Convertendo e estabilizando a tensão de saída de um cubo de dínamo

Prefácio - Não sei muito sobre eletrônica: P

Encomendei um cubo de dínamo Shimano para a minha bicicleta. Fiz um pouco de lição de casa e aqui estão minhas descobertas:

1. A saída do dínamo mencionado acima é de 6 volts CA.

2. A tensão de saída do dínamo não é estável, varia de acordo com a velocidade do dínamo.

3. Há chances de as luzes se acenderem;) A razão é por causa da saída de tensão não estabilizada.

Com base no exposto, tenho algumas perguntas.

1. Existe um circuito simples que converte a saída CA em CC? Eu li sobre alguns retificadores de ponte, mas queria ter certeza absoluta sobre isso. Também qual é o tamanho do circuito, com que facilidade ele está disponível e qual a confiabilidade dele?

2. A coisa mais importante que eu queria saber, como construí um circuito para que a saída CA flutuante de 6 volts do dínamo se converta em uma saída CC estabilizada de 5 volts (carregável por USB)? Já existe algum disponível? Qual é o custo desse circuito ou com que facilidade posso construir do zero?

3. Li em algum lugar que conectar um dispositivo a uma fonte de entrada não estabilizada (nesse caso, a saída de 5 volts do dínamo para o meu iPhone) explodiria o dispositivo. Portanto, se eu não conseguisse construir (ou comprar) o circuito do ponto 2 acima mencionado, posso usar a saída de 5 volts para carregar baterias intermediárias como um carregador solar de íon de lítio sobressalente para iPhone e baterias recarregáveis ​​AAA através de um carregador USB e usá-los para carregar meus gadgets?

Não use um retificador de ponte. É ineficiente, porque você precisa de duas gotas de diodo em série e não permite que você use o quadro como terra para uma lâmpada DC (como uma moderna luz de bicicleta LED). Em vez disso, considere um dobrador de tensão

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

O 'regulador' pode ser um regulador de corrente ou apenas um Zener seguido por um resistor de limite. Vários LEDs em série podem fazer uso da tensão 'extra' fornecida. A precisão, assim como a eficiência, é menos importante neste aplicativo.

Eu usei uma bateria de chumbo-ácido selada de 6V como o 'regulador'; sobrecarga parece não ser um problema, e um IC regulador de baixa evasão pode garantir que a saída para as lâmpadas seja de 6V estável.

É possível carregar a partir de uma fonte de '5V', mas dependendo de tais coisas é menos do que satisfatório; o gerador tem toda a energia que você precisa.

Existe um circuito simples que converte a saída CA em CC? Também qual é o tamanho do circuito, com que facilidade ele está disponível e qual a confiabilidade dele?

Um retificador de ponte, como você mencionou. É pequeno, fácil de encontrar e bastante confiável se operado dentro das especificações. Qualquer distribuidor de eletrônicos os terá. Como eles são pouco mais que um arranjo específico de quatro diodos, também não é difícil fazer um.

Como construo um circuito para converter a saída CA flutuante de 6 volts do dínamo para uma saída CC estabilizada de 5 volts (carregável por USB)?

De várias maneiras, mas como essa energia elétrica vem de você, você provavelmente deseja que seja eficiente, pequena e leve. Isso provavelmente significa uma fonte de alimentação de modo comutado . Não é um circuito simples de construir, mas como o pjc50 menciona em um comentário, existem produtos comerciais que já o fizeram .

Li em algum lugar que a conexão de um dispositivo a uma fonte de entrada não estabilizada (nesse caso, a saída de 5 volts do dínamo para o meu iPhone) explodiria o dispositivo.

Isso é exatamente correto. Se o seu dispositivo não foi projetado para diminuir a tensão fornecida por este hub, provavelmente será danificado por ele. As baterias também precisam de uma fonte de alimentação específica para carregá-las. A tensão de alimentação deve ser maior que a tensão da bateria, mas não muito, caso contrário, elas geralmente são danificadas. As especificidades variam bastante entre os designs das baterias, mas é uma suposição segura que conectar qualquer bateria diretamente a esse dínamo resultará em coisas ruins.

Meu conselho: como é evidente a partir da sua pergunta que você tem pouco conhecimento em engenharia elétrica, e o que deseja realizar não é trivial, atenha-se a produtos comerciais projetados para trabalhar com esse hub.

Eu tenho dois desses dínamos (na verdade, Schmidts, não Shimanos, mas eletricamente são equivalentes), e já construímos muitas luzes led.

Imaginei uma configuração que fosse ao mesmo tempo fácil de construir, segura, eficiente e barata. Foi intensivamente testado no uso diário.

Antes de tudo, há uma coisa importante a se importar, com a sua pergunta: você deseja uma saída compatível com USB. Isso pode ser um problema, pois os dispositivos eletrônicos requerem uma saída estável. Suponha, por exemplo, que você queira carregar seu celular enquanto estiver andando: quando você parar a bicicleta, ela "desligará" o carregamento. Quando você começa a se mover novamente, ele "liga" o carregamento (e provavelmente o telefone emite um bipe e liga a tela).

Portanto, neste caso, você precisará de um circuito mais sofisticado, provavelmente incluindo uma bateria. Eu nunca fiz isso. Phill Frost já explicou isso em detalhes.

Agora, se você quiser apenas um circuito de ILUMINAÇÃO, minha configuração atual está funcionando muito bem e é composta por:

• Regulador: Um diodo Zener 5W / 6.8V ;
• Filtro / Estabilizador: Um capacitor eletrolítico de 16V 6800uF ;
• Retificador: Quatro diodos retificadores montados como uma ponte;

Com isso, obtenho uma saída bastante estável (acima de 5 milhas por hora) e fortemente regulada de 6,8V. O 6,8V em vez de 6V é necessário para que eu possa conectar dois leds brancos em série, o que não funcionará, já que a queda de tensão é um pouco acima de 3V cada.

Como a saída desses dínamos é nominalmente de 6V / 3W, o uso de 6,8V / 5W mantém a tensão controlada e perde muito pouca corrente: a maior parte da energia é drenada pelos LEDs que você conecta.

E como a corrente é limitada a 3W (0,5A), você não queima o Zener de 5W, mesmo que execute o sistema sem nenhum dispositivo conectado (apenas pequenas faíscas de cada ciclo de onda estão acima de 6V, como verifiquei com um osciloscópio de um amigo).

Você pode ter o esquema SVG aqui:

https://gist.github.com/heltonbiker/6784ebdb864f61ff33ffa340dc9d294b

E a coisa final (feia, mas surpreendentemente robusta e resistente às intempéries) está abaixo. Observe que apenas os diodos e o capacitor são o que você deseja, mas eu montei os LEDs na mesma placa devido à preferência pessoal por este projeto.

Eu sugeriria um retificador de ponte completo, seguido por um capacitor e um circuito step-down (buck) DC-DC pronto. Você pode encontrar muitos com cerca de 20x35x10mm de tamanho e cada um custando cerca de 2 a 5 dólares, incluindo remessa de Hong Kong.

A vantagem desses reguladores dinâmicos é que eles extraem da fonte apenas a energia necessária, gastam pouco calor e, portanto, a "carga" nas pernas é a mais baixa possível.

Qualquer outra solução que envolva resistores (como um regulador Zener ou um regulador linear) será menos eficiente.

As diferentes soluções listadas aqui são explicadas nesta resposta à pergunta " Como converter 6V AC para 5V DC? ": Uma versão técnica desta pergunta.

Acabei de criar um regulador ao longo destas linhas:

KBPC104 2A 200v retificador em ponte 470uF 100v eletrolítico conversor buck baseado em LM2596 da e-bay

Parece começar a carregar imediatamente, mesmo com uma rotação muito lenta da roda e posso ouvir do cubo que ela está totalmente carregada. Meu hub é um SON-delux, por isso é importante obter saída em baixa velocidade, principalmente porque ando nas montanhas, onde às vezes ando muito devagar.

Além disso, minha bateria de cache 22000 reconhece a voltagem imediatamente e começa a carregar.

Meu regulador anterior usava um LM317 e a bateria do cache não reconhecia que estava carregando provavelmente porque a tensão aumentou muito lentamente.

Eu acho que esse é um bom circuito. Também as peças eram muito baratas.

Tentei um carregador Velo que pode fornecer até 1,5 A, mas descobri que a roda precisava girar muito rápido para que a unidade ligasse a saída. Eu devolvi.