Basics – USV


USV mit Ein-/Aus-Schalter (nur für Bastler)

ACHTUNG: Das Thema hat sich bei mir wegen der Stromkosten von ca. 10 Euro pro Jahr erledigt.

USV = Unterbrechungsfreie Stromversorgung. Das gilt hier zumindest für die Umschaltung zwischen Netzteil und geladenem Akku und umgekehrt. Außerdem wird hier das Thema des Ein- und Ausschalten des Raspberry behandelt, wenn auch sicherlich nicht perfekt. Aber es funktioniert immerhin!

Mein Ziel ist allerdings weniger der Betrieb als USV, sondern nur ein gezieltes manuelles Herunterfahren des Raspberry. Daher fehlen auch die für USV-Betrieb nötigen Akku-Zustandsanzeigen. Aber zumindest lässt sich der Raspberry im laufenden Betrieb von Ort A nach Ort B tragen, wenn es die Akkuleistung mitmacht. (Wem meine Schaltung als USV nicht reicht, kann mal nach “PI USV” suchen. Vielleicht kann die die Dinge leisten, die meiner “USV” fehlen.)

Mein Ziel am 09.05.2014:
Die Akkuzustandsanzeige ist nur rudimentär. Das bedeutet, man kann lediglich an der Helligkeit der roten LED abschätzen, ob der Akku noch voll genug ist. Wenn die rote LED gar nicht mehr brennt, ist die Spannung unter 4,5 Volt und damit außer der Toleranz von 10% bei 5 Volt. Damit wird der Raspi nicht mehr gestartet, bzw. ein laufender Raspi wird heruntergefahren und anschließend von der Spannung getrennt. Ansonsten wird es wie beschrieben: Schalter auf ein: Raspi fährt hoch; Schalter auf aus: Raspi fährt herunter und wird innerhalb einer Minute von der Spannung getrennt. Wenn das alles genauso funktioniert, bin ich zufrieden und beende dieses “Projekt” des sauberen Herunterfahrens des Raspi! Wer noch Tipps für Änderungen braucht, darf sich natürlich gerne melden!

Teilweise erinnert der Text und das Thema an meine Seite mit dem Shutdown-Taster. Das hatte mir aber nicht gereicht. Ich wollte gerne einen vernünftigen Betrieb mit Akku und Netzteil machen, ohne bei einem Wechsel den Raspi neu starten zu müssen. Außerdem verlangt der Raspi nach einem ganz einfachen Schalter für Ein und Aus! Noch nicht aufgefallen?  😕

26.07.2014: Weitere Schaltungsvorschläge für eine Shutdownschaltung oder USV auf Seite 5 des HiFi-Players!

Alle Angaben hier sind auf eigene Gefahr! Ich übernehme keine Schäden oder daraus entstandene Kosten!

Die Softwarelösung, die für den Shutdown verantwortlich ist, wird durch die Doku von Seite 8 abgedeckt, auch wenn ich noch einmal den GPIO-Pin gewechselt habe. Damit ist die auf Seite 8 beschriebene Neu-Kompilierung des Skripts erforderlich. Die auszuwechselnde Datei “shutkey” bitte bei Interesse per Mail anfordern. Aber bitte dazu Seite 8 lesen! Und getestet habe ich die Datei auch noch nicht!

Da es immer noch etwas zu verbessern gibt, ist auf die Version im Schaltplan zu achten.

Die zugehörige Hardwarelösung, die ich nach meinem veralteten Kenntnisstand (ich bin 54) mit Kleinsignaltransistoren (und nicht mit Röhren! 🙂 ) aufgebaut habe, kann gerne dazu dienen, diese zu verbessern. Besonders die zwei stromfressenden Relais sind mir ein kleiner Dorn im Auge. Wenn das gelungen ist, lohnt es sich möglicherweise, die altmodischen Transistoren gegen FET auszutauschen. Es wäre außerdem schön, wenn es für Nicht-Bastler eine Lösung gäbe, wie z. B. die Vermarktung einer solchen Schaltung zu einem fairen Preis. “Fair” ist für mich deutlich unter dem Preis eines Raspberry für alle Teile außer Netzteil, Akku und Gehäuse. Ich habe dafür weniger als 15 Euro benötigt, nutze dafür zugegebenermaßen aber auch eine sehr einfache Schaltung.

Hier die Eigenschaften der Schaltung:

1. Keine Spannung vom Netzteil, keine Spannung vom Akku bedeutet: alles ist aus, auch die rote LED.
2. Das Netzteil wird in die Steckdose gesteckt und lädt den Akku. Wenn der Kippschalter auf “Aus” steht, passiert nichts weiter.
3. Wie 2., aber der Kippschalter steht auf “Ein”, dann startet der Raspberry und zusätzlich leuchtet die grüne LED.
4. Wenn der Akku genügend Spannung hat und das Netzteil aus der Steckdose gezogen wird, wird fast unterbrechungsfrei auf Akku umgeschaltet. Der Raspberry und die LEDs verändern ihren Zustand dadurch nicht.
5. Es läuft der Raspberry, es ist kein Netzteil aktiv und der Akku wird leer, dann stürzt der Raspberry undefiniert ab.
6. Wenn der Raspberry läuft, kann statt des Netzteils auch ein zweiter Akku angeschlossen werden. Sobald am Netzteilanschluss 5 Volt vorhanden sind, wird dieser Anschluss bevorzugt.
7. Wenn der Einschalter während des Betriebs auf “Aus” wechselt (Schalter nach unten), beginnt der Raspberry sofort mit dem Ausführen des Shudown-Befehls und die gelbe LED brennt. Erfahrungsgemäß ist dieser nach weniger als 30 Sekunden beendet. Nach rund einer Minute schaltet die Hardware den Strom am Raspberry aus und sowohl die gelbe, wie auch die grüne LED erlöschen.
8. Bei ausgeschaltetem Raspberry und gestecktem Netzteil benötigt die Schaltung zwei bis drei mA.
9. Bei laufendem Raspberry braucht die Schaltung ca. 30mA, was bei Akkubetrieb die Laufzeit um etwa 5 – 10% verkürzt.
10. Will man die Zeitdauer von einer Minute ändern, so ist zuständige RC-Glied R3 und C1 zu ändern. Grob kann man proportional rechnen: halbe Kapazität oder halber Widerstand entspricht halber Dauer. Den Widerstand aber nicht unter 10 kOhm werden lassen, sonst kann T1 Schaden nehmen!

Etwas Unschönes: Die gezeigte Schaltung arbeitet mit 5 Volt und der IO-Pin des Raspberry mit 3,3 Volt. Im ungünstigsten Fall kann der Raspberry dauerhaft Schaden nehmen!

USV

Für die obige Schaltung, die prinzipiell funktioniert, gibt es die Bauteileliste unten. Ich habe derzeit eine Schaltung in Arbeit, die die bisher fehlenden und vorhandenen Funktionen beinhalten soll (Akku-Füllstandsanzeige und automatischer Shutdown bei schwachem Akku), die aber noch im Test ist! Sollte es gar nichts mit dem dem Eigenbau werden, sehe ich mir “PI USV” genauer an.

“Leider” ist am 10.05.2014 mein HiFiBerry angekommen. Der gefällt mir nun dermaßen gut, dass ich Raspberry + HiFiBerry + Shutdownschaltung mit Akku in meinem zukünftigen Musikzimmer, nämlich dem Wohnzimmer, richtig “hübsch” aufbauen möchte. Die Software wird wieder Volumio werden und die Fernbedienung ist ein alter iPod oder ein Android-Tablet.

Ich möchte dazu die genannten Teile alle in ein bereits genutztes PROMA-Gehäuse einbauen. Dadurch muss ich die bisherige Platine komplett neu kaufen und bestücken. Dazu werde ich vermutlich zwei Wochen brauchen (also ungefähr bis Ende Mai), da ich die Teile erst einmal bestellen muss.

Hier vom 02.05.2014 die Zuordnung der Bauteile zu den Werten als Bestellung. Als Bezugsquelle habe ich bis auf die ersten zwei Punkte, die im Internet zu finden sind, die Firma Reichelt gewählt! Ich habe da keine Aktien, bin aber (bis auf die Versandkosten und den unnütz geschickten Katalog) zufrieden.

Anzahl Symbol Benennung Bestellnummer Einzelpreis Summe
1 Akku PowerPack TeckNet IEP300 13,00 13,00
1 Kabel mit Micro-USB-Stecker 2,00 2,00
1 SV Doppel-Steckernetzteil USB 5V 2x1A USB 230V FLAT 2A 7,00 7,00
1 Gehäuse Raspberry 1593 PI-SW 5,00 5,00
2 USBKabel A-A AK 670/2-1,0 1,00 2,00
1 Lochrasterplatte H25PR075 1,00 1,00
1 USB-Einbaubuchse 2Port USB AW-2 0,28 0,28
1 Buchsenleiste 2×13 BL 2X13G8 2,54 0,28 0,28
1 Kabel 2 adr. 0,5m ML 214-5 1,60 1,60
1 C1 Elko 2200µF 10V AX 105 2200/10 0,46 0,46
2 D1 + D2 Diode 1N4148 1N 4148 0,02 0,04
1 D3 LED rot 2mA 3mm LED 3MM 2MA RT 0,08 0,08
1 D4 LED grün 2mA 3mm LED 3MM 2MA GN 0,08 0,08
1 D5 LED gelb 2mA 3mm LED 3MM 2MA GE 0,08 0,08
2 R1 + R9 Widerstand 330 Ohm 1/4W 330 0,10 0,20
1 R2 Widerstand 150 Ohm 1/4W 150 0,10 0,10
1 R3 Widerstand 150 kOhm 1/4W 150K 0,10 0,10
1 R4 + R5 Widerstand 15 kOhm 1/4W 15K 0,10 0,20
1 R6 Widerstand 270 Ohm 1/4W 270 0,10 0,10
2 R7 Widerstand 10 KOhm 1/4W 10K 0,10 0,10
1 R8 Widerstand 470 Ohm 1/4W 470 0,10 0,10
2 Relais 1 + 2 Relais 5V Wechsler 2A TR5V-M 5V 1,00 2,00
1 S1 Kippschalter 2xUM 2A MS 245 2,00 2,00
2 T1 + T2 Transistor NPN BC548C BC 548C 0,04 0,08
Summe in € inkl. Mwst. ohne Porto/Verp. 37,88

USVUnd hier die Bauteile, die nicht in der Spalte “Symbol” definiert sind, als Foto (Version 0.9 vom 01.05.2014) mit Erklärungen. Auch wenn ich für den Einbau meiner USV ein Raspberry-Gehäuse genutzt habe, so kann man jedes andere passende Gehäuse dafür nutzen!

Das Foto stimmt nicht mehr mit der neuesten Version 1.3 überein. So gibt es inzwischen zusätzlich eine gelbe LED, die für die Zeit des Shutdown-Timers leuchtet.

– Das “Kabel mit Micro-USB-Stecker” ist rechts oben zu sehen, wenn auch der Micro-Stecker außerhalb des Fotos ist. Ich brauchte nur den Micro-Stecker und habe den Stecker auf der anderen Kabelseite abgeschnitten.
– Das schwarze untere Plastikteil ist Bestandteil des “Gehäuse Raspberry”.
– Ganz links ist eines von zwei Kabeln “USBKabel A-A” zu sehen.
– Die “Lochrasterplatte” wurde haarklein passend gesägt um in das Gehäuse zu passen. Außerdem gab es einen Ausschnitt für die LEDs und einen für den Schalter.
– Die “USB-Einbaubuchse 2Port” ist links gut zu erkennen.
– Die “Buchsenleiste 2×13” kann auch kleiner ausfallen. Sie dient lediglich dazu, den Minuspol und den IO-Port-Pin zu verbinden.
– Das “Kabel 2 adr. 0,5m” wurde auf ca. 20cm gekürzt und verbindet den Shutdownschalter in der USV mit den geraden genannten Pins der Buchsenleiste. Es ist rechts mittig zu sehen.

Nebenbei: Hatte ich schon erwähnt, dass ich den Taster des Akkus auf dauerhaft “Ein” geschaltet hatte, damit alles funktioniert? Bei diesem PowerPack geht das sehr gut, da sich der Akku durch Entfernen der beiden Endkappen total auseinander nehmen lässt!

Änderungen, Anmerkungen, Verbesserungen

Änderungen, die den Preis dieser Schaltung über den Preis des Raspberry Pi treiben, möchte ich nicht einbauen. Das gibt es schon.

– Eine preiswerte Akku-Zustandsanzeige. Ein entsprechendes Bauteil habe ich für 13 Euro entdeckt. Geht das auch preiswerter? (Eine Minimalstlösung mit nur einer LED ist im Test.)

Spannungsanzeige– Software-Shutdown bei einer Spannung unter 4,5 Volt: Bei Conrad bin ich zwar fündig geworden (Foto links), bekomme die Schaltung aber nicht für meine Zwecke hin. Ich werde noch einen Test mit einer leicht veränderten Schaltung machen (Version 1.3). Ich bemühe mich, die 15 Euro (ohne Netzteil, Akku und Gehäuse) nicht zu überschreiten!

29.05.2014: Diese Schaltung wird nicht mehr weiterentwickelt und wird im Juli 2014 gelöscht. Wer Interesse hat und etwas für Volumio sucht, wird in meinen HiFi-MP3-Player-Seiten fündig!
10.06.2014: Das Löschen dieser Seite im Juli 2014 mache ich nicht. Diese Seite zeigt die Historie auf, wie es zu der vermeintlich letzten Version mit Mikrocontroller gekommen ist.

Nachtrag vom 05.07.2014: Siehe auch Seite 5 des HiFi-Player “Shutdownschaltung”!