Hier ist ein Vergleich verschiedener billiger Optionen für die Batterieleistung, die alle den Pi innerhalb seiner Spezifikationen versorgen: Ausführen eines Himbeer-Pi aus Batterien [Dieser Link ist tatsächlich tot - und das Durchsuchen der Domäne nach "Himbeerbatterien" schlägt fehl - aber Pikamander2 schlug das unten als edit vor, das angeblich den originalen inhalt enthält (??). Hoffentlich kann dies als gemeinfrei angesehen werden. -> Goldlöckchen]
Betrieb eines Raspberry Pi aus Batterien
Eine der wesentlichen Eigenschaften eines mobilen, auf Raspberry Pi basierenden Roboters ist, dass er mit Batteriestrom betrieben werden muss - das Herumschleppen eines Netzkabels ist wenig sinnvoll.
Das Problem ist, dass der Pi eine nennenswerte Strommenge aufnimmt (z. B. 500 mA, abhängig von der Aktivität und den angeschlossenen Peripheriegeräten) und einen ziemlich engen Eingangsspannungsbereich benötigt (5 V +/- 0,25 V oder so). Da die Batteriespannung je nach Ladezustand sehr unterschiedlich ist, ist es nicht sinnvoll, direkt mit einer Batterie zu arbeiten.
Also habe ich verschiedene Optionen zum Umwandeln von Standardbatteriespannungen in eine für den Pi geeignete Option untersucht.
Verwendung eines Linearreglers
Der traditionelle Ansatz, als ich vor ungefähr 30 Jahren zum ersten Mal an Elektronik bastelte, bestand darin, genügend Batterien zusammenzustellen, um eine deutlich höhere Spannung als 5 V zu erhalten (z. B. 4x nicht wiederaufladbare AA für 6 V oder 6x wiederaufladbare AA für 7,2 V) V) und dann durch einen Linearregler (z. B. IC der Serie 7805) laufen lassen, um konstante 5 V zu erhalten.
Bei diesem Ansatz gibt es zwei Hauptprobleme.
- Linearregler sind ineffizient und verbrennen die Überspannung effektiv als Wärme. Das bedeutet, dass Sie nur die Batterielebensdauer verschwenden und diese Wärme wahrscheinlich auch über einen Kühlkörper abführen müssen.
- Der Pi verbraucht ziemlich viel Strom, so dass er einen ziemlich großen Regler zusammen mit einem großen Kühlkörper benötigt.
Glücklicherweise gibt es heutzutage viel bessere Ansätze in Form von Schaltreglern, die auch bei hohen Strömen viel effizienter sind.
Verwendung eines RC-Modells UBEC
Anständige funkgesteuerte Modelle, insbesondere Flugzeuge, benötigen häufig eine effiziente Stromversorgung mit stabiler Spannung, die mit einer kleinen, leichten Batterie betrieben wird. Der Standardansatz hierfür ist die Verwendung eines Akkus, der über ein als UBEC (Ultimate Battery Eliminator Circuit) bekanntes Gerät verbunden ist, das eine höhere Spannung als die erforderliche Ausgangsspannung aufnimmt und diese sehr effizient herunterwandelt. Während ein linearer Regler, der 500mA-Ausgang von einem 6V-Eingang speist, 500mA verbraucht (was zu einer Leistungsverschwendung von (6-5) x0,5 = 0,5W führt), muss ein UBEC nicht die vollen 500mA aus der Eingangsbatterie ziehen und so verschwendet sehr wenig Strom.
Da UBECs so häufig für RC-Modelle verwendet werden, können Sie sie sehr billig abholen und sie können im Allgemeinen mit einigen ziemlich hohen Strömen umgehen. Zum Beispiel habe ich bei eBay ein 4A-Modell für ca. 1,50 € inkl. Porto gefunden.
Der Nachteil ist, dass Sie mehr Eingangsspannung als die gewünschte Ausgangsspannung bereitstellen müssen, was bedeutet, dass Sie möglicherweise viele Zellen im Akkupack benötigen. Dies ist jedoch eine sehr kostengünstige Option und funktioniert gut.
Verwendung eines DC-DC-Wandlers
Wenn Gewicht Priorität hat, ist es wichtig, die Anzahl der Batteriezellen auf ein Minimum zu beschränken. Glücklicherweise gibt es ein Gerät namens DC-DC-Wandler, das ähnlich wie ein UBEC funktioniert, jedoch mit einer Eingangsspannung arbeitet, die niedriger als die erforderliche Ausgangsspannung ist. Diese sind in der Regel auch sehr klein.
Als ich noch einmal bei eBay nachschaute, fand ich einige wirklich schöne, darunter eine USB-A-Buchse. Dies bedeutet, dass Sie dasselbe USB-Kabel verwenden können, das Sie wahrscheinlich für die Stromversorgung Ihres Raspberry Pi verwenden, ohne Änderungen vornehmen zu müssen. Der Preis hier war ungefähr £ 2.50, mit freiem Porto. Die Eingangsspannung beträgt 3-5V (ideal für 3x wiederaufladbare AA), und der Ausgangsstrom beträgt bis zu 1A, was ausreichend sein sollte.
Verwendung eines integrierten Batteriekastens
Schließlich gibt es verschiedene Lösungen, die wiederaufladbare Batterien und einen DC-DC-Wandler in einem speziellen Gehäuse verwenden. Diese können sehr schön sein, da sie keine spezielle Montage (z. B. Löten) erfordern - einige haben sogar die Batterien bereits eingebaut. Die Option, die ich gewählt habe, verwendet Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Kapazität (18650) (z. B. diese für etwa 10 GBP) ein Paar von eBay) und kostet ca. £ 8 inklusive Porto. Es kann bis zu 2,5 A liefern, was mehr als genug ist, und verfügt über eine integrierte USB-B-Buchse zum einfachen Anschließen sowie eine praktische USB-miniA-Buchse zum einfachen Aufladen. Ein weiteres nettes Merkmal dieser Art von Box ist, dass Sie je nach benötigter Akkulaufzeit zwischen 1 und 4 Zellen einsetzen können.
Ein Nachteil ist, dass diese Kästen ziemlich groß sein können. Die von mir gewählte Größe entspricht in etwa der Schachtel, in der mein Pi von Farnell geliefert wurde.
Wenn Sie sich für die 18650-Option entscheiden, lohnt es sich, sorgfältig zu stöbern. Einige Marken, insbesondere Ultrafire, haben einen schlechten Ruf für Qualität und scheinen ihre Nennkapazitäten nicht zu erfüllen. Diese Batterietypen können bei unsachgemäßer Verwendung auch Feuer oder Explosionen auslösen. Daher sollten Sie sehr vorsichtig mit ihnen umgehen und sicherstellen, dass Sie keine zweifelhafte Marke verwenden.
Berechnung der Batterielebensdauer
Ich habe noch keine Angaben zur Akkulaufzeit für eine dieser Optionen experimentell überprüft, obwohl ich getestet habe, dass mein Pi von jeder dieser Optionen problemlos ausgeführt werden kann (mit Ausnahme der UBEC).
Bei der Berechnung der theoretischen Batterielebensdauer können Sie die auf der Batterie aufgedruckten Milliamperestunden (mAh) nicht einfach angeben, da Sie Spannungen umwandeln. Die Umrechnung in Wattstunden ist am einfachsten. Dabei wird die Spannung mit der mAh-Zahl multipliziert. Das RasPi benötigt ca. 500 mA bei 5 V, was 0,5 x 5 = 2,5 Watt entspricht. Unter der Annahme eines perfekten Wirkungsgrades des Konverters (normalerweise mindestens 90%) kann eine 1,5-V-AA-Zelle mit einer Kapazität von 1000 mAh 1,5 Wh liefern, dh einen RasPi für ca. 1,5 / 2,5 = 0,6 Stunden (oder 36 Minuten) betreiben ) allein. Bei einem Switched-Mode-Konverter (dh einer der letzten drei Optionen) spielt es keine Rolle, ob Sie mehrere Zellen in Reihe oder parallel schalten - in jedem Fall multiplizieren Sie die verfügbare Kapazität grob mit der Anzahl der Zellen benutzt.
Hier finden Sie einen einfachen Vergleich der oben aufgeführten Optionen. Ich hoffe, es hilft Ihnen dabei, eine geeignete Batterielösung für Ihr Pi-Projekt zu finden.
Ladezustand überwachen
Wenn Sie mit Batterien arbeiten, sollten Sie versuchen, den aktuellen Ladezustand zu überwachen, damit Sie die verbleibende Batterielebensdauer abschätzen können. Sie können dies tun, indem Sie die Spannung an der Batterie beobachten - diese sinkt, wenn sich die Batterie entlädt. Abgesehen davon, dass nichtlineare Entladungskurven zugelassen werden (jeder Zelltyp verhält sich anders und hat einen anderen Spannungsbereich), gibt es zwei Hauptschwierigkeiten, wenn ein Pi von einem Spannungswandler betrieben wird.
- Die Eingangsspannung am Pi wird konstruktionsbedingt immer konstant 5 V betragen. Sie müssen also Drähte von der Eingangsbatterie an Ihre Ladungsüberwachungsschaltung anschließen, anstatt die Spannung am Eingang des Pi messen zu können. Bei integrierten Batteriekästen müssen hierfür einige Löcher in den Kasten gebohrt werden, um auf die Batterie zugreifen zu können.
- Da im Pi kein Analog-Digital-Wandler eingebaut ist, können Sie die Spannung nicht direkt mit dem Pi messen. Sie können kleine, billige, eigenständige ADC-Chips erhalten, die über die GPIO-Pins des Pi (z. B. über I2C) zugänglich sind. Dies ist wahrscheinlich die billigste Option. Persönlich habe ich eine Menge ATTiny85-Mikrocontroller herumliegen (im Wesentlichen ein Mini-Arduino), und ich werde wahrscheinlich einen davon verwenden, um die analoge Spannung zu messen, mit Hilfe von Software auf dem ATTiny in eine prozentuale Restanzeige umzuwandeln, und dann Kommunizieren Sie diesen Pegel über I2C mit dem Pi.
Leider kann man den Pi nicht nur über die Software ordnungsgemäß ausschalten, daher gibt es auch ein potenzielles Miniprojekt, um einen softwaresteuerbaren, selbsthaltenden Ausschalter bereitzustellen. Persönlich erwarte ich, nur den manuellen Aus-Schalter zu verwenden, der in den Batteriekasten eingebaut ist. Wenn Sie Li 18650-Zellen verwenden, lohnt es sich, den geschützten Typ zu verwenden, da dieser bei niedrigen Spannungen automatisch abschaltet.