Mehrere Stromquellen für Raspberry Pi

[Martin R. (didosa)]

Hallo zusammen

Um es vorweg zu nehmen: ich habe in der fünften Klasse einen "Kosmos 
electronic X1000 Beginner" Experimentierkasten besessen. Da ich die 
Vorwiderstände bei den LEDs für Stromverschwendung hielt, waren bald 
alle LEDs kaputt und meine Elektronik-Karriere am Ende. Mein 
Wissensstand hat sich seither nicht wesentlich weiterentwickelt, drum 
bitte ich im Voraus um Nachsicht.

Meine Fragen: Ich möchte meinen Raspberry Pi, den ich unterwegs und 
zuhause nutze, über verschiedene Stromquellen speisen, und im laufenden 
Betrieb umschalten können. Aktuell nutze ich Powerbanks mit pass-through 
charging, die also gleichzeitig geladen und genutzt werden können, 
allerdings ist da die Auswahl recht klein, und die Dinger sind mir zu 
gross (ich will alles in einem sehr kleinen Gehäuse unterbringen). Mein 
Plan ist, dass ich zuhause sowohl über USB als auch über einen wireless 
charger betreiben und laden kann, und über eine 3000mA Zelle unterwegs 
ca. 2h unabhängig bin. Ich will eine möglichst einfach Schaltung bauen, 
und habe mir den angehängten Plan ausgekeckt. Kann das funktionieren?

Meine Fragen sind:
- ist es sehr blöd, immer über den DC-DC Converter zu gehen? Ich 
verliere ja über den vielen Dioden etwas Spannung, darum sehe ich keine 
Alternative. Gibt es einfachere Lösungen?
- Brauche ich so viele Dioden? Ich will einfach verhindern, dass z.B. 
der Akku sich selbst zu laden versucht (D3), oder der Kondensator 5V in 
den Akku drückt (D4), oder der USB-Strom in den Wireless Charger fliesst 
(D2).
- Für C1 habe ich 1F(!) geplant. Wäre es schlauer, einen kleineren 
Kondensator zu nehmen? Ich muss ja nur sehr kurze Aussetzer überbrücken. 
Ich fände es einfach cool, 1 Farad zu haben, da ich mich an den Stolz in 
den Augen meines Physik-Lehrer erinnere, als er uns einen 
ein-Farad-Kondensator in der Grösse eines Apfels präsentierte.
- Wird das Ding, wie damals die LEDs, in Rauch aufgehen?

Danke im Voraus!
Martin

[Günni (Gast)]

Um es mal so zu sagen, Baugruppen ohne Verständnis der Funktionsweise 
zusammenzukloppen ist genau so Pfusch, wie LEDs ohne Vorwiderstand zu 
betreiben. Deshalb war auch die Reaktion auf diese Anfrage eher sparsam. 
Der erste vernünftige Schritt war schon mal, zur Entkopplung Dioden 
vorzusehen. Beim Übergang von einer Quelle zur anderen benötigt man 
keinen großen Kondensator, solange die Spannungen nicht sehr voneinander 
abweichen - was sie besser nicht sollten. Spannungssprünge der 
Versorgungsspannung sind nicht gut, selbst wenn beide Spannungen im 
Bereich der zulässigen Versorgung liegen. Ein Vorwiderstand in der 
Versorgung von Prozessoren ist ungünstig, da dann die Spannung am 
Prozessor bei Änderung der Stromaufnahme schwankt. Also erst einmal im 
Netz informieren und dann gezielt nachfragen. Nur Dinge "irgendwie" 
zusammenzufummeln führt selten zum Erfolg und da will auch niemand so 
recht helfen, weil ohnehin nichts Sinnvolles als Ergebnis zu erwarten 
ist. Sorry für den Klartext, aber es erschien mir sinnvoll und nötig. 
Natürlich kann ich mich mit meiner Einschätzung irren. Dann werden sich 
hier Andere zu Wort melden.

[Martin R. (didosa)]

Hallo Günni

Danke für Deine offene Antwort. "Ohne Verständnis der Funktionsweise" 
ist zwar etwas harsch formuliert, aber ich sehe, dass ich zuerst die 
Grundlagen ausbauen muss. Dann werde ich auch die Antworten auf 
zukünftige Fragen besser verstehen (so ich verstehe zum Beispiel nicht, 
auf welchen Vorwiderstand Du Dich beziehst...). Danke für Deine Zeit und 
alles Gute!
Liebe Grüsse
Martin

[Günni (Gast)]

Hallo Martin,
ich hatte zwar geschrieben, dass ich mich irren kann, aber eigentlich 
wollte ich das nicht gleich beweisen. Trotzdem habe ich beim Widerstand 
R1 übersehen, dass der nur bei der Ladung des Kondensators wirkt und 
nicht vor dem Schaltnetzteil liegt. Tut mir leid.
Meine etwas barsche Formulierung liegt daran, dass ich lange Jahre Leute 
ausgebildet habe und so überempfindlich reagiere wenn ich den Eindruck 
habe, dass jemand nicht erst überlegt und Grundlagen recherchiert 
sondern einfach "drauf los bastelt". Da sind manchmal größere Schäden 
entstanden.
Andererseits versuche ich, Leuten, die mich fragen, auf den - 
hoffentlich - richtigen Weg zu führen.
Aber hier noch ein paar Überlegungen: Es sind zwar Schottkydioden mit 
geringer Schwellspannung vorgesehen, aber allein von der USB-Versorgung 
bis zum Schaltregler gehen etwa 0,5 V (2 Schwellspannungen) ab und es 
kommen dann noch etwa 4,5 V an. Soll dann der Kondensator Zeiten 
überbrücken, ist er idealerweise auf diese 4,5 V aufgeladen, aber diese 
Spannung wird wieder um die D5-Diodenschwellspannung reduziert. Ein 
Schaltregler benötigt (falls ein Step-down-Converter) eingesetzt wird, 
eine Mindesteingangsspannung, da er sonst ein sehr "ungesundes" 
Verhalten zeigt. Bis zur 3,3 V Ausgangsspannung fällt nämlich einmal 
etwas Spannung über dem (Längs-)Schalttransistor ab und auch über der 
Spule entsteht ein Spannungsabfall durch deren ohmschen Widerstand. Im 
schlimmsten Fall bleibt dann irgendwann der Schalttransistor dauerhaft 
leitend und die Speicherdrossel wirkt nur noch als Vorwiderstand. Von 
Regler kann dann keine Rede mehr sein.
Ich hätte deshalb z.B. statt der D3 eine Diode direkt von der USB Quelle 
und eine weitere von den wireless 5 V an den Punkt, an dem jetzt D3 und 
D4 zusammentreffen geführt. Eine Diode mehr, aber eine Schwellspannung 
weniger auf dem Weg zum Wandler. Durch D1 und D2 wird dann nur der 
Charger versorgt, der Strom von beiden Quellen zum Wandler fließt über 
eigene Dioden.
Wie groß ist nun die Spannung aus dem LiPo-Charger? Ist die überhaupt 
hoch genug, um den Kondensator zu laden und dann um die 
D5-Schwellspannung verringert den Schaltregler zu bedienen?
Wie gesagt: Erst ein sinnvolles Konzept (mit Spannungswerten und 
Toleranzen) überlegen und dann entscheiden, welche Spannungen auf 
welchem Weg den Prozessor versorgen.

[Voodoo (Gast)]

Es gibt für so etwas auch einfach ICs die zwischen verschiedenen Quellen 
umschalten. Der IC schaltet dann einfach MOSFET Schalter.

Vor allem glaube ich nicht das du mit 5V 1A Wireless Charging glücklich 
wirst wenn du gleichzeitig deinen LiPo laden willst und den Raspi 
betreiben. Das Konzept ist auch meiner Sicht genau so ausgereift wie die 
Idee mit den Vorwiderständen.

USB sollte eigentlich auch so ausgelegt sein das erst mal nur 500mA max 
gezogen werden. Sonnst kommt irgend wer mal auf die Idee die da ein USB 
einzustecken was deine Anforderungen nicht kennt und sich dann 
beschwert.
Bitte bitte lese mal die USB Spezifikation.

Ich werde nicht anfangen aus einem Bild Aliexpress Links abschreiben um 
eine Idee davon zu bekommen was du Basteln willst. Wenigstens ist schon 
mal ein Schaltplan dabei.

[Martin R. (didosa)]

Günni, Voodoo

Vielen vielen Dank für Eure Antworten! Ich kann ein bisschen besser 
programmieren als löten, und ich ärgere mich furchtbar über jene, welche 
wild Code von irgendwo her kopieren ohne ihn zu verstehen, und dann in 
Foren fragen, warum es nicht funktioniert. Ein bisschen so fühle ich 
mich grad...

Jedenfalls vielen Dank für die Rückmeldungen. Ich habe den Schaltplan 
angepasst und versucht, die Potentiale einzuzeichnen. Der Raspberry Pi 
braucht 5V und 810mA (Model 3 A+). Der DC-DC Wandler ist ein step-up, 
gemäss Alibaba-Angabe von 1V-5V auf ca. 5.1V. Ob das stimmt, und wie 
viel Strom bei 2V Eingang noch fliesst, muss ich wohl genauer anschauen. 
Die USB Quelle ist ein Netzgerät und liefert 2.1A. Voodoo, Du hast 
natürlich Recht, Betreiben und Laden via 1A Wireless geht nicht, ich 
habe das weggelassen.

Das Hauptproblem ist jetzt wohl, dass ich beim Betrieb aus dem Akku eine 
sehr tiefe Spannung habe, bzw. beim Wegfall der externen Stromquelle die 
Spannung sich quasi halbiert. Kann das der DC-DC Wandler unmittelbar 
ausgleichen? Zudem ist es vielleicht auch ein Problem, dass manchmal die 
Eingangsspannung und Ausgangsspannung des Wandlers fast gleich ist, 
Günni, wäre das dann auch ein ungesundes Verhalten?

Vielleicht werde ich mal versuchen, das so zusammenzubauen. Ich hatte 
auch eine Variante angedacht, wo ich über einen mechanischen Schalter 
die Stromquellen umschalte, da würde ich mir einige Dioden sparen. Der 
Kondensator muss dann aber die Umschalt-Zeit überbrücken, was wohl auch 
schwierig ist, wenn er nur mit der Spannung aus dem Akku geladen ist. 
Fragen über Fragen...

Voodoo, wie heissen die ICs, die so etwas können? Kaufen wäre in diesem 
Fall wohl wirklich schlauer als bauen.

Vielen Dank nochmals für Eure Unterstützung!
Liebe Grüsse
Martin

[Günni (Gast)]

Martin R. schrieb:
> braucht 5V und 810mA (Model 3 A+)

Da ein USB-Ausgang eines PCs nach Spezifikation nur 500 mA liefern kann 
(und da auch begrenzt sein sollte), nehme ich an, dass "USB" wegen der 
2,1 A ein Steckernetzteil ist.

Mal eine überschlägige Abschätzung (ich weiß, dass das doppelt gemoppelt 
ist): Bei einem Step-Up-Regler ist der Eingangsstrom immer höher als der 
Ausgangsstrom, da ja die Eingangsleistung um die Verluste höher als die 
Leistung am Ausgang sein muss. Der Bedarf des Raspi mit 5V 0,8A (ich 
lasse die weiteren Nachkommastellen zur Vereinfachung mal weg) sind 4W. 
Wegen der Verluste wird der Wandler im ungünstigen Fall 4,5 W ziehen. 
Hat sich die Eingangsspannung auf 2,5 V reduziert, sind das dann knapp 2 
A. (Sinkt die Spannung weiter, steigt der Strom entsprechend.) C1 kann 
optimal eine Ladung von 5 As speichern. Aber schon wenn 2,5 As 
abgeflossen sind, ist die Spannung auf 2,5 V abgesunken. Übrigens können 
nicht alle Supercaps hohe Ströme ab, da bitte ins Datenblatt sehen.

Um Erfahrungen zu sammeln, ist es schon gut, so etwas selbst aufzubauen 
und nach und nach zu optimieren. Wenn etwas zuverlässig funktionieren 
soll, kauft man erprobte Lösungskonzepte fertig aufgebaut. Nur dann 
lernt man nichts hinzu.

[Sascha W. (sascha-w)]

Dein LiPo-Charger ist so ein Fertigmodul? Die dort eingebaute 
Schutzschaltung trennt den Akku erst an der Grenze zur Tiefentladung, 
für einen normalen Betrieb nicht zu empfehlen zumal der PI dann einfach 
ausgeht.
Warum verwendest du bei deinem Kentnissstand nicht einfach so ein 
fertiges USV Shield. Da ist alles dabei, auch das der PI runtergefahren 
wird wenn der Akku leer ist. Dein Dioden-OR für 5V Netzteil und 
Wireless-Charging kannst du da evl. noch davor basteln.

Sascha

[Chris (Gast)]

Learning by doing hat auf jeden Fall den besten Lerneffekt. Allerdings 
ist dieses Projekt doch schon etwas sehr groß für den Anfang und es gibt 
zu viele Punkte, bei dennen das grundlegende Wissen fehlt. Das ist nicht 
weiter schlimm, aber erzeugt erst mal Frust weil die Schaltung dann 
nicht funktionieren wird.

Die Idee, direkt vor dem Raspberry einen 5V Step-Up Wandler zu packen 
ist gut bzw. sogar notwendig. Damit kannst du den Spannungsabfall der 
Dioden ausgleichen. Ich weiß aber nicht, ob du dir das mit dem 1 F 
Kondensator antun willst. Wenn du eh schon eine Batterie hast, bringt 
der Kondensator einfach nichts mehr...

Es gäbe auch noch Controller, welche aus FETs "ideale Dioden" machen. 
Dadurch hast du dann quasi keinen Spannungsabfall mehr, wird aber wohl 
Overkill sein.

Ich persönlich würde mich nach einem diese Multi-Input DCDC-Wandler fürs 
Energy Harvesting umsehen (z.B. LTC3331, wobei der zu wenig 
Ausgangsstrom zur Verfügung stellt). Das sind meist aber schon ganz 
große ICs. An die kannst du dafür aber einfach sowohl deinen Akku, 
Kondensator, 5V, Solarzellen etc direkt anschließen und der IC 
entscheidet, woher die Energie bereitgestellt wird.

[Martin R. (didosa)]

Hallo zusammen

Vielen Dank für die Rückmeldungen! Günni, ja, es ist ein USB Netzteil 
mit 2.1A. Und ich muss wohl mal Entladungskurven von Kondensatoren 
studieren. Aber wie Chris sagt, der Supercap bringt mir wohl mehr Sorgen 
als etwas anderes. Im aktuellen Setup ist er ja wohl gar nicht nötig, je 
nach dem, was beim rapiden Spannungsabfall von USB-Betrieb auf Akku 
passiert.
Allgemein geht es mir hier wirklich darum, etwas mit einfachen Mitteln 
selbst zu basteln, und dabei so viel wie möglich zu lernen (bei 
verkraftbarem Kollateralschaden). Das Ganze muss auch nur für mich 
funktionieren; das heisst, ich freue mich, wenn es funktioniert, und 
solange es nicht in Flammen aufgeht, ist es ok. Darum will ich auch 
(noch) nicht auf ein USV-Shield zurückgreifen. Und als langjähriger 
Hobby-Programmierer bringe ich die nötige Frusttoleranz wohl mit. Ich 
werde mal versuchen, die Schaltung Schritt für Schritt aufzubauen und 
besser zu verstehen, und vielleicht funktioniert's am Ende. Parallel 
dazu kämpfe ich mich durch "Teach yourself Electricity and 
Electronics"...

Vielen Dank für Eure Unterstützung!
Liebe Grüsse
Martin