LED Bike Light for Dynamo 6Vac 1.5W ( Upgrade / Modernise / Retrofitting )

English in italic and indented paragraph

Dû au fait que la dynamo du vélo patine sous la pluie, pour plus de sécurité, j'ai installé un moyeu dynamo. Mais celui-ci ne fait que 1,5W au lieu des 3W de la dynamo bouteille d'origine. J'ai donc dû changer les ampoules à bulbe, par des modèles moins énergivore ...

Due to the fact that the dynamo of the bike skates in the rain, for safety, I installed a dynamo hub. But this one is only 1.5W instead of the original bottle dynamo 3W. So I had to change bulb ligth, using less energy-intensive models ...

Supplies

Équipements / Equipment :

Un fer à souder, avec de l'étain
Une pince coupante (pour couper les pattes des composants)
Une pince plate (pour tenir les composants, et casser le bulbe de l'ampoule)
Une pince à bout rond (pour nettoyer l'intérieur du culot)
Scie, lime, perceuse (pour la réalisation de la rondelle de cuivre)
Un tournevis pour ouvrir les boîtiers d'éclairage du vélo...

A soldering iron, with tin
A cutter (to cut the legs of the components)
A flat clamp (to hold the components, and break the bulb of the bulb)
A round-tipped pliers (to clean the inside of the base)
Saw, file, drill (for making the copper washer)
A screwdriver to open the bike’s light boxes...

Composants / Components :

Deux lampes à bulbes, avec le bon culot
Deux LED blanches de 1W
Quatre LED rouge standard
Quatre résistances ( 3 * 33 Ω et 100 Ω ) [adaptées par la suite, voir ci dessous]

Two bulb lamps, with the right base
Two 1W white LEDs
Four standard red LEDs
Four resistors ( 3 * 33 Ω and 100 Ω ) [afterward adapted, see below]

Step 1: Réfléchir / Thinking

Conserver l'éclairage d'origine ;
Utiliser des LED ;
FAIRE SIMPLE, surtout !

La solution la plus simple est de créer une ampoule à LED. Elle utilisera le même culot que l'ampoule d'origine. Le principe : une diode et une résistance de limitation de courant !

Keep the original lighting;
Use LEDs;
MAKE IT SIMPLE!

The simplest solution is to create an LED bulb. It will use the same base as the original bulb. The principle: a diode and a current limiting resistance!

Step 2: Dessiner / Drawing

https://www.tinkercad.com

Au vu de la tension disponible (6Vac), nous pouvons monter deux LED rouges en série. Afin de les protéger contre la tension inverse (5 V), deux autres sont montées tête-bêche. Elles se protègent l'une l'autre.

Considering the available voltage (6Vac), we can mount two red LEDs in series. To protect them from reverse voltage (5 V), two others are mounted head-to-head. They protect themselves each other.

Les diodes blanches ont une tension de 3,5 V. Insuffisant pour en monter plusieurs en série. Afin de les protéger contre la tension inverse (5 V), elles sont montées tête-bêche. Elles se protègent l'une l'autre.

The white diodes have a voltage of 3.5 V. Insufficient to assemble several in series. To protect them from the reverse voltage (5 V), they are mounted head-to-head. They protect themselves each other.

Une résistance en série avec les diodes limite l'intensité.

Serial resistance with diodes limits intensity.

Step 3: Calculer / Compute

Caractéristique :

La dynamo : 6Vac - 1,5W
Les diodes rouges : 2V @ 20mA
Les diodes blanches : 3,3V @300mA 1W
Les résistances : 1/4W - 10% (E12)
Le radiateur : le culot de l'ampoule + une plaque en cuivre

The dynamo: 6Vac - 1.5W
Red diodes: 2V @ 20mA
White diodes: 3.5V @300mA 1W
Resistors: 1/4W - 10% (E12)
The radiator: the base of the bulb + a copper plate

Arrière / Taillight :

Au vu de la tension disponible (6Vac), nous pouvons monter deux LED rouges en série. Afin de les protéger contre la tension inverse, deux autres sont montées tête-bêche. Elles se protègent l'une l'autre.

Considering the available voltage (6Vac), we can mount two red LEDs in series. To protect them from reverse voltage, two others are mounted head-to-head. They protect each other.

R_red = ( V_ac - 2 * V_led ) / I_led

I_led = 0,020 A; V_led= 2 V

V_ac = 6

==> R_red = ( 6 - 2 * 2 ) / 0,02

R_red = 100 Ω

Dans la série E12, nous trouvons 100 Ω

In the E12 series we find 100 Ω

Quel est la puissance à dissiper ?

What is the power to dissipate?

P_{watt =}R_red* I_led²

P_{watt =}100* 0,02²

P_watt = 0,04 W

Aucun problème pour une résistance de 1/4W.

No problem for a 1/4W resistance.

Avant / Front :

La dynamo peut produire 0,250mA. Le feu arrière consomme 0,02mA. Il nous reste 0,230mA pour le feu avant.

The dynamo can produce 0.250mA. The rear light consumes 0.02mA. We have 0.230mA left for the front light.

R_white= ( V_ac - 2 * V_led ) / I_led

I_led = 0,230 A; V_led= 3,5 V

V_ac = 6

==> R_white= ( 6 - 3,5 ) / 0,230

R_white= 10,86 Ω

Dans la série E12, nous trouvons 10 Ω et 12 Ω

In the E12 series we find 10 Ω et 12 Ω

Par contre, quel est la puissance à dissiper ?

But what is the power to dissipate?

P_{watt =}R_white* I_led²

P_{watt =}10,86* 0,23²

P_watt = 0,574 W

La puissance est trop élevé pour des 1/4W. Il en faut plusieurs, et ça tombe bien ! Nous allons en placer plusieurs en parallèle : trois.

The power is too high for 1/4W. It takes several, and that’s good! We’ll put several in parallel: three.

1/[(1/33)+(1/33)+(1/33)] = 11 Ω

Quelle est la puissance absorbé par une résistance :

What is the power absorbed by a resistor :

P_{watt_1R} = R_white* I_led² / 3

P_{watt_1R} = 11 * 0,23²/ 3

P_{watt_1R} = 0,19 W

C'est bon !

That's fine !

Step 4: [Préparation / Preparing] Le Culot / the Base

Il nous faut juste deux culots. Casser l'ampoule entre deux feuilles de journal, pour ne pas avoir d'éclat partout. Puis, en pinçant le bord du culot, retirer le reste de colle et de verre. Enfin, chauffer le contact avec un fer, pour en retirer l'étain qui bouche le trou.

We just need two units of light bulb bases. Break the light bulb between two sheets of newspaper, to prevent any splinters everywhere. Then, pinching the edge of the base, remove the remaining glue and glass. Finally, heat the contact with an iron, to remove the tin that close the hole.

Step 5: [Préparation / Preparing] Le Radiateur / the Heatsink

Une rondelle dans une boite en fer étamé devrait convenir ( boite de conserve ? ). Je n'ai pas essayé.

A washer in a tinned iron box can be use. I haven’t tried.

J'ai aplati un tube de cuivre (tube de plomberie), puis découpé une rondelle. La rondelle doit avoir la bonne taille pour rentrer dans le feu. Le trou au centre sert à passer la patte de la résistance. Des découpes sont réalisées à l'emplacement de la connexion des LED blanches, afin de limiter la dissipation thermique. La soudure s'en trouve facilitée.

I flattened a copper tube (plumbing tube), then cut a washer. The washer must be the right size to fit into the light box. The hole in the center is used to pass the foot of the resistance. Cutouts are made at the white LED connection location to limit heat dissipation. This makes welding easier.

Step 6: [Assemblage / Assembling] Feu Avant - Front Light

Passer les trois pattes de résistances de 33 Ω dans le trou à la base du culot. S'assurer que le corps des résistances sont dans le culot. Couper les pattes qui dépassent, et limer un peu pour avoir une forme arrondie. Mettre un point de soudure de l'autre côté, pour lier les trois pattes de résistances ensembles.

Pass the three 33 Ω resistor legs through the hole at the base of the light bulb base. Ensure that the resistor body is all in the base. Cut off the protruding legs and file a little to have a rounded shape. Put a small weld point on the other side, to bind the three resistor legs together.

Souder la rondelle sur le culot. Le trou central doit être assez gros pour ne pas que les pattes de résistances touche la rondelle (~5mm).

Solder the washer on the base. The center hole must be large enough so that the resistor legs do not touch the washer (~5mm).

Les diodes sont montées tête-bêche. Une seule pattes est soudées sur la rondelle. L'autre doit en être isolée. Pour cela, j'ai redressé sur l'une l'anode, sur l'autre la cathode. Comment les reconnaître ? Je ne sais pas. Mais ce n'est pas important. Les deux pattes ne sont pas identiques, il y a une légère différence. Il suffit de ne pas redresser la même patte sur les deux diodes.

The diodes are head-to-spade mounted. Only one leg is welded to the washer. The other must be insulated. For this, I straightened the anode on one, the cathode on the other. How to recognize them? I don’t know. But it’s not important. The two legs are not identical, there is a slight difference. Just do not straighten the same leg on the two diodes.

Mettre de la pâte thermique, si vous en avez, sur le fond de la diode, et la placer sur la rondelle. Souder sa patte en contact avec la rondelle, à l'emplacement réservé. Souder la deuxième diode à l'autre emplacement.

Put some thermal paste, if you have any, on the bottom of the diode and place it on the washer. Solder its leg in contact with the washer in the reserved position. Solder the second diode in the other position.

Connecter entre elle par un fil, les pattes redressées. Celles qui sont isolées de la rondelle. Pliés une pattes de résistance, pour la souder sur ce fil, sans toucher la rondelle !

Connect between it by a wire, the legs straightened. Those that are isolated from the washer. Bent a resistance leg, to solder it on this wire, without touching the washer!

C'est fini pour l'assemblage de l'ampoule avant. Il ne reste plus qu'à mettre l'ampoule LED à la place de l'ancienne à filament.

The assembly of the front bulb is finished. All that remains is to put the LED bulb in place of the old filament bulb.

Step 7: [Assemblage / Assembling] Feu Arrière - Taillight

Nous allons monter les quatre LED comme pour un pont redresseur. Deux paires de LED en série, puis montées tête-bêche, et enfin en série avec la résistance de limitation.

We will mount the four LEDs as for a rectifier bridge. Two pairs of LEDs in series, then mounted head-spade, and finally in series with limiting resistance.

La difficulté est de souder les pattes des LED dans le culot. Etamez l'intérieur du culot au préalable, il sera possible de le chauffer par l'extérieur pour réaliser la soudure.

The difficulty is to solder the LED legs into the base. Put tin in the inside of the base beforehand, it will be possible to heat it from the outside to make the welding.

Manque de chance, mon ampoule est trop haute pour le boitier. J'ai donc démonté mon montage pour le faire moins haut !!!

Bad luck, my light bulb is too high for the box. So I disassembled my assembly to make it lower!!!

Step 8: Test / Test

Avec une alimentation réglée à 6Vcc, l'ampoule LED rouge consomme 19mA, la blanche 200mA.

With a power supply set at 6Vdc, the red LED bulb consumes 19mA, the white 200mA.

Explication / Explanation :

Pour l'intensité consommée par l'ampoule LED rouge, nous sommes dans les tolérances :

For the intensity consumed by the red LED bulb, we are within tolerances :

I_{led_red} = ( V_ac - 2 * V_{led_red} ) / R_red

100 - 10% < R_red < 100 + 10%

1,65V < V_{led_red} < 2V (@20mA)

==> I_{led_red_min} = ( V_ac - 2 * V_{led_max} ) / R_{red_max}

I_{led_red_min} = ( 6 - 2 * 2 ) / 110

I_{led_red_min} = 18 mA

==> I_{led_red_max} = ( V_ac - 2 * V_{led_min} ) / R_{red_min}

I_{led_red_max} = ( 6 - 2 * 1,65 ) / 90

I_{led_red_max} = 30 mA

Pour l'intensité consommée par l'ampoule LED blanche, nous sommes aussi dans les tolérances :

For the intensity consumed by the white LED bulb, we are also within tolerances :

I_{led_white} = ( V_ac - V_{led_white} ) / R_white

11 - 10% < R_white < 11 + 10%

3,2V < V_{led_red} < 3,6V

https://foton.ua/upload/datasheet/1w/1W%20High%20Power%20LED.pdf

==> I_{led_white_min} = ( V_ac - V_{led_max} ) / R_{white_max}

I_{led_white_min} = ( 6 - 3,6 ) / 12,1

I_{led_white_min} = 198 mA

==> I_{led_white_max} = ( V_ac - V_{led_min} ) / R_{white_min}

I_{led_white_max} = ( 6 - 3,2 ) / 9,9

I_{led_white_max} = 282 mA

Conclusion :

Les ampoules LED consomment 220mA pour 250 disponible.

The LED bulbs consume 220mA for 250 available.

La caractéristique tension/courant dans la datasheet indique qu'il y a une baisse de tension, s'il y a baisse de courant. Mais ce n'est pas tout. La caractéristique intensité / luminosité nous indique que nous perdons de la luminosité en baissant l'intensité !!!

The voltage/current characteristic in the datasheet indicates that there is a voltage drop, if there is a current drop. But that’s not all. The intensity/brightness feature tells us that we lose brightness by lowering the intensity!!!

Il y a donc moyen de gagner en luminosité, en diminuant la résistance. Nous avons un peu plus de 30mA à gagner ...

So there is a way to gain brightness, by decreasing the resistance. We have a little more than 30mA to gain ...

Amélioration / improvement :

Après vérification à l'ohmmètre, les trois résistances en parallèle font 13 Ω et non pas 11 Ω. En montant deux résistances de 27Ω et une de 33Ω, l'équivalent fait 9,58Ω, mais 10,5Ω à l'ohmmètre.

After checking with an ohmmeter, the three resistors in parallel are 13 Ω and not 11 Ω. By mounting two resistors of 27Ω and one of 33Ω, the equivalent is 9.58Ω, but 10.5Ω on the ohmmeter.

Pour mémoire, ce sont des résistances à 10% de tolérances ...

For memorie, these are resistances with 10% tolerances ...