Meßtechnik

Die ersten elektrischen Daten 1997 werden am Fahrrad gemessen. Die verwendeten Meßgeräte sind auf Seite aufgeführt. Die Scheinwerfer sind ein Lumotec als Standardscheinwerfer und ein UNION H70 als Zusatzscheinwerfer. Als Antrieb dient entweder die Kurbel bei angetriebenen Rädern oder eine Kleinbohrmaschine von Proxxon (FBS220E) mit 100W Nennleistung und 220V Wechselspannungsanschluß, welche mit den Schleifscheiben (Durchmessser 22mm) als Reibradantrieb mißbraucht^B.1 wird. Die Geschwindigkeit wird mit Fahrradtachos (Sigma BC 800 und BC1100) aufgenommen. Bei dem 28''-Laufrad ist ein Radumfang von 2155mm, bei dem 20''-Laufrad von 1470mm eingestellt.

Die Meßdaten sind mit Vorsicht zu genießen. Die Spitzenspannung $\hat{U}$ beträgt in den Lastfällen A und B zwar maximal 8,5V, jedoch zeigt das Meßgerät im Lastfall A korrekt am Anfang des Einsetzens der Begrenzung ein Wechselspannung von $U=6\,$V=8,5V/$\sqrt{2}$ an, die sich jedoch bis auf ca. $U=7,1$V bei 50km/h und $\hat{U}=8,5$V erhöht. Dies kann dadurch erklärt werden, daß bei höheren Ausgangsleistungen des Dynamos die Supressor-Dioden (S-Dioden) in einem phasenbezogen größeren Bereich leiten und dadurch die Sinusform der Spannungs-/ Stromkurve tendenziell zu einem Trapez degeneriert (vgl. Bild B.1). Dann wird bei gleichem $\hat{U}$ $U_{\mbox{\footnotesize eff.}}$ größer. Über die S-Dioden im Lumotec^B.2 fließen bei 40km/h ca. 30mA (Mittelwert). Der UNION H70 hat eine BZW 06 7,0V eingebaut.^B.3 Auch die Leerlaufspannung der Dynamos ist mit Vorsicht zu genießen, da der Kurvenverlauf alles andere als ein Sinus ist (siehe Bild B.1).

Die Spannung $U_{\mbox {\footnotesize B}}$ ist über einem Scheinwerfer gemessen, nicht über dem Dynamo!

Der Spannungsverlauf von Fahrraddynamos ist nur unter besonderen Umständen sinusförmig. Das erschwert die Messung des Effektivwertes mit einem normalen Meßgerät erheblich, es sei denn, man hat ein Effektivwertmeßgerät, welches aber so ca. ab 300DM kostet.

Im Leerlauf ist der Spannungsverlauf stark von einer Sinuskurve verschieden. Im Lastzustand kappen die Begrenzungsdioden zum Schutz vor dem Durchbrennen der Halogenlampen, die Spannungsspitzen. Damit ist die einfache Berechnen-/ Meßbarkeit der elektrischen Größen erschwert. Mit einem Tektronix-Oszilloskop werden die Kurvenverläufe des Turbo und des G-S 2000 gemessen (Bild B.1) und als ASCII-File exportiert. Die Belastung ist die Fahrradbeleuchtung (Lumotec und Diodenrücklicht 30mA). Es ist nur eine Welle im Spannungsverlauf der Meßwerte abgebildet.

Bild B.1: Spannungsverläufe vom G-S 2000 und UNION 9401

Das Laufrad wird mit der Proxxon bei gleicher Drehzahlstellerstellung betrieben. Das Meßgerät kann die Daten als ASCII-Dateien ausgeben. Damit kann dann mit einem awk^B.4-Skript^B.5 der Effektivwert berechnet werden. Der Effektivwert ist als

$$U_{\mbox{\footnotesize eff}}=\sqrt{\frac{1}{T}\int_0^T u^2 \mbox{ d}t}$$ (B.1)

definiert. Der zeitliche Mittelwert oder auch Gleichrichtwert $\vert\bar{U}\vert$ ist als

$$\vert\bar{U}\vert=\frac{1}{T}\int_0^T \vert u\vert \mbox{ d}t$$ (B.2)

definiert.^B.6 Der Formfaktor ist als

$$\frac{U_{\mbox{\footnotesize eff}}}{\vert\bar{U}\vert}$$ (B.3)

definiert. Für einen sinusförmigen Stromverlauf beträgt er $\pi/(2 \sqrt{2})=1,11$. Für die Ströme gilt das entsprechend auch. Wenn die Last rein ohmsch ist, wovon bei normaler Fahrradbeleuchtung ausgegangen werden kann, so auch für die Leistung, ansonsten müssen die Phasenwinkel berücksichtigt werden.

Damit ergeben sich die in der Tabelle B.1 wiedergegebenen Kennwerte.

Tabelle B.1: Beispielhafte Spannungswerte und Formfaktoren von Dynamos (bei 21-27km/h)

	G-S 2000		Turbo
	Leer	Last	Leer	Last
$U_{\mbox{\footnotesize eff}}$	24,5	7,1	14,9	6,8
$U_{\sin}$	26,9	8,5	14,8	7,4
$\hat{U}_{\sin}$	38,0	12,0	21,0	10,5
$\hat{U}_{\mbox{\footnotesize gemessen}}$	37,7	8,8	21,0	8,8
$\bar{U}$	19,9	6,5	13,3	6,2
Formfaktor	1,2	1,1	1,1	1,1
$f$	301,0	273,0	478,0	478,0
$v$	23,9	21,7	27	27

Die unterschiedlichen Frequenzen zwischen G-S 2000 und Turbo haben ihre Ursache in der Konstruktion der Dynamos: Der GS-2000 ist durch ein zweistufiges Zahnriemengetriebe zwischen Laufrad und Generator mit einen Übersetzungsverhältnis von $i=24$ versehen, der Turbo mit einem Reibradgetriebe^B.7 von $i=650\mbox{ mm}/19\mbox{ mm}=34$.

Unter Last sehen die Kurven mit den Spannungsverläufen bzw. extrapolierten, ungekappten, Spannungsverläufen wie in Bild B.2 wiedergegeben aus.

Bild B.2: Spannungsverläufe vom G-S 2000 und UNION 9401 unter Last

Vergleicht man die Spannungsverläufe unter Last, so ergibt sich, daß die Begrenzerdioden die Effektivspannung hier um ca. 15% reduzieren.

Die Widerstandsbelastung des 17-20'' SONs wird mit einem 12/5Watt Widerstand, die restlichen Dynamos mit einem Netzwerk^B.8, bei dem mit der 4-Draht-Meßmethode 11,988 gemessen werden, belastet.