Stromversorgung - allgemein

Alle Schaltungen eines TonUINO benötigen eine stabilisierte Eingangsspannung von +5 V, die von einer Stromversorgung auf unterschiedliche Arten bereitgestellt werden kann.
Unabhängig von der Art bestehen alle Stromversorgungen prinzipiell aus den gleichen elektrischen Funktionseinheiten.
Eine Darstellung als Blockschaltbild macht das Zusammenwirken in der Stromversorgung deutlich:
Abhängig von der gewählten Energiequelle und weiteren Anforderungen können diese Komponenten sehr unterschiedlich aussehen.
Bei Verwendung einer Power Bank oder eines Battery Shields sind sogar mehrere Funktionseinheiten zu einer einzigen Baugruppe zusammengefasst.


Allgemein ist davon auszugehen, dass ein TonUINO für den mobilen Einsatz komzipiert wird. Damit ist eine netzgebundene Stromversorgung ein Sonderfall, der hier nicht weiter beschrieben wird.
Für mobile Geräte hat sich heute weitestgehend die Stromversorgung mit Akkus durchgesetzt, die auch für den TonUINO empfohlen wird.

Die unterschiedlichen Möglichkeiten einer Stromversorgung mit Akku werden gesondert vorgestellt.

Laufzeit des TonUINO

Die erreichbare Laufzeit mit einem voll geladenem Akku ist bei einem mobilen Gerät von entscheidender Bedeutung für Akzeptanz und Zweckmäßigkeit. Um sinnvolle Abschätzungen und Prognosen machen zu können, ist es wichtig, den Strombedarf des TonUINO, sowie auch die Betriebsdauer realistisch abzuschätzen.

Eine Laufzeitabschätzung könnte wie folgt aussehen:

Mit diesen Annahmen errechnet sich ein Verbrauch von 600 mAh pro Tag, woraus sich eine (theoretische) Laufzeit von 10 Tagen ergibt.
Damit diese Laufzeit erreicht werden kann, muss der TonUINO natürlich zuverlässig abgeschaltet oder in den Ruhemodus versetz werden, wenn er nicht in Benutzung ist.

Eine automatische Schaltung in den Ruhemodus oder eine vollständige Abschaltung ist bereits in der Firmware des TonUINO vorgesehen, muss aber durch den Einsatz eines geeigneten Schalters unterstützt und umgesetzt werden.
Entsprechende Schalter werden gemeinsam mit den unterschiedlicher Stromversorgungen vorgestellt.

Strombedarf des TonUINO

Der Strombedarf eines TonUINO ist abhängig von den Hörgewohnheiten und der verbauten Zusatzausstattung.
Dies sind Erfahrungswerte oder Annahmen, da die verfügbaren Datenblätter z. T. keine verlässlichen Angaben enthalten.
Dennoch lässt sich der Strombedarf einigermaßen abschätzen und man kann für weitere Planungen von folgenden Werten ausgehen:
Stromaufnahme Gerät / Betriebsart
7,5 mA Arduino Nano (sleep)
25 mA Arduino Nano (Betrieb)
13 mA MFRC522 (standby)
25 mA MFRC522 (Betrieb)
20 mA DF-Player (Ruhe)
600 mA DF-Player (volle Lautstärke = ca. 3 W)
45 mA Neo-Pixel, pro Pixel (= 3 x LED) (volle Helligkeit)
1000 mA 24 x Neo-Pixel (volle Helligkeit)
  1. Für einen TonUINO ohne Zusatzausstattung sollte eine Stromversorgung, die 1 A bis 1,5 A Strom stabil liefern kann für jede Betriebsbedingung ausreichen.
    Stromversorgungen mit geringerer Leistung sind auch möglich, da davon auszugehen ist, dass mit verminderter Lautstärke gehört wird.
    Dann jedoch muss ev. ein Stützkondenstor eingesetzt werden, um Lautstärkespitzen problemlos wiedergeben zu können.
  2. Der Einsatz von Neo-Pixel Applikationen treibt den Strombedarf schnell nach oben. Bei 24 Leuchteinheiten pro Neo-Pixel Baugruppe steigt der Strombedarf um bis zu 1 A pro Baugruppe.
    Damit ist dann schnell ein Strombedarf von 2,5 A und mehr erreicht.
  3. Im Leerlauf wird der TonUINO einen Strombedarf von ca. 50 - 60 mA haben
  4. Im Sleep Modus (nach Abschaltung durch internen Timer) verbleibt noch ein Strombedarf von weniger als 40 mA

Versorgung aus Power Bank / Battery Shield mit einfachem Schalter

Das Batery Shield für Akkus des Typs 18650 vereint Ladeschaltung und Spannungsregler in einer gemeinsamen Baugruppe.
So ist der Anschluss des TonUINO recht einfach, bietet aber auch wenig Komfort, da das Ein- und Ausschalten über einen mechanischen Schalter erfolgt.
Zur besseren Kontrolle sollte bei dieser Art der Stromversorgung eine gut sichtbare Betriebsanzeige (LED) vorgesehen werden.

Ein Akku des Typs 18650 bietet eine Kapazität von bis zu 3400 mAh, was entsprechend der Annahme für eine Laufzeit von 1 Woche und mehr ausreichen sollte.

Hinweis:
In das abgebildete Shield passen nur Akku-Zellen der Bauform "Flat Top", die ebenfalls übliche Bauform "Button Top" (sieht aus, wie eine handelsübliche Batterie) ist wenige Millimeter länger und passt nicht in den Halter.

 

Versorgung aus Power Bank mit Auto-Abschaltung

Ganz ähnlich wie ein Battery Shield vereint auch eine Power Bank Ladeschaltung, Akku und Spannungsregler zu einer kompakten Baueinheit.

Die meisten Hersteller rüsten ihre Power Bank jedoch zusätzlich mit der Funktion "Auto-Abschalten" aus. Dabei überwacht die Power Bank die Stromaufnahme des angeschlossenen Gerätes und schaltet ab (eigentlich: schaltet in den Energiesparmodus), sobald eine Mindeststromaufnahme unterschritten wird.

Die Funktion "Auto-Abchalten" ist für die Stromversorgung eines TonUINO sehr interessant, weil der TonUINO selbst sich durch einen "Abschalt-Timer" in den Energiesparmodus versetzen kann und die Stromaufnahme dadurch unter 40 mA fällt.
In den meisten Fällen ist das ausreichend, um die Auto-Abschalt-Funktion der Power Bank zu aktivieren, so dass der TonUINO ganz ohne zusätzliche Schaltungsmaßnahmen abgeschaltet wird.

Zum (wieder) Einschalten des TonUINO muss man folgendes wissen und in der Schaltung berücksichtigen: Hinweis:
Die Funktion "Auto-Abschalten" der Power Bank kann in Verbindung mit dem TonUINO nicht immer zuverlässig genutzt werden, da die Kalibrierung der Power Banks (selbst bei gleichem Hersteller und auch gleicher Serie) stark schwankt, so dass die Reduzierung der Stromaufnahme des TonUINOs in seltenen Fällen nicht ausreicht, um die Funktion zu aktivieren. Es wird empfohlen, vor Beginn der eigentlichen Bauphase einen Test mit den real verfügbaren Baugruppen zu machen.

Es wird auch von Power Banks berichtet, bei denen die normale Stromaufnahme eines TonUINO nicht ausreicht, um sie dauerhaft aktiv zu halten. In diesen Fällen muss die Stromaufnahme des TonUINO durch weitere Maßnahmen "künstlich" erhöht werden.

Versorgung mit Power Bank / Akku und elektronischem Schalter

Gezeigt ist hier eine Stromversorgung mit separatem Akku, Ladeschaltung und Spannungsregler als eigenständige Baugruppen,
Genauso gut kann aber auch ein Battery Shield oder eine Power Bank eingesetzt werden.

Die wesentliche Ergänzung ist der elektronische Schalter (Pololu), der für mehr Komfort und eine sichere Steuerung sorgt.


Programmierung Die Standard-Firmware liefert zwar schon ein Abschalt-Signal für elektronische Schalter an D7. Zur Steuerung des Pololu-Schaltersmuss dieses Signal jedoch invertiert werden, was in der "constants.hpp" vor dem Compilieren durch Aktivierung von "#define USE_POLOLU_SHUTDOWN" geschieht.

Stromversorgung für Faule

Die "Stromversorgung für Faule" bietet mit wenigen Bauteilen eine sehr komfortable Stromversorgung. Auch in dieser Variante wird der elektronische Schalter (Pololu) eingesetzt, der für hohen Komfort und eine sichere Steuerung sorgt


Die LED zur Betriebsanzeige ist nicht zwingend erforderlich, verhindert in Grenzfällen jedoch, dass die Powerbank in den Energiesparmodus schaltet sobald der Stromverbrauch des TonUINO zu gering wird (z. B. bei leisen Passagen oder im Pause Modus).

Powerbank - USB-C Ausgang

Soll eine Powerbank als Energiequelle verwendet werden, ist es am einfachsten ein einfaches USB-Kabel aufzutrennen und die freien Leitungsenden mit den Versorgungspins des TonUINO zu verbinden. Sogar ein einfacher Schalter lässt sich so problemlos integrieren, wie in den obigen Beispielen gezeigt.

Sehr gut geeignet sind einfache USB-Kabel mit (zumindest einem) ASB-A Stecker. Dieser Stecker ist zwar groß, dadurch aber auch außerordentlich robust und geeignet für die einfachste und ursprünglichste USB-Verbindung.
Verfügt die ausgewählte Powerbank über eine USB-A Buchse, sollte diese unbedingt verwendet werden.

Zum Laden verfügen aktuelle Powerbanks inzwischen immer über einen USB-C Anschluss. Einige verzichten dann schon aus Platzgründen auf USB-A Buchsen und haben weitere USB-C Buchsen zum Anschluss von Verbrauchern.

Steht zu Spannungsversorgung nur noch eine USB-C Buchse zur Verfügung, müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, da USB-C Schnittstellen jetzt "intelligent" sind und es nicht mehr ausreicht (wie bei allen anderen USB-Schnittstellen) die Vcc und GND Leitung zu belasten. Der "intelligenten" USB-C Spannungsquelle muss nun über eine CC-Leitung (CC = Control Channel) mitgeteilt werden, dass das angeschlossene Gerät mit Energie versorgt werden soll.

Über diese CC-Leitungen erfolgt normalerweise ein Datenaustausch zwischen Energiequelle und Verbraucher, so dass weit höhere Leistungen angefordert werden können als die ursprüngliche USB-Spezifikation vorsieht.(Stichworte: Schnellladung, Versorgung von Notebooks) Werden aber nur % V, wie für den TonUINO benötigt, reicht es aus, die beiden CC-Leitungen jeweils mit 5,1 kOhm gegen GND zu schalten.
Dadurch erhält die Powerbank dann die Energieanforderung und liefert die erwarteten 5 V an den TonUINO.


Im Fall der aufgetrennten USB-Leitung sollten 6 - 8 Einzeladern zu sehen sein. Da sich Hersteller jedoch vielfach nicht an einen vorgegebenen Farbcode halten, wird empfohlen, die Leitungszuordnung mit Hilfe eines USB-C Breakoutboards und eines Multimeters auszumessen.
Farbe Funktion
Rot VBus / Power +
Schwarz GND / Masse
Grün D- / Datenleitung (USB 2.0)
Weiss D+ / Datenleitung (USB 2.0)
Blau CC1 / Control Channel 1
Gelb VCONN / Spannungsversorgung für aktive Kabelkomponenten
Schwarz GND / Masse
Schwarz GND / Masse

Die Anschlüsse CC1 und CC2 müssen mit 5,1 kΩ gegen GND geschaltet werden damit die USB-C Quelle Die Aufforderung erhält, Energie zu liefern.
Nur so wird eine USB-C Quelle die erforderliche Leistung für den TonUINO bereitstellen.