Bitek mindenhol, avagy okos tárgyak

Korábban már bemutattam egy működő Raspberry Zero-hoz tervezett csináld-magad szünetmentes tápegységet.
Az előző megoldás, bár működőképesnek bizonyult, és már több mint fél éve proléma nélkül megy, ám mint rámutattak tapasztaltabbak, folyamatosan rátölt az akkumulátorra, ezzel jelentősen csökkentve annak várható élettartamát. Ezúttal az ötletet továbbfejlesztettem, akku-kímélő módon.
A végeredmény ez lett:

A képen még az ADC nincs bekötve, egyébként majdnem kész állapotban van. A LAN-os USB elosztó nem kötelező elem.

Az alapötlet egy relé beiktatása volt, ami szükség szerint kapcsol hálózati, vagy akkumulátoros üzemmód között. A kínai piactéren sok egyszerű megoldást láttam "Smart Battery Charger Power Relay Control Board" néven, ami igazából nem szünetmentes, hanem akkutöltő, és annyit tesz, hogyha megadott feszültségszint alá megy az akku kapacitása, akkor engedélyezi a bejövő töltőáramot, ha megadott feszültségszint fölé megy, akkor pedig lekapcsolja egy relével. Ez is egy megoldás arra, hogy ne legyen állandó a töltés, és ha az akkura van kötve a fogyasztó, akkor szünetmentesnek is nevezhetjük. Ám nem lehetünk biztosak abban, hogy nem éppen akkor merülne az akku a minimális szintre, amikor bekövetkezik egy áramszünet.

Így inkább a másik oldalról közelítettem meg a dolgot, és kihasználtam azt, hogy a mechanikus reléken van egy alapból nyitott, valamint egy alapból zárt kapocs is, ezzel tudok választani a hálózati töltőről jövő áram (DC5V) és az akkumulátor közül (DC3-4,25V). Az egyetlen említésre méltó probléma ezzel a megoldással, hogy a mechanikus relé jellegéből adódóan némi időbe telik, amíg az egyik állásból a másikba kerül a kör (1/10-1/3 másodperc) és addig teljes mértékben áram nélkül marad az eszköz. De nem adtam fel, hiányos elektronikai ismereteim azért kiterjednek a kondenzátorokra, amik képesek lehetnek a szükséges ideig a bennük felhalmozott árammal ellátni az eszközt. Az RPI Zero ugyan nem eszik sokat, ám minden relatív: a normál kondenzátorokhoz képest azért elég sokat kérnek. A kéznél levő 100uF-es kondenzátor természetesen semeddig sem tudta ellátni az RPI-t árammal. Tovább keresve rátaláltam az úgynevezett szuperkondenzátorokra, és próbából szereztem egy 5.5V 0.22F-s modellt, ez a neten fellelhető zavaros számítások szerint képesnek kellett volna legyen egy 5V 0.2A-es fogyasztót ellátni addig a tizedmásodpercig, míg a relé átvált. A gyakorlat viszont nem mindig követi az elméletet, ezúttal sem: az RPI leállt és újraindult, amíg a relé váltott. Bedurvultam és egy izmosabb 5.5V 1F-os szuperkondenzátort szereztem be... Ahogy kihúzom a töltőt a konnektorból (szimulálom az áramkimaradást), a relé kattan, az RPI megy tovább akkuról, mintha mi sem történt volna, uptime változatlan, ssh kapcsolat stabil. :)
Üröm az örömben, hogy amikor a képen látható USB Hub-ra még egy pendrive-ot csatlakoztattam és a LAN kábelt, akkor a fogyasztása nőtt az eszköznek, és az 1F megintcsak kevés lett. Bár kapható 4F-os megoldás is, én inkább két darab 1F-os kondenzátort kötöttem párhuzamosan, így elméletileg nyertem egy 2F-os kondenzátort. És valóban: 2 db 1F kondenzátorral már teljes felszereltséggel is sikerült szünetmentesítenem az RPI Zerot a kapcsolás idejére! (Megj: többet fogyasztó eszközökhöz, amilyen pl az RPI3, feltehetőleg 4F a minimum, de erre vonatkozóan csak tippjeim vannak)

A szükséges anyagok jegyzéke:

 Megjegyzés: az RPI ezúttal nincs benne a költségvetésben, mivel a szünetmentesítésről szól jelen cikk, ezért az ehhez szükséges alkatrészek kerültek feltüntetésre.

Bekötési rajz:

Amint látható a rajzról, az 5V-os tápegység + ágát továbbítja a relé alapból nyitott kapcsára, ez egyúttal a relé (Vcc) tápellátását is ez biztosítja. (Szerencsére akadt még egy 5VDC relé a készletemben, bár már egy ideje csak 3VDC-seket rendelek, amik GPIO-val könnyebben használhatóak, most közvetlenül a bejövő tápellátás vezérli és táplálja a relét) Mivel egy low level trigger típusú relét sikerült kifognom, ezért az IN és a GND lábára is a GND megy, ezzel egyszerűen azt érem el, hogyha van áram, akkor a C kapcson az NO-ra kötött fix betápot, ha nincs áram, akkor az NC-re kötött, akkumulátorral szünetmentesített tápellátási ágat kapcsolom az 5V-os feszültségszabályzó IN+ lábára. Az IN- ra a közös GND kerül, az akkutöltő IN- és OUT- lába ugyanis teljesen azonos, erről multiméterrel bárki meggyőződhet, tehát bármelyiket is viszem tovább a feszültségszabályzó IN- lábára, az eredmény ugyanaz, ezért elméletben ez a kapcsolgatás gondot nem okoz.

Kivéve azt, hogy a mechanikus relé kapcsolásának idejére megszűnik a fogyasztó áramellátása, ami ugyan a másodperc töredék része, de épp elég, hogy újrainduljon. Ezt a már korábban említett (2x) 5.5V 1Farad-os kondenzátor beiktatásával oldottam meg, mely tartja az 5V körüli feszültséget az átkapcsolás idejére. A feszültségszabályzó bemenetére elvileg 2.5-5.5V-ig bármi mehet, így a megadott tartományban a működésének megfelelőnek kell lennie, kimenete pedig stabil 5V (+/-5%), ami az 5.5V-os kondenzátor számára optimális.
Egy baráti jó tanács: a bekötésnél a polaritásra nagyon, de nagyon figyelni kell a kondenzátornál, és az akkumulátornál is, mert könnyen gyors lefolyású fizikai jelenségeket tapasztalhatunk meg.

Az analóg-digitál átalakító ismételten csak azért került a képbe, hogy az RPI le tudja kérdezni, hogy mennyi az akku feszültsége éppen. (az, hogy van-e áram vagy nincs, egyszerű digitális GPIO-ként is elérhető)

Az akkumulátoros üzemidő kizárólag az akku kapacitásától és a fogyasztótól függ, ez esetemben ugyanaz, mint az előző projektben. Mivel a relé fizikailag leválasztja a fogyasztót a TP4056 akkutöltőről, feltehetően nem meríti az akkut, így ha minden a leírás szerint működik, a töltésvezérlő csak akkor tölt rá az akkura, ha szükséges. Ennél akku-kímélőbb egyszerű módszert pillanatnyilag nem tudok. Ami nem jelenti azt, hogy nincs, de bőszen tesztelem jelen megoldást - ami egyelőre működőképesnek bizonyult.

Az akku feszültsége az ADC megfelelő lábának kiolvasásával szintén az előző projektben mellékelt python programmal megoldható, ízlés szerint.