Динамо-втулка — это электрический генератор для велосипеда, встроенный в специальную втулку. Динамо-втулки разработала компания Sturmey-Archer в Англии. В 2010 году в Тайване ими была представлена новая версия динамо-втулки в комбинации с барабанным тормозом. В настоящее время динамо-втулки также производятся компаниями Schmidt и Shimano, которые строго говоря не являются «динамо-втулками», потому что «динамо-втулка» это торговая марка Sturmey-Archer. Купить динамо-втулку Shimano можно и за 50 долларов, но к примеру цена динамо-втулок Supernova может доходить и до 300 долларов.
Мощность классических динамо-втулок составляет 1.8 Вт при напряжении 6 В, тогда как другие велосипедные динамо-машины включая новые динамо-втулки производят 2.4 Вт или 3 Вт. Фары, продававшиеся с классической динамо-втулкой, были точно рассчитаны на эффективное использование низкой мощности. Фара на 2.4 Вт от других динамо-машин в комбинации с задним фонарём на 0.6 Вт, установленная на велосипед с классической динамо-втулкой, будет светить тускло.
Благодаря усовершенствованию технологии магнитов динамо-втулки стали меньше, легче, мощнее. Также намного более эффективными стали источники света — галогеновые лампы или светодиоды, так что теперь современные динамо-машины могут производить в несколько раз больше света, чем классические динамо-втулки.
Динамо-втулки довольно тяжёлые (новые в меньшей степени из-за использования редкоземельных магнитов и алюминиевых оболочек), совершенно бесшумные, У них отсуствуют движущиеся части, вследствии чего практически нет механического трения. Они работают за счёт кольцевидного многополюсного магнита, расположенного внутри корпуса втулки увеличенного размера, вращающегося вокруг прикреплённого к оси неподвижного якоря (катушки). Динамо-втулка имеет очень низкое сопротивление вращению.
Питание фар от динамо-втулок.
Динамо-втулки являются генераторами переменного тока. Как и другие велосипедные генераторы, на высоких скоростях они могут сжечь лампы — за исключением ламп современных фар, в которых установлен полупроводниковый регулятор напряжения. В сравнении с бутылочными динамо-машинами динамо-втулки производят больше света на низких скоростях за счёт того, что у них частота переменного тока ниже. У лампы больше времени на разогрев на каждой амплитуде импульса тока. На низких скоростях фара с питанием от динамо-втулки заметно пульсирует, а фара питаемая бутылочной динамо-машиной только тускло светит.
С возрастанием скорости велосипедного генератора возрастает и частота тока. Это очень полезная закономерность, так как с ростом частоты индуктивность обмотки якоря генератора пропускает переменный ток менее эффективно, что в значительной степени противодействует возрастанию напряжения с ростом скорости. Этот эффект индуктивности позволяет использовать генератор в более широком спектре скоростей. Всё же гонщики должны позаботится о питания ламп или же использовать современную систему освещения с регулятором напряжения.
На сайте Шелдона Брауна можно найти схему простого регулятор напряжения. Если ты хочешь её собрать, то обрати внимание, что с целью предотвращения чрезмерной зарядки при токе ниже 0.3 А нужен установленный в «дневную» позицию никель-кадмиевый или никель-металл-гидридный аккумулятор ёмкостью от 10 ампер-часов (например типичный комплект из пяти высокоёмких никель-металл-гидридных D элементов).
Никель-кадмиевый или никель-металгидридный аккумулятор также может чрезмерно разрядится или получить необратимое повреждениев том случае, если более сильные элементы будут прогонять мощность в обратном направлении через более слабые элементы («изменение полярности»). «Интеллектуальная» система в этом случае отключает зарядку и останавливает разрядку на безопасном уровне. Современные динамо-машины, работающие во время остановки («стояночный свет»), комплектуются светодиодной фарой, а для накопления энергии конденсатором. На случай выхода из строя генератора как запасной вариант можно установить на велосипед передние и боковые дорожные отражатели, практически бесполезные во время движения, но эффективные при остановке.
Когда раньше у меня на тандеме стояла динамо-втулка, лампочка потребляла слишком много энергии. Я решил эту проблему (и некоторые другие) с помощью двухполупериодного мостового выпрямителя, подав выпрямленный постоянный ток параллельно к 6 вольтному (5 элементов по 1.2 В) никель-кадмиевому аккумулятору. Данная схема не только даёт свет во время остановок, а также позволяет динамо-машине подзарядить никель-кадмиевый аккумулятор и на высоких скоростях, когда напряжение на клемах превышает 6 В, никель-кадмиевый аккумулятор благодаря низкому внутреннему сопротивлению отсасывает избыток энергии, что даёт небольшой дополнительный заряд и обергает лампу от перегорания.
Динамо-втулка, нахоядщаяся по под постоянным напряжением, всегда подсоединена к фаре и во время движения невохможно выключить свет. Конечно можно было для этой цели просто снабдить схему переключателем, но в этом нет никакой необходимости.
Есть три режима работы этой схемы питания аккумуляторной батареи и фар. В «ночном» положении никель-кадмиевые аккумуляторы подключены параллельно с выпрямленным током динамо-втулки, как было описано выше. В «дневном» положении никель-кадмиевые аккумуляторы подключены к фарам и динамо-машине через диод (выпрямитель). Это позволяет динамо-втулке заряжать батарею, когда она крутится достаточно быстро, но не подавать электричество в обратном направлении, чтобы аккумулятор не разряжался от фары.
В позиции «парковка» аккумулятор полностью отключён из-за того, что диоды не идеальны и они создают небольшую утечку тока, разряжающую никель-кадмиевые аккумуляторы.
Динамо-втулки в отличие от большинства велосипедных динамо-машин не используют велосипедную раму как землю и могут быть использованы с приведённой выше схемой. В двухполупериодном выпрямителе цепь переменного тока должна быть отделена от цепи постоянного тока. Поэтому чтобы использовать двух-полупериодное выпрямление, динамо-машина или лампы нужно изолировать от рамы. Динамо-втулки всегда изолированы от рамы, поэтому у них две клеммы и двойной провод.
Выпрямитель для динамо-втулок.
«Выпрямитель» — это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Самым простым видом выпрямителя яляется «диод», представляющий собой однонаправленный клапан в электричестве. Диод, подключенный последовательно с источником переменного тока, пропускает ток только половину времени, когда переменный ток течёт в совместимом направлении. При использовании одного диода не используется половина электричества, что приводит к пульсирующему постоянному току.
Существует простая схема выпрямителя с использованием четырёх диодов, которая называется «мостовой выпрямитель». Она эффективно переключает полярность во время каждого цикла и преобразует переменный ток в постоянный с незначительными потерями. Можно спаять четыре диода вместе в правильной конфигурации, но сейчас проще купить «двухполупериодный мостовой выпрямитель». Учитывая, что динамо-втулка работает на низких напряжениях, при использовании кремниевых диодов возникают значительные потери — 1.4 В. При использовании германиевых диодов они составляют только 0.4 В. Наша более продвинутая схема питания от динамо позволяет значительно уменьшить потери, но она достаточно сложна и под силу только электронным хакерам.