6-VOLT-LAADSTROOMREGELAAR

De hier gepresenteerde onverwoestbare elektronische regelaar werd oorspronkelijk ontwikkeld voor de motorfiets BMW/EMW R35. Sindsdien rijden er een flink aantal motorfietsen van dit type rond met deze regelaar. Maar in feite kan deze schakeling toegepast worden bij elk motortype waar een 6-V-accu wordt gebruikt in combinatie met een massageregelde lader. Het prototype van deze regelaar is getest  in een motorfiets van het type EMW R35/3. Dit type werd in de dertiger jaren van de vorige eeuw door BMW (Bayerische Motor Werken) gebouwd als R35. Later is deze motor nog jaren lang in grote aantallen geproduceerd door Eisenacher Motoren Werken (EMW). De in dit artikel beschreven elektronische regelaar biedt een modern alternatief voor de storingsgevoelige en moeilijk afregelbare mechanische regelaar die van origine in de R35 gemonteerd is. Bovendien regelt deze schakeling beter. De originele regelaar is namelijk niet in staat om de accu vol te houden als het licht voortdurend aanstaat, iets dat tegenwoordig gewenst is. Wordt de mechanische regelaar ter compensatie hiervoor wat hoger ingesteld, dan wordt de accu genadeloos overladen zolang het licht uitgeschakeld is. Deze problematiek behoort met de hier gepresenteerde regelaar definitief tot het verleden. De elektronische regelaar is in principe geschikt voor alle 6-V-dynamo’s tot 75 W, waarbij de veldwikkeling aan massa ligt. De ruststroom van de schakeling bedraagt 250 μA. De eindlaadspanning is met behulp van een spanningsdeler aan te passen aan het type van de gebruikte accu (7,25 V voor lood-gel en circa 7,35 V voor een natte loodaccu). De regelspanning heeft een licht negatieve temperatuurscoëfficiënt van –7 mV/ºC, iets dat positief uitwerkt op de levensduur van de accu. 

Het origineel

In figuur 1 is het elektrische schema te zien van de originele laadregelaar. De werking hiervan kan als volgt worden omschreven.

 

Figuur 1

In rust is de shuntschakelaar (contact 4/5) geopend en de triltong (contact 2) van de contactregelaar voor de veldstroom ligt aan contact 3 (massa). Als de dynamo gaat draaien, zal aanvankelijk door het remanent magnetisme in het ijzerpakket (restmagnetisme) een kleien spanning worden opgewekt in het anker. Deze kleine spanning zorgt voor het bekrachtigen van de veldspoel, waardoor uiteindelijk de dynamospanning zal worden opgebouwd. De opgewekte spanning is in principe afhankelijk van het toerental. Bij een bepaald toerental wordt een dynamospanning van 6,5 V bereikt. Bij deze waarde sluit contact 4/5 van de shuntschakelaar, waardoor de accu (aangesloten op klem 51) zal gaan laden. Bij een verder stijgend toerental zal ook de spanning verder toenemen. Als de spanning echter te hoog wordt, zal het middencontact (contact 2) dat wordt bediend door de elektromagneet los komen van contact 3 (massa). Hierdoor wordt een draadgewonden weerstand die is ondergebracht in de statorbehuizing van de dynamo, in serie geschakeld met de veldwikkeling. Daardoor wordt de veldstroom gereduceerd en zal de opgewekte spanning iets dalen. Neemt het toerental van de motor nog verder toe, dan zal de veldwikkeling over contact 1 geheel worden kortgesloten, waardoor de spanning weer zal afnemen. Deze procedure wordt zeer snel doorlopen. Het regelcontact schakelt met 50 tot 250 Hz en zorgt voor een vrijwel constante boordspanning van ongeveer 7 V. De shuntspoel bestaat uit relatief dik draad en is in tegengestelde zin over de elektromagneet gewikkeld. Hierdoor wordt het opgewekte veld wat afgezwakt op het moment dat er veel stroom loopt naar de accu.

In figuur 2 is de elektronische regelschakeling te zien die de mechanische regelaar vervangt.

 

Figuur 2

In de plaats van het regelcontact is hier gekozen voor een MOSFET die de veldwikkeling naar massa schakelt. Het tweede regelcontact met de 6-Ω-weerstand ter vermindering van de veldstroom kan bij deze elektronische regelaar achterwege blijven. Transistor T1 wordt aangestuurd door IC1, een micropower-comparator MAX921 met een ingebouwde spanningsreferentie. Het blokschema van wat er zich in dit IC afspeelt, is te zien in figuur 3. Omdat dit IC permanent met de accu is verbonden, is gezocht naar een comparator met een gering stroomverbruik. 

Figuur 3

Het leeuwendeel van de ruststroom vloeit echter door de diodes D1en D2 in de richting van de spanningsdeler bestaande uit R1 en R2. Zolang de som van de zenerspanning van D2 en de drempelspanning van D1 rond de 6 volt ligt ( rustspanning van de accu ). Zal in deze tak niet veel ruststroom lopen. Bij uitgeschakelde motor dient de ruststroom van de gehele schakeling minder dan 250 μA te bedragen, iets dat bij ingebruikname moet worden gecontroleerd. Het ladingsverlies als gevolg van de ruststroom is daarmee kleiner dan de zelfontlading van de accu. Pas als de accuspanning boven de 7 V uitkomt, zal de stroom door de spanningsdeler toenemen.  De exacte waarde van de spanningsdeler is bepalend voor de laadspanning van de regelaar. Bij de gewenste eindlaadspanning aan pen 4 van IC1 precies gelijk aan de interne referentie spanning ( pen 3 ). Met behulp van de weerstanden R4 en R5 is een schakelhysteresis in gebouwd, waardoor de MOSFET snel en verliesarm schakelt. De diodes D3 en D4 beschermen de comparator tegen inductieve spanningspieken op het boordnet. Condensator C1 zorgt voor een tijdsconstante en voor extra storingsonderdrukking. Hierdoor wordt ook een passende schakelfrequentie bereikt voor deze aan-uit-regeling. Is bij een andere motorfiets een andere schakelfrequentie gewenst, dan kan de waarde van C1 overeenkomstig worden aangepast. Diode D5 is een snel schakelende flyback-diode die de veldstroom na het afschakelen van de veldwikkeling afvoert, (reductie van de zelfinductiespanning). De juiste laadspanning wordt in een dynamisch proces ingesteld. De veldwikkeling middelt dankzij de grote inductiviteit samen met de flyback-diode de veldstroom. Diode D6 vervangt bij de electronische regelaar de mechanische schakelaar voor de shuntspoel. Hiervoor is een Schottky-dubbeldiode met een geringe drempelspanning genomen. Het gekozen type kan, met met beide diodes paralel geschakeld, de kortsluitstroom gemakkelijk verwerken. Varistor R6 beschermt de FET tegen ontoelaatbaar hoge spanningpieken aan de drain. De hier toegepaste FET, een BTS115A, heeft een geringe onderweerstand. Bovendien heeft deze FET een thermische beveiliging aan boord( TEMFET ). Hierdoor wordt de FET afgeschakeld bij een te hoge temperatuur. Om ook de flyback-diode te beschermen wordt de FET op hetzelfde koelprofiel gemonteerd als de flyback-diode.

 

De praktijk

In figuur 4 is de print te zien waarop de schakeling is opgebouwd. Bij veel onderdelen is gekozen voor een SMD-behuizing omdat in het dynamohuis niet al te veel ruimte over is. Op de plaats van condensator C2 is, vanwege de hoge temperaturen in deze toepassing, niet gekozen voor een meerlaags keramische condensator.

 

Figuur 4  afmetingen printplaatje 3.8 x 2.2 cm

Voordat de bestukte print op de regelplaat wordt gemonteerd en wordt ingegoten, moet de schakeling eerst nog worden getest en afgeregeld. De waarden van R1.A en R1.B hangen af van het toegepaste accutype. Als richtwaarde voor R1.A wordt in de onderdelenlijst een waarde van 6k8 gegeven. De afregeling gebeurt hier statisch met behulp van een 470-k-potmeter die met twee draden( loper en een van de andere aansluitingen ) tijdelijk de plaats van R1.B inneemt. Als afregelhulp kan tijdelijk een LED met voorschakelweerstand gemonteerd tussen de aansluitingen D+ en DF. Daarbij moet de flyback-diode even worden overbrugd ( draad tussen D+ en klem 51 ). Gebruikmakend van een laboratoriumvoeding wordt een spanning, exact gelijk aan de gewenste eindlaadspanning, aangesloten tussen massa en pen 51. Welke spanning moet worden gekozen bij een bepaald accutype is vermeld in tabel 1. 

Type accu	Eindlaadspanning (V)
Lood gel	7.25
Lood nat	7.35
NiCd nat	7.40

Tabel 1

Wie niet veel rijdt, kan deze spanning met 100mV verhogen. Wie buitengewoon veel rijdt, daaentegen, kan de aangegeven waarde met 100mV verlagen. Bij het afregelen wordt de potmeter zo ingesteld dat de LED eerst brandt en bij verder draaien dooft. Vervolgens wordt de potmeter opnieuw met veel gevoel zodanig ingesteld dat de LED juist weer brandt. Aansluitend kan de potmeter worden losgenomen en de ingestelde waarde worden gemeten. Voor R1.B wordt nu een waarde gekozen die het dichts bij de gemeten waarde ligt. Voor het inbouwen wordt de print op een passende regelplaat gemonteerd en aangesloten. Daarna kan het geheel worden ingegoten, waardoor de gevoelige schakeling wordt beschermd tegen de vuile en voor elektronica vijandige omgeving. In figuur 5 is het prototype te zien.

 

Figuur 5

Voordat de elektronische regelaar wordt ingebouwd, is het aan te bevelen om de dynamo te reviseren. Deze regelaar heeft een minimale accuspanning nodig. Dus zonder accu of met een diep ontladen accu zal de schakeling niet werken. Tot slot wensen we iedereen met de elektronische regelaar nog een goede reis en vooral veel licht op de weg.

Onderdelenlijst

Weerstanden (SMD-behuizing 1206)
R1          =6k8 (zie tekst)
R2,R5    =4k7
R3          =100Ω
R4          =1M5
R6          =S05K20 (varistor)

 Condensatoren (SMD-behuizing 1206)
C1          =4n7
C2          =3μ3 (keramisch meerlaags)

Halfgeleiders
D1          =LL4148
D2,D3    =zenerdiode 5V1 (SMD)
D4          =zenerdiode 9V1 (SMD)
D5          =EGP50D
D6          =BYV32E-100
T1           =BTS 115A
IC1         =MAX921

 Print
050241-1 leverbaar via The PCBShop (www.elektuur.nl)

(Artikel overgenomen uit Elektuur februari 2006. Copyright 2006 Segment B.V.)

Uit de praktijk.

Door eenvoudig de onderdelen en het printplaatje te bestellen heb je alle elektronische benodigdheden in huis. Maar let wel op met het samenbouwen. Vele SMD onderdeeltjes zijn zelf niet gecodeerd, gelukkig de verpakking wel. Begin met het plaatsen van de weerstandjes, gevolgd door de condensators. Mede omdat diode D5 relatief groot is, is het verstandig om eerst IC 1 te plaatsen, je hebt dan meer ruimte voor je soldeerboutje. T1 en D6 zijn op een koelplaatje van aluminium gemonteerd met isolatie ringetjes en een mica isolatieplaatje. Beide onderdelen moeten elektrisch van elkaar en van massa gescheiden zijn! Nadat je alles netjes geplaatst hebt, wordt het tijd voor de afregeling. Dit heb ik op de werkbank uitgevoerd volgens de beschreven procedure. De eindlaadspanning is op 7.25 Volt ingesteld. Nu nog een nette (waterdichte)behuizing en het geheel kan onder de tank geplaatst worden, in mijn geval op de R27. Maak niet de fout om bij de R27 de draadjes van de koolborstels te kruisen Ed, het werkt dan niet. De regelaar werkt tot volle tevredenheid, na montage zijn er honderden kilometers verreden met de verlichting aan. Onderdelen zijn te bestellen bij Geist Electronic-Versand GmbH

Email                          info@geist-electronic.de
Internet                     www.geist-electronic.de 

Artikel Nr.                  Omschrijving                                               Prijs
060203-1XBT             6V Lichtmachinenregler Bauteile                    18,45 Euro ex. BTW
050241-1X                  6V Lichtmachinenregler X-Platine                  4,74 Euro ex. BTW

Nico Puiman