Strom statt Licht

Smartphone-Ladegeräte am Fahrraddynamo

Test & Kaufberatung | Test

Auf einer Radtour geht dem Smartphone schnell der Saft aus, wenn man es als Navi nutzt. Dabei haben die meisten Fahrräder einen Stromerzeuger an Bord: den Nabendynamo. Mit einem passenden Wandler sorgt er für einen vollen Akku.

Nabendynamos fürs Fahrrad haben sich durchgesetzt. Sie kosten kaum mehr als die alten Seitenläufer, haben aber einen deutlich geringeren Laufwiderstand – viele Radler lassen ihr Licht tagsüber einfach an. Man kann die Strampelenergie auch anders einsetzen: Spezielle Laderegler wandeln die Wechselspannung aus dem Nabendynamo in eine stabilisierte Gleichspannung zum Laden eines Smartphones um.

Rund ein Dutzend verschiedene Lader haben wir auf den Prüfstand geholt. Sie lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: einfache Lader und Lader mit Pufferakku. Zur ersten Gruppe gehören Cycle2Charge, das E-Werk von Busch+Müller, der KECharger von Kuhn Elektronik, der Kemo M172N, Pearls revolt und The Plug von Tout Terrain. Selbst löten muss man beim Komplettbausatz FLM500 vom Elektronik-Versender ELV und beim Minimal-Lader. Zudem stand uns ein seriennaher Prototyp des Ada Bikeconverters des Berliner Entwicklers Julian Braun zur Verfügung. Zu guter Letzt gehört zu dieser Gruppe noch die LED-Lampe Luxx70 Plus von Axa Stenman. Die Nano 50, eine ältere Lampe des gleichen Herstellers, wird nicht mehr beworben, daher haben wir sie nicht mit aufgenommen.

Video: Fahrrad-Lampen Luxx70 und Luxos U

Die Auswahl bei den Geräten mit Akku ist kleiner: Das USB-Werk von Busch+Müller konkurriert mit dem LED-Scheinwerfer Luxos U aus dem gleichen Haus, dazu kommt der Forumslader – ein Selbstbauprojekt der Gebrüder During aus Cottbus. Der Entwickler des Zzing-Laders arbeitet derzeit an einem neuen Modell, das nur noch in geringer Stückzahl vorhandene aktuelle Gerät fällt aus dem Test damit ebenso heraus wie das Biologic Reecharge, das laut Distributor nicht mehr im aktuellen Vertriebsprogramm ist.

Energie-Puffer

An einem Lader ohne Puffer reagiert so manches Smartphone empfindlich auf Schwankungen der Eingangsspannung, auch führt der regelmäßige Stromausfall im innerstädtischen Verkehr zu Gepiepse und Warnmeldungen. Die meisten Smartphones schalten beim Halt an der Ampel und auch beim nachfolgenden Wiedereinsetzen der Spannungsversorgung kurz das Display an – und verschwenden einen Teil der gerade erstrampelten Energie direkt wieder. Manch ein Smartphone kommt auch mit der langsam ansteigenden Leistung der Energiequelle nicht zurecht und verweigert das Aufladen.

Abhilfe für all diese Fälle schafft ein Pufferakku. Der sammelt die Strampelenergie und gibt sie auch im Stillstand an das angeschlossene Smartphone weiter. Er frisst allerdings etwas Energie durch den Ladevorgang selbst auf. Weitere Nachteile: Ist der Akku leer, muss dieser zunächst etwas geladen werden, bevor der Lader den Ausgang für das Smartphone freischaltet. Ein weiteres Problem ist die Temperaturfestigkeit – so dürfen NiMh-Akkus nur bei Temperaturen zwischen etwa 0  und 40° C geladen werden. Allwetterfahrer sollten besser einen abnehmbaren Pufferakku einsetzen, denn auch die Lagerung bei sehr hohen oder niedrigen Temperaturen schadet dem Akku.

Universeller als ein eingebauter Pufferakku sind externe Akkus, die per USB geladen werden – im Online-Handel häufig als Powerbank bezeichnet. Allerdings ist nicht jeder einfache Akku geeignet, dazu später mehr.

Befürchtungen, der Akku des Smartphones könnte unter der Stoßladung der einfachen Lader in der Stadt leiden, braucht man übrigens nicht zu haben: Der Chemie ist es egal, ob sie in einem Rutsch auf 100 Prozent geladen wird oder in Intervallen.

Laufende Navigationsanwendung und volle Display-Helligkeit benötigen beim Samsung Galaxy S3 nach unseren Messungen [2] rund 2 Watt. Soll der Akkustand nicht sinken, muss man also mit einem höheren Wert laden.

Messungen

Zum Messen der Lader haben wir kein Smartphone verwendet, denn deren Ladeelektronik reagiert empfindlich auf Messungen in der Versorgungsleitung – selbst der kleine Messwiderstand unseres Präzisionsleistungsmessgerätes LMG95 kann das Ergebnis verfälschen [3]. Zudem laden einige Smartphones, darunter Samsungs Galaxy-Reihe und die iPhones, nur mit maximaler Leistung, wenn die USB-Datenleitungen passend beschaltet sind.

Ersatzweise haben wir daher eine elektronische Last verwendet. Diese haben wir so eingestellt, dass die Ausgangsspannung der Lader knapp oberhalb 4,75 Volt lag und damit gerade so eben noch in den USB-Spezifikationen – so erreichten die Lader die maximale Leistungsabgabe. Das Verhalten an realen Endgeräten haben wir zudem mit einigen Pufferakkus und verschiedenen Smartphones getestet.

Die Ausgangsleistung der Lader mit integriertem Akku haben wir über eine Messung der elektrischen Arbeit ermittelt. Zunächst füllten wir den Akku ohne angeschlossene Last einige Minuten auf, dann stoppten wir das Rad und leerten den Akku über die Last. Eine Laufzeit von zwei Minuten und eine Entladezeit von vier Minuten ergibt so beispielsweise die doppelte rechnerische Ausgangsleistung. Sie gibt einen Hinweis auf die Leistungsfähigkeit der eingebauten Wandler. Zusätzlich haben wir auch die maximale Ausgangsleistung der Akkus gemessen. Die Leerlaufleistung – die der Radler zusätzlich erbringen muss, wenn kein Smartphone am Ladegerät hängt – haben wir bei den Akkugeräten mit einem vollen Energiespeicher ermittelt. Sie liegt bei den meisten Ladern zwischen 0,2 und 0,5 Watt.

Für die Messungen stand uns ein Prüfstand von Schmidt Maschinenbau zur Verfügung, dem Hersteller der SON-Nabendynamos. Dieser hat einen 120-Watt-Motor zum Antrieb des Rades und lässt Geschwindigkeiten zwischen 5 und knapp 50 km/h zu. Als Energiequelle für die Lader haben wir neben dem SON 28 auch den Shimano-Nabendynamo DH-T780 verwendet – Unterschiede bei der elektrischen Leistungsabgabe konnten wir nicht feststellen.

Wir haben die Leistung der Lader bei Geschwindigkeiten zwischen 10 und 40 km/h gemessen – niemand wird sein Fahrrad schieben, um sein Smartphone zu laden, und höhere Geschwindigkeiten erreicht man dauerhaft nur auf einer schnellen Bergabfahrt. Dennoch enthalten die meisten Regler eine Schutzschaltung für höhere Geschwindigkeiten, denn unbelastete Nabendynamos können Spannungsspitzen um 100 Volt erzeugen.

Einfach-Lader

Die Reihe der einfachen Lader ohne Akku eröffnet der Cycle2Charge des Paderborner Entwicklers Dirk Langhuber. Das Gerät lässt sich sehr unauffällig am Fahrrad befestigen – sofern man einen Vorbau mit Ahead-Steuersatz nutzt. Mit rund 3 Watt Ausgangsleistung bei 20 km/h liegt es in der Spitzengruppe. Die obere Kappe ist um 180° drehbar, sodass der USB-Anschluss dann wettergeschützt ist.

Beim E-Werk von einem einfachen Lader zu sprechen ist deutlich untertrieben: Es lädt nicht nur Smartphones, sondern fast beliebige elektrische Kleingeräte auf. Die Ausgangsspannung lässt sich mittels beiliegendem Sechskant-Schlüssel zwischen 2,8 und 13,3 Volt einstellen. Dank verschiedener Adapterkabel lassen sich damit etwa Universalladegeräte für beliebige Akkus betreiben. Auch der maximale Ausgangsstrom ist zwischen 0 und 1,5 Ampere einstellbar – in unserem Test kam das E-Werk jedoch nicht über eine Ausgangsleistung von knapp 2 Watt hinaus. Sämtliche Steckverbindungen sind wasserdicht, nur der USB-Anschluss nicht.

Für Smartphones und andere per USB ladbare Geräte gibt es einen optionalen Pufferakku mit knapp 7 Wh. Der dient nicht nur zur Stabilisierung der Ausgangsspannung, sondern auch als Energiespeicher, ist aber mit knapp 50 Euro recht teuer. Möchte man mit einem zu Hause geladenen Akku auf Tour gehen, muss man zusätzlich ein externes Ladegerät für rund 30 Euro einplanen.

Vom KECharger gibt es drei unterschiedliche Versionen: eine mit USB-A-Buchse, eine mit Micro-USB-Stecker und eine für die älteren iPhones – durch die fest angeschlossenen Anschlusskabel ist der Lader wasserdicht. Die iPhone-Version funktioniert nach Anbieterangaben seit einem Software-Update von Apple nicht mehr, eine neue Version will das Ingenieurbüro nicht mehr entwickeln. Der Lader eignet sich eher für Schnellfahrer, da er erst bei mehr als 20 km/h eine Ausgangsleistung deutlich oberhalb von 2 Watt zur Verfügung stellt.

Unauffällig kann man den Kemo M172N nicht nennen, er hat das größte Gehäuse aller Testgeräte. Das Gewicht lässt vermuten, dass sich darin ebenfalls ein Akku verbirgt. Maximal 800 mA beziehungsweise 4 Watt Ausgangsleistung verspricht der Aufdruck – beim Laden eines großen Pufferakkus konnten wir sogar knapp 5 Watt messen.

The Plug von Tout Terrain verschwindet elegant im Ahead-Steuersatz, der Hersteller legt sogar eine Ahead-Kralle bei. Der USB-Anschluss wird von einer Gummikappe geschützt, eine grüne LED zeigt an, ob die Geschwindigkeit zur Ladung ausreicht. Das klappte bei allen getesteten Smartphones außer dem Xperia T, doch mit dem externen Pufferakku wollte The Plug partout nicht zusammenarbeiten: Die LED blinkte, laut FAQ auf der Herstellerseite stellt dann der Dynamo nicht ausreichend Leistung für das angeschlossene Gerät bereit.

Das revolt-Ladegerät von Pearl enttäuschte auf ganzer Linie: Bereits nach einer Minute unter Last bei 40 km/h fiel der Lader aus, auch ein eilends beschafftes Ersatzgerät machte unter den gleichen Umständen schlapp. Wären wir die Stiftung Warentest, hieße das Urteil mangelhaft.

Außer Konkurrenz läuft der ada Bikeconverter mit. Die Serienfertigung des Gerätes ist laut Entwickler noch nicht angelaufen, uns stand ein seriennahes Testmuster zur Verfügung. Bei der Ausgangsleistung lag das Gerät an der Spitze: Kein anderer Lader schaffte mehr als 4 Watt bei 20 km/h. Dabei liegt die Ausgangsspannung des Laders häufig über den USB-Spezifikationen, und auch die Verlustleistung ohne angeschlossenes Smartphone ist mit rund 8 Watt bei 40 km/h sehr hoch – der Lader erwärmte sich dabei stark.

Zu guter Letzt noch zwei Lötprojekte: Der FLM500 vom Elektronik-Versender ELV kommt mit einem kleinen Gehäuse, das die Schaltung vor Spritzwasser schützen soll. Die angegebene Ausgangsleistung von 2,5 Watt konnten wir im Test nur beim Anschluss des Pufferakkus erreichen, an der elektronischen Last lag die Leistung stets darunter. An iPhones und einem Sony-Xperia-Smartphone funktionierte die Schaltung nicht.

Den Minimal-Lader haben wir einem Bauvorschlag der kostenlosen Online-Zeitung Fahrradzukunft [1] entnommen. Die Schaltung besteht im Wesentlichen aus einem einfachen Gleichrichter mit einer Z-Diode als Spannungsbegrenzer – die Bauteile sind allerdings nicht alle einfach zu beschaffen. Ein großer Vorteil dieser Schaltung: Sie lässt sich über die Wahl geeigneter Bauteile so anpassen, dass man bei der eigenen Lieblingsgeschwindigkeit die höchste Ausgangsleistung erzielt. Wir haben mit den Werten aus dem Bauvorschlag bereits bei 15 km/h eine Ausgangsleistung von mehr als 3 Watt messen können, darüber allerdings fiel die Leistung auf rund 2,5 Watt ab. Für iPhones ist der Lader nicht geeignet, zudem ist die Leistungsaufnahme ohne angeschlossene Last sehr hoch.

Gepufferte Ladung

Ist der Pufferakku leer, schalten die Lader den USB-Ausgang nicht frei. So muss man erst ein paar Meter fahren, bevor das Smartphone Strom bekommt. Beim Forumslader dauert dies auch schon mal zwei Minuten. Ist der Akku voll, schalten alle getesteten Lader den Eingang ab – die Strampelenergie kommt dann voll der Geschwindigkeit zugute.

Das USB-Werk unterscheidet sich bis auf die fehlenden Einsteller äußerlich nicht vom E-Werk – intern hat der Hersteller jedoch einen knapp 1 Wh großen Akku verbaut. Dieser ist nach etwa 20 Minuten bei 20 km/h voll geladen. Die Ausgangsleistung ist unabhängig von der Geschwindigkeit, an unserer elektronischen Last lag sie bei knapp 2,5 Watt, die rechnerische Ausgangsleistung liegt nur knapp darüber. Bei häufigen Stopps im Stadtverkehr kann der Akku des USB-Werks daher die Pausen nur überbrücken, wenn er gut geladen ist.

Der Forumslader ist ein Speziallfall. Seit Jahren entwickeln die Gebrüder During unter Mithilfe einer engagierten Community die Schaltung immer weiter, zuletzt kam ein Bluetooth-Modul mitsamt Drucksensor hinzu. Jens During hat uns ein fertig aufgebautes Exemplar zukommen lassen. Schutz gegen Feuchtigkeit erreicht dieser Lader über einen Schrumpfschlauch und ausreichend Heißkleber. Eine Befestigung am Fahrrad ist nicht vorgesehen – die meisten Benutzer stecken den Lader wohl einfach in die Lenkertasche.

Der Forumslader arbeitet mit vier Schaltstufen, die je nach Geschwindigkeit des Fahrrads aktiv sind. Dies ist offensichtlich sehr effizient – die rechnerische Ausgangsleistung von rund 7 Watt bei 30 km/h erreichte kein anderer Lader. Die reale Leistung an unserer Last lag nur bei 2,2 Watt, im Stadtverkehr mit vielen Stopps lud der Forumslader unsere Testgeräte ohne Pausen. Die USB-Version der Schaltung ist auf der Website nur schwer zu finden, dort wird vor allem eine 12-Volt-Version vorgestellt.

Für das Bluetooth-Modul gibt es eine passende Android-App. Sie zeigt Informationen zum Akku an, etwa den Ladestand, ersetzt aber auch Höhenmesser und Tacho – die Informationen zur Geschwindigkeit stammen aus der Umdrehungsgeschwindigkeit des Vorderrads.

Es werde Licht

Den Lader in die Frontlampe einzubauen hat Charme: kein zusätzlicher Kabelsalat, keine Befestigungsprobleme. Lediglich das USB-Kabel sollte man mit ein paar Kabelbindern fixieren, damit es bei Bedarf zur Hand ist. Bei beiden Scheinwerfern gibt es entweder Licht oder Strom – niemals beides zusammen.

Die Lichtleistung beider Scheinwerfer ist beeindruckend (siehe c’t-Link am Ende des Artikels), sie liegt mit 70 Lux (Axa) respektive 90 Lux beim Busch+ Müller im Mittelpunkt deutlich über der von Standard-Scheinwerfern. Der Luxx70 leuchtet bei langsamer Fahrt über eine zusätzliche LED den Fahrbahnrand stärker aus, ab etwa 15 km/h schaltet er auf die Hauptbeleuchtung. Der Luxos U hat eine Lichthupenfunktion, die man über den Lenkerschalter aktiviert.

Der USB-Anschluss des Luxx70 steckt in der Lampenhalterung, er wird von einer Gummikappe gegen Feuchtigkeit geschützt. Die Ladeleistung liegt zwischen 2 und 2,5 Watt bei Geschwindigkeiten oberhalb 20 km/h – und damit nur im unteren Drittel des Vergleichs. Der Luxos U lädt minimal schneller, der integrierte Akku sorgt für die Aufrechterhaltung der Ladespannung bei kurzen Stopps – längere Auszeiten kann der nur knapp 1 Wh große Akku nur überbrücken, wenn er voll geladen ist.

Leuchtet die rote LED am Lenkerschalter, ist der Pufferakku ausreichend für die Ladung eines Smartphones aufgeladen – oder für die Lichthupe. Ungewöhnlich und etwas unkomfortabel ist, dass man das Licht am Beginn jeder Fahrt mit einem längeren Druck auf den Lenkertaster einschalten und am Ende der Fahrt wieder ausschalten muss – eine Automatik gibt es nicht.

Gemeinsam

Alle Lader schließt man direkt an den Nabendynamo an. Manche haben einen Schalter, mit dem man zwischen USB-Ausgang und Licht umschaltet – dann muss man die Verkabelung ändern. Die anderen hängen parallel zur Beleuchtung am Dynamo. Wir haben die Testgeräte – abgesehen von den in den Lampen integrierten – zusätzlich parallel zu einer Lichtanlage (Axa-Scheinwerfer, als Rücklicht kam ein Busch+Müller Toplight zum Einsatz) angeschlossen und die Leistungsabgabe gemessen.

Auf die Lichtausbeute hatte der Anschluss der Lader kaum eine Auswirkung, nennenswert Energie nahmen diese jedoch auch nicht auf: Bei einer typischen Reisegeschwindigkeit von 20 km/h lieferten die meisten Lader knapp 0,5 Watt, nur das E-Werk und der ELV-Lader lagen darüber. Dem KECharger und Cycle2Charge war die angebotene Leistung wohl zu niedrig, deren Ausgangsspannung lag bei 0 Volt. Insgesamt lohnt sich das Aufladen also nur, wenn man die Beleuchtung abschaltet.

Pufferakkus

Die einfachen Lader kann man mit einem externen Pufferakku aufrüsten, um die Ladungsunterbrechung an Ampeln zu vermeiden. Möglichst kleine Modelle wären aus Gewichtsgründen praktisch – man muss jedoch auf die technischen Daten achten: Mindestens 1 Ampere Ladestrom sollten Akkus vertragen, damit sie die gesamte vom Lader angebotene Leistung aufnehmen können. Zudem sollten sie gleichzeitiges Laden und Entladen unterstützen. Da dies in den Datenblättern nicht erwähnt wird, hilft nur ausprobieren: Smartphone an den Akku-Ausgang anschließen, Akku ans Ladegerät. Ziehen Sie auch probeweise das Netzteil ab und achten Sie auf die Ladeanzeige des Smartphones: Der Nokia-Akku DC-19 etwa schaltete bei Änderung der Eingangsspannung den Ausgang kurzzeitig ab – genau das Gegenteil von dem, was ein Pufferakku tun sollte. Gute Erfahrungen haben wir hingegen mit einem Powergen-Akku (Mobile Juice Pack 8400) gemacht, für iPhone geeignete Powerbanks hat unsere Schwesterzeitschrift Mac & i in Ausgabe 1/14 getestet.

Fazit

Laden tun sie alle – vom Totalausfall revolt mal abgesehen. iPhone-Nutzer sollten sich bei den Geräten mit Pufferakku umschauen oder einen externen Pufferakku verwenden. Dieser verhindert auch unnötiges Einschalten des Displays bei anderen Smartphones. Will man den Lader möglichst unauffällig am Rad anbringen, lohnt sich ein Blick auf die im Ahead-Steuersatz versenkbaren Lader oder auf eine der beiden Lampen.

Die höchste Ausgangsleistung bei der für Reiseradler wichtigen Geschwindigkeit von 20 km/h bringt der Ada Bikeconverter – aber der ist noch nicht auf dem Markt. Auf den Plätzen dahinter folgen der Cycle2Charge, der Kemo-Lader und The Plug. Die Selbstbaulösungen können gut mithalten, der Forumslader holt sogar die insgesamt höchste Leistung aus dem Dynamo heraus. Doch auch mit den anderen Ladern dürfte man zumindest das allzu schnelle Absinken des Akkustands auf einer längeren Radtour verhindern können, zumindest, wenn man gelegentlich mal das Display abschaltet. (ll)

Literatur
  1. [1] Schaltung des Minimal-Lader, www.fahrradzukunft.de/pdf/fz-ausgabe-12.pdf
  2. [2] Lutz Labs, Durchhaltetraining, Energiesparen bei Android-Smartphones, c’t 17/12, S. 124
  3. [3] Lutz Labs, Schneller laden, Das beste Ladegerät für das eigene Smartphone, www.heise.de/-2146006
Kraftwerke

Leicht laufende Nabendynamos haben die alten schwergängigen Seitenläufer fast komplett abgelöst, lediglich an billigen Baumarkt-Fahrrädern findet man sie noch. Die Technik ist dennoch prinzipiell die gleiche: Ein sich drehender Permanentmagnet induziert in einer Spule Strom, und zwar Wechselstrom.

Im Leerlauf steigt die Ausgangsspannung linear mit der Umdrehungszahl an. Bei höheren Geschwindigkeiten können dabei Werte um 100 Volt entstehen – die Laderegler müssen dafür einen Schutz vorsehen. Unter Belastung bricht die Spannung jedoch zusammen, auch weil das durch die Spule erzeugte Magnetfeld das Feld des Permanentmagneten schwächt. Die Spannung nähert sich dabei dem einem Grenzwert, der in Deutschland gesetzlich auf 7,5 Volt bei 30 km/h festgelegt ist. Der Nennwert der Ausgangsleistung soll mindestens 3 Watt bei typischerweise 6 Volt betragen – das entspricht einer ohmschen Last mit 12 Ω. Bei anderen Lasten kann die Ausgangsleistung durchaus auch oberhalb von 3 Watt liegen, wir haben Spitzenwerte von 12 Watt gemessen. Ebenfalls zugelassene Dynamos mit 12 Volt und 6 Watt Ausgangsleistung haben sich bisher nicht durchsetzen können.

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