Stromsparschaltung für Raspberry Pi & Co Der Low/No-Power-Schalter

Dass in elektronischen Schaltungen wenig Strom fließt, ist generell wünschenswert, insbesondere bei Systemen, die per Akku oder auch mithilfe einer Energy-Harvesting-Methode versorgt werden. Vielfach gibt es geeignete Applikationen, deren Stromaufnahme allerdings noch immer zu hoch ist. Was tun?

von Klaus Dembowski, Wissenschaftler am Institut für Mikrosystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg.

Herzstück vieler Schaltungen bildet ein Mikrocontroller oder ein SoC, beide können Mechanismen zum Stomsparen nutzen. Durch die fortgeschrittene Halbleitertechnik ergibt sich aus den zunehmend kleiner werdenden Strukturen quasi automatisch ein Stromspareffekt gegenüber der vorherigen Bausteingenerationen. Eine applikationsbezogene Programmierung und Low-Power-Komponenten, z. B. effektive Regler und stromsparende Sensoren sowie Funk-Transceiver, komplettieren dann ein typisches System, wie es sich für IoT-Applikationen eignet (Internet of Things). In den meisten Fällen sind solche Systeme jedoch nicht besonders flexibel, sondern auf die jeweilige Applikation in Hard- und Software zugeschnitten. Wenn dann die Stromaufnahme zu hoch ausfällt und mit einer Programmierung nichts mehr zu erreichen ist, wird ein (teures) Redesign notwendig.

Ein Redesign rechnet sich nur bei relativ hohen Stückzahlen. Bei kleineren Eigenentwicklungen und Prototypen greift man gern auf bereits »fertige Boards« zurück, versieht diese mit den zusätzlich benötigten Komponenten per selbstentwickelter Zusatzplatine und programmiert sie. Dies wird typischerweise mit Embedded-Boards (ETX, ITX, COM Express u. ä.) praktiziert. In zunehmendem Maße kommen dabei auch Arduino, Raspberry Pi und verwandte Systeme zum Einsatz, die keineswegs auf eine bestimmte Applikation hin optimiert werden können und deshalb auch (zu) viel Strom erfordern, was sich auch durch eine geschickte Programmierung von Stromsparmodi nicht beheben lässt.

Systeme, beispielsweise Funksensorknoten, müssen in den seltensten Fällen kontinuierlich messen, sondern wachen nur zu festgelegten Zeiten oder infolge bestimmter Ereignisse auf, führen die Messungen aus, speichern und/oder übertragen die Ergebnisse und schalten abschließend wieder in einen stromsparenden Schlafmodus (Standby, Halt). Dabei fließt beim Raspberry Pi − je nach Modell − weiterhin mindestens ein Strom von rund 30 mA, was für mobile Systeme ein beträchtlicher Wert ist. Logischerweise ist der Strombedarf am geringsten, also gleich Null, wenn das System für definierbare Intervalle komplett abgeschaltet, das heißt von der Spannungsquelle (VCC) getrennt werden kann. Dies wiederum macht eine Zusatzschaltung nötig (Bild 1). Sie lässt sich praktisch mit jeder bereits bestehenden Hardware nutzen, sei es ein WLAN-Sensorknoten, ein Raspberry Pi oder sonst ein Gerät ohne jedwede Anpassung.