Wartungsfreies LED-Rücklicht
für's Fahrrad
Hier mein praxiserprobter Vorschlag für ein energieeffizientes LED-Rücklicht zum direkten Betrieb am Dynamo-Wechselstrom. Sowas Wunderbares kriegt man nirgendwo zu kaufen - aber man kann es mit etwas handwerklichem Geschick und für weniger als 3 Euro Materialkosten selber machen! (Fahrrad mit umbaufreundlichem Rücklicht sollte bereits vorhanden sein...)
Polemik | Idee | Schaltung | Tipps | Berechnungen | Anmerkungen | Links | Index
Polemik | Idee | Schaltung | Tipps | Berechnungen | Anmerkungen | Links | Index
 | Bild 1: LED-Cluster, cirka 40 x 35 mm, zum Einbau in ein Fahrrad-Rücklicht-Gehäuse. Die Verdrahtung wurde "fliegend" verlötet und mit Heißkleber zu einem kompakten, witterungsfesten Block vergossen! |
Pimp my Fahrrad-Rücklicht ?
Für den umweltbewussten Radler ist es eine Selbstverständlichkeit, dass er den Strom für seine Beleuchtung selber erzeugt. Wer sich aus eigener Kraft auf zwei Rädern fortbewegen kann, leistet ja bereits zwischen 50 und 250 Watt an mechanischer Arbeit. Selbst ein Flankendynamo mit schlechtem Wirkungsgrad zieht von dieser mühsam erstrampelten Leistung schlimmstenfalls 10 Watt ab - Dass der Dynamo "zu doll bremst" ist also in der Tat ein subjektiver Eindruck und schon gar keine Rechtfertigung für das Fahren ohne Licht oder den Einsatz von umweltfeindlichen Wegwerfbatterien oder Akkus!
Abgesehen davon verlangt die "Straßenverkehrszulassungsordnung" (StVZO) nach wie vor, dass Fahrräder mit mehr als 10kg Eigengewicht für die Benutzung auf öffentlichen Verkehrswegen mit einer fest installierten und funktionsfähigen Beleuchtungsanlage inklusive Dynamo ausgerüstet sein müssen. Batteriebetriebene Rückleuchten dürfen zusätzlich zur Dynamo-Lichtanlage installiert werden, aber eben nicht als Ersatz dafür. Man kommt als gesetzestreuer Radler also garnicht drum herum, Dynamostrom zu nutzen.
Als Alternative zur Glühlampe, die bekanntlich schnell mal durchbrennt oder mutwillig zerstört wird, bieten sich beim Rücklicht rote LEDs an. Sie sind mechanisch robust und versprechen einen etwas besseren Wirkungsgrad, als Glühlämpchen - mehr Licht für weniger Schweiß. Das klingt schonmal gut. Außerdem sind LEDs bekanntlich ultracool !
Kommerzielle High-Tech-Rücklichter basieren denn auch meistens auf einer oder wenigen ultrahellen roten LEDs als Lichtquelle. Der Strahl wird durch Prismen und Reflektoren aufgefächert, damit ein ähnlich weitwinkliger Lichtkegel entsteht, wie bei einer Glühlampe.
Hochleistungs-LEDs kann man nur leider nicht direkt am Dynamo-Wechselstrom betreiben, sodass eine mehr oder weniger aufwändige Elektronik erforderlich wird, die die Schwankungen abfängt und die LEDs vor Überstrom schützt. Nebenbei lassen sich auch so dringend benötigte Features realisieren, wie etwa ein "Standlicht". Das erklärt natürlich nur zum Teil die unverschämten Phantasiepreise, die man für so einen Schnickschnack bezahlen soll.
Leider steigt mit der Anzahl der Bauteile auch die Ausfallwahrscheinlichkeit. Zumal es Hersteller gibt, die offensichtlich noch nie was davon gehört haben, dass es da draußen manchmal sogar regnet... Ja, ob ihr's glaubt oder nicht, eine Elektronik für "Outdoor"-Anwendungen sollte doch mindestens gegen Spritzwasser geschützt sein...!
Abgesehen davon verlangt die "Straßenverkehrszulassungsordnung" (StVZO) nach wie vor, dass Fahrräder mit mehr als 10kg Eigengewicht für die Benutzung auf öffentlichen Verkehrswegen mit einer fest installierten und funktionsfähigen Beleuchtungsanlage inklusive Dynamo ausgerüstet sein müssen. Batteriebetriebene Rückleuchten dürfen zusätzlich zur Dynamo-Lichtanlage installiert werden, aber eben nicht als Ersatz dafür. Man kommt als gesetzestreuer Radler also garnicht drum herum, Dynamostrom zu nutzen.
Als Alternative zur Glühlampe, die bekanntlich schnell mal durchbrennt oder mutwillig zerstört wird, bieten sich beim Rücklicht rote LEDs an. Sie sind mechanisch robust und versprechen einen etwas besseren Wirkungsgrad, als Glühlämpchen - mehr Licht für weniger Schweiß. Das klingt schonmal gut. Außerdem sind LEDs bekanntlich ultracool !
Kommerzielle High-Tech-Rücklichter basieren denn auch meistens auf einer oder wenigen ultrahellen roten LEDs als Lichtquelle. Der Strahl wird durch Prismen und Reflektoren aufgefächert, damit ein ähnlich weitwinkliger Lichtkegel entsteht, wie bei einer Glühlampe.
Hochleistungs-LEDs kann man nur leider nicht direkt am Dynamo-Wechselstrom betreiben, sodass eine mehr oder weniger aufwändige Elektronik erforderlich wird, die die Schwankungen abfängt und die LEDs vor Überstrom schützt. Nebenbei lassen sich auch so dringend benötigte Features realisieren, wie etwa ein "Standlicht". Das erklärt natürlich nur zum Teil die unverschämten Phantasiepreise, die man für so einen Schnickschnack bezahlen soll.
Leider steigt mit der Anzahl der Bauteile auch die Ausfallwahrscheinlichkeit. Zumal es Hersteller gibt, die offensichtlich noch nie was davon gehört haben, dass es da draußen manchmal sogar regnet... Ja, ob ihr's glaubt oder nicht, eine Elektronik für "Outdoor"-Anwendungen sollte doch mindestens gegen Spritzwasser geschützt sein...!
"LED-Cluster" als Fahrrad-Rücklicht
Durch Zusammenschalten von vielen mittelhellen LEDs zu einem "Cluster" (Bündel) erreicht man die für ein Rücklicht geforderte Lichtstärke problemlos - aber der Lichtstrahl brennt sich nicht gar so schnell in die Netzhaut ein, wie manches neumodische Auto-Bremslicht; man erreicht ohne besondere optische Hilfsmittel eine angenehm breite, flächige Abstrahlung.Der eigentliche Vorteil eines LED-Clusters besteht aber in seiner mechanischen und elektrischen Robustheit:
Durch sinnige Parallel- und Serienschaltung ist es durchaus möglich, LEDs ohne komplizierte Beschaltung mit günstigem Wirkungsgrad direkt am Wechselstrom aus dem Dynamo zu betreiben. Erfreulicherweise macht das Parallelschalten mehrerer LEDs heutzutage keine größeren Probleme mehr, solange Exemplare desselben Typs (und idealerweise aus derselben Charge) zum Einsatz kommen. In diesem Fall darf man von einer gleichmäßigen Stromverteilung und Leuchtstärke ausgehen. Gegenüber einer gleich hellen Einzel-LED hat ein LED-Cluster natürlich bessere thermische Eigenschaften, da die entstehende Verlustwärme auf eine relativ große Fläche verteilt wird.
SchaltungBild 2: Das ist doch mal ein übersichtlicher Stromlaufplan! Je drei LEDs sind in Reihe geschaltet, antiparallel dazu liegen immer drei weitere LEDs, die die andere Halbwelle des Dynamo-Wechselstroms ausnutzen. Die jeweils leitenden Dioden schützen die gerade in Sperrichtung betriebenen Dioden vor zu hoher Sperrspannung. Von diesen "Six-packs" werden insgesamt fünf Stück zu einer Leuchtfläche zusammengeschaltet. Reihenschaltung von drei roten LEDs ergibt eine Flussspannung von etwa 6 Volt, und damit eine günstige Anpassung an die Effektiv- bzw. Spitzenspannung üblicher Fahrraddynamos. Der Vorwiderstand RS kann also sehr niederohmig ausgelegt werden. |
Tipps
Neuere Fahrrad-Rücklichter haben eine aktive Leuchtfläche von etwa 40x40 mm (Restfläche: Katzenauge). So viel bzw. so wenig Platz steht nach Entfernen von Reflektor und Lämpchen im Inneren des Gehäuses zur Verfügung. Eine Anordnung aus 5x6 Stück 5mm-LEDs passt aber problemlos rein, wenn die LEDs einigermaßen dicht gepackt sind. Im "fliegenden Aufbau" wie in Bild 1, ist das am besten zu realisieren: LED-Anschlüsse vorsichtig nach den Seiten wegbiegen, radikal kürzen und im Sinne der beschriebenen Schaltung heiß und zügig miteinander verlöten. Eine willkommene Geschicklichkeitsübung für langweilige Winterabende...!
Wer das Schicksal nicht unnötig herausfordern möchte, testet zunächst mit größerem Vorwiderstand (etwa 220 Ohm) an einem 6-Volt-Kleintrafo. Wenn alle LEDs ohne Helligkeitsunterschied zart vor sich hin flimmern, kann man den Vorwiderstand getrost auf cirka 20 Ohm, Belastbarkeit 1/2W, verringern. Jetzt sollten alle LEDs gleichmäßig hell leuchten.
Zum Schluss zwei 10cm lange flexible Litzen anlöten und sämtliche Lötstellen großzügig mit Heißkleber versiegeln. Das Ganze wird dadurch mechanisch stabil und nachhaltig vor Luftfeuchtigkeit geschützt.
Anschluss und Einbau ins Lampengehäuse können ambulant durchgeführt werden. Es ist auch egal, welcher Draht mit dem Chassis und welcher mit dem Lampenkabel verbunden wird. "Rüttelsicher" sollte das Ganze schon sein.
Wer das Schicksal nicht unnötig herausfordern möchte, testet zunächst mit größerem Vorwiderstand (etwa 220 Ohm) an einem 6-Volt-Kleintrafo. Wenn alle LEDs ohne Helligkeitsunterschied zart vor sich hin flimmern, kann man den Vorwiderstand getrost auf cirka 20 Ohm, Belastbarkeit 1/2W, verringern. Jetzt sollten alle LEDs gleichmäßig hell leuchten.
Zum Schluss zwei 10cm lange flexible Litzen anlöten und sämtliche Lötstellen großzügig mit Heißkleber versiegeln. Das Ganze wird dadurch mechanisch stabil und nachhaltig vor Luftfeuchtigkeit geschützt.
Anschluss und Einbau ins Lampengehäuse können ambulant durchgeführt werden. Es ist auch egal, welcher Draht mit dem Chassis und welcher mit dem Lampenkabel verbunden wird. "Rüttelsicher" sollte das Ganze schon sein.
Stückliste
| LED-Cluster als Fahrrad-Rücklicht --------------------------------- Zutaten: LEDs: 30 Stück Kingbright L53EC Reichelt-Bestellcode: "SLK 5mm rt" Vorwiderstand: 20 Ohm 0.5 W (E24-Reihe: 22 Ohm) Sonstiges: Anschlusskabel, Heißkleber, Mechanisches Geschick... |
Berechnungen
Die Frage der Fragen lautet natürlich:"Muss ich um mein LED-Rücklicht fürchten, wenn ich mit AK die Bergstraße runterheize und mein Frontscheinwerfer plötzlich durchbrennt?"
Schauen wir doch mal ins Datenblatt (siehe Links)! Die hier verwendeten LEDs der Typenreihe "L53EC" verkraften einen maximalen Betriebsstrom von 30 mA. Als äußerster Impulsstrom bei niedrigem Tastverhältnis (1:10) werden sogar 160mA angegeben.
Bei Parallelschaltung von jeweils 5 LEDs verfünffachen sich die Stromwerte, davon ausgehend, dass die LEDs untereinander keine allzu großen Exemplarstreuungen aufweisen. Der maximal zulässige mittlere Betriebsstrom für den LED-Cluster an reiner Gleichspannung beträgt also 150mA. Der maximale Impulsstrom wäre sogar 800mA. Dieser absolute Grenzwert wird in der Praxis bei Weitem nicht erreicht (nachgemessen). Der hohe Wert zeigt aber, dass für einen Betrieb an Wechselstrom (=Impulsbetrieb!) durchaus Sicherheitsreserven vorhanden sind. Dazu ein paar überschlägige Berechnungen:
Standard-Dynamo mit P = 3W (Nennleistung)
Ueff-N = 6V (Effektivspannung unter Nennlast)
Uss-N = 6V * 1,41 = 8,48V (Spitzenspannung unter Nennlast)
RI = U²/P = 12 Ohm (realer Innenwiderstand)
(passend zum Normalfall:
1 Lampe 6V/2,4 Watt und 1 Lampe 6V/0,6 Watt = 3W --> RL = 12 Ohm = RI! )
Grenzfälle (reale Messwerte an Standard-Dynamo):
Ueff-L = bis 12V! (Leerlauf-Effektivspannung)
Uss-L = bis 16V! (Leerlauf-Spitzenspannung)
Die Reihenschaltung von 3 roten LEDs hat eine Flussspannung U3LED= 6V. Die LEDs fangen erst ab etwa 6V zu leuchten an und vorher fließt auch praktisch kein Strom. Zum LED-Strom trägt nur der Wellenabschnitt oberhalb von 6V bei.
Im normalen Lastfall mit angeschlossenem Frontscheinwerfer wird sich eine Effektivspannung um 6V einstellen. Die Spitzenspannung beträgt dann gut 8,5 V. Für das LED-Feld mit dem Vorwiderstand RS=20 Ohm ergibt sich dann ein Spitzenstrom von:
(Uss-N - U3LED) / 20 Ohm = (8,5 V - 6 V) / 20 Ohm = 0,125 A = 125 mA
Klingt unspektakulär. Ist es auch, wenn man bedenkt, dass der errechnete Spitzenstrom immer nur für cirka 15% der gesamten Periodendauer durch eine der beiden Diodenstrecken fließt; nur solange liegt die Momentanspannung der Sinuskurve tatsächlich oberhalb der Flussspannung U3LED in der richtigen Polarität vor.
Mit einem Amperemeter misst man nur den effektiven Mittelwert, das sind 30% des oben errechneten Spitzenwertes (weil zum Gesamtstrom beide Perioden beitragen), also cirka 125mA * 0,3 = 37mA.
Der LED-Cluster zieht also im Regelfall weniger Strom, als ein Glühlämpchen 6V/0,6W. Dennoch ist der subjektive Helligkeitseindruck vergleichbar. (Vermutlich kommen hier mehrere Faktoren zusammen: Impulsbetrieb, geringere Schwächung des monochromatischen Lichts durch das rote Lampengehäuse, die flächige aber dennoch gebündelte Abstrahlung.)
Was passiert nun, wenn die Frontlampe als hauptsächlicher Verbraucher ausfällt? Die Dynamospannung wird ansteigen, aber nicht etwa den hohen Wert der Leerlaufspannung erreichen, denn der Dynamo hat einen relativ hohen Innenwiderstand. Er kann einfach keinen wesentlich höheren Strom liefern, als besagte 500mA bei 6 Veff an 12 Ohm. Also fließt schlimmstenfalls ein Spitzenstrom von:
Iss = Ieff * 1,4 --> Iss = 500mA * 1,4 = 700mA
Das ist der Strom-Spitzenwert über beide Perioden. Die LEDs werden aber jeweils nur bei einer Halbwelle leitend, also sind pro Flussrichtung nur etwa 350mA Spitzenstrom anzurechnen, wobei das Tastverhältnis auch tatsächlich relativ klein ist (zwischen 10-20%) - Das muss das Licht abkönnen!
Die eingangs erwähnte "Schussfahrt ohne Frontscheinwerfer" ist also vollkommen ungefährlich - jedenfalls für die LED-Leuchte...
Anmerkungen
- Wirkungsgrad / Effizienz: Im Gegensatz zur üblichen 6V/0.6W Glühlampe fängt der LED-Cluster bereits bei Schleichfahrt gut sichtbar zu leuchten an. Enormer Sicherheitsvorteil ;-)
- Wetterfestigkeit: Die mit Heißkleber versiegelten Lötstellen zeigten auch nach fast zwei Jahren unter den rauen Bedingungen des hohen Nordens keine Korrosionserscheinungen.
- Rechtliches: Das vorgestellte Konzept ist selbstverständlich nicht "amtlich zugelassen". Man bedenke, dass hierzulande der gesunde Menschenverstand per Gesetz abgeschafft wurde. Wenn die hier vorgeschlagene Konstruktion bezüglich der Leuchtstärke und des Öffnungswinkels auch alle wesentlichen Anforderungen erfüllen dürfte, so bleibt doch eines festzustellen: Um- oder Anbauten am Fahrrad erfolgen immer auf eigene Gefahr!
Links
[1] Datenblatt zum empfohlenen LED-Typ: Datenblatt L53EC bei Reichelt
[2] Vorgeschriebene Beleuchtung am Fahrrad (kurz und bündig): http://bernd.sluka.de/Fahrrad/Beleuchtung.html
jt 5/2003 - 8/2005 - 10/2006