Raspberry Video Camera – Teil 7: Spannungsregler 5V

Helmut 7. März 2017 0 Kommentare

Hardware, Oachkatzl, Raspberry, Selbstbau, VideoCam

Das Fazit des letzten Artikel war die Feststellung, dass die Stromversorgung eines Raspberry Pi mit Kamera Modul auf der Dachterrasse am besten per Kabel erfolgt. Und zwar nicht mit 230V sondern mit einer Gleichspannung, die ein Stück oberhalb der benötigten 5V liegt. Die höhere Spannung senkt die Leitungsverluste und lässt genug Reserven, um direkt vor dem Raspberry Pi auf 5V stabilisieren zu können. Als Netzteil bietet sich ein 19V Notebooknetzteil an, das vielleicht sogar noch in der Bastelkiste verfügbar ist. Damit können durchaus auch zwei oder drei Raspberry Video Cams gleichzeitig versorgt werden. In diesem Artikel geht es nun um die Spannungswandlung von 19V auf die benötigten 5V, die direkt im Kameragehäuse vorgenommen wird.

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

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Aus 19V werden 5V

Wenn das Wechselspannung wäre, dann würde man die Wandlung mit einem entsprechenden Transformator machen. Aber hier haben wir es mit Gleichspannung zu tun, ein Notebooknetzteil liefert 19V- und der Raspberry Pi erwartet 5V- am Eingang. Für die Wandlung gibt es (wenn wir Wechselrichter außer Acht lassen) grob zwei Möglichkeiten.

Lineare Spannungsregler

Lineare Spannungsregler (zum Beispiel Typ 7805 für 5V) sind sehr preiswerte Teile. Je nach Leistung ist so ein Dreibeiner bereits deutlich unter einem Euro zu haben. Die Funktion entspricht ungefähr der Art und Weise, wie man das vor 40 Jahren bereits gemacht hat: Eine Zenerdiode gibt die gewünschte Spannung vor und steuert einen Leistungstransistor. Der wiederum teilt die Spannung so, dass am Ausgang die gewünschten 5V anliegen und die Differenz zur Eingangsspannung am Transistor selbst. Die Leistung, die sich aus dieser Differenzspannung und dem gezogenen Strom ergibt, wird im Transistor in Wärme verwandelt. Ein moderner linearer Spannungsregler 7805 beinhaltet alle Bauelemente in einem Gehäuse und hat drei Anschlüsse: Eingang (+), Ausgang (+) und gemeinsame Masse (-). Aber es bleibt dabei, dass die Leistung, die sich aus dem Unterschied von Eingangs- und Ausgangsspannung ergibt, einen Verlust darstellt, was nicht nur unschön ist, sondern zur Erwärmung der Umgebung, sprich des Kameragehäuses führt.

Schaltregler

Schlauer stellt das ein sogenannter Schaltregler an, der allerdings ein paar Bauelemente mehr benötigt. Stellen wir uns vereinfacht eine Spule vor, die zwischen Ein- und Ausgang geschaltet ist. Im Eingang sitzt vor der Spule noch ein Schalter. Wird der geschlossen lädt sich die Spule magnetisch auf und die Spannung am Ausgang steigt. Sind die gewünschten 5V erreicht wird der Schalter geöffnet. Das Magnetfeld in der Spule baut sich nun ab und induziert dort eine Spannung. Der Ausgang ist also nicht sofort nach Öffnen des Schalters stromlos, sondern saugt erst die Spule leer. So weit kommt es aber nicht, weil bereits bei einem geringen Abfall der Ausgangsspannung der Schalter wieder geschlossen wird und das Spiel von neuem beginnt. Der Schalter ist natürlich kein richtiger Schalter, sondern eine Logik, die anhand der Höhe der Spannung am Ausgang die Eingangsspannung zu- oder abschaltet. Und das geht rasend schnell. Nachdem bei geöffnetem Schalter kein Strom aus dem Eingang gezogen wird, wird in dieser Phase auch keine Energie in Wärme umgewandelt. Damit hat der Schaltregler einen höheren Wirkungsgrad als ein linearer Spannungsregler, aber verlustfrei ist er natürlich nicht.

Nachteilig ist der höhere Preis von ein paar Euro für ein Reglermodul, das aus einer kleinen Platine mit einigen Bauteilen besteht. Darunter befindet sich ein Spindelpotentiometer mit dem die gewünschte Spannung eingestellt wird.

Schaltreglermodul LM2596S

Natürlich verwenden wir für den Raspberry Pi einen Schaltregler und zwar ein Step-Down Schaltreglermodul mit einem LM2596S Reglerchip. Das Modul nimmt am Eingang (links) Spannungen im Bereich von 4-35V entgegen und lässt sich mit dem Poti (blau oben rechts) auf 1,23-30V am Ausgang (rechts) einstellen. Wobei die Spannung am Eingang höher sein muss als die am Ausgang, denn dieses Modul regelt nur nach unten (es gibt aber auch Aufwärtsregler). An Strom dürfen am Ausgang bis zu 3A gezogen werden, was für einen Raspberry Pi locker reicht.

Beschaltung

Auf dem Bild sieht man es schon, es gibt keine Klemmen oder Stifte für die Anschlüsse, lediglich Bohrungen mit Lötflächen in allen vier Ecken. Die Anschlüsse In + und – sowie Out + und – sind auf beiden Seiten der Platine verwechslungsfrei beschriftet. Aber ums Löten kommen wir hier nicht drumrum. Für die Eingangsseite empfiehlt es sich, zwei 10 bis 15cm lange isolierte Kabeladern zu verwenden, die dann mit Klemmen mit der Zuleitung verbunden werden können. Auf der Ausgangsseite löten wir ein Stück Kabel mit zwei Adern an, die aber so dünn sein müssen, dass wir an deren Ende einen Micro-USB-Stecker anlöten können, der dann in den Raspberry Pi passt. Die Belegung der Lötfahnen mit Plus- und Minuspol habe ich in nebenstehender Abbildung gekennzeichnet. Die Plastikkappe für den Stecker können wir gleich weg lassen, dafür ist im Gehäuse kein Platz.

Abgleich

Wie bereits erwähnt, müssen die 5V mit dem Potentiometer eingestellt werden. Dazu empfehle ich folgende Vorgehensweise: Der Abgleich sollte vor der Außenmontage der Kamera vorgenommen werden, denn die Einstellung ist ein wenig fummelig. Das macht man besser entspannt am Arbeitstisch, als draußen auf der Leiter. Benötigt wird ein übliches Multimeter mit Messspitzen oder ein USB-Voltmeter wie auf nebenstehendem Bild. Um das anschließen zu können, braucht es aber zusätzlich einen Adapter von einer Micro-USB-Buchse auf eine normale USB-Buchse – ein Teil, das es nicht in jedem Haushalt gibt. Wichtig ist es, die erste grobe Einstellung ohne Raspberry Pi vorzunehmen. Je nach werksseitiger Voreinstellung können am Ausgang bis zu 30V anliegen, was für einen Pi viel zu viel ist. Also stellen wir erst mal im Leerlauf (ohne angeschlossenem RasPi) mit dem Potentiometer 5V ein. Dazu können durchaus sehr viele Umdrehungen am Schräubchen nötig sein. Stimmt die Spannung halbwegs, dann stecken wir den Raspberry Pi (mit Kamera) an und messen erneut. Unter Belastung hat sich die Spannung vermutlich ein wenig verändert, so dass wir nun nachjustieren. 5V sind das Ziel oder ein paar wenige Hundertstel mehr.

Zusammenfassung

Die Stromversorgung für die Raspberry Video Camera funktioniert folgendermaßen. Im Trockenen – also im Gebäude oder in einem Schaltschrank außen an der Hausmauer – befindet sich ein handelsübliches Laptop-Netzteil mit 19V. Den runden Stecker würde ich einfach abzwicken und mit zwei Klemmen die wasserdichte Außenleitung anschließen. Natürlich muss die Leitung irgendwie nach außen geführt werden – das hängt von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten ab. Am Raspberry Pi wird das Kabel durch eine wasserdichte Kabelverschraubung ins Gehäuse geführt und per Klemmen mit dem Eingang des Schaltreglers verbunden. Den haben wir auf 5V einjustiert und verbinden seinen Ausgang per Micro-USB-Stecker mit dem Raspberry Pi. Wer mehrere Raspberry Video Cams einsetzt – bei mir sind es zur Zeit zwei – der braucht trotzdem nur ein Laptop-Netzteil, aber für jede Kamera einen eigenen Spannungsregler LM2596S.