Home

English

Een HID Xenon lamp voor(op) mijn fiets

Dit is een eerste pagina, en nog in wording.

Op deze pagina leg ik uit hoe ik een Xenon lamp op mijn racefiets heb gemaakt en hoe ik een batterijlader erbij gemaakt heb.

Waarom een Xenon lamp?

Voor mijn woon-werk verkeer heb ik voor een retourtje op de fiets c.a. 2.5 uur licht nodig in de winter (32 km heen en 32 km terug). Aangezien ik in het donker een keer met 30 km/uur tegen in betonnen paaltje ben gereden omdat ik werd verblind door een shovel met een hele kerstboom aan verlichting, heb ik besloten om mijn fiets ook van verlichting te voorzien die mee kan doen aan de competitie “wie heeft het meeste licht”.

Op het moment van mijn val had ik een 2.5W halogeen lampje met krypton gasvulling als verlichting, gekocht bij Halfords. Het probleem is dat de lichtvlek van de verlichting op het fietspad helemaal niet meer zichtbaar is als je verblind wordt. Ook als het fietspad zich aan de linkerzijde van weg bevind zie je je eigen licht slecht bij tegemoetkomend autoverkeer. Tijd dus voor een grote sprong voorwaarts wat betreft mijn fietsverlichting.

De volgende opties heb ik overwogen:

Meer van het zelfde

Om op korte termijn toch meer licht te hebben, heb ik nog een extra lamp bijgekocht bij Halfords, waardoor mijn hele stuur vol zat met spullen: 2 lampen en een fietscomputer. Echt meer licht gaf het niet, daarom heb ik de 2 lichtvlekken van de lampen maar naast elkaar gedaan i.p.v. op elkaar. Een betere aanpak was dus nodig.

LEDs

Opvallend aan de LEDs zijn het lage stroomverbruik in vergelijking met halogeen. Ik heb overwogen om een Cateye HL-EL 500 te kopen, die geeft 1000 candela (= 1000 lumen/sterradiaal) licht. En dat is veel als je Cateye zelf mag geloven. Deze lamp was echter net nieuw toen ik de keuze wilde maken, en ik had nog geen reviews gevonden van deze lamp. De LED lampen die ik tot dan toe kende gaven allemaal maar een kleine, weliswaar felle, lichtvlek. Ik wilde echter een grotere lichtvlek zodat ik ook de overgang naar de berm goed kon zien, en ik wilde ver vooruit kunnen zien. De Cateye kostte destijds rond de €60,= en was nog niet in Nederland verkrijgbaar. Ik vond de gok te groot om voor €60,= teleurgesteld te worden. De LEDs met het meeste vermogen waren destijds 5W. Er wordt beweerd dat LED 2x tot 3x efficiënter zijn dan halogeenlampen, dus overeenkomen met een 15W halogeen. Nu waren er wel lampen met een paar van zulke LEDs te vinden zoals de USE Exposure Race Headlight, maar meer dan €300,= voor 32W equivalent halogeenlicht vond ik teveel geld. Misschien dat de LED technologie in de toekomst wel aan mijn wensen voldoet (veel licht voor weinig geld en weinig stroomverbruik).

Hoger vermogen halogeen

Bestaande sets zijn verkrijgbaar in allerlei soorten en maten, o.a. 25W halogeen. Er zijn talloze merken, hier maar enkele:

Nadeel is het hogere stroomverbruik dan LEDs bij dezelfde hoeveelheid licht. Voordeel is de relatief lage prijs. Ik had bijna een zwaardere halogeen fietsverlichting gekocht, totdat ik een Xenon duiklamp van een collega van mij zag en versteld was van de hoeveelheid licht en de prijs

Kant en klare Xenon fietsverlichting

Net zoals voor duiklampen bestaat er dus ook kant en klare Xenon verlichting voor op fietsen. Dit wordt ook wel HID (High Density Discharge) verlichting genoemd. Binnen de groep HID lampen zijn er verschillende soorten lampen : de gele Natrium lampen langs de weg behoren daartoe, de kwiklampen en de Metaal Halide lampen. De Xenonlamp behoort weer tot de Metaal Halide lampen. De lampen moeten even opwarmen voordat ze de volle lichtsterkte hebben. Ook hier zijn tal van fabrikanten die kant en klare HID lampen voor op de fiets maken:

Al deze lampen hebben gemeen dat ze duur zijn: meer dan €300,= incl. battery pack. Ook zijn deze lampen bijna allemaal 10 of 12 W. Het blijkt dat de levenduur van het lampje zelf (de "bulb") bij de lagere vermogens beperkt is, nl c.a. 700 uur. Naarmate het vermogen hoger is (zoals de Xenonlampen bij autos: 35W), is de levensduur ook langer (Xenon voor autos: 2000 uur). Daarentegen zijn de laagvermogens lampjes wel goedkoper dan de hogere vermogens zoals voor autos. Aangezien €300,- nogal veel geld is, wilde ik meer licht voor mijn geld. Vandaar mijn keuze voor Xenon autoverlichting.

Xenon autoverlichting

Uiteindelijk heb een HID Xenon lamp aangeschaft die eigenlijk gemaakt is voor autos. Dit typen gasontladingslamp zie tegenwoordig steeds meer op (luxe) auto’s. Hella heeft een kant en klare vèrstraler, type Xenon DE. Ik heb hier €235,= voor betaald bij de plaatselijke automaterialenhandelaar. De Hella lamp is 35W, en dit zou dus overeenkomen met c.a. 100 W halogeen. De lamp geeft c.a. 3200 lumen licht.

Voor de batterijen (waarover later meer) heb ik nog eens €85,= betaald. Samen dus €320,=. Dat is ongeveer evenveel als een kant en klare HID fietslamp. Alleen geeft de Hella lamp meer licht (35 W i.p.v. 12 W).

HID lampen geven c.a. 3x meer licht dan halogeen lampen, zie onderstaande tabel die geldt voor grotere lampen in gebouwen. Lampen in autos en fietsen hebben over het algemeen een kortere levensduur vanwege trillingen.

Lamp type

Efficiëntie
[Lumen/Watt]

Levenduur
[uur]

Gloeilamp met reflector

7-19

2000-5000

Standaard gloeilamp

8-24

750-2500

Wolfraam-Halogeen

12-36

1000-3000

Witte LEDS

6-25

500-100000

Kwikdamp

20-63

12000-24000

TL

41-91

7500-24000

Spaarlamp

50-83

7500-10000

Metaal Halide

56-125

10000-20000

Hogedruk natrium

61-140

12000-24000

Lagedruk natrium

100-183

10000-18000

Stroomverbruik van de Hella Xenon DE

Om te achterhalen hoeveel capaciteit aan batterijen ik nodig had om de Xenon lamp minimaal 2.5 uur te laten branden heb ik eerst getest hoeveel de lamp verbruikt als deze op een autoaccu wordt aangesloten. De accu leverde een spanning van 11.75 V. De geteste schakeling is te zien in figuur 1. De zekering van 16 Ampère, het relais en de ballast worden meegeleverd bij de lamp. De ballast is noodzakelijk om de lamp te ontsteken met hoogspanning (c.a. 25 kV) en om van de accupanning een hogere spanning te maken tijdens het branden (c.a. 80 V)

Figuur 1. De geteste schakeling

Het verloop van de gemeten stroom als functie van tijd is te zien in figuur 2. Op t=0 wordt de schakelaar gesloten. De lamp geeft dan een blauw gekleurd licht, en de ballast maakt dan een brommend/piepend geluid. Dit geluid wordt langzaam minder en de lamp gaat ook steeds meer en witter licht geven (zie onderstaande animatie).

Zoals in figuur 2 is te zien, trek de lamp de eerste 4 seconden bijna 16 Ampère, en na 30 seconden is te situatie stationair geworden. De stationaire stroom is c.a. 3.75 Ampère. Dit alles is bij 12 V.

Figuur 2. Stroomverbruik als functie van de tijd bij 12 V.

Op internet had ik gelezen dat het opstarten van de lamp batterijen vrat, en dat sommige mensen de lamp daarom maar lieten branden als ze even stopten met de fiets. Ik wilde weten hoelang ik de lamp uit moest laten op het extra stoom verbruik door het starten weer goed te maken. Om dit te weten is de verbruikte lading van de batterijen van belang. De verbruikte hoeveelheid lading is het oppervlak onder de curve van figuur 2, de integraal dus. De geïntegreerde curve van figuur 2 is weergegeven in figuur 3 (de zwarte lijn). In figuur 3 is ook de het ladingsverbruik van de lamp weergegeven als de lamp aan blijf (de rode lijn). De zwarte lijn heb ik in de tijd verschoven totdat de steady state situatie van beide lijnen samenvalt. Zoals te zien is moet de zwarte lijn c.a. 30 seconden verschoven worden om met de rode samen te vallen, d.w.z. dat je de lamp minimaal 30 seconden uit moet laten vooraleer je de lamp weer opstart om niet meer ladingverbruik te hebben in vergelijking met een lamp die aanblijft. Voor een stoplicht dat voor je neus op rood springt, kun je de lamp dus net zo goed uitzetten.

Figuur 3. Vergelijking van het ladingsverbruik van een lamp die aan staat t.o.v. een lamp die uitgeschakeld wordt een weer wordt aangezet.

Met de NiHM batterijen die ik op het oog had (1.2 V cellen van het type D met een capaciteit van 9Ah) zou ik dus 10 cellen nodig hebben voor 12 V en een brandduur van c.a. 2.5 uur (9 Ah / 3.65 A). Dit zou dus nèt gaan. Maar als de batterijen iets in capaciteit achteruit zouden gaan heb ik minder lang licht. Ik hoopte dat de ballast (wat eigenlijk een schakelende voeding is), slim genoeg ontworpen zou zijn om ongeveer een constant vermogen vragen, m.a.w. bij een hogere spanning zou de ballast minder stroom moeten vragen. Dan zou ik door een paar extra toe te voegen cellen (dus in totaal 12 cellen i.p.v. 10 cellen) een lager stroom verbruik hebben. Dit is goedkopen dan 10 extra cellen parallel om een hogere stroom te kunnen leveren bij dezelfde spanning. De stroom afname in de steady state situatie bij verschillende aangeboden spanningen is weergegeven in figuur 4. Bij c.a. 6.5 volt schakelde lamp uit, waarschijnlijk omdat het relais los liet, en niet omdat de ballast hen niet meer aan kon.

Figuur 4. Steady state stroomverbuik als functie van de spanning

Zoals te zien is daalt het stroomverbruik inderdaad bij toenemende spanning. Maar is het afgenomen vermogen ook constant? In figuur 5 is het afgenomen vermogen berekend uit figuur 4. Zoals te zien is in figuur 5 neemt vanaf c.a. 12 V het afgenomen vermogen niet meer toe, en verbruikt de lamp met ballast en relais c.a. 43 Watt. Als de lamp zelf inderdaad 35 Watt is, dan is het rendement van de ballast c.a. 81 %.

Figuur 5. Afgenomen vermogen als functie van aangelegde spanning.

Bij 12 cellen van 1.2 V (samen 14.4 V) zou de schakeling c.a. 3 Ampère verbruiken en een brandduur van 3 uur hebben en aan mijn eis van minimaal 2.5 uur brandduur voldoen.

De batterijen voor de lamp

Ik heb 4 soorten batterijen overwogen:

Loodaccus zijn het goedkoopste en het zwaarst. Ook het aantal laadcycli bij volledige ontlading is beperkt (c.a. 400 x). Een 12V 10AH loodaccu kost c.a. €50,=. 6V, 12V en 24V zijn de gangbare spanningen.

NiMH zijn iets duurder, een tikkeltje lichter een kunnen meer laadcycli hebben (1000x). Voordeel is verder dat je losse 1.2V cellen kunt kopen en zo zelf de spanning kunt bepalen. Ik heb uiteindelijk voor 12 cellen gekozen (zie verhaaltje hierboven) vanwege het lagere stroomverbruik. Na lang zoeken heb ik cellen van type D gevonden met een capaciteit van 9Ah. De goedkoopste cellen die ik kon vinden waren bij top-accu: € 6.90 per stuk, dus in totaal € 82.80 en daar kwam nog € 3.90 verzendkosten bij.

NiCd hebben een lagere energiedichtheid dan NiMH (dus een lagere capaciteit dan NiMH bij dezelfde afmetingen). Wel een hoog aantal laadcycli zoals NiMH (>1000 x). Ze hebben hebben echter last van geheugeneffect, en moeten regelmatig helemaal ontladen worden om hun capaciteit te behouden. Daarnaast zijn deze batterijen slecht voor het milieu (maar als je ze gebruikt om te fietsen i.p.v. met de auto te gaan maak compenseer je dat natuurlijk deels). Net als NiMH hebben NiCd batterijen last van hoge zelfontlading: de batterijen lopen leeg als je ze niet gebruikt.

Lithium Ion accus worden veel in laptop computer gebruikt. Na wat zoeken op internet kwam ik tot de ontdekking dat ik 2 zulke accus nodig had om 9Ah te halen bij 14.4V. Ze zijn echter wel vrij prijzig: c.a. €90,= per stuk, en ik wist niet zeker of de van alle pinnetjes op de accu zou kunnen achterhalen wat de functie daarvan zou zijn. Het aantal laadcycli is ook bij deze accu's heel hoog. Deze type batterijen hebben echter een hele lage zelfontlading. Vanwege de hoge prijs heb ik niet voor deze batterijen gekozen. Nadeel van Lithion-Ion is echter dat de lagere ontlaadstroom die ze kunnen leveren (lager dan NiMH of NiCd).

Uiteindelijk heb ik dus 12 NiMH batterijen gekocht van het merk Camelion, Capaciteit 9Ah. Uit de specificatie bijkt ongeveer: Spanning vol: 1.4V, Nominaal: 1.2V, Leeg: 1.0V.


Het is beter de batterijen niet onder de 0.9V of 1.0V te ontladen (afhankelijk van de stroom die je trekt). Daarom heb ik in de batterijhouder een klein printplaatje met diepontlaad beveiling gemaakt die bij c.a. 0.95V celspanning het accupack uitschakeld. Hier is het schema:

Het relais wordt bij de Hellalamp meegeleverd.

De batterij houder heb ik uit 2 mm dik aluminium plaat gebogen en met een TIG las apparaat aan elkaar gelast. De onderzijde heb ik ook dichtgelast. Aan de bovenzijde heb ik een aluminium flens gelast waarop ik een RVS deksel heb geschroefd. Aan het deksel zit ook de de connector naar de lamp of het laadapparaat, de aan/uit schalkelaar. Aan de onderzijde van het deksel zit een PVC buis met daarin een zekering en het printje door de beveiliging. Hieronder een foto van het deksel.

Op de connector zitten de volgende aansluitingen:

De batterijlader voor de lamp

De lader heb ik zelf gemaakt omdat ik geen lader kon vinden die alle 12 cellen tegelijk kon laden. Voor de lader heb ik een IC gebruikt van Temic, type U2402B. Hier is de datasheet van het Temic IC: U2402b (344kB)

Ik heb het IC gekocht bij Conrad), prijs c.a. €5.37. De rest van de onderdelen volgt uit het schema:


klik met rechtermuis om afbeelding op te slaan op originele grootte.

Ik heb het schema van Temic iets aangepast omdat het het in eerste instantie niet werkte. Daardoor paste een aantal onderdelen niet, of niet goed, op mijn zelf ontworpen printje:


Echte afmetingen 3.4 x 2.4 inch


Top view print

Ook heb ik enkele componenten niet op de print zoals Trafo, brugcel, thyristoren, shuntweerstand (Rsh) en de batterij natuurlijk. De shunt weerstand van 50 milliOhm heb ik van een stuk RVS draad gemaakt. Op deze pagina heb ik nog wat informatie over de dissipatie van de shuntweerstand.
Weerstand R12 (6k8) zit onderop het printje gemonteerd omdat die niet voorzien was, voor diode D9 was ook geen plek meer en heb ik aan weerstand RB1 (1K) vastgemaakt en al een component op de plek van RB1 gezet. Condensatoren CR en C4 (10 uF) zijn eigenlijk ook te groot voor de print, maar ik had geen zin om een nieuwe print te ontwerpen.

De aansluitingen op de print zijn:

De lader werkt prima. Alleen geeft ie soms na een paar minuten aan dat de batterijen vol zijn terwijl ik weet dat ze half leeg zijn. Als ik de laden dan uit en weer aan zet is het probleem verholpen. Toen de batterijen nog helemaal nieuw waren had ik dit probleem vaker. De allereerste keer heb ik de batterijen en 0.1C (=stroom uitgedrukt in capaciteit van de batterij, voor 9Ah is dat 900 mA) opgeladen. Daarom heb ik de eerste keer weerstand Rsh verhoogd naar 150 milliOhm.

Met de huidige shuntweerstand van 50 milliOhm is de laadstroom c.a. 3.2 A (=3.2A/9Ah = 0.35C), en is de laadtijd ongeveer 4 à 5 uur.

Het IC laadt met een constante stroom. In het buigpunt van de spanning-tijd curve (als de tweede afgeleide van de spanning naar de tijd nul is, dat is iets voor de top) gaat het laden met een lagere laadstroom (op 37.5% van initieële laadstroom).

Op de top schakelt de lader over op druppelladen (dat is 6% van initieële laadstroom).
Met de huidige shuntweerstand van 50 milliOhm is de laadstroom c.a. 3.2 A (=3.2A/9Ah = 0.35C), en is de laadtijd ongeveer 4 à 5 uur.

De bevestiging van de lamp op de fiets

Hier moet nog meer tekst komen, maar hier zijn alvast de plaatjes van het eindresultaat. Het doosje bovenop het stuur is de ballast.

Enkele foto's van het zicht met de lamp

Hier zijn enkele fotos met mijn lamp en mijn autoverlichting (standaard halogeen). Alle fotos zijn genoment met hetzelfde diafragma (F2.8), sluitertijd (1/3 sec) en filmgevoeligheid (ISO 1600).


Mijn oude 2.5 W halogeenlampje en de Hella Xenon gericht naar de grond.


De Hella Xenon lamp dichtbij en veraf gericht.


Het dimlicht en het grootlicht van mijn auto.

De Xenon lamp staat afgesteld zoals de foto waar de lamp op de grond is gericht omdat ik mijn tegenliggers niet wil verblinden. Zelf het ik meer dan voldoende licht en kan altijd de weg en de berm zien. Ik merk dat ik ook heel goed word gezien: auto wijken nu voldoende uit en minderen vaart op landweggetjes.

De brandduur

Na de eerste keer opladen c.a 2 uur, na 5x opladen c.a. 2.5 uur. Nu (enkel tiental keer opladen) c.a. 3 uur branddtijd. Uit de spec. van de batterijen blijkt een toename van capaciteit na een aantal keren opladen:

Suggesties, vragen, opmerkingen? Mail mij: