Strom am Fahrrad

Längere Touren auf dem Fahrrad stellen mich immer vor ein Navigationsproblem. Es gibt kein Äquivalent zu Bundesstraßen oder Autobahnen, auf denen man dank klarer und durchgängiger Beschilderung ohne Navi immerhin schonmal eine größere Stadt ohne Navi oder Karte erreichen kann. Selbst große Radfernwege sind oft schlecht beschildert, schlechte Wege oder Sperrungen zwingen zu Umwegen und so einige Male landete ich am Ende orientierungslos in der Pampa.

Meine Lösung für dieses Problem ist mittlerweile mein Telefon, auf dem die Navigation läuft. Selbst wenn man beim Navigieren häufig den Bildschirm ausschaltet, ist nach mehr oder weniger 4 Stunden der Akku des Telefons leer. Also muss für eine tagesfüllende Tour ein externer Akku  angeschlossen werden. Für mehrtägige Touren müssen auch noch Netzteile mitgenommen werden. Wer auf dem Campingplatz übernachtet, muss dann seine Geräte teilweise über Nacht im Waschhaus lassen. Ein alternativer Weg der Strombeschaffung ist dagegen den Nabendynamo und damit die eigene Muskelkraft zu nutzen.

 

Hintergrund

Im Rad-Forum sind Reiseradler schon früh auf diese Idee gekommen und Jens During hat den Forumslader entworfen und bis heute weiterentwickelt (aktuell in der 5. Version). Die aktuelle Version bietet die Pufferung in großen Akkuzellen, USB- und 12V-Ausgang, verschiedene Sicherheitsmechanismen und sogar eine Bluetoothfunktion, über die Tourdaten ausgelesen werden können. Je nach Konfiguration zahlt man um die 150€ für so ein Gerät. Um ein Gehäuse muss man sich selbst kümmern. Für ähnliche Preise bieten kommerzielle Anbieter eine ähnliche Funktionalität, allerdings technisch deutlich unbedarfter als der Forumslader und dadurch mit deutlich niedrigerer Energieausbeute. Einen sehr detaillierten Test dazu hat Andreas Oehler von Fahrrad Zukunft gemacht.

Andreas Oehler stellt dort neben den Fertiglösungen den selbstgebauten Minimal Lader vor, der aus wenigen Komponenten zur Gleichrichtung, Glättung und Spannungsbegrenzung der Spannung aus dem Dynamo besteht. Die Pufferung wird direkt von einem externem USB-Akku erledigt. Ich mag dieses Konzept, denn der komplexe Teil, also das korrekte Laden und Entladen empfindlicher LiPo-Zellen wird hier in ein fertig kaufbares Produkt ausgelagert. Das entspricht auch der Philosophie des Reiseradelns: Möglichst einfach zu reparierende und weltweit verfügbare Bauteile einsetzen. Einen USB-Akku kann man wohl überall bekommen, einen Lötkolben zum Reparieren der Minimal Lader Schaltung findet man sicherlich auch noch häufig genug.

Weiterhin ist der Preis für mich relevant. Falls der Dynamolader mehr als 100€ kostet, kann ich wahrscheinlich besser eine Armada von USB-Akkus kaufen 🙂

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Umsetzung

Meine Anforderungen an einen Dynamolader sind die Folgenden:

  • USB Anschluss mit >1A
  • Lichtausgang mit 7,2V
  • Gleichstromausgang mit 18,5V
  • soll in eine Oberrohrtasche passen

Den Gleichstromausgang brauche ich für einen externen Akku, der neben USB-Anschlüssen auch noch einen Ausgang mit 12-19V für größere Geräte bereitstellt. Dessen Netzteil ist mit 18,5V und 2A spezifiziert. Mein Dynamolader lässt sich auch auf andere Spannungen als 18,5V auslegen. Alles von 7-24V ist hier machbar.

Gleichrichtung

Hier also nun der Aufbau: Die Gleichrichtung, Glättung und Begrenzung der Dynamospannung ist kopiert vom Forumslader 12V+USB. Die Zenerdiode zur Spannungsbegrenzung habe ich ausgetauscht: Statt 22V habe ich 18V genommen, sodass sich mein großer Akku über eine DC-Buchse direkt an die gleichgerichtete Spannung anschließen lässt. Eigentlich wären für diesen ja 2A nötig. Ein Nabendynamo ist eine Permanentmagnet Synchronmaschine (PMSM), deren Ausgangsstrom etwa 500mA beträgt. Die maximale Spannung ist abhängig von der Drehzahl. Wird ein Strom entnommen, so bricht die Ausgangsspannung soweit ein, dass sich wieder ein Strom von 500mA einstellt. Der Akku bekommt also in Wahrheit eine Spannung von deutlich weniger als 18,5V zu sehen, weil er mit seinem Stromhunger diese immer einbrechen lässt, solange er lädt.

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USB

Nun zum USB-Anschluss: Einige Geräte verwenden zur Spannungswandlung lineare Regler, die überschüssige Spannung in Wärme umwandeln. Das ist Unfug, denn es sollte möglichst wenig elektrische Leistung verloren gehen, allein schon zum Schutz vor Überhitzung. Mittlerweile sind Schaltregler, welche deutlich effizienter eine Spannungswandlung vornehmen, sehr günstig verfügbar. Gebt einfach mal step down in Ebay ein und staunt ob der niedrigen Preise für die meist aus China gelieferte Elektronik. Noch toller wäre jetzt noch ein Spannungswandler, der direkt mit USB-Anschlüssen kommt. So ein Teil ist zum Beispiel ein Ladegerät, das man an den Zigarettenanzünder vom Auto anschließt. Viele von den dort eingesetzten ICs haben einen Eingangsbereich von 6-24V – perfekt für einen Dynamolader! Ich hatte ein Gerät von Griffin, das mit 2A spezifiziert ist und etwa 1,5A in der Praxis schafft. Der eingesetzte IC ist der ACT4060A.

Beleuchtung

Wie kann man seine Fahrradbeleuchtung nun parallel zur Ladefunktion nutzen? Rechtlich ist man hier im Dunkelgrauen, große Verbraucher dürfen die Lichtanlage nicht beeinträchtigen. Aber technisch ist es durchaus machbar, hier die Leistung etwa 50:50 aufzuteilen. Dazu wird ein Schaltregler Modul auf in meinem Falle 6,8V eingestellt und an die gleichgerichtete Spannung angeschlossen, an der schon das KFZ USB Ladegerät hängt. Einen Ausschalter habe ich für keines der Module eingebaut, weil der Leerlaufstrom bei Schaltreglern sehr gering ist. Die 6,8V habe ich über steckbare Lüsterklemmen angeschlossen, die es ermöglichen, entweder den Dynamo direkt an die Lampe anzuschließen oder beide Geräte an den Dynamolader zu klemmen. Das ist natürlich nicht wasserdicht, aber in dem Punkt darf man gerne entspannen: Regenwasser ist nicht besonders leitfähig und es wird selbst im Dauerregen nur geringe Verluste durch Leckströme geben. Bei einer Fahrt durch Salzwasser mag die Lage anders aussehen 😉

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Test

Zum Aufbau der Elektronik habe ich von Jens During die alte Forumslader 12V+USB Platine gekauft, den 12V und den 5V Regler allerdings nicht bestückt sondern stattdessen das KFZ USB Ladegerät und den Schaltregler für die Beleuchtung in ein günstiges Gehäuse eingebaut. Zum Testen hatte ich keine Wechselstromquelle zur Verfügung, also habe ich die Kondensatoren C1 und C2 temporär überbrückt und ein Gleichstromnetzteil angeschlossen.

Fazit

Mittlerweile war das Gerät auf einer Nachmittagstour im Einsatz und hat dort sehr gute Dienste geleistet. Über zwei Stunden wurden zwei USB Akkus aufgeladen, die jeweils die Laufzeit des Telefons während der Navigation um ca. 5 Stunden verlängern sollten. Eine großartige Stromquelle für Radtouren!

Leider scheint mir noch kein Gerät auf dem Markt zu sein, das in puncto Preis/Leistung und Funktionalität zufrieden stellend ist. Es wäre schön, wenn solch ein Lader ohne Selbstbau verfügbar wäre. Und bei geschickter Ausnutzung von massenproduzierten Modulen könnte es sogar ein ganz erstaunlich günstiges Gerät werden! Wer ergreift die Initiative?

 

 

 

 

Aus einem Arduino einen USB Joystick machen – Teil 1

Nur eine Sammlung von Links und Gedanken – keine Ergebnisse

Heute sind wir auf die Idee gekommen, für diverse Spiele selbst einen Joystick und andere Eingabegeräte zu bauen. Das Bauen mag aufwendig sein, das Auslesen ein Kinderspiel, die Daten rüber auf den PC zu bringen wird aber zur Krux.

Natürlich wollen wir so ein Gerät mit jedem Spiel, das mit handelsüblichen Joysticks arbeitet, benutzen können. Wir müssen also dem Computer glaubhaft machen, dass wir ein solcher Joystick wären. Der Standard Arduino kann das nicht, er hat einen FTDI Chip zur USB-Kommunikation, der sich nur als USB-COM Schnittstelle ausgibt. Der Leonardo mit seinem 32U4 hat einen nativen USB Port, mit dem er Mäuse und Keyboards emuliert. Nicht schlecht, aber noch nicht so ganz das Richtige.

Wir brauchen vollständige Kontrolle über den USB-Port, denn wir müssen dem Computer eine selbst erstellte HID Descriptor Datei unterschieben, die ihm die Funktionalität des Geräts vermittelt. Dann senden wir ihm laufend neue “Reports”, in denen alle Werte der Taster und Sensoren  drin stehen. Folgende Ansätze habe ich bisher gefunden:

  • Mjoy: Ein ATmega ohne nativen USB-Port wird mit Assembler programmiert und kann auf seinen GPIO Pins per “bit banging” USB sprechen. Gestartet von einem Mindaugas Milasauskas, dessen Homepage leider verwaist ist, wurde das Projekt unter anderem von Michael Wolf weiterentwickelt zu einer Variante, die 28 Taster und 8 analoge Achsen auslesen kann. Hier noch eine andere Variante basierend auf dem gleichen Mjoy. Und noch eine.
  • Emulation auf dem PC: Alle Werte über eine simple serielle Schnittstelle in den PC hineinfüttern, dann die Werte auf ein virtuelles Eingabegerät umbiegen. Müsste doch möglich sein, oder? Ich finde leider nichts dazu. Vielleicht kommt man im Umfeld von libusb und HID API weiter?
  • Native Schnittstelle von 8U2, 16U2, 32U4: Die Beschränkung auf Maus und Tastatur lässt sich durch eine geänderte Firmware umgehen.
  • Native USB-Schnittstelle des Due: Hier versucht jemand etwas Ähnliches. Der AT91SAM3X8E auf dem Due dürfte eigentlich alle benötigten Features bereit stellen. Das Datenblatt konzentriert sich allerdings eher auf den host mode.
  • Antiquierten Joystickport emulieren und per Adapter auf USB konvertieren: What could possibly go wrong?

Ich für meinen Teil bin erstaunt, dass es keine einfache Lösung für unseren Fall gibt. Schauen wir hier in die falsche Richtung?

Soweit die ersten Ideen, mal schauen ob es einen Teil 2 geben wird.