Raspberry Video Camera – Teil 6: Stromversorgung

Eine Wildtierkamera auf dem Balkon oder im Garten – wie versorgt man die am besten mit Strom? Eine 230V-Leitung verlegen und das klassische Raspberry Pi Steckernetzteil verwenden, ist sicher keine gute Lösung. Das ganze muss wasserdicht gehalten werden und wenn dabei was schief geht, dann kann es schnell gefährlich werden. Also Batterien, aufladbare Akkus, ein Solarpanel, oder besser eine Niedervolt-Leitung. Ein paar grundsätzliche Überlegungen und Berechnungen führen schnell zu einer geeigneten Lösung.

Einen Wert will ich noch vorausschicken, das ist der Stromverbrauch eines Raspberry Pi 3 mit aktivem Raspberry Pi Camera Modul. Der bewegt sich in etwa bei 400mA, was einer Leistungsaufnahme von 2W entspricht.

Zuerst aber wieder ein Oachkatzl-Video. Mehr davon gibts in meinem YouTube-Kanal.

Grundsätzliche Möglichkeiten der Stromversorgung

Zur Erinnerung oder für diejenigen, die die einleitenden Artikel nicht gelesen haben: Es geht um den Betrieb eines Raspberry Pi mit Kamera auf der Dachterrasse – also durchaus in Gebäudenähe, aber im Freien.

230V bis zum Raspberry Pi

Den Punkt nehme ich hier nur der Vollständigkeit halber auf, denn eigentlich habe ich diese Variante in der Einleitung ja bereits ausgeschlossen. 230V per Leitung im Freien zum Raspberry Pi zu führen ist mir viel zu gefährlich. Außerdem würde das Kameragehäuse wesentlich größer ausfallen müssen, wenn dort ein Netzteil und vielleicht noch die Schuko-Kupplung untergebracht werden muss.

Batterien bzw. Akkus

Fernab jeder Stromquelle würde es gar nicht anders gehen, als Akkus zu verwenden, in Kombination mit einer kleinen Solaranlage vielleicht. Wäre das auf der Dachterrasse etwa auch eine einfache Option? Die Verkabelung würde ganz entfallen und eine Bohrung weniger im Kameragehäuse hätte auch ihren Charme.

Egal ob aufladbar oder nicht, die Frage ist erst einmal, wie lange könnte man einen Raspberry Pi damit am Laufen halten. Nehmen wir als Beispiel einmal eine mittel-starke Powerbank in der 20 Euro-Klasse mit 10.000mAh. Solche Geräte kennen wir aus dem Smartphone-Umfeld und sie haben den Vorteil. bereits 5V an einem USB-Port zu liefern, also ideal für den Raspberry Pi. Lassen wir der Einfachheit halber Verluste außer Acht und nehmen an, dass wir die vollen 10.000mAh abschöpfen könnten. Dann ergäben 10.000mAh dividiert durch den Bedarf von 400mA eine Laufzeit von 25 Stunden. Rein rechnerisch versteht sich. Das würde bedeuten, mindestens einmal am Tag, die Powerbank wechseln zu müssen. Wir brauchen dann auch mindestens zwei Stück davon, damit eine bereits geladen werden kann, während die zweite ihren Dienst am RasPi versieht.

Man könnte jetzt darüber nachdenken, zwei Powerbanks parallel zu schalten, oder welche mit größerer Kapazität zu kaufen. Auch die Abschaltung des Raspberry Pi über Nacht wäre eine Option, um den Verbrauch zu senken. Aber klar ist, alle paar Tage ist ein Akkuwechsel nötig, wenn wir nicht gleich eine Autobatterie neben den Raspberry Pi stellen wollen. Damit wird es schwierig eine Raspberry Pi Kamera auf Batteriebasis im Wald fernab jeder Steckdose betreiben zu wollen. Dafür braucht das Teil einfach zu viel Strom.

Solarstrom

Kleine Solarpanel in der 10W-Klasse kosten heute nur noch einen niedrigen zweistelligen Eurobetrag. Dazu kommt allerdings noch ein Akku, der sonnenlose Zeiten überbrückt und ein entsprechender Laderegler. Beim Akku ist darauf zu achten, dass der im Pufferbetrieb arbeiten kann. Das bedeutet, dass er Strom an den Raspberry Pi abgibt, während er gleichzeitig geladen wird. Einfache Powerbanks können das üblicherweise nicht.

Bei der Wildbeobachtung im Wald ergeben sich zwei weitere Probleme: Wo findet sich nahe an der Kamera ein Plätzchen mit guter Sonneneinstrahlung über möglichst den ganzen Tag? Und will man Equipment, das in Summe weit mehr als 100 EUR wert ist, unbeaufsichtigt im Wald stehen lassen?

Abgesehen davon, dass die Stromversorgung vermutlich teurer kommt, als die Kamera samt Raspberry Pi, ist die Solarlösung die einzige Möglichkeit für einen Dauerbetrieb ohne Steckdose. Für die Dachterrasse gibt es aber eine kostengünstigere Lösung.

Niederspannungsverkabelung

Wenn es sich verbietet, 230V zum Raspberry Pi zu verlegen, dann kann die Transformation auf 5V ja im Gebäude erfolgen und die 5V werden dann per Kabel zum RasPi geleitet. Im Falle einer Undichtigkeit des Kameragehäuses oder der Zuleitung, geht vielleicht der Raspberry Pi kaputt und es fliegt die Sicherung am Netzteil – Gefahr für Leib und Leben besteht bei Niederspannung aber nicht.

Wer aber an seine Physikstunden in der Schule denkt, der mag sich an einen anderen unangenehmen Sachverhalt erinnern. Ist die Spannung gering, so muss die Stromstärke proportional ansteigen, wenn man die gleiche Leistung erhalten möchte. Und je höher der Strom ist, desto mehr wirkt sich der Widerstand der Zuleitung in Form von Verlusten aus. Nicht umsonst basiert die Gebäudestromverkabelung auf 230V und nicht auf 5V. Dazu ein Rechenbeispiel:

Nehmen wir bei 5V Spannung einen Strom von 500mA an und eine Länge der Zuleitung von 10m. Letztere müssen wir doppelt nehmen, da die Stromleitung ja hin und zurück läuft. In Abhängigkeit vom Querschnitt der Leitung ergibt sich für Kupfer jeweils ein anderer Widerstand für die 20m und ein entsprechender Spannungsabfall auf der Leitung. Der Anteil der 5V-Spannung, der auf der Leitung abfällt, fehlt am Ende dem Raspberry Pi und das kann erheblich sein. Bei einem Leitungsquerschnitt von 1,5mm² – das entspricht einer üblichen Stromleitung, wie sie in den Gebäudewänden verbaut ist – kommen am RasPi von den ursprünglichen 5V nur noch 4,88V an. Der Rest, immerhin 2.38%, geht auf der Leitung verloren, bzw. wird dort in Wärme umgewandelt. Wobei der Verlust von fast 60mW durchaus zu verschmerzen wäre, nicht jedoch die Tatsache, dass der Raspberry Pi nicht die volle Betriebsspannung von 5V erhält.

Mit zunehmendem Leitungsquerschnitt verbessert sich die Situation, bei 16mm² sind es fast wieder 5V. Allerdings ist so eine Leitung sehr dick und damit kaum bezahlbar. Es bleibt das Problem, dass der Raspberry Pi bei einer Zuführung von 5V niemals diese 5V erhalten wird, weil immer ein Teil auf der Leitung bleibt und ein handelsübliches Steckernetzteil nicht entsprechend hochgeregelt werden kann.

Ein naheliegender Gedanke ist nun, ein Netzteil zu verwenden, das eine höhere Spannung liefert und somit den Verlust auf der Leitung kompensieren kann. Nun gibt es im Handel keine 5,2V Netzteile, die für genau diese Leitungslänge gut passen würden. Aber es gibt zum Beispiel Netzteile mit 12V oder mit 19V. Letztere kennt jeder und hat vielleicht noch eins in der Schublade liegen. 19V ist die übliche Spannung für Laptops und so ein Laptopnetzteil hat immer die nötige Leistung (auch für zwei Raspberries) und ist für 10 EUR erhältlich. Eine höhere Spannung auf der Leitung bringt uns zwei Vorteile:

  1. Egal wie viel die Leitung schluckt, es wird immer (wesentlich) mehr am Raspberry Pi ankommen, als die erforderlichen 5V.
  2. Je höher die Spannung ist, desto geringer werden die Leistungsverluste ausfallen.

Aber natürlich müssen wir dann Vorkehrung treffen, damit der Raspberry Pi nicht an Überspannung kaputt geht. Aber schauen wir uns zuerst die Leitungsverluste bei 12V und 19V an:

Die Leitungsverluste, die bei 5V noch 60mW betragen haben, gehen bei 12V auf 18mW und bei 19V sogar auf 7mW zurück. Wir können also eine Leitung mit geringem Querschnitt verwenden und das gesparte Geld besser in eine wasserdichte Gummischlauchleitung investieren. Und es braucht natürlich noch einen Spannungswandler von 12V bzw 19V auf die erforderlichen 5V für den Raspberry Pi. Dazu mehr im folgenden Artikel.

Fazit

Glücklich der Raspberry Pi Besitzer, der in der Nähe einen 230V Anschluss hat. Der Aufwand mit Akkus wäre hoch, eine Solaranlage teuer, aber ein paar Meter Kabel um den RasPi mit Niedrigspannung zu versorgen, sind ein gangbarer Weg, wenn man es richtig macht:

  • Ein 19V Laptop-Netzteil aus der Computerkiste oder für 10 EUR,
  • ein paar Meter wasserdichte Gummischlauchleitung und
  • ein Spannungsregler für wenige Euro um wieder auf 5V zu kommen.

 


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