DIY Bicycle Lighting System

Tags: , ,

Bicycle Lighting Systema very powerful (1100 lumen) bicycle lighting system, which uses a sensor to “intelligently” control the lighting power depending on the environmental lighting conditions, and therefore saving battery power.

Introduction

Alexander River Riding After riding at night in Alexander River, a ride that was joyful but a bit dangerous, I decided it’s time to get myself a decent bicycle lighting system. After checking around, I found out good quality lighting systems costs hundreds of dollars, so I decided to build one myself.

In this page you can find details about the process of creating the lighting system, including:

  1. Choosing the right lamp
  2. Choosing Battery Kind, and number of batteries
  3. Building the lamp holder
  4. Designing and creating the electronic lighting controller
  5. Designing and creating the charging system

Goals

The parameters I was interested in:

  1. Having a light strong enough for riding in a hard-core track, on a completely dark night
  2. Decent component price
  3. Simplicity and Relliability

Seeing versus Being Seen

There are two things to consider while riding at night:

  1. Seeing the road
    In a dark night, the goal is of course to see the road. You should fit the distance you want to see depending on the riding speed. As a rule of thumb, a bulb of 10W will fit a ride in a dark night. It is possible to build systems that include a few types of bulbs (for example 10W and 25W) and change between them when needed.
  2. Being Seen by other vehicles or drivers
  3. In a well lit street, all that is needed is a blinking-led lamp. Leds are ideal for that goal – they consume little energy, and can be seen from far away.

Choosing the right lamp

There are 3 alternatives: Led Light

Super bright led bulbs

Led bulbs are very efficient, but a large number of bulbs are needed in order to resemble to one halogen bulb. Although, there is a problem in combining a large number of leds since it is difficult to unite all the light beams into one centered beam. Therefore, if you are considering using leds, it is preferable to use one strong led bulb.

    (3W או 5W).

Halogen Light

Halogen bulbs

    Halogen bulbs are high intencity bulbs (10W-50W). There are two main types: MR16 and MR11. The difference between them is in the size of the reflector and not in their powe, that is why I chose MR16 which has the larger reflector. The bulbs arrive with different lighting angles – starting from 8 degrees up to 60 degrees. The recommended range is the Narrow Spot (NSP) which is a range between 8-11 degrees, which gives 3150 lumen, but I wan’t able to find such a bulb in Israel. So I used
    נורות בעלות עוצמה גבוהה, המגיעות בהספקים של 10W-50W. ישנם שני סוגים עיקריים: MR11 ו-MR16. ההבדל ביניהם הוא בגודל הרפלקטור ולא בהספק, ולכן בחרתי ב-MR16 בעלת הרפלקטור הגדול יותר. הנורות מגיעות עם זוויות הארה שונות – החל מ-8 מעלות ועד ל-60 מעלות. הטווח המומלץ ביותר הוא
    NSP (Narrow Spot) שהוא טווח של 8-11 מעלות, הנותן 3150 לומן, אך לא הצלחתי למצוא נורה כזו בארץ. הסתפקתי בנורה של 36 מעלות (510 לומן) במחיר של 20 שקלים.

HID lamps

    מדובר באותן הנורות הנמצאות במקרנים – נורות בעלות יעילות גבוהה במיוחד אך מחיר יקר מאד (מאות דולרים לנורה), ולכן הן לא אלטרנטיבה כדאית
    .

Choosing the running potential (volts) for the system

מערכות 6V ידרשו כבל עבה יותר, ומפסקים שיכולים לעמוד ביותר זרם (זכרו ש- Ampere=Watts/Volts), ולכן ככל שהפוטנציאל נמוך יותר, הזרם גבוה יותר.

Over-Volting the lamp

תופעה מעניינת שניתן לנצל נקראת ‘Over-Volting’ – הפעלת הנורה במתח גבוה מזה שתכנן היצרן. המטרה בצורת עבודה כזו היא להגביר את יעילות מערכת התאורה (היחס בין עוצמת התאורה – ב-Lumen לבין צריכת האנרגיה ב-Watt) בצורה ניכרת, תמורת קיצור חיי הנורה (גם כן בצורה ניכרת). ניקח לדוגמה נורת הלוגן MR-16, בהספק של 20W, מתח של 12V, זווית של 36 מעלות, אורך חיים של 2000 שעות ומחיר של 20 שקלים.

Voltage Light Intensity (Lumen) Energy (watt) Lumen/Watt ratio Bulb Life (hours)
12 510 (100%) 20 (100%) 25.5 (100%) 2000
13.2 714 (140%) 23.5 (117%) 30.4 (118%) 1100
14.4 943 (185%) 25 (125%) 37.7 (148%) 340

כלומר עבור מתח של 14.4V נעלה את צריכת האנרגיה ב-25% ונקבל כ-85% יותר אור! וזאת תמורת קיצור חיי הנורה ל340 שעות (עדיין, הרבה מאד זמן).

lumen graph

Choosing the battery type

ישנן שתי אפשרויות: סוללות Sealed Lead Acid וסוללות נטענות מסוג Nickel Metal Hydride. בחרתי בסוג השני היות וכך לא מדובר בסוללה ייעודית עבור האופניים, וניתן להשתמש בסוללות לשימושים אחרים. חישוב זמן התאורה כתלות בהספק הסוללה הוא פשוט מאד: ראשית, יש לחשב את גודל הזרם (באמפר) הנדרש, נעשה זאת באמצעות:
LightingAmpere = BulbWatt / RunningVoltage לאחר מכן נחלק את הספק הסוללה (אמפר לשעה) בתוצאה זו.
לדוגמה בסוללות בתמונה ההספק הוא 2700miliAmpere. כלומר זמן התאורה בשעות הוא:
LightingAmpere = 20watt/14.4volt=1.3
Light Time = (2700/1000)/1.3 = ~2.1 hours

Building the System

בניית המערכת מתחלקת לשני שלבים: (1) מערך הסוללות; (2) מתקן חיבור הנורה לכידון. ישנו שלב שלישי אופציונלי אך מומלץ מאד – בניית מטען להטענת כל הסוללות כחבילה אחת, ללא הסרת בית הסוללות מהאופניים.

Building the Battery Pack

  1. שני בתים של 6 סוללות (שאותן נחבר לבית אחד של 12 סוללות)
  2. תפס לכידון אופניים שפורק ממחזיר אור
  3. מחברי שקע-תקע
  4. תושבת נורת הלוגן
  5. מנתק מעגל
  6. מחבר שקע רכב (לא מופיע בתמונה – אופציונלי)

Building Process: נחבר את הפלוס של החבילה הראשונה למינוס של החבילה השנייה, ונחבר את כבל השקע אל המינוס של החבילה הראשונה ואל הפלוס של החבילה השנייה. בדרך נחבר גם את מנתק המעגל (מומלץ מאד להשתמש במנתק מעגל או פיוז, על מנת להגן על המערכת והסוללות במקרה של קצר חשמלי). נאחד את שתי החבילות לחבילה אחת פיסית באמצעות דבק חם. נחבר במקביל גם את שקע המצית (מומלץ לחבר LM7812 לתוך שקע המצית ע”מ לייצב את הזרם ל-12v).

לאחר הבנייה, חבילת הסוללות עם שקע המערכת ושקע מצית רכב תראה כך:

Bulding the lamp connector

המחבר מורכב מפס אלומיניום, שמורכב על מחזיק של מחזיר-אור לכידון אופניים. על פס האלומיניום הרכבתי את מחזיק הנורה. החלקים חוברו אחד לשני באמצעות קדיחה, ברגים ואומים. לבסוף, צבעתי את פס האלומיניום בשחור. לאחר חיבור פס האלומיניום למחזיק, ולפני הצביעה:

Final Result, after painting:

Designing and creating the electronic control circuit

Background

עוצמת האור של המערכת (הלוגן של20W עם העמסת מתח של 20%) היא גבוהה מאד – כ-1000 לומן. לשם השוואה, עוצמת האור של פנס ראש טוב של Petzl היא 40 לומן, כלומר המערכת מפיקה פי 25 יותר אור, וזה הרבה מאד. לכן, שימוש בעוצמת האור המרבית של המערכת יכול להיחשב בזבזני, בסיטואציות מסוימות (לדוגמה רכיבה ברחוב מואר). כדי להתאים את עוצמת האור לתנאי השטח, ובכך לחסוך אנרגיה כשניתן ולהאריך את משך ההארה, בניתי מעגל בקרה שמעמעם את עוצמת האור (Dimmer). Components:

  1. A simple and small Microchip micro processor, like 12F629
  2. NPN transistor – minimum of 15v, minimum of 1.5A, preferably a MOSFET with a very low RDS(on)!
  3. Voltage Stabilizer (7805) or a 5.1 Zenner Diode
  4. Momentary Switch (push switch)
  5. Resistors and Capacitors
  6. sockets and connectors

הרעיון שעומד מאחורי המעגל הוא פשוט: כיבוי והדלקה של הנורה בתדירות גבוהה, יעמעם את עוצמת האור ויחסוך אנרגיה באותו הזמן שהנורה כבויה. לדוגמה: אם הנורה דולקת ל-2 מילי-שניות וכבויה מילי-שניה, עוצמת האור תפחת בכ-33%, אך משך ההארה המקסימלי יתארך גם הוא ב-33%. אם הנורה דולקת ל-2 מילי-שניות וכבויה 2 מילי-שניות, עוצמת האור תפחת ב-50%, אך משך ההארה יתארך ב-50%.

Circuit Schematics

(Under construction)

Microprocessor code

(Under Construction)

PCB

(Under Construction)

Questions and Additional Information

For questions, additional information, or discussions regarding the project, enter the Electronics Forum.

Subscribe now via RSS and never miss a post!

Comments are closed.