sciencetalk

Wat er commercieel verkrijgbaar is is waarschijnlijk wel complexer dan het schema hier geschetst. 
 
Iets dat je kunt doen met wat complexere electronica is MPPT op de dynamo, en mogelijk ook gebruik maken van een buffer-batterijtje om zwaardere belastingen te kunnen laden in bursts. Bovendien kan het slim overlegd worden met het aangelosten apparaat over hoeveel laadstroom er mag worden afgenomen, al zijn daarvoor diverse systemen door elkaar in omloop en is dat niet erg betrouwbaar. 
 
Zoiets ontwerpen, testen en inregelen is een behoorlijk bewerkelijk proces, al hoeven de uiteindelijke onderdelen helemaal niet zo duur te zijn, het zou me verbazen als er meer dan $5 aan hardware in zit.  

Een van de oplossingen is inderdaad maximum PowerPoint tracking. Daarbij ga je exact zoveel stroom trekken dat het product van stroom en spanning maximaal is. Dit kan eigenlijk alleen hoogefficient werken als je gebruik maakt van een geschakelde  power converter. zo'n converter zet energiepakketjes om van een spanning (van de dynamo) in een andere spanning (5V voor de lader) met een schakelfrequentie boven de 20kHz en met een efficiency van ca 90% waardoor je met zeer kleine trafo'tjes of spoeltjes uit kunt.  
Dit doe je helaas niet zomaar met alleen een beetje soldeer ervaring. Als er echter genoeg vraag naar zou zijn zouden chip fabrikanten (ik werk daar zelf ook) er mooie chipjes voor kunnen maken die in zo'n power converter zitten net zoals die tegenwoordig zitten in alle consumentenelektronica en bv de netadaptertjes waarmee je je telefoon kunt laden.  

Zo moeilijk is het allemaal niet, maar ik denk dat de markt gewoon te klein is. 
 
Veel van die 'mooie chipjes' zijn feitelijk gewoon heel generieke microcontrollers voorzien van software die zorgt dat ze doen wat ze moeten doen. Chinese fabrikanten veilen er nog wel eens de typenummers vanaf. Die 'mystery 8 pin chips' zijn vaak gewoon (clone) PIC12F### modellen voorzien van code en ontdaan van markering (gezien het vaak namaak/kloonwerk is die niet van Microchip zelf komt). 
 
Een circuitje om vanaf een fietsdynamo een usb apparaat te laden kost qua hardware bijna niets, maar is wellicht niet op de markt door de beperkte vraag. Hetzelfde ding dat alles tussen 80 en 250 volt AC als input gebruikt koop je voor minder dan een euro per stuk, en een fractie daarvan als je een pallet vol bestelt. 

Benm schreef: Een circuitje om vanaf een fietsdynamo een usb apparaat te laden kost qua hardware bijna niets, maar is wellicht niet op de markt door de beperkte vraag.

Ga maar eens googelen, dan zal je zien dat er genoeg commerciëel worden aangeboden. Ze zijn alleen zodanig aan de prijs dat zelfbouw loont voor degene die weet hoe dat moet.

Het is altijd een kwestie van ontwikkelkosten terugverdienen. hoe kleiner de aantallen, hoe hoger de prijs, want dan moeten de ontwikkelkosten verdeeld worden over minder produkten. met Arduino bordje zou je simpel een MPPT kunnen maken via de analoge inputs en met een brugcel na de dynamo gevolgd door een buckboost ICtje en spoeltje maak je de conversie naar 5V USB. buckboost IC's zijn wel standaard producten. als je ervoor kiest om het ding pas vanaf een bepaalde fietssnelheid te laten laden heb je aan een down converter (buck converter) genoeg. met alleen een upconverter (boost) werkt het ook, maar dan maak je niet optimal gebruik van de mogelijkheid om meer vermogen te leveren als je hard fietst

ps, sommige dynamo's bwevatten een zenerdiode die de spaning begrenst op ca 6V. dit om doorbranden van je achterlicht te voorkomen als het voorlicht slecht contact maakt. die zener moet je er dan eigelijk uithalen als je bij hoge toerentallen er meer vermogen uit wilt halen

HansH schreef: met Arduino bordje zou je simpel een MPPT kunnen maken via de analoge inputs en met een brugcel na de dynamo gevolgd door een buckboost ICtje en spoeltje maak je de conversie naar 5V USB.

Volgens mij creëer je hiermee een patstelling. De Arduino zorgt er voor dat je 5V maakt, maar de Arduino zelf heeft ook 5V voeding nodig. Soort kip-en-ei verhaal.
Bovendien is dat allemaal veel ingewikkelder dan nodig is. Sommige mensen willen overal een Arduino of microcontroller bij halen.
Gewoon gelijkrichten, afvlakken, stabiliseren. Meer is niet nodig.
Een alternatief is gelijkrichten, afvlakken en alle overbodige stroom wegzeneren.
In beide gevallen stelt het maximum power point zich vanzelf in.

Het voltage clampen met een zenerdiode is wellicht aardig als je vermogen genoeg hebt, maar dat levert natuurlijk geen maximaal laadvermogen op. 
 
Wat het tricky maakt is dat er nog een usb verbinding tussen zit, en je feitelijk telefoon moet aansturen om de laadstroom te laten varieren. Helaas is daar geen goede standaard voor. 
 
Overigens zijn er genoeg telefoons die daarom zelf een MPPT techniek hanteren op hun voedingsspanning, die trekken gewoon een beetje meer stroom tot de spanning begint te vallen, en een beetje minder als het aan de lage kant is. Ik heb dat bekeken met zo'n inline volt+stroom metertje, en het varieert van vrijwel geen stroom tot 1.25 ampere. Overigens is dat nog best gevoelig: een elcheapo chinese kabel beperkt het al tot 0.8A terwijl het bij een goede kabel 1.25A wordt, en dan heb je het over ongeveer 1 meter draad. 

Benm schreef: Het voltage clampen met een zenerdiode is wellicht aardig als je vermogen genoeg hebt, maar dat levert natuurlijk geen maximaal laadvermogen op. 

Misschien een beetje krom omschreven, maar wat ik bedoelde is dit: de telefoon pakt in eerste instantie de maximale stroom die de dynamo kan leveren bij 5V, ongeveer 0,5A. De zener doet dan nog niks. Als de telefoonbatterij bijna vol is zal de laadstroom afnemen, en het restant gaat dan in de zener.

Volgens mij creëer je hiermee een patstelling. De Arduino zorgt er voor dat je 5V maakt, maar de Arduino zelf heeft ook 5V voeding nodig. Soort kip-en-ei verhaal.
Bovendien is dat allemaal veel ingewikkelder dan nodig is. Sommige mensen willen overal een Arduino of microcontroller bij halen.
Gewoon gelijkrichten, afvlakken, stabiliseren. Meer is niet nodig.
Een alternatief is gelijkrichten, afvlakken en alle overbodige stroom wegzeneren.
In beide gevallen stelt het maximum power point zich vanzelf in.

Dit is inderdaad simpel,kan ook prima maar je haalt ermee niet het maximale vermogen uit je dynamo. moderne telefoons verwachten 5V ca 2A=10watt vanuit een USB lader. Er zijn er zelfs die nog meer vragen en onderhandelen met de lader over de spanning via een special USB protocol en krijgen dan bv 9v of 12V van de adapter. een fietsdynamo levert normaal maar 3 watt bij 6V, dus kan zijn dat de telefoon daardoor de laadprocedure beeindigt of verstoord raakt.

als je dus meer vermogen uit de dynamo wilt halen moet je wel iets speciaals doen zoals MPPT. overigens dat kip ei verhaal kun je oplossen met een klein oplaadbaar batterijtje van 6V.

HansH schreef: ...moderne telefoons verwachten 5V ca 2A=10watt vanuit een USB lader.

Dat kan je op je buik schrijven. Door een gunstig punt op de stroom/spanningskarakteristiek te kiezen kan je er 5W uit halen, maar 10W gaat niet lukken.

Als je een beetje doorfietst mogelijk wel, het is nominaal maar 3 watt (ik weet niet bij welke snelheid). 
 
Maar een simpele oplossing waarbij je de telefoon laat uitvogelen hoeveel stroom getrokken wordt kan natuurlijk best werken. Kwestie van een brugcel, elco, en een potige zenerdiode om het verschil te verstoken als er geen stroom meer gevraagd wordt door usb (accu vol etc). 
 
Of het erg goed werkt weet ik niet, bedenk wel dat die 6 volt wisselspanning is. Dat is 8.4 volt tussen nul en top, en met het verlies in de gelijkrichter ongeveer 7 volt DC bij belasting met 3 watt. Die 7 volt zal wel aardig instorten door de belasting, al is nergens gespecificeerd hoeveel precies. Zet een dikke (5 watt oid) zener van 5.6 volt over de uitgang en je ziet het vanzelf wel. Mocht dit niet erg goed werken kun je altijd nog naar een slimmere oplossing zoeken (uC gestuurde buck/sepic converter oid). 

Die 6 volt wisselspanning krijg je alleen als je 0,5 ampere afneemt. En die 0,5 A is gelijk het maximum, je kan nog zo hard fietsen, veel meer krijg je er niet uit.
Wat je er wel uit kan krijgen is meer vermogen. Als je minder stroom afneemt zal de spanning rap toenemen, tot boven 20 V onbelast. Ik heb ooit de stroom/spanningskarakteristiek opgenomen, maar ik ben helaas mijn aantekeningen kwijt. Daarom moet ik even uit mijn hoofd werken. Maar als je b.v. 0,4A afneemt is de spanning al gestegen tot 10V, dat geeft dus 4W. Ik dacht dat er zelfs een punt was waar je er 5W uit krijgt.
Maar dat is dus bij te weinig stroom en een onhandig hoge spanning. Als je echt het onderste uit de kan wil hebben zal daar inderdaad een meer geavanceerde schakeling achter moeten die het beschikbare vermogen omzet naar 5V bij 1A.
Neem je genoegen met die 0,5A die de dynamo van nature levert, dan is een simpele rechtuit schakeling voldoende.

Als die spanning voor het optimale punt zoveel hoger ligt dan is gelijkrichten, afvlakken en dan terug regelen met een buck-regulator wellicht een prima aanpak. 
 
Voor die buck regulator kun je dan gewoon een 12 naar 5 volt adapter gebruiken bedoeld voor in de auto, heb je meteen de usb connector erbij - en dit spul koop je op ebay voor $0.99 shipped. Rendement en minimum voltage zal varieren, maar voor die prijzen kun je er wel een paar testen

Dat zou een oplossing kunnen zijn, maar hoe zorg je er dan voor dat de ingangsspanning/stroom van die buck convertor op het maximum power point blijft? Of stelt zich dat vanzelf in?

Vanzelf dankzij de telefoon die zijn laadstroom aanpast aan de ingansspanning, met als voorbehoud dat die buck converter enige relatie tussen in- en uitgangsspanning heeft. Echte power-point tracking is het natuurlijk zeker niet, maar als je dit voor een paar euro zelf wilt bouwen (en geen zin hebt om uren te programmeren) waarschijnlijk wel zo goed als je het krijgen kunt. 
 
Om een cel direct te laden is dit allemaal niet optimaal, maar als je ervan uit gaat dat die in een telefoon oid zit kom je weinig verder. 
 
Zou je de cel direct laden kon je het veel beter doen met microcontrollers en dergelijke, en dan heb je ook het voordeel dat je bij wegvallen van de ingangsspanning je die uC gewoon vanaf de cel van stroom kunt voorzien (zoals vrijwel iedere solar installatie met mppt ook doet). Of het veel zin heeft weet ik niet, op een gegeven moment ga je state of the art techniek aansmijten tegen een systeem waarbij de duidelijk zwakker factor een roestige fietsdynamo is. 
 
Gelijkrichten met een brugcel is ook zo'n ding: prima als het niet zoveel uit maakt, maar bij deze spanningen kun je veel (~10%) winnen met een mosfet-gelijkrichter. Zoiets ga je denk ik op een fiets niet uithalen, maar als het een nood-windgenerator voor een vliegtuig (met uitgevallen motoren) is wellicht wel.