[DIY] Chargeur USB 5V dynamo vélo

Depuis quelques jours, je souhaite réaliser un chargeur USB depuis la dynamo moyeu de mon vélo.

Il existe déjà de nombreux systèmes qui existent sur le marché pour réaliser cela. Voici une liste de ceux que j’ai retenu :

• The Plug III
•  Kemo M172 N
• Busch & Müller E-werk
• USB2BYK

Ces systèmes sont déjà bien conçus mais très cher et ne remplissent pas toutes les fonctionnalités qui m’intéressent. Ce projet me tient à coeur car il me permet de mettre en pratique de la théorie et en plus de réaliser quelque chose qui me sera vraiment utile ! Double motivation.

La dynamo

Il s’agit de la dynamo (ou plutôt alternateur) Shimano DH-T780 qui possède les caractéristiques standards 6V AC / 3W.

Cahier des charges

• Ajout d’un switch pour basculer entre mode “lumières” (qui sont directement connectées sur la dynamos et déjà régulées à l’intérieur) et chargeur.
• Ajout d’une batterie tampon d’une capacité moyenne (une demi-charge de l’iPhone par exemple) pour que le système charge continuellement l’iPhone et ne s’arrête pas au moindre ralentissement du vélo.
• Faire attention à la polarisation de l’USB. (l’iPhone n’est pas reconnu sinon)
• Ajout d’une source d’alimentation ponctuelle par panneau solaire. (Comment gérer le panneau solaire ?)
• Ajout d’un système automatique qui coupe le boitier quand l’iphone et la batterie est chargée

To do list

Liste des choses à faire dans l’immédiat

• Test de tension en fonction de la vitesse
• Test de courant en fonction de la vitesse
• Monter un premier circuit sur plaque de test
• Commander des composants si nécessaire

A faire plus tard

• Relier le prototype au vélo et le tester
• Implémenter les fonctionnalités du cahier de charges
• Trouver un boitier étanche
• Monter sur le vélo

Questions 

• Est-ce qu’il vaut mieux recharger la batterie qui va simultanément se décharger dans l’iPhone ou bien une charge directe de l’iPhone par la dynamo ?

Dimanche 12 avril – Le circuit de base, première idée

Un iPhone a besoin d’une tension de 5V DC (avec au minimum 500mA et 1A max).

Il faut donc convertir le signal en DC et le réguler à 5V. Pour cela, nous allons utiliser :

• Un pont de diodes (Pont de Graetz)
• Un régulateur 5V (LM2940)

Les diodes devront supporter une tension maximale d’environ 40V (valeur réelle à mesurer lors de tests ultérieurs) et un courant maximal de 500mA.

Le régulateur choisi doit avoir la caractéristique “Low dropout 0,5V – 1V” qui permet de réguler la tension à 5V même si on est presque à 5V à l’entrée (cas critique). On pensera à rajouter un heat-sink sur le régulateur pour dissiper la chaleur produite :

*C1 is required if regulator is located far from power supply filter

**COUT must be at least 22 μF to maintain stability. May be increased without bound to maintain regulation during transients. Locate as close as possible to the regulator.

Lundi 13 avril – Expérience : Caractéristique tension/vitesse

J’ai réalisé une petite expérience pour mesure la caractéristique de tension en fonction de la vitesse.

Résultats

On remarque que la tension suit la vitesse selon une caractéristique linéaire qu’on peut corréler à  V = 0,76v – 0,86.  (V tension et v vitesse)

Cette caractéristique me servira pour dimensionner les composants à utiliser. Sachant que la vitesse maximale à vélo doit se situer aux alentours de 60km/h, on aura une tension max de 44V environ.

Mardi 14 avril – Expérience : Test d’un régulateur

J’ai pu récupérer un 7805 que j’ai pu tester sur une plaque de test avec une alimentation DC qui peut aller à 30V max.

J’ai pris comme charge une résistance de 10Ω pour avoir un courant de 50mA (I=U/R), soit 10X moins que ce que demande un iPhone.

Remarques

• Vout se fixe vers 5V quand Vin est plus grand que 6,7V
• La tension de sortie baisse de Vout=5,04V quand Vin=25 V jusqu’à Vout=4,93V quand Vin=30V  -> vérifier si cela n’est pas un effet de la température qui monte trop fortement (on a déjà presque 1,5W à dissiper quand Vin=25V). Pour vérifier cette théorie, je testerais le circuit avec une résistance plus grande (1kΩ au lieu de 100Ω) pour diminuer le courant qui passe dans le circuit.

Questions 

• La tension de sortie se stabilise à 5,04V, d’où viennent ces 0,04V supplémentaires et est-il possible de régler plus finement ce régulateur ?
• Pourquoi le courant monte t-il à 54,36 mA au lieu des 50 prévus ? (Je n’ai pas vérifié la résistance mais en faisant le calcul inverse, j’obtiens une résistance de 90-91Ω)

Conclusion

Le problème de ces régulateurs…c’est qu’avec un ΔV entrée-sortie élevé, ce sont de vrais fours… Par exemple si je vais à 60km/h (cas extrême), ce ne sera pas moins de 17W qui devront être dissipés par le régulateur !!

Du coup, je recherche en parallèle d’autres alternatives. On m’a conseillé une alimentation à découpage, je vais faire des recherches dessus prochainement.

Mercredi 15 avril – Recherches : Alimentation à découpage

Après quelques recherches sur le sujet, j’ai trouvé une référence d’IC qui me correspondrait plutot bien pour l’utilisation que je veux faire. Il s’agit du LM2575. (Le PDF donné en lien est très complet et permet même de dimensionner chaque composant pour le régulateur).

Une autre partie interessante : un circuit qui coupe le régulateur quand la tension d’entrée n’est pas assez haute.

Dans le même genre, j’ai trouvé une autre référence : MAX5035

Mercredi 29 avril – Quelques informations et nouvelles avancées

15 jours se sont écoulés depuis la dernière update… Entre temps je n’ai pas fait beaucoup d’avancées hormis quelques points que je vais énoncer ici.

• Test à nouveau des caractéristiques courant/tension/vitesse mais cette fois avec une charge
• Montage d’un pont de diodes et explications concernant le montage de celui-ci
• Nouvelles références de composants à garder en tête

J’ai pu mesurer la résistance de la dynamo : 3,9Ω

En changeant la charge et on me mettant à une vitesse suffisante pour atteindre 0,5A, j’ai pu observer ces caractéristiques :

• 13Ω – 6,5V – 16km/h
• 15Ω – 7,6V – 20km/h
• 20Ω – 10V – 25km/h

On peut observer que la vitesse est proportionnelle à la tension (ou la charge).

Mesures sur un pont de diodes

Pour mesurer à l’oscilloscope un pont de diodes, il faut faire preuve de précaution au niveau de la masse.

La tension aux bornes de la charge après le pont de diodes est :

Uout = S2-S3

comme indiqué sur le schéma suivant (Les masses des trois sondes sont M1, M2, M3).