ハブダイナモ　LEDライト　個人（素人）の研究メモ

整流回路

左　ダイオードを使った普通の整流回路　　　　　　　　　　　　右　MOS-FETを使ったら整流回路

実際のハブダイナモは交流なのですが、簡単に説明するために直流で説明します。入力に電圧12Vを入れ、電流が0.5A流れたとします。

Ｄ（整流ダイオード）では0.5Vの電圧降下が2回あるので出力で11V　0.5Aになります。　11*0.5＝5.5W

MOS-FETでは　　　　 0.05Ｖの電圧降下が2回あるので出力が11.9V　0.5Aになります。　MOS-FETの抵抗部分が0.1Ωとします。 5.95W

電力差　5.95-5.5＝0.45W　MOS-FETを使った整流をするために使った価格のICが、DIGI-KEYで一個で買うと1000円くらいします。

一割弱の性能アップのために部品代1000円払えますか？　MOSFETが4個いるから、1500円くらい？

実験データ

SBD　+ (150uF+82uF+82uF)平滑コンデンサー　　　　　　　　　　　　FET + (150uF+82uF+82uF)平滑コンデンサー　

1. 私の実験では、平滑コンデンサーの容量で入力電力が変化しました。
   

自転車のLEDライトの選定

私の選定基準。

1.自作基板が入る大きさでLEDを冷やせるアルミ製。

2.円の下半分の光の投射。上半分は空へ向かって光を放ってもあまり意味がない？ヨーロッパ製の高級自転車ライトや車のヘッドライトみたいにLEDが下向きに設置されているタイプ。いままで製作、失敗を繰り返して、初めからヨーロッパ製の高級自転車ヘッドライト買っといたほうがよかったという話もあります。反射鏡は自分で作れないので、反射鏡は必須。

3.安価

ありました。中華の電動自転車用のヘッドライト。

自作基板を入れた中華LEDライトの現在　試作2号機

えー、自分ではんだできる人に突っ込まれる前に自白します。何回もつけたり外したりしたので、熱でコンデンサーに少し黄ばみがあります。ここに至るまでに基板の死屍累々。素人が意地になって自作しようとした顛末です。はい。

LED素子が実はXHP70　12Vに変わっています。LED素子の特徴として電流が少ないほど発光効率がいいとあるので、12Vのより定格の大きいものを選択しました。また中華標準のLED素子は小さい用の反射鏡ですが、あまりにも集光しすぎて

近くをあまり照らさないと困るので、おおきいと全体を明るくできるかなという思惑もあります。ねじ穴が3か所空いているのは　LEDライトを上下逆さまにでもできるようにと穴あけをしてあります。

LED素子がついているアルミは中華標準のではもちろん付けられないので、ホビー機のCNCでアルミ板から切り出しています。　空白地の場所は交流のピークを測定する回路部分です。

写真では見にくいですが、右のほうにある000に抵抗は電流計をいれて測定するときはここを外します。ちなみに室内ではXHP50,70も違いはよくわからなかった。

実験結果から、LEDを明るくするには　入力電流が300mA 固定。平滑コンデンサは200uF+82uFで200uFは基板の裏側に固定。

夜、自転車に取り付けて走ってきました。あかるい。ほんと明るい。でも20kmでも30kmでも明るさは変わっているはずなのに、自覚できない。

（時速15km以下では多少点滅します。実験データからも300mA流せないことが分かっているので当然ですが。）

確かに　シマノの0.9Wのハブダイナモがあるくらいだから2WもLEDに使ったら十分なのかもしれない。

夜間、ハブダイナモでLEDライトが明るければ、それでいいという人は、ここで完成かな？ただ、そのためには自分のハブダイナモに最適な入力電流、コンデンサーの容量を調査する必要があります。ヨーロッパ製の高級自転車ヘッドライトは2.4W　3Wどちらに最適化してあるのだろうか？入力電流は同じでその分電圧が上がるだけなら調整の必要もないのだが・・・3Wのハブダイナモは現在持っていないので調査できません。

次回更新時期は未定ですが、

現在8SOICのMOSFETを使っていますが、ハブダイナモではたくさんの電流が流せないことが分かったので、もう少し小さいMOSFETに変更します。8SOICの価格はなぜか高くなっている。いまの半導体不足の影響？整流回路はMOS-FETは耐圧60V　コンバーターの入力部分のMOS-FETは100V　出力部分は30Vで作っています。価格もきになる？中華ライトは15ドルくらいだったかな？　ケースとして考えても十分お買い得。ただ防水には対応してないですね。入力電流制御のコンバーターのICは一個1000円くらい。その他パーツの価格の計算はしていません。

試作3号機　　2021年6月26日

改良点

整流回路のダイオードがなくても、整流後の電圧、電流に差が出なかったので、削除。MOSFETを小型化。

入力電流制限のコンバーターでは、出力電圧を5V、入力電圧が高くなると、（出力電流が小さい）出力電圧が5.5V以上になり、５Ｖ電源として使えなかったので降圧コンバーターを追加。写真右側のコイル部分。

個人製作なので

危ない設計1.　R16に0Ωを入れると　入力電流制限コンバーター内臓の電流計が使える。

　　　　　　　時速25Km　ハブダイナモの最大効率出力電流が 0.3A、入力電圧11.3V　コンバーターの効率90パーセント、HDR-AS50 5V 300mAとすると

　　　　　　　5V*0.3A/0.9=1.67W 入力電力が必要　1.67W/11.3V=0.148A    0.3-0.148 =0.152A 11.3V*0.152A=1.72W(LEDに使える入力電力）　1.72*0.9= 1.55W(LEDの電力）

　　　　　　　明るさ1.55WのLEDとHDR-AS50の録画電力が同時にできるはず・・（5Vの消費電力を調べてあるのが、HDR-AS50だけなので参考）

　　　　　　　実際はサイコン（消費電力が少ない5V）に給電しながら、ライトをつけるという使い方がいいのかな？速度に応じてLEDの明るさは変わる。

　　　　　　　危ない設計である以上、デメリットも存在する。

　　　　　　　写真中央のR160の抵抗0.16Ωが入力制限抵抗なのですが、0.05/0.16＝0.3125Aまで流します。　0.3125A流れたときに抵抗の両端に0.05Vの電圧差があります。

　　　　　　　この電圧差の定格が±0.5Vとなっています。つまり3.125A流さないでくださいとなります。瞬間電流とかもあると思うので、

　　　　　　　通常使う分には、0.3125Aを超えるような使い方は非常に危険だと思います。　0.3125Aを超えても5V出力コンバーターは止まらないので、5Vコンバーターは使えるが

　　　　　　　入力制限コンバーターは壊れる自体になります。消費電力が判明している5V端末しか、接続できないということです。

　　　　　　　簡単な壊し方。ハブダイナモの代わりに、12V電源を接続している実験状態が非常に危険。はい私はこれで一台壊しました。

　　　　　　　ハブダイナモで瞬間電流も含め1A超えるような使い方ができるかは調べてありません。

安全設計1　　Ｒ16の代わりにＲ100に0Ω抵抗を入れると　5Vコンバーターと入力制限コンバーターは独立して動くので、設計または定格どおり動きますが　5V出力とLED点灯の同時出力は

　　　　　　　入力制限抵抗の選択の際に5V端末の消費電力を計算して選択することと、発電能力は100％は使えません。

ATMEGA328Pを取り寄せ中。ARDUINOのプログラムで速度計算、表示を行い、5VのON OFFを制御予定です。ATMEGA328PBを使ってみたいですが入荷が半年以上かかるようです。

2021年7月25日

危ない設計1.は残念ながら、故障の原因になりました。

　　　　　　入力電流を300mAに設定して、150mA使う5V端末を接続して、残りの150mAでLEDを点灯させようとしましたが、数秒点滅した後、ICがお亡くなりになりました。

　　　　　　LEDを点灯させなければ、5V系の入力電流計として使えますが、R16に0Ω抵抗を入れて、12V,5Vの入力電流制限同時稼働は失敗に終わりました。

　　　　　　R100に0Ω抵抗を入れて、5Vの消費電力を計算したうえで、LEDの入力電流制限抵抗を選択せざるを得ない・・・5V端末に電力を供給すると最大電力は使えなくなりました。

　　　　　　残念・・　

　　　　　　時速20KMで2.5Wを使えたとして、時速25kmで3W使えたとすると　0.5Ｗ　/　11.3Ｖ　＝　44mA　の入力電流制限がLEDに使える。

　　　　　　余裕も見なければいけないので、実際に使うのは難しいか・・・

2021年7月29日

5V降圧コンバーターとP-MOSの間にINA226があり、これで5V出力の電圧、電流を測定して効率を考慮して入力電流を予測して、同時に、LEDを点灯、点滅またはバッテリーへの充電をできるようにするためです。

このハブダイナモでは時速20kmで5V 0.5A(USBの定格出力）をぎりぎり難しそうなので、同時に使うには時速25km以上の速度が必要。または5Vで0.5Aを使わないような機器を接続した場合同時使用が可能になる予定です。

5V降圧コンバーターの前に電流計を入れたかったのですが、耐圧60Vがあって、Arduinoで簡単に使えるのが見つけられなかったのと、5Vの電圧測定をしたいのでA/Dコンバーターがもう一個必要になるので

両方を同時に測定できるINA226を出力側に持ってきました。

2021年8月1日

自転車のハブダイナモで充電しながら個人的に一番使いたいと思うスマホ（i Phone SE2 ,）の消費電流を調べました。各種データから見てください。

起動させた直後、アプリ起動時、バッテリーの充電率、などで消費電流が激変するのと、測定したときで最大入力電力が4W以上必要なことから

2.4Wのハブダイナモでは時速35Km以上でないと、4Wの発電能力がないので、通常使用は難しい。

サイコンならどうかと思い、GARMIN EDGE 130を測定。

電源on,offでも充電したいときは、消費電流が210mA前後、入力電力が1.2W 充電終了すると消費電流が30mA前後、入力電力が0.2Wなので

時速20Km前後でサイコンに入力電力1.2W　余裕をみて入力電力1Wは常時別のことに使えそう。

試作3号機にarduinoを追加した状態　2個目の昇降圧コンバーターと追加コンデンサーは未搭載　左上の8SOICの空白部分は走行中にデータ収集もできるようにとI2C-ROMが搭載できるように

写真のように3枚の基盤を重ねています。現状一番上のarduinoが乗っている基板は両面に実装しているので隙間を少し大きく取っています。

コネクタを使うと、ライトに内部の隙間に収まらないのと、自転車で使用すると振動で接触不良が発生しにくいように、はんだで固定しています。

欠点　組み立ててしまうと、分解が非常にしにくい＝故障するとすべて部品の交換が非常に困難（私にとって）

現状　私が考えられるスマホを充電しながら使い方法は

1.時速35Km以上の時のみ接続する（そんな脚力ありません）

2.2個目の昇降圧コンバーターでリチウムイオン充電池を充電したのを　モバイルバッテリーのようなもので、電池交換する（面倒）

3.USB2.0のホストに接続しているかのように見せかける方法を見つける（各種データに少し記載　今の所見つかっていません。）

4.2個目の昇降圧コンバーターの電圧を5.4Vにして、USBの電圧誤差を含めて4.5Vから5.4Vを使うように電気二重層を2直列を接続してスマホの充電に接続する。

　電気二重層の最大電圧が2.7*2＝5.4Ｖ　直列で使うと、電気二重層のバランス管理が必要　2.8V 2.6Vになるかもしれないのでそこが面倒。

　スマホへの充電で電圧が1V前後変動するのが問題なのかどうかわからない。充電したり、充電停止したりの繰り返しになる。

5.2個目の昇降圧コンバーターの電圧を2.7V（電気二重層）　または　3.8V　（リチウムイオンキャパシタ）に設定して、5Vへの昇圧回路をスマホ充電に使用する。

　充電したり、充電停止したりの繰り返しがある。欠点は昇降圧回路と昇圧回路を経るので効率90％としても全体でで効率81％になる。

　電気二重層の使用だと電圧が低いので大電流を扱える昇圧コンバーターが必要。

　一番のメリットは危険性が少ないこと、リチウムイオン充電池だと充電中にある温度を超えると充電停止をしないといけないが、キャパシタを自転車で使う分には

　温度管理は必要ないと思う。

0.25W(5V 50mA以下）で3の方法が実現できれば一番楽なのですが　今の所私にはできません。知っている方でただで教えていただける方がいましたら教えてください。

k o t e k o t e k a t u o アットマーク o u t l o o k . c o m

スペースを削除してアットマークを変更してください。

リチウムイオン充電池と電気二重層の充電、放電の効率についか以下を参考

https://www.analog.com/jp/analog-dialogue/raqs/raq-issue-179.html

これをみると走行中にリチウムイオン充電池に充電するにはあまり効率がよくないですね。時速20km以下と、停止している間はサブのledを点灯させたいと思っているので

容量を考えるとリチウムイオン充電池一択なのと、家に帰ってきてから充電池を毎回充電しなおすのも面倒・・・すべてうまく解決するのは難しいかな・・・

使い方によって違うか・・

朝晩通勤で使う場合は走行中に自己充電もしたほうがメンテナンスは楽ですが、効率は落ちる。一秒短縮に命かけてる人は別ですが　真夏の昼間を想定しなくていいので温度管理も不要？

昼出勤、深夜帰宅族（逆も含めて）は・・・昼間充電・・しかし真夏は不可　結局家で充電？　

私としては、時速20km以下では坂道または加速中なので　バッテリーからLEDを点灯。時速20km以上ではハブダイナモでライトを点灯

ARDUINOへの電力は時速6km以上でハブダイナモ、以下はバッテリーから供給。

5番を採用してリチウムイオンキャパシタを使う予定、準備中です。信号停止中、坂道の間　リチウムイオンキャパシタで供給するにはかなり費用がかかりそうです。

国産だと100Fで3000円くらい　韓国製だと秋月電子で500円　この価格差はなんだＷ　

https://www.digikey.jp/product-detail/ja/taiyo-yuden/LIC1840RS3R8107/587-5108-ND/6575715?enterprise=44

https://akizukidenshi.com/catalog/c/clic/

大きさは韓国製が小さい。が一番重要な電流

https://www.yuden.co.jp/productdata/manual/jp/lithosion_ug01_jp.pdf

国産だと100Fで充電で1.5A 放電で5A　低温下での充電は注意が必要。0度では充電推奨しないとある。

https://akizukidenshi.com/download/ds/vina/vel10303r8107g.pdf

韓国製は0.4A・・私の使用目的では全く使えない　安いから並列に接続すれば、容量も増やせていいのか？

5V 1A を出力するためには　効率90％で　2.5V 2.2A必要だからです。

低温下ではリチウムイオン充電池でも充電推奨しないとある。

https://pcinformation.info/battery/lithium-ion-battery-high-temperature-low-temperature.html

電気二重層だと充電と温度が推奨が見当たらない。

つまりバランス充電が必要ないくらい直列で接続して使うのが自転車など屋外の充放電で使う場合ベストなのか？

大手メーカーが自転車の走行中に充放電する機器を出してない以上、いろいろ問題があるからか？数が売れないという事が一番の理由だと思うが。

やっぱり3番が実現できるのがいちばんいいなあ。

2021年8月10日　　0.5A充電について

3.　USB2.0に接続したように見せかけるについて、

　　SHARP SHV40のスマホだと通信可能なUSBケーブルで5Ｖの＋、ーを接続してD+,Dーはなにも接続しなくても0.5A充電になった。

　　iPhone SE2は　いまのところできない。

　　昔のUSB2.0　ACアダプターの外部入力ありタイプ　SANWA USB-HUB214SVでパソコンに接続しないで使うと　USB2.0としては認識してくれないので

　　iPhone SE2では0.5A充電できない。

　　USB2.0に接続したように見せかけるiPhone対応のICを見つけるしかなさそう・・

　　ラズベリーパイゼロを使うという方法も考えたが消費電力をみて諦めました。　　

4.　電気二重層2.7V　100Fを2個直列にして　5V　50Fにして充電してみた。　充電5Vでいったん充電を停止すると、すぐに4.5Ｖになるのでそのまま直接スマホに接続して

　　充電するのは難しい。損失もここで10％近くあるからよくない。

　　昇圧コンバーターを通すと効率90％でもここで10％の損失　合計20％の損失になり、もったいない。

USBの充電について詳しかは下記を参考にしました

http://www.cafegoju.com/cgi-bin/glog/glog.cgi?page=20091005_1&category=&num=

https://kohju.justplayer.com/SmartPhoneTips_power_usbcurrent.html

https://emb.macnica.co.jp/articles/9966/

とりあえず、自転車につけるスマホはいつ飛んでいくかわからないので旧型の安いアンドロイドを使うことにして　0.5A充電okという事にします。

ちょっとした問題。

i Phoneで4年間で充電回数が1550回で不正使用を疑われたそうです。もしもハブダイナモでiPhoneが充電できるようになると1550回では済まないと思うので

お店でバッテリー交換をするときは　説明できないと困りそうです。

https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q12227287682

2021年8月18日　自己消費電流調べてみた。

LCDとは　AQM1602Y-FLW-FBW バックライトを点灯した状態。FT232RLはパソコンでデータを見るために接続しているもの。

結果

厳密には　INA226（電圧、電流測定）が2個別途使用（この使用電力も含まれる）していたり、レギュレーターで降圧しているので　5V-3.3V=1.7V×電流は損失になっています

時速25Kmから時速35Kmを想定した入力電圧と5Vの各出力電流の効率

効率80％として計算すれば、余裕分も含めて入力電流が計算できそう。

2021年8月31日　試作機ちょっとだけ完成

欲しい容量の面実装のコンデンサーを付けたら、ケースに収まらなかった。なんとか隙間に入らないかと検討中。コンデンサー横向きにして隙間に入れるか・・

現状、昼間リチウムイオンキャパシターの電圧が3.4V以下だと最大1A充電、充電終了後は時速23Km以上で　5V出力(2.5W）が使えるようになる。夜間は基本はLED点灯　時速20km以上でリチウムイオンキャパシタが3.4V以下だと入力電流50mA 分だけ充電に使われ、残り250mAでLEDを点灯　

とりあえず、使えるようにはしたが　基板むき出しでの使用は雨に非常に弱い・・・マスキングテープは配線が切れないように仮止めの措置です。

2021年10月30日　増加コンデンサ基板変更

なんとか、横置きコンデンサで蓋ができるようになりました。スイッチを付けると、蓋ができなくなりarduinoでリチウムイオンキャパシタの電圧が3.3V以下になるとシャットダウンすることにしました。

電源オンは入力に電圧が印可された場合自動起動ということで。

次は物理的にLCDの取付方法を考える予定です。

2021年10月31日　リチウムイオンキャパシタ 100Fでの動作時間

最大充電電流1A 充電停止電流100mA で設定にしましたが、130mAになると充電停止します。

入力電力を切ってキャパシタだけで　LCDのバックライトon状態　3.3V自動シャットダウンまでの稼働時間は　80分でした。気温は室内だから20度くらい？

60分動けば、信号停止、コンビニ休憩くらいなら、arduinoの再起動なしで動作可能なようです。

最大充電電流を小さくして、充電停止電流小さくすれば、もう少し伸びるような気もしますが、すぐに充電できるののがキャパシタのメリットだと思うので、

私はこのままでokにします。

2021年11月11日　実走テストの考察、メモ

昼間走行　HDR-AS50へ、時速23km以上で5V供給して、走行した。給電自体は問題なし。ただ信号停止、向かい風、坂道などで、時速23Km以下の時間が

長いと内臓バッテリーの消耗が大きくなる。気温低下による容量低下もあり、長時間連続録画を考える場合は５Ｖ出力のある外部バッテリを並列（自動切換え）を接続したほうがいいかも。

夜間走行　LED点灯時にPMOSで入力制限電流を切り替えるのは　どうも故障の原因になるようで、真っ暗闇で壊れた時は参った。

              次回はPWMで調整するか（ICの機能としてある）、PWMを使わず入力制限電流を固定して加速時のライトのちらつきを我慢、バッテリの並列使用を考えている。

　　　　　リチウムイオンキャパシタのちょっと微妙な点、自己放電は私的には問題にならないほど小さいが　機器に接続してMOSFETで遮断すると、

　　　　　MOSFETの漏れ電流で結果的にはキャパシタの放電となり、毎日乗らないと3.4Vを維持できない。物理スイッチをいれて漏れ電流を0にしないと使用には向かないかな。

　　　　　夜間走行において、信号停止時に消灯、時速10km以下では暗い。のでバッテリでのライト点灯もを考えたい。

　　　　　バッテリー内臓を考えると純正のライトケースには入りきらないので、ケースに入れることを考えた基板の再設計が必要。

　　　　　ケース内に二種類のバッテリと2個のライトと含むケースを作りたい。理由は片方が壊れたり、同時にバッテリーが空になることもない？

　　　　　片方が使えれば、真っ暗闇でもなんとかなる。　　　　　

　　　　　現状のライトはなんとかケースには入ったものの　分解性を考えるとケースから配線むき出し状態での使用になり、他人様にはお勧めできないの販売しません。

　　　　　主要なICの足が細かいのが多く、手はんだでの歩留まりが悪すぎるので上記の私の理想ライトを作るかどうか　わかりません。

2022年5月8日　スマホの低電流充電解決？

試作基板です。真ん中の小さい黒いICが、アンドロイド、iPhoneどちらでも、外部5V（右側の赤黒線）をUSB充電にて電流を制限できるものになります。

が、

ICの説明書には50mAで充電できそうな設定値が紹介されていましたが、アンドロイド、iPhoneどちらでも310mAが下限でした。

充電電力　5V * 0.35A = 1.75W 効率85％として、2.1Wの発電で使用することができます。ハブダイナモで発電できる残りの電力は他に使えるようになるということです。

ナビとして使うにはGPSを起動して、画面明るさMAXにして実際の消費電流より設定電流を大きくすれば、内臓バッテリーは消耗しないことになります。

このICの良いところは、R132,R133で二種類の電流制限を決めることができます。

当初のiPhoneをハブダイナモで充電するということはこれで可能になりました。

アンドロイド、iPhooneでも充電電流制限を付けることが可能になり、発電量が限定された状態でも安定して充電可能になりました。

一歩前進。

解決が？になっているのは、スマホのバッテリーの劣化の原因は充電回数と温度、充電上限での劣化（これはどれくらい劣化するのかよくわかりません）　ネット情報です。

スマホの内部バッテリーを50％にして、内部で使用する分だけの電力を切り替えで使って、バッテリー劣化を遅らせることを考えましたが、310ｍＡ以下で充電しようとすると、電流が0になってしまいました。

ということで、

バッテリー劣化を防ぐという使い方はできません、