeit und noch höherem Wirkungsgrad!

Allerdings muss man für diesen Luxus schon etwas mehr in die Pedale treten, bis man die maximale (doppelte) Helligkeit erreicht.

Hier ist der zugehörige Schaltplan dieser Sportausführung:

LED-Fahrradbeleuchtung (2)

Anmerkung zur Sportversion (24.2.2004)

Da die LED-Betriebsspannung der Sportversion wegen der beiden Front-LEDs3 in Serienschaltung ca. 6,8V beträgt, könnte man auf die Idee kommen, statt den Rücklicht-LEDs ein (StVZO-konformes) 6V-Glühbirnchen-Rücklicht anzuschließen, indem man ggf. mittels einer Seriendiode 1N4001 die Spannung noch etwas reduziert (auch die Schutzbeschaltung müsste man dann etwas anders gestalten).

Pustekuchen: Obwohl eigentlich noch ausreichend Leistungsreserve für die 0,6W vorhanden sein müsste, geht diese Rechnung mit dem Test-Dynamo (3W) nicht auf.

Zwar wird das Rücklicht bereits bei kleiner Geschwindigkeit nahezu optimal (da fast konstante LED-Spannung) mit 0,6W gespeist, für die Front-LEDs bleiben aber nur noch maximal ca. 200mA (= 300mA Schaltungsmaximum - 100mA Glühbirne) übrig, sprich nur noch ca. 1,3W statt 2W beim LED-Frontlicht. Diese Kombination taugt also wenig.

Nun versteht man langsam auch den eingangs stehenden Satz bezüglich der elektrischen Bilanz einer dynamobetriebenen LED-Fahrradbeleuchtung - alles ist hier etwas anders ...

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Rücklicht getoppt (26.2.2004)

Falls für das Rücklicht die gezeigten drei mit 10mA betriebenen roten LEDs nicht den Helligkeitsvorstellungen entsprechen, kann man natürlich weitere Stränge (à 3 LEDs + 1 Vorwiderstand) parallel dazu anschließen. Der zusätzliche Strom von jeweils 10mA geht selbstverständlich am Maximalstrom der Front-LEDs ab.

Bei vier solchen Strängen (also 40mA gesamt bzw. 3x 40mA = 120mA [bzw. 12x 10mA] "roter LED-Strom") blieben demnach von den ursprünglichen ca. 300mA noch etwa 260mA für die Front-LEDs übrig.

Diese Kombination von LEDs lässt sich allerdings noch deutlich toppen - im wahrsten Sinne des Wortes, indem man eine rote 1W-Luxeon™-LED3 "on top" auf die beiden weißen setzt, so dass sie wegen der Serienschaltung vom selben Strom durchflossen wird.

LED-Fahrradbeleuchtung (3)

Erinnern wir uns an obige Untersuchung mit drei (weißen) Front-LEDs in Serie: der Maximalstrom war ca. 250mA (siehe obiges Diagramm).

Da die Flussspannung einer roten LED geringer ist (im vorliegenden Fall ca. 2,6V), tut sich unsere Treiberschaltung nicht ganz so schwer wie mit drei weißen LEDs und liefert prompt einen etwas größeren Maximalstrom von ca. (260-270) mA in die drei LEDs.

Das heißt, nun hat man ca. 260mA "roten LED-Strom" (übrigens etwa dieselbe elektrische Leistung wie bei einer Rücklicht-Glühbirne, bei nunmehr weitaus kräftigerem rotem Licht!) - also mehr als das Doppelte im Vergleich zu den parallel geschalteten LED-Diodensträngen! Und die gesamte Schaltung ist jetzt wegen den nicht mehr nötigen Vorwiderständen und der ebenfalls überflüssigen Aktiv-Dummy-LED ausgesprochen einfach geworden - deshalb derzeit mein Favorit!

Dennoch an diesen wichtigen Tipp denken!

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Verteiltes Rücklicht

Da bei einem Rücklicht das Licht besser auf eine größere Fläche verteilt wird, ist es nahe liegend, statt einer einzelnen roten 1W-Luxeon™-LED eine Handvoll relativ preisgünstige rote Luxeon-SuperFlux™-LEDs in Parallelschaltung zu nehmen (die ich aber mangels derselben [noch] nicht praktisch erprobt habe).

LED-Fahrradbeleuchtung (4)

Bei sechs solchen LEDs würde jede dieser LEDs mit ca. 40-50mA betrieben werden - reichlich Spielraum zum Maximum von 70mA, der selbst bei Ausfall von ein oder zwei der LEDs noch nicht erreicht wird.

Traut man der Parallelschaltung der SuperFlux™-LEDs nicht so recht über den Weg, so kann man jeder dieser LEDs jeweils einen kleinen Ausgleichs-Vorwiderstand (z.B. 1 Ohm) spendieren.

Diese Widerstände wurden nun auch im Schaltplan eingezeichnet, um etwaigen Einwänden vorzubeugen ... (14.3.2005).

Tipp (22.4.2004)

Die SuperFlux™-LEDs gibt es sowohl von Lumileds als auch baugleich von Kingbright und ETG.

Statt den genannten SuperFlux™-LEDs könnte man auch zwei bis drei rote Megabright-LEDs in SMD-Ausführung nehmen (6mm x 9mm; sind ebenfalls von ETG). Diese vertragen immerhin bis zu 175mA und sind dennoch relativ erschwinglich.

Und auch an diesen wichtigen Tipp denken!

Begrenzungsleuchten

Falls man zwei dieser 6 Rücklicht-LEDs statt in rot in gelb (amber) nimmt, kann man diese als Begrenzungsleuchten (seitlich gerichtet) nehmen und hat immer noch ausreichend rotes Rücklicht übrig.

Da die Flussspannung beider Farben dieselbe ist, macht die Parallelschaltung von roten und gelben SuperFlux™-LEDs keine Probleme. Dennoch kann man die gelben LEDs jeweils mit einem Vorwiderstand betreiben (ggf. etwas größer als eventuelle Ausgleichs-Vorwiderstände), falls deren Helligkeit zu groß ist.

Stromwelligkeit

Zwar wurde es bisher nicht groß erwähnt, ist aber dennoch sehr erwähnenswert:

    Die vorgestellten Dynamo-LED-Treiberschaltungen versorgen die LEDs mit relativ niedriger Stromwelligkeit, insbesondere liegt der Spitzenwert bei den 1W-Luxeon™-LEDs deutlich unter dem zulässigen Maximum von 500mA, was die Lebenserwartung erheblich steigen lässt.

Diese Tatsache ist auch deshalb erwähnenswert, da es einige andere dynamobasierende LED-Treibervorschläge gibt, die die LEDs nicht besonders pfleglich mit Strom versorgen.

Erfahrungsberichte

zu den gemachten Schaltvorschlägen - besonders mit anderen Dynamos - sind an nebenstehende eMail-Adresse immer willkommen (bitte einen sinnvollen Bezug angeben, sonst landet die eMail im Spam-Korb) und werden gerne (falls gewünscht) an dieser Stelle veröffentlicht!

Einige Nachbauten, die auf obigen Dynamo-LED-Treibervorschlägen basieren, siehe weiter unten.

Dieser wichtige Tipp beruht auf einem weniger glücklichen Erfahrungsbericht ...

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"Erfahrene" (eigene) Eindrücke mit einer Dynamo-LED-Fahrradleuchte (4.4.2004)

Dynamo-LED-Fahrradleuchte

An dieser Stelle nun Hinweise zum Aufbau eines 2W-Prototypen nach obiger Schaltung (3) [mit und ohne Rück-LED] aus einer umgebauten Krypton-Leuchte2 und Ergebnisse einiger eigener nächtlicher "Erfahrungen" damit:

    Erst Reflektor und Birnchenkontakt ausgebaut (die kleine Platine enthält einen Spannungsdetektor), zwei Luxeon™-Star/o3 nebst Treiber-Elektrik auf einer kleinen Experimentierplatine eingebaut (je nach handwerklichem Geschick ist das in einer guten Stunde erledigt) (Vorsicht: die beiden Plexi-Bügel der Streuscheibe brechen leicht!), ...

Dynamo-LED-Fahrradleuchte von innen

    ... mittels Klick-Verschluss am Lenker montiert, an den 6V-Dynamo angeschlossen und im Dunkeln losgeradelt.

Egal, ob ein Standard-Dynamo (diverse AXA und B&M), ein Walzen-Dynamo (Union) oder gar ein elektronisch geregelter Edel-Dynamo (B&M Dymotec S6, der angeblich keine externen Spannungsbegrenzungs-Z-Dioden mag - LEDs sind auch nichts anderes):

    Bisher haben alle 6V-Dynamo-Versuche ein sehr beeindruckendes LED-Fahrradfrontlicht geliefert!

Ein Naben-Dynamo soll später folgen ...

Weitere Versuchsfahrer haben bestätigt: 6V-Halogen-Fahrradleuchten (namhafter Hersteller) erscheinen im Vergleich zu meinem 2W-LED-Prototypen3 reichlich blass und "normale" Glühlampen (einschließlich der Krypton) gehen daneben sogar völlig unter.

Im Moment fehlt mir noch die geeignete Lichtmesstechnik. Aber rein subjektiv beurteilt, möchte ich bereits behaupten:

    Schon mit sehr geringem Aufwand kann man mit LEDs sehr viel mehr Licht aus einem 6V/3W-Dynamo holen, als mit Halogenlampen vergleichbarer elektrischer Leistung.

Dank der integrierten Kühlkörper werden die LEDs3 meines Prototypen auch nach langem und heftigem Radeln nur betriebswarm, aber keinesfalls heiß.

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Am Speichendynamo (22.4.2004)

Konnte inzwischen auch mit einem 6V/3W-Speichendynamo FER 2002 eine Testfahrt mit meiner 2W-LED-Fahrradleuchte machen:

    Rein subjektiv ist kein Helligkeitsunterschied zu den anderen gestesteten Dynamos festzustellen, d.h. auch er bringt einen fetzig hellen und satten (wegen der beiden LEDs leicht ovalen) Lichtkegel auf die Straße.

Die Original-Halogenbeleuchtung (eines namhafter Herstellers) des Leihfahrrads ist auf der Straße im Vergleich zu meiner LED-Leuchte nur ein putzig kleines und schwaches Lichtrechteck (?!) mit je einem kräftigen Lichtpunkt (?!) links und rechts ...

Auffallend ist beim FER 2002, dass das LED-Licht schon bei leichtem Schieben einsetzt (mit schwachem Flackern), bei normalem Schieben ist es bereits ausreichend hell und schon bei langsamem Fahren beginnt der geschilderte LED-Lichtspaß!

Angenehm an diesem Speichendynamo ist, dass er nicht das typische Reifengezwitscher eines Seitenläufers hat.

Leider konnte ich keine detaillierten Messungen am FER2002-Dynamo machen, nur in aller Kürze so viel, dass der Kurzschlussstrom (genau genommen bei einer Last von 1 Ohm) ca. 600mA ist, also einiges weniger als bei meinem AXA-Test-Dynamo.

Die Leerlaufspannung4 ist überraschenderweise nicht begrenzt.

Welche maximale Leistung der FER 2002 tatsächlich abgeben kann, konnte ich zu später Stunde leider nicht mehr testen.

Aber zur Warnung beim FER 2002 diesen wichtigen Tipp beachten!

Am Nabendynamo (27.4.2004)

Dank meines technisch sehr aufgeschlossenen Nachbarn [nochmals herzlichen Dank für die abendliche Unterstützung!!] konnte ich schließlich meinen 2W-LED-Prototypen auch an einem Shimano Nexus Inter-L NX31 untersuchen:

    Prinzipbedingt ist hier das Flackern noch etwas ausgeprägter als beim Speichendynamo (auch mit dem Original-Halogenlicht), das aber schon bei relativ niedriger Fahrgeschwindigkeit (später als beim Speichendynamo) verschwindet um dann in den bereits mehrfach beschriebenen LED-Spaß überzugehen - einfach LED-Licht satt!

Der Nachbar konnte sich sofort auch dafür begeistern!

Der NX31 verhält sich auch sonst recht ähnlich wie der FER 2002, so z.B. beim Kurzschlussstrom (s.o.). Die Leerlaufspannung ist ebenfalls nicht begrenzt, wohl aber nicht ganz so hoch wie beim getesteten Speichendynamo.

Dennoch auch beim Nabendynamos diesen wichtigen Tipp beachten!

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AXA HR unplugged --> noch mehr LED-Licht! (auch am 27.4.2004)

Ein Wackelkontakt an den Steckanschlüssen meines AXA-Testdynamos hat mich schließlich doch so weit gebracht, dass ich ihn zerlegt5 habe:

Kaum zu glauben, die Anschlussdrähte waren nur relativ lose zwischen den Steckschuhen und einem Isolierteil eingeklemmt (nicht gequetscht)! Eine solche Konstruktion kann man nicht gerade als besonders hochwertig bezeichnen - eher als Edelmurks ...

Dafür sind die beiden internen, antiseriell geschalteten Z-Dioden zur Spannungbegrenzung4 an ihrem gemeinsamen Anschluss richtig solide zwischen einer Metallklammer zusammengequetscht.

Das hat mich aber nicht davon abgehalten, diese Z-Dioden - vom Entwicklerdrang getrieben - zu entfernen und die Spulenanschlüsse direkt an die Steckschuhe anzulöten, mit dem Ergebnis, dass mein AXA HR nun nicht nur (wie bisher getestet) 2+1 1W-LEDs, sondern

    locker bis zu 4 weiße 1W-Luxeon™ + eine rote 1W-Luxeon™ in Serie mit ca. 280 mA (bei ca. 18km/h) powert - das macht zusammen mindestens 4,7W LED-Licht aus einem schlichten "6V/3W"-Dynamo!

Beim Nexus NX31 klappt das fast genau so gut und vermutlich beim FER 2002 ebenso (werde bei Gelegenheit noch ein paar Messungen nachreichen)!

Diese Dynamos ohne Spannungsbegrenzung kommen der idealen (Wechsel-) Stromquelle schon ein ganzes Stück näher - geradezu optimal zum Treiben von Hochleistungs-LEDs, insbesondere mit meinem einfachen Treibervorschlag!

Wir sehen also noch helleren LED-Frontlichtzeiten entgegen ...

Aufpassen bei Glühlampen!

    Am kastrierten AXA HR gibt eine einzeln betriebene 2,4W-Glühlampe kurzzeitig ihre maximale Helligkeit ab
    - aber nur einmal!

Und bei Dynamos ohne Spannungsbegrenzung diesen wichtigen Tipp beachten!

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Basteltipps (4.4.2004)

Zu ergänzen wäre, dass bei meinem Prototyp [wie gesagt: obiger Vorschlag (3), mit und ohne Rück-LED3] die beiden verwendeten 1W-Luxeon™-Star/o3 einen horizontalen Zentralstrahlwinkel von etwa 3,5° gegeneinander haben, wodurch sich auf der Straße ein ovaler Lichtkegel ergibt.

Das habe ich ganz einfach erreicht indem ich eine der beiden mechanisch am Kühlkörper verbundenen LEDs (meist Lieferzustand, evtl. beim Bestellen darauf hinweisen!) um ca. 1,5 mm (gemessen an der Außenkante) an der Sollbruchstelle vorsichtig zurückgebogen habe. Hiermit ergab sich auf Anhieb ein recht guter Lichtkegel.

Die kantigen und spitzen Ecken der LED-Kühlkörper habe ich etwas abgefeilt, damit alles ins Gehäuse passt, d.h. am ovalen Plexi-Teil müssen an vier Stellen zusätzlich noch einige mm waagrecht weggefeilt werden, bis die beiden LEDs3 mit etwas Federkraft hineinpassen. (Nochmals der Hinweis: Vorsicht, die beiden Plexi-Bügel brechen leicht!).

Zum weiteren Experimentieren bleibt natürlich noch viel Spielraum. Das Batteriefach ist komplett leer und man könnte über eine Standlicht-Option (evtl. nur für die Rück-LED) nachdenken.

Schau mir in die Augen, Kleines!
(aber nur ohne angeschlossenen Dynamo!!)

Obwohl mit einfachsten Mitteln selbst gebastelt, gibt die LED-Leuchte nicht nur bei Nacht, sondern auch bei Tag etwas her:

schau mir in die Augen

Und vor allem hat sie dank Luxeon™-LEDs ihre inneren Werte!

Damit einem das edle Teil nicht per Wegklick geklaut wird und man dann im Dunkeln steht (fährt), sollte man eine geeignete Steckverbindung anbringen (4-polig, falls auch Rück-LED; wie PC-Stromversorgung von IDE-Laufwerken?), so dass man (selbst) die Lampe per Klick-Verschluss vollständig abnehmen kann.

Die Rück-LED3 lässt sich mit geringem Aufwand z.B. gut getarnt in einem (festgeschraubten) ausgedienten Toplight®-Rücklicht der ersten Generation unterbringen.

Fazit: Licht pur

Es hat mich selbst verblüfft, dass man mit so einfachen Hobby-Mitteln ein so gutes Dynamo-LED-Fahrradlicht realisieren kann (das auch den Gegenverkehr in keiner Weise blendet) - ein richtig helles und sattes weißes Licht, das den Fahrweg ganz ohne störende Randringe sauber ausleuchtet!

Wie mag das erst aussehen, wenn man eine optimierte Optik in der Streuscheibe hat (die schließlich auch der StVZO entspricht)?

Das LED-Frontlicht3 setzt bereits beim normalen Schieben des Fahrrads ein, so dass der Weg schon im Schritttempo ausreichend ausgeleuchtet ist. Falls auch eine rote Rück-LED3 verwendet wird: diese leuchtet bereits ab dem ersten Dynamo-Ruck.

Wenn man dann in die Pedale tritt, setzt das volle Licht bereits bei relativ niedrigen Fahrgeschwindigkeiten ein - so macht das Fahrradfahren bei Nacht erst richtig Spaß!

Und obwohl diese Dynamo-LED-Beleuchtung nicht StZVO-zugelassen ist, muss man kein (allzu) schlechtes Gewissen damit haben:

  • nützt die Möglichkeiten eines zulässigen 6V/3W-Dynamos optimal aus
  • liefert besseres Licht (besser gesehen werden und als Fahrer sehr viel besser sehen) als alle derzeit zugelassenen 6V-Dynamo-Beleuchtungsanlagen - ein sinnvoller Beitrag zur Verkehrssicherheit
  • kein Beleuchtungsausfall durch schlappe oder leere Batterien bzw. Akkus
  • durch Verwendung von LEDs zuverlässiger als Glühlampenbeleuchtungen

An der mechanischen Ausführung meines überaus einfachen 2W-Protoptypen ließe sich natürlich noch manches verbessern und elektronische Zusatzfunktionen könnte man jederzeit nachrüsten.

Für den Anfang war es zumindest für mich auf Anhieb ein überzeugender "Lichtblick".

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Einige Nachbauten (28.12.2004)

Mirko Javurek aus Österreich hat es mir sehr einfach gemacht, denn er hat sowohl einen Artikel "Fahrradbeleuchtung mit Leuchtdioden - der helle Wahnsinn" in der RadlerInnen-Zeitschrift "Drahtesel" (Argus, Heft 5/6, Dez. 2004/Jan. 2005) als auch (etwas umfangreicher) einen Web-Beitrag zum selben Thema veröffentlicht (der leider inzwischen vom WWW verschwunden ist [Stand Januar 2010]).

Hier eines seiner Bilder mit einer 1W-Luxeon™-Star/o:

Mirko Javurek: Dynamo-LED-Leuchte mit einer Luxeon-Star/o

Mirko betreibt seine Dynamo-LED-Leuchte an einem Speichendynamo  FER 2002 - mit genug Reserve für eine weitere LED!


Folgende Bilder sind bereits im September 2004 entstanden und stammen von George Willegers aus den Niederlanden, der 3 Stück 1W-Luxeon™-Star in einer umgebauten Leuchte "Basta Horizon" installiert hat, die - so aufgemotzt und mit einem Dynamo AXA HR+ befeuert - nun ein deutlich besseres Fahrrad-Licht abgeben dürfte:

George Willegers: Dynamo-LED-Leuchte mit 3x Luxeon-Star, Frontansicht

George Willegers: Platine mit 3x 1W-Luxeon-Star und aufgesetzten Linsen

George Willegers: Innenansicht, Blick auf die 'Elektronik'

Vielen Dank an alle für das (durchweg positive) Feedback!

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LED-Standlicht (26.3.2006)

Schon seit meinen ersten Versuchen mit Dynamo-LED-Treibern war das Standlicht ein Thema, nur kam es mangels ausreichend Zeit bisher nicht zu einer Veröffentlichung von geeigneten Vorschlägen. Da sich in letzter Zeit – wohl aufgrund steigender Außentemperaturen ;-) – die Nachfrage nach einer Standlichtschaltung gehäuft haben, habe ich die alten Ideen wieder ausgepackt.

Vorüberlegungen

Der Grundgedanke der meisten Standlichtschaltungen ist die Verwendung hochkapazitiver Gold-Kondensatoren (bzw. Gold-Caps, Super-Caps und wie sie je nach Hersteller alle heißen), sofern nicht Batterien zum Einsatz kommen sollen.

Trotz relativ hoher Kapazität dieser Kondensatoren reicht die gespeicherte Energie dennoch nur für eine kurze Standlichtzeit, die man aber ggf. über den Standlicht-LED-Strom einstellen kann. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Spannungsfestigkeit der einigermaßen preisgünstigen und gängigen Gold-Cap-Ausführungen.

Was mit Sicherheit keine praktikable Lösung ist, ist das schlichte Parallelschalten dieser Gold-Caps zu den jeweiligen LEDs, denn aufgrund der LED-Kennlinie wird der LED-Strom unterhalb der Gesamt-LED-Flussspannung rapide abnehmen und die gespeicherte Kondensatorenergie ist dann bei weitem noch nicht ausgeschöpft!

Zur Abhilfe gibt es verschiedene Methoden. Im nachstehenden ersten sehr einfachen Vorschlag ist es ein LDO-LED-Treiber, der nur eine oder zwei von drei in Serie geschalteten 1W-Luxeon™-LEDs der Fahrbeleuchtung für die Standlichtfunktion versorgt.

Deutlich besser – aber auch aufwendiger - wäre ein geeigneter getakteter LED-Treiber mit entsprechend höherem Wirkungsgrad.

Gespeicherte Energie

Die für das Standlicht zur Verfügung stehende Kondensatorenergie ist ganz allgemein:

W = ½ C (Ua2-Ue2)

Dabei sind Ua und Ue die Anfangs- bzw. Endspannungen des Speicherkondensators mit der Kapazität C.

Im nachfolgenden Schaltungsvorschlag beträgt die Anfangsspannung Ua nach Abschluss der Aufladephase und bei maximalem LED-Strom ca. 9,5V (zwei weiße und eine rote 1W-Luxeon™-LED in Serie). Mehr geht hier nicht, dennoch passt das mit den üblichen Gold-Caps schon ganz gut zusammen.

Die Endspannung Ue ist die Minimalversorgungsspannung des jeweiligen Standlicht-LED-Treibers. Ein LDO-Treiber (wie vorgeschlagen) ist deshalb natürlich von Vorteil!

Standlichtleistung

Bei dem vorgesehenen Standlichtstrom von 20 mA beträgt die aufgenommene elektrische Leistung einer roten 1W-Luxeon™-LED etwa 0,04W (2V Flussspannung angenommen).

Bei einer weißen 1W-Luxeon™-LED sind es ca. 0,06W (3V Flussspannung angenommen) und bei beiden zusammen dann eben 0,1W.

Nur Rück-LED-Standlicht

Im ersten Fall soll nur die rote Rück-LED einer Reihenschaltung von drei 1W-Luxeon™-LEDs für die Standlichtfunktion verwendet werden, siehe nachfolgende Schaltung. Der Standlichtstrom soll 20mA betragen.

Ue sei im Falle einer linearen LDO-Stromquelle ca. 0,5V über der Flussspannung der roten LED, also Ue = 2,5V.

Bei C = 236.100µF (Serienschaltung von 2x 470.000µF mit jeweils 2.200 µF parallel) wäre das eine Kondensatorenergie von W = 9,9Ws, die für das Standlicht zur Verfügung steht (von max. 10,6Ws in den Kondensatoren gespeicherter Gesamtenergie).

Bei einem Standlichtstrom von 20mA könnte man mit 9,9Ws im Idealfall bei verlustfreier Energiewandlung (also mit einem idealen DC/DC-Wandler) gute 4 Minuten rotes Standlicht erzeugen.

Im vorliegenden Fall einer realen linearen LDO-Stromquelle ist es aufgrund der linearen Verluste jedoch nur etwa eine gute Minute (natürlich abhängig von den großen Kondensator-Toleranzen).

Ideale lineare Kondensatorentladung (Nachtrag 18.4.2006)

Die Entladezeit T lässt sich bei konstantem Entladestrom I sehr einfach berechnen, denn die Kondensatorspannung nimmt bei idealer Konstantstromentladung linear ab und es gilt:

T = C * (Ua - Ue)/I

Mit obigen Zahlenwerten (Ua = 9,5V, C = 236.100µF und für rotes LED-Standlicht mit Ue = 2V) ergibt sich T im Idealfall zu ca. 88,5sec.

Länger kann es also auch mit dem besten linearen LDO-LED-Treiber keinesfalls gehen!

Front- und Rück-LED-Standlicht

Soll zusätzlich auch noch eine der beiden weißen Front-LEDs als Standlicht dienen (Gesamt-LED-Standlichtleistung nun 0,1W), ist aufgrund der höheren Endladeschlussspannung (Ue = 5,5V gesamt) die zur Verfügung stehende Energie der Kondensatoren nur noch W = 7,1Ws (von maximal ebenfalls 10,6Ws) und somit nur noch rund 1 Minute Standlicht im Idealfall mit einem guten DC/DC-Wandler bzw. etwa eine halbe Minute im Falle der linearen LDO-Stromquelle.

Die "Idealzeit" von 71s ließe sich mit einem Step-Up-Wandler je nach dessen minimaler Versorgungsspannung noch um ein Wenig verlängern. Theoretisch absolutes Ende ist mit der Rot/Weiß-LED-Kombination und 20mA LED-Strom (also 0,1W LED-Leistung) jedoch mit 10,6Ws/0,1W = 106 sec erreicht. Der entsprechende Aufwand dafür wird sich also eher nicht lohnen.

Kondensatorenergie

Es gilt übrigens generell:

    Bei einem elektrisch geladenen Kondensator steht nur noch 1% der Anfangsenergie zur Verfügung, wenn seine Spannung auf 10% des Anfangswertes gefallen ist.

Oder anders ausgedrückt:

    Will man möglichst viel elektrische Energie aus einem geladenen Kondensator entnehmen, sollte man ihn auf die maximal zulässige Spannung aufladen und die Last über einen DC/DC-Wandler mit möglichst hohem Wirkungsgrad versorgen.

    Ein Step-Up-Wandler wird sich nur dann lohnen, wenn im Betrieb die minimale Kondensatorspannung noch deutlich über 10% des Anfangswertes liegt.

Praktische Ausführung

Zunächst soll eine einfache Standlichtschaltung mit diskreten Bauteilen vorgestellt werden, die auf dem LDO-Treiber mit Optokoppler basiert, der die Flussspannung der roten LED als Referenzspannung verwendet.

LED-Fahrradbeleuchtung (5)

Diese Schaltung kann beim Dynamo-LED-Treiber nach obigem Vorschlag (3) ohne Eingriff in die vorhandene Verdrahtung eingefügt werden, falls man – wie dort gezeichnet - die rote Rück-LED im positiven Pfad angeschlossen hat.

Und wie man auch schnell einsieht, bringt man die zusätzliche Standlicht-Schaltung am besten dort unter, wo bereits die andere "Elektrik" ist (normalerweise in der Frontlampe). Es ist dann tatsächlich keine weitere Versorgungs- oder Steuerleitung nötig.

So einfach diese Schaltung auch ist, sie hat doch eine wichtige Eigenschaft, denn sie wird über T2, R3 und D3 nur im Standlichtbetrieb aktiviert (nämlich wenn die Spannung an LED1/LED2 unter ca. 6V fällt).

Ansonsten würden die Standlicht-LEDs im Normalbetrieb unnötigerweise einen um den Standlichtstrom (ca. 20mA) höheren Strom abbekommen als die Nicht-Standlicht-LEDs.

Da nach Dynamo-Stillstand alle drei LEDs die Gold-Caps bis zum Erreichen der Standlichtschwelle bereits entladen (für die Dauer von ca. einer Sekunde), muss obige Anfangsspannung Ua auf ca. 8,5V (= 6V Schaltschwelle + 2,5V Flussspannung der roten LED) nach unten korrigiert werden, wodurch nur noch ca. 8,8Ws Kondensatorenergie für das rote Standlicht zur Verfügung steht und die Standlichtzeit entsprechend verkürzt wird.

Statt der angegebenen Bauteile kann man natürlich entsprechende Äquivalente nehmen. Bei einem anderen Optokoppler ist der LED-Standlichtstrom unter Umständen mittels Stromfühlerwiderstand R2 auf den gewünschten Wert anzupassen.

Einsatzschwelle des Standlichts (18.5.2008)

Je nach Kennlinie der verwendeten LEDs kann es sein, dass nach Dynamo-Stillstand zwar die Fahr-LEDs bereits verloschen sind, die rote Standlicht-Rück-LED aber erst nach einigen Sekunden zu leuchten beginnt (vor allem bei satt geladenen Gold-Caps), was natürlich störend ist.

Diese Verzögerungszeit lässt sich verkürzen, indem man die durch D3 und die Basis-Emitter-Eigenschaften von T2 festgelegte Einsatzschwelle minimal höher legt und zwar indem man in obiger Schaltung (5) noch einen (ursprünglich nicht vorhandenen) Widerstand R4 einfügt, mit dessen (unkritischem) Wert man die Verzögerungszeit individuell anpassen kann.

Der im Schaltplan angegebene Wert von 22kOhm für R4 sollte normalerweise passen. Mit einem kleineren Wert (z.B. 15kOhm oder 10kOhm) wird die Einsatzverzögerung kürzer, mit einem größeren Wert (z.B. 33kOhm) wird sie dagegen länger.

Vorn und hinten

Der Schaltplan ist für rotes Rück-LED-Standlicht gezeichnet.

Soll auch eine der beiden weißen Front-LEDs eine Standlichtfunktion bekommen, wird die Verbindung SL nicht an die Kathode der roten LED sondern stattdessen an die Kathode der oberen weißen LED gelegt (gestrichelte Linie mit Pfeil). Jetzt ist – wie oben erläutert – die Standlichtzeit allerdings nur noch etwa halb so groß.

Schutz tut auch hier Not

Wie eingangs bei obigen Schaltungsvorschlägen erläutert, kann die Spannung an den Kondensatoren je nach Dynamo (mit und ohne Spannungsbegrenzung) bei fehlender LED-Last im Betrieb stark ansteigen.

Zwar sind bei der vorgestellten Standlicht-Schaltung nicht die LEDs gefährdet, um so mehr aber die Gold-Caps6, die einzeln normalerweise nicht mehr als 5,5V vertragen (in Serienschaltung also max. 11V)!

Abhilfe könnte eine einzelne Aktiv-Dummy-LED sein, deren Flussspannung ca. (10-11)V beträgt.

Alternativ könnte man jede einzelne LED mit einer Aktiv-Dummy-LED schützen und hätte dann immer noch einen Notbetrieb, falls nur eine der LEDs ausfällt. Allerdings müsste man die Flussspannungen der Einzel-Aktiv-Dummy-LEDs sehr genau einstellen, da sonst aufgrund von Toleranzen die zulässige Gesamtsspannung von 11V an den Gold-Caps schnell überschritten sein könnte.

Desweiteren sollte man bei der Serienschaltung von Gold-Caps immer zwei gleiche Typen mit gleicher Kapazität verwenden (übliche Toleranzen schaden in dieser Schaltung noch nichts), damit die Spannungsaufteilung einigermaßen gleichmäßig ist.

Zur Sicherheit sei an dieser Stelle bei Dynamos ohne Spannungsbegrenzung an diesen wichtigen Tipp erinnert!

Verzögerung?

Was die Gold-Caps angeht, könnte man vermuten, dass das LED-Licht bei entladenen Gold-Caps anfangs (beim Anfahren) nur langsam anspricht, da die sehr große Kapazität erst auf die Flussspannung der angeschlossenen LEDs aufgeladen werden muss.

Dem ist aufgrund des Innenwiderstandes der (derzeitig gängigen) Gold-Caps jedoch nicht so, denn die einzige spürbare Verzögerung kommt durch die "normalen" Elkos und die LEDs sprechen bei der angegebenen Dimensionierung dennoch relativ schnell an. Wollte man einen solchen Effekt verringern (z.B. bei niederohmigeren Gold-Caps), müsste man Auf- und Entladepfade entsprechend entkoppeln.

Q&A für Anfänger (3.11.2008)

    Q: Was soll die Parallelschaltung von C1 und C3 beziehungsweise C2 und C4 in Schaltung (5)?

    Kann man C1 und C2 wegen deren viel kleinerer Kapazität im Vergleich zu C3 und C4 nicht einfach weglassen?

    A: Eher nicht, denn die "normalen" Elkos C1 und C2 haben im Vergleich zu den Gold-Caps C3 und C4 einen deutlich niedrigeren Innenwiderstand (genannt ESR7).

    D.h., man hat jeweils einen Kondensator mit kleiner Kapazität und relativ niedrigem ESR und einen Kondensator sehr großer Kapazität mit relativ hohem ESR parallel geschaltet. Beide ergänzen sich in der Schaltung.

Längere Standlichtzeit (9.4.2006)

Durch Verwendung von Gold-Caps mit einer größeren Kapazität (z.B. Ausführungen mit 1F/5,5V) lässt sich die Standlichtzeit natürlich entsprechend verlängern - vorausgesetzt man hat sie durch ausreichend Fahrdauer vollständig aufgeladen. Ein paar Sekunden "Strampelzeit" reichen dann sicher nicht mehr!

Sofort dunkel

Ein Standlicht möchte man eigentlich nur haben, wenn man vorrübergehend (z.B. an einer Ampel oder beim Vorfahrtachten) mit dem Fahrrad anhält. Will man es jedoch abstellen, sollte das Standlicht deaktivierbar sein, denn es könnte sonst Diebe auf das abgestellte Fahrrad aufmerksam machen.

Hierzu könnte man im Schaltungsvorschlag entweder per Schalter den Transistor T2 dauerhaft überbrücken (Kollektor und Emitter kurzschließen) oder auch nur per Taster solange, bis die Kondensatorspannung unterhalb der Gesamt-LED-Flussspannung liegt – mit dem kleinen Nachteil, dass die Gold-Cap-Spannung nach dem teilweisen Entladen oft wieder geringfügig ansteigt und die LEDs dann immer noch für einige Zeit schwach nachleuchten.

Ausblick

Mit dem gemachten diskreten Vorschlag wird gezeigt, wie man eine einfache LED-Standlichtfunktion passend zu einigen Schaltungen obiger Dynamo-LED-Fahrradbeleuchtung realisieren kann.

Bei Gelegenheit sollen auch "integrierte" Lösungen vorgestellt werden, die bei etwas weniger Platz ggf. aber Spezialbausteine benötigen.

Jedoch dürfte es nicht einfach sein, eine LED-Konstantstromquelle nebst Spannungsüberwachung in einem einzigen Baustein zu finden.

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[1] Bei Verwendung einer Brückengleichrichterschaltung (4 Schottky-Dioden) könnte man bei sonst (nahezu) gleicher Schaltung vermutlich auch eine 3W-Luxeon™-LED mit ca. 2W betreiben, dann allerdings mit etwas schlechterem Wirkungsgrad als mit zwei 1W-Luxeon™-LEDs.

Praktische Erfahrung (Ansprechempfindlichkeit etc.) zu dieser Variante liegt hierzu (mangels 3W-LEDs) jedoch keine vor.

[2] Die Krypton-Leuchte gab es diese Woche (29.3.2004) bei einem Discounter für €4,99 [und die Konkurrenz hat am 19.4.2004 ein ziemlich ähnliches Modell zum gleichen Preis nachgelegt] oder auch bei eBay ab €1.

Diese Leuchte taugt normalerweise nichts, denn das Gehäuse ist nicht wasserdicht und von wirklich gutem Licht kann man kaum reden, aber billig ist sie und praktisch zum Basteln. Die beiliegenden vier Qualitäts-Batterien (bei mir in Industrieausführung) und die LED-Rückleuchte sind aber durchaus OK. Alles ist übrigens StVZO-zugelassen - für Rennräder unter 11kg ...

[3] Verwendete 1W-Luxeon™-LEDs:

  • Front-LED: Luxeon™-Star/o, mit 10°-Optik, weiß, LXHL-NWE8
  • Rück-LED: Luxeon™-Star, 110°, rot, LXHL-MD1C

[4] Die Leerlaufspannung kann bei anderen Dynamos verschieden sein. Normalerweise ist im Dynamo eine Spitzenspannungsbegrenzung vorhanden. Beim "AXA HR Traction" geschieht dies durch zwei antiserielle 7,5V-Z-Dioden.

[5] Der AXA HR Traction lässt sich (z.B. im Falle des Wackelkontaktproblems) mit viel Geduld und - je nach handwerklichem Geschick - mit mehr oder weniger mechanischen Spuren an der unteren Schale des Gehäuses öffnen (Klebstoff-/Schweißnaht ringsherum lösen, NICHT jedoch das Laufrad und die untere Schraube!)

Nun das "Eingeweide" (Bodenteil/Spule) zusammen mit dem Dynamohalter nach unten herausziehen. Man kann dabei an zwei Nutstellen der unteren Schale (mittig auf beiden Seiten, parallel zu den Anschlusskontakten) mit einem 5mm breiten Schraubendreher etwas nachhelfen. Ist eine rechte Fummelei, aber es geht ...

Hier ein interessanter Link zum AXA HR und wie man ihn zerlegt (ein weiterer Lycos-Link zum selben Thema funktioniert leider nicht mehr, Stand Januar 2010).
Da haben wohl noch ein paar mehr Betroffene schon früher das selbe Problem gehabt. (8.5.2004)

[6] Meine eigene Erfahrung lehrt, dass (ältere?) Gold-Caps selbst an Nominalspannung nach längerem Betrieb (einige Jahre) einfach den Geist aufgeben, sprich ihre sehr hohe Kapazität verlieren und dafür einen hohen Leckstrom ziehen - mit entsprechenden Folge-Effekten!

In einem Fall war es ein Gold-Cap in einem Videorecorder, dessen Senderspeicherung nicht mehr funktionierte und dessen LC-Display dafür nur noch flackerte. In einem zweiten Fall war der Ausfall in einem Heizungssteuergerät, bei dem ebenfalls die Speicherfunktionen nebst LC-Display ausfielen. Beide Geräte (namhafter Hersteller) laufen seit Austausch der Gold-Caps wieder seit längerer Zeit.

[7] ESR = Equivalent Series Resistance, angegeben in Ω oder mΩ.

Keramik-Kondensatoren haben normalerweise einen sehr geringen ESR-Wert, was übrigens nicht immer von Vorteil ist, denn es gibt z.B. viele (meist ältere) LDOs und Schaltregler-ICs, die an ihrem Ausgang nicht ausschließlich solche Low-ESR-Kondensatoren erlauben, da deren Regelschleifen nicht dafür ausgelegt sind.

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