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.