Stromversorgung mit Shutdown für Raspberry Pi im Auto

[Tobi S. (platin)]

Hallo zusammen,

für den Bau eines Autocomputers, der auf dem Raspberry Pi basieren soll, 
benötige ich eine geeignete Stromversorgung im Auto. Nun habe ich schon 
einige Quellen zu diesem Thema herangezogen, und auch eine - nach meinem 
Verständnis - passende Schaltung gefunden.

Da ich von Elektronik und entsprechenden Bauteilen nur wirklich sehr 
wenig Ahnung habe, wende ich mich nun an euch, um bei der Suche nach den 
Bauteilen auf Nummer sicher zu gehen.

Die Schaltung ist im Anhang zu sehen.
[Quelle: 
http://electronics.stackexchange.com/questions/61877/shutdown-controller-for-raspberry-pi-in-a-car]

So nun zur Umsetzung der Schaltung:
ich benötige sowohl 5 Volt (Versorgung für den Raspberry Pi + kleiner 
USB Hub), als auch 12V (500mA) für das Display. Um den Raspberry Pi 
sicher herunter zu fahren benötige ich auch noch 3.3 Volt für die GPIO 
Leiste.

Die Dioden und Widerstände sind bereits angegeben, als KFZ-Relais wollte 
ich dieses nehmen:
http://www.pollin.de/shop/dt/MTU2OTU2OTk-/Bauelemente_Bauteile/Mechanische_Bauelemente/Relais_Zugmagnete/KFZ_Leistungsrelais_SANYOU_SARL_112DM.html
Kondensator muss denke ich auch mit einer höheren Spannung zurecht 
kommen, also dachte ich an diesen:
http://www.pollin.de/shop/dt/OTU5OTg3OTk-/Bauelemente_Bauteile/Passive_Bauelemente/Elkos_Goldcaps/Elko_JAMICON.html
Zur Erzeugung der 5 Volt ein DC-DC Wandler:
http://www.pollin.de/shop/dt/Mzc1ODQ2OTk-/Stromversorgung/Spannungswandler/DC_DC_Wandler/Step_Down_Schaltregler_Modul_DSN2596L.html
und das gleiche Modul noch mal um die 3.3 Volt zu erzeugen.

Auch wenn das Funktionsprinzip der Schaltung im entsprechenden Post zwar 
beschrieben wurde, so habe ich doch noch ein paar Fragen:

Können die geschalteten 12 Volt immer noch eine Spannung von 18 Volt 
übersteigen (durch Spitzen)? Wenn ja wie könnte man das vermeiden?
Würde für die 3.3 Volt, die lediglich als Signal genutzt werden sollen, 
auch der angegebene Spannungsteiler(?) genügen (ebenfalls 
Spannungsspitzen)?

Durch das Lesen von sehr vielen Beiträgen in diesem Forum bin ich zu dem 
Eindruck gelangt, dass ich vielleicht noch dazu schreiben sollte, das 
ich nur um hilfreich gemeinte Antworten bitte. ;)

Ich hoffe es findet sich trotzdem jemand, der mir helfen möchte.

Gruß platin

PS.: Den Artikel über das KFZ-Bordnetz - auf den hier manchmal verwiesen 
wird - habe ich bereits durchgelesen.

[Reiner O. (elux)]

Hi, da ich vor demselben Problem stehe, habe ich mir auch so meine 
Gedanken zu einer Kfz-Stromversorgung gemacht.
Die oben gepostete Schaltung ist aus meiner Sicht Mist. Was passiert, 
wenn Du die Zündung  (Kl. 15 !) aus machst? Das Relais fällt ab und dem 
Raspi wird der Strom geklaut. Daraus resultieren Kartencrashs etc.
Die Sache ist m.M. nach ungefähr so zu lösen:
das Relais wird über die Kl 61 (Ladekontrolle bzw. Kl L bei Compact 
Regelern) oder über die Schlüsselerkennung gestartet. Über einen GPIO 
wird der Zustand der Kl 15 (oder der Schlüsselerkennung) laufend 
eingelesen. Machst Du die Zündung aus, geht der GPIO auf 0 und der Raspi 
fährt sich runter. Ist er unten, wird das Relais geöffnet und die ganze 
Sache ist stromlos.
Daher brauchst man 1 zusätzlichen GPIO, der den Trasistor für das Relais 
zusätzlich ansteuert. Also über eine Diode von Kl 15 wie in der 
Schaltung und eine Diode vom GPIO, sozusagen als Selbsthaltung bis der 
Raspi unten ist.
Ob das so geht weiß ich noch nicht; ich warte auf meinen Raspi (Typ A) 
um das zu testen.

Und: ich nehme normale Kfz-Relais vom Schrott oder so; da liegen die 
zentnerweise rum...

Zu Deinen Fragen:
>Können die geschalteten 12 Volt immer noch eine Spannung von 18 Volt
>übersteigen (durch Spitzen)?

Überlege mal: ist da was drin, das die geschaltete Spannung irgendwie 
begrenzt?

>Würde für die 3.3 Volt, die lediglich als Signal genutzt werden sollen,
>auch der angegebene Spannungsteiler(?) genügen (ebenfalls
>Spannungsspitzen)?

Das macht man so nicht, Du hast ja MaWins Artikel über das KFZ-Bordnetz 
lt. Deiner Aussage gelesen...
Also nein.

MfG
Elux

[Tobi S. (platin)]

Hallo,

korrigiere mich bitte wenn ich das falsch verstanden habe, aber sollte 
der Kondensator das Relais nicht noch einige Sekunden durchgeschaltet 
lassen, wenn die Zündung (ACC)aus geht? Dass der Raspberry Pi über die 
GPIO erkennen soll, wann er herunter fahren soll (Shutdown), habe ich in 
der Tat vergessen in meinem Post zu erwähnen. Allerdings ist das 
natürlich Sinn und Zweck solch einer Schaltung, daher auch der 3,3 Volt 
Zweig (Andernfalls würde man die 3.3 Volt doch vom Raspberry Pi selber 
beziehen...)

Reiner O. schrieb:
> Überlege mal: ist da was drin, das die geschaltete Spannung irgendwie
> begrenzt?

War mir nicht sicher was bei einem Relais "hinten raus" kommt ;)

Gruß
platin

Edit/Nachtrag:
Wie kann man ein Relais über eine Leitung (bei dir Ladekontrolle bzw. Kl 
L bei Compact Regelern) durchschalten lassen und über eine andere 
Leitung (Raspberry Pi ->
Reiner O. schrieb:
> Ist er unten, wird das Relais geöffnet und die ganze
> Sache ist stromlos.
)öffnen?

[Reiner O. (elux)]

Tobi S. schrieb:
> Hallo,
>
> korrigiere mich bitte wenn ich das falsch verstanden habe, aber sollte
> der Kondensator das Relais nicht noch einige Sekunden durchgeschaltet
> lassen, wenn die Zündung (ACC)aus geht? Dass der Raspberry Pi über die
> GPIO erkennen soll, wann er herunter fahren soll (Shutdown), habe ich in
> der Tat vergessen in meinem Post zu erwähnen. Allerdings ist das
> natürlich Sinn und Zweck solch einer Schaltung, daher auch der 3,3 Volt
> Zweig (Andernfalls würde man die 3.3 Volt doch vom Raspberry Pi selber
> beziehen...)

Ja, theoretisch ca.7 s. Was aber, wenn der Raspi dann noch nicht fertig 
ist ?

>
> Reiner O. schrieb:
>> Überlege mal: ist da was drin, das die geschaltete Spannung irgendwie
>> begrenzt?
>
> War mir nicht sicher was bei einem Relais "hinten raus" kommt ;)

Echt nicht? Na das, was im Schaltplan steht: ist ein Schalter. Also das, 
was vorn rein kommt, andernfalls würde ich es wegwerfen... ;-)

> Gruß
> platin
>
> Edit/Nachtrag:
> Wie kann man ein Relais über eine Leitung (bei dir Ladekontrolle bzw. Kl
> L bei Compact Regelern) durchschalten lassen und über eine andere
> Leitung (Raspberry Pi ->
> Reiner O. schrieb:
>> Ist er unten, wird das Relais geöffnet und die ganze
>> Sache ist stromlos.
> )öffnen?

Falscher Ansatz! Von Kl 15 gibt es über die Diode D2 Plus solange an und 
vom Raspi (mit Pegelanpassung) über eine weitere Diode nach dem Booten 
auch. Solange das Gate des FET pos. ist schaltet der durch und das 
Relais bleibt an. Schaltest Du die Zdg. aus, geht die auf 0V, der Raspi 
fängt an runter zu fahren, hält aber die Spannung am FET auf Plus (wegen 
der Diode D2 kein Stromfluss in Richtung Kl 15), Relais bleibt also 
solange an, wie der Raspi seinen GPIO "hoch hält". Ist der Raspi aus, 
geht der GPIO auch auf 0V, das Gate entladet sich über R1 , der FET 
sperrt und das Relais fällt ab. Sozusagen eine ODER Schaltung.

Gruß
Elux

[Tobi S. (platin)]

Reiner O. schrieb:
> Ja, theoretisch ca.7 s. Was aber, wenn der Raspi dann noch nicht fertig
> ist ?

Kann man doch durch größere Kapazität erhöhen. Oder auch durch einen 
größeren Widerstand? Kommt auch drauf an welchen N-Channel MOSFET man 
verwendet, nicht?

Wie dem auch sei, deine 2-Signale-für-einen-Schalter-Lösung ist 
natürlich wesentlich besser, da die Versorgung noch so lange 
gewährleistet ist, bis der Raspberry Pi wirklich heruntergefahren ist.

Könntest du eine Schaltung mit entsprechenden Bauteilen posten, die ich 
"nachbauen" könnte?
Dazu müsste ja nur der Teil unten links abgeändert werden, plus eine 
weitere Leitung die vom Raspberry Pi kommt.

Noch für mich zum Verständnis; spielt es keine Rolle, dass 2 
verschiedene Spannungen (12V Acc, 5V bzw. 3.3V GPIO)am FET anliegen?

Gruß
platin

[Reiner O. (elux)]

Tobi S. schrieb:


> Wie dem auch sei, deine 2-Signale-für-einen-Schalter-Lösung ist
> natürlich wesentlich besser, da die Versorgung noch so lange
> gewährleistet ist, bis der Raspberry Pi wirklich heruntergefahren ist.

Bezüglich dem Relais entspricht das meinen privaten 
Sicherheitsanforderungen im Kfz. Wenn Du hier im Forum ein wenig suchst, 
findest Du allerhand Lösungen, die aus meiner Sicht einen wesenlichen 
Mangel haben (aber sehr wohl funktionieren...): der Strom wird per 
Transistor geschaltet!
Wenn beim Starten (wo die ganze Sache ja noch aus ist...) die 
Bordnetzspannung so richtig in Bewegung ist oder bei anderen Umständen 
Spannungsspitzen auftreten kann der Transistor ziemlich leicht 
beschädigt werden. Da gibt es nun 3 Möglichkeiten:
1. Der Transistor wird durchschlagen und das Kristall oder die Bondung 
verdampft. Gut -> eindeutiger Zustand: hochohmig.
2.  Der Transistor wird durchlegiert und leitet ständig. Schlecht.
3.  Der Transistor wird beschädigt und nimmt irgend einen Zustand ein...
da ist ein mechanisch schaltendes Relais nicht die schlechteste Lösung 
und mir sitzt ja kein Einkauf oder so im Nacken und heult rum. ;-)

> Könntest du eine Schaltung mit entsprechenden Bauteilen posten, die ich
> "nachbauen" könnte?

Wenn Du Zeit hast -> gerne (ich lese mich grade in das RiscOS ein, das 
bootet so schön schnell...), danach baue ich die Regelei mit einem Atmel 
auf und wenn ich weiß, wieviel Strom ich brauche kommt das Netzteil 
dran. Dauert also noch ...

> Dazu müsste ja nur der Teil unten links abgeändert werden, plus eine
> weitere Leitung die vom Raspberry Pi kommt.

Na nicht nur das: die Eingänge müssen entsprechend geblockt werden ( L 
und Cs...), Pegelanpassung vom Pi an den FET (mal sehen, was ich hier so 
an LL-FETs rumliegen habe...), Schaltregler mit MC34063 als 5V Quelle 
(sieh mal hier: http://www.mikrocontroller.net/articles/MC34063 )...
Da das Ganze ja im Auto laufen soll, kommt nur ein Schaltregeler in 
Frage, wegen der Wärmeentwicklung. Ich denke, ich habe noch ein paar 
PS78ST105 rumliegen, mal sehen.
Für den "Meßeingang" fehlt auch noch eine Entstörung.
Für solche Sachen verwende ich eine bewährte Kombination aus Rs, C und 
ZDs oder Dioden.
Siehe http://r-ost.de/atmel/lin/lin.html , da siehst Du eine bewährte 
Schaltung, die an einem Scheibenwischermotor arbeitet und das schon seit 
Jahren...

> Noch für mich zum Verständnis; spielt es keine Rolle, dass 2
> verschiedene Spannungen (12V Acc, 5V bzw. 3.3V GPIO)am FET anliegen?

siehe oben... hängt vom verwendeten FET ab.

Gruss aus Berlin

Elux

[Tobi S. (platin)]

Hallo,

ich habe mich mal an einem Schaltplan versucht :)

Funktioniert das so mit dem doppel Signal am MOSFET?
RPI_IN soll verwendet werden um zu sehen wann ACC aus ist.
RPI_OUT geht auf low wenn der RPi heruntergefahren ist.

Auf diese Weise müsste der FET doch geschützt sein, kommen ja nur 3.3 
Volt bei ihm an.
Schaltet so ein Relay überhaupt mit 3.3 Volt?

Ich weiß, dass ich im Schaltplan Linearregler verbaut habe, diese würde 
ich aber durch den oben erwähnten Step-Down Wandler ersetzen, sofern bei 
solchen Wandlern egal ist, ob die Eingangsspannung nicht konstant ist. ( 
Frage ;> )

Falls ich bei der Regler-Variante bleiben würde, könnte ich ggfs. 
zusätzlich zu Kühlkörpern auch einen kleinen Lüfter verbauen.

Wie könnte ich die 12V die aus dem Relays kommen auf sagen wir mal max. 
16 Volt begrenzen?

Gruß
platin

[Sam D. (samduncan)]

Hallo zusammen

Wie lange hab ich schon nach einer solchen Schaltung gesucht! Danke für 
das Thema, platin.

Deine letzte Schaltung verstehe sogar ich als Elektronik-Laie 
einigermassen und deckt sich ansatzweise mit meinen unbeholfenen 
Überlegungen.

Welche Bauteile wirst du verwenden? Bzw. welches Relais und welche 
Transistoren wirst du verbauen?

Was ich mir noch überlegt habe: Wenn man Zündung einschaltet und wieder 
ausschaltet bevor der Pi hochgefahren ist und die 3,3 V Unterstützung 
liefert, dann wird dem Pi der Saft sofort abgeschaltet. Wäre es nicht 
möglich, einen (oder mehrere) Kondensatoren vor das Relais zu schalten, 
damit diese dem Pi Zeit geben können? Der Pi kann dann fertig 
hochfahren, merkt, dass die 3,3 V von der Zündung nicht kommen und fährt 
wieder sauber herunter.

Ich wäre glücklich wenn am Ende ein funktionierender Schaltplan 
herauskommt. :-) Leider ist mir noch nicht klar was bzw. wo in der 
Schaltung ein Linear-Regler hin soll oder wo der Step-Down-Wandler 
sitzt.
Noch eine andere Frage: Ist es sinnvoll, eine Sicherung (vll. 2 A) 
einzubauen?

Bin gespannt wie's weitergeht.
samduncan

[San L. (zwillingsfreunde)]

Tobi S. schrieb:
> Falls ich bei der Regler-Variante bleiben würde, könnte ich ggfs.
> zusätzlich zu Kühlkörpern auch einen kleinen Lüfter verbauen.

In erster Linie solltest du vor allem Kondensatoren vor und nach den 
Reglern verbauen. Siehe Datenblatt.

Tobi S. schrieb:
> Schaltet so ein Relay überhaupt mit 3.3 Volt?

Relais brauchen einen bestimmten Strom zum schalten. Auch den kannst du 
aus dem Datenblatt entnehmen.

Tobi S. schrieb:
> Wie könnte ich die 12V die aus dem Relays kommen auf sagen wir mal max.
> 16 Volt begrenzen?

Ganz simple Lösung wäre eine Z-Diode. Wie schlau das in einem Kfz ist 
weiss ich nicht.