Raspberry Pis sind großartige Werkzeuge für alle Entwicklungsphasen. Sie beziehen Ihre Leistung jedoch über Micro-USB-Anschlüsse, was einer Spannungsversorgung von 5 V entspricht. Der gesamte Eingangsspannungsschutz für Ihre Leiterplatte betrifft den Strom, der sich aus diesem USB-Anschluss speist.
Selbst bei einem gut regulierten 5V-Eingang, der direkt an die 5V- und Erdungs-GPIO-Stifte angeschlossen werden kann, umgehen Sie wichtige Schutzmaßnahmen wie eine Sicherung oder eine Verpolschutzdiode. Die Energieversorgung über einen USB-Anschlusses ist zweifelsohne die beste Lösung, sie lässt sich aber nicht einfach eine Batterie anschließen – es gibt nämlich keine 5V-Batterien. Meist werden vier AA-Batterien (voll geladen über 6V), eine 9V-Batterie oder zwei 3,7-Lithium-Ionen Batterien (7,4V) verwendet. Alle funktionieren in einem Raspberry Pi. Wie also können sie auf 5V gedrosselt werden? Die folgenden Möglichkeiten rangieren von gut über besser bis zu optimal.
Gut: Ein Widerstandsteiler.
Mit dem Widerstandsteiler wird das einfachste Stromprinzip angewendet:
Wenn Sie die Eingangsspannung kennen und R1 und R2 richtig wählen, erhalten Sie eine Ausgangsspannung von 5V. R1 und R2 sind beliebig, solange sie Ausgangs-/Eingangsspannung = (r1)/(r1+r2) erfüllen. Beachten Sie jedoch, dass dieses Verfahren jede zusätzliche Energie in Form von Wärme abgibt. Daher sollten Sie eine Stromquelle von etwa 5V verwenden, wie z. B. vier AA-Batterien (6V). Beachten Sie jedoch, dass dieses Verfahren jede zusätzliche Energie in Form von Wärme abgibt. Daher sollten Sie eine Stromquelle von etwa 5V verwenden. Ein Paket mit 4 AA-Batterien (6V) eignet sich perfekt. Eine 9V-Batterie schränkt die Effizienz erheblich ein.
Eine weitere Überlegung gilt den Versorgungswerten der Widerstände. Wenn Sie die Widerstandswerte berechnet haben, die verwendet werden sollen, müssen Sie Widerstände mit ausreichenden Versorgungswerten finden. Beachten Sie, dass die abgegebene Energie der Strom ist, der durch den Widerstand fließt, multipliziert mit der Spannung, die im Widerstand abfällt. Wenn Sie z. B. aus einem 6V-Batteriepaket eine Ausgangsspannung von 5V erzielen möchten, können Sie die Widerstände R1=100 und R2=20 verwenden. Schöne, glatte Zahlen. Wenn Sie aber maximal 1A an den Pi (das möglich sein sollte) abgeben möchten und P=IV, beträgt die Energie durch R1 (der obere Widerstand, Wärmeverlust) 1V*1A = 1W. Es ist nicht unmöglich einen 1W-Widerstand mit 100ohm zu finden, aber es bleibt immer noch recht viel Wärmeverlust. Wenn Sie jetzt auf 9V bis 5V runtergehen, verlieren Sie 4W bei 1A. Das wird dann wirklich warm und der Widerstand wird damit auch teurer.
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Der Durchbruch
Vorteile: Die Lösung ist einfach und billig.
Nachteile: Sie verschwendet viel Energie und ist bei falscher Umsetzung brandgefährlich. Das Widerstandsverhältnis ist zudem statisch, während die Batteriespannung bei der Entladung nachlässt, und damit fällt auch die Ausgangsspannung ab. Beachten Sie, dass Widerstandsteiler sich nicht richtig eignen, um Strom als Ausgangsspannung bereitzustellen. Wenn Sie also mehr Energie für Ihren Pi benötigen, ändert sich die Berechnung.
Besser: Linearregler.
Ein Linearregler (niedriger Drop-out) ist ein lineare Regler, der den Ausgangsstrom auf einer gewünschten Spannung hält, selbst wenn die Eingangsspannung ähnlich der Ausgangsspannung ist. Während ein Standardregler bei einem Eingang über 6V nur 5V bereitstellen kann, kann ein Linearregler 5V bereitstellen, selbst wenn der Eingang nur bei 5,25V liegt. Es ist ungefähr die gleiche Idee, die nur anders verkauft wird.
Viele Hobby-Platinen enthalten eine Version des 1117 Linearreglers – und das hat einen guten Grund. Mit dem 1117 erhalten Sie einen stabilen Ausgang von 5V bei bis zu 1,3A aus Eingangsspannungen von bis zu 15V. Der Regler ist billig und als Through-Hole-Paket verfügbar, das direkt auf der Lochleiterplatte montiert werden kann. Fügen Sie zwei Kondensatoren hinzu (Eingang und Ausgang) und Sie erhalten selbst bei wechselnder Batteriespannung einen stabilen Spannungsausgang. Leider ist ein Linearregler auch nur ein glorifizierter Widerstandstrenner und reguliert an sich Spannungen, die der gewünschten Ausgangsspannung recht ähnlich sind. Ein Linearregler ist etwas effizienter als die zuvor erwähnten 4W-Widerstände, verbrennt aber immer noch Wärme, wenn Sie von 9V auf 5V drosseln.
Der Durchbruch:
Vorteile: Er ist billig und einfach und der Ausgang ändert sich bei Batterieentladung nicht.
Nachteile: Die Lösung ist noch recht ineffizient und erfordert großen Aufwand bei der Wärmeregulierung.
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Optimal: DC/DC-Stromwandler
Die effizienteste Lösung, Strom aus Ihrem Pi zu erhalten, besteht in einem Spannungsregler. Informieren Sie sich über die neuesten Entwicklungen dazu, wie Sie Ihren eigenen Stromkreis herstellen können. Aber Sie können auch ein vorab erstelltes Modul verwenden, wie z. B. den CC6-1205SF-E von TDK-Lambda. Für diesen Wandler sind keine externen Komponenten erforderlich, er wird einfach in die Lochplatine gesetzt und sorgt für eine Effizienz von 80 % im Vergleich zu den 50 %, die uns die einfacheren Methoden bieten.
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Der Durchbruch:
Vorteile: Der Wandler ist effizient, benötigt keine externen Komponenten und funktioniert wirklich mit Plug-and-Play.
Nachteile: Dies ist die teuerste Lösung.
Wenn Sie sich fragen, wie die regulierten 5V in den USB-Anschluss kommen, kaufen Sie nur ein Micro-USB-Kabel wie das 687840002 von Molex, knipsen Sie das nicht-Micro-Ende ab und verbinden Sie die 5V mit den richtigen Strom- und Erdungskabeln. Die anderen Kabel bleiben unverbunden.
Wenn Sie ihren Pi mit Batteriestrom versorgen möchten, haben Sie keine andere Wahl. Solange Sie die Methode wählen, die für Sie am besten funktioniert, und die richtigen Sicherheitsmaßnahmen ergreifen, können Sie Ihr Design überall mit Strom versorgen.