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Mit Batteriebetrieb

Energiesparender Raspberry Pi 2

5. November 2015, 13:10 Uhr | Von Klaus Dembowski

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Wie lange reicht die Versorgung?

Die Eingangsspannung (U_bat) eines Akkus oder einer Batterie sollte bei der Verwendung eines Linearreglers, der auch als Längsregler bezeichnet wird, möglichst nah an der für den Raspberry Pi notwendigen Versorgungsspannung (U_pi, typisch 5 V) liegen. Der zulässige minimale Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangspannung wird durch den verwendeten Regler bestimmt, der mit einer bestimmten Dropout-Spannung spezifiziert ist. Bei gewöhnlichen Linearreglern (LM78xx) beträgt diese Spannung mehrere Volt, während Low-Dropout-Regler nur noch ca. 200 mV benötigen. Der Wirkungsgrad (?) ist allgemein das Maß für die Energieumsetzung (E). Er gibt das Verhältnis zwischen der genutzten (P_nutz) und der zugeführten Leistung (P_zu) an.

(1) ?=EnutzEzu=PnutzPzu

Auf den Raspberry Pi bezogen ergibt sich damit:

(2) ?=UpiUbat

Demnach wäre der Wirkungsgrad bei der Versorgung eines Raspberry Pi, der mindestens 5 V benötigt, mit einem 9-V-Block nur 55 %, bei Versorgung mit 6 V (4 × 1,5-V-Batterie) hingegen 83 %. Die Laufzeit (t) eines Raspberry Pi (oder natürlich auch einer anderen Schaltung) beträgt allgemein:

(3) t=QI; Laufzeit=LadungStrom

Die Ladung entspricht der Kapazitätsangabe des Akkus oder der Batterie, und der Strom ist der (durchschnittliche) Verbrauchsstrom der Schaltung. Mit Berücksichtigung des Wirkungsgrads führt dies zu:

(4) t=Q·?100·I

Mit einer beispielhaften 6-V-Versorgung (aus vier Batterien), die über eine Kapazität von 1000 mAh verfügt, ergibt sich so bei einem Raspberry Pi, ausgehend von einer durchschnittlichen Stromaufnahme von 150 mA, folgende Laufzeit:

(5) t=1000 mAh·83 %100·200 mA=5,5 h

Falls der Raspberry Pi stattdessen im Halt-Modus (Standby, siehe Tabelle) mit lediglich 36 mA arbeitet, reicht die Versorgung für 27 Stunden aus. Beim Einsatz eines Schaltreglers ist der Wert für den Wirkungsgrad aus dem jeweiligen Datenblatt bei den vorgesehenen Betriebsparametern zu entnehmen.

Einfach nachgeladen

Für die Aufladung von Akkus sind entsprechende Ladegeräte notwendig, was demnach wie beim Einsatz von Batterien einen Wechsel der Zellen bei deren Erschöpfung erfordert. Deshalb ist neben dem Spannungsregler für 5 V noch eine Ladeschaltung für die Akkus in der Schaltung selbst wünschenswert, die sich möglicherweise auch per Solarzelle betreiben lässt, was allerdings noch einen Boost Converter voraussetzt, der die Spannung von Solarzellen bei unterschiedlicher Bestrahlung auf einen nutzbaren Pegel anhebt.

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Diese Komponenten gibt es auch bereits zusammengefasst in fertiger Form als sogenannte Power Banks oder Power Packs oder USB Battery Packs, die insbesondere für das Aufladen von Smartphones unterwegs gedacht sind (Bild 4). Im täglichen Umgang zeigt sich, dass die in einer Power Bank integrierten Akkus über die vorgesehene Solarzelle selten voll geladen werden, sodass das Laden meist über den USB oder ein mitgeliefertes Netzteil durchgeführt wird. Als Ausgangsspannung sind 5 V üblich und als Steckverbinder ein Micro-USB-Anschluss, sodass sich hiermit direkt eine Verbindung für die Spannungsversorgung des Raspberry Pi herstellen lässt.

Die Power Banks sind mit unterschiedlichen Kapazitäten erhältlich, wobei nicht immer deutlich wird, worauf sich die Kapazitätsangabe bezieht: Auf die tatsächlich zu nutzende Energie am Ausgang (5 V) der Power Bank oder aber nur auf den integrierten Akku, der typischerweise mit 3,7 V arbeitet (Lithium). Außerdem kann man davon ausgehen, dass die angegebenen Kapazitätsangaben in der Praxis geringer ausfallen.

Die üblichen Power Banks sind für Kapazitäten von 1500 mAh bis hin zu 12600 mAh ausgelegt, was bei einer überschlagsmäßigen Stromaufnahme eines Raspberry Pi von 150 mA zu einer Laufzeit von 10 bis 84 Stunden führen müsste. In der Praxis erreicht man diese Idealwerte nicht, denn im Akku muss noch eine Restkapazität vorhanden bleiben, die bei der Kapazitätsangabe meist mitgezählt (s.o.) wird, aber nicht nutzbar ist. Bei eher schwachen Power Banks kann die Spannung beim Einschalten des Raspberry Pi bereits so stark einbrechen, dass gar kein oder nur ein sehr kurzer Betrieb möglich ist. Deshalb sind die Angaben wichtig, welchen Strom die Power Bank verlässlich am Ausgang liefern kann und welche Kapazität tatsächlich nutzbar ist, was man zumindest bei den teureren Power-Bank-Modellen erwarten sollte.

Bei solarbetriebenen Power Banks sollte das Aufladen des Akkus bei gleichzeitigem Betrieb eines aktiven Verbrauchers möglich sein, was - je nach Modell - mehr oder weniger gut funktioniert und in der Qualität der integrierten Power-Management-Schaltung begründet ist. In Abhängigkeit von der Betriebssituation kann es passieren, dass die geerntete Energie zwar für das Laden des Akkus verwendet wird, durch den angeschlossenen Verbraucher jedoch gleich wieder verpufft, sodass der Akku nie voll aufgeladen und der Verbraucher nie ausreichend versorgt und damit betrieben werden kann. Eine gute (solarbetriebene) Power Bank sollte sowohl das Laden als auch die Versorgung eines Verbrauchers gleichzeitig ermöglichen, damit sich hiermit ein Raspberry Pi betreiben lässt. Dennoch ist es notwendig, sich genauer Gedanken darüber zu machen, ob der Raspberry Pi tatsächlich kontinuierlich arbeiten muss oder ob es nicht ausreicht, ihn zu bestimmten, programmierten Zeiten aus dem Halt-Modus aufzuwecken, daraufhin Messungen auszuführen und ihn dann wieder schlafen zu legen. Durch eine entsprechende Abstimmung mit der Beleuchtungssituation lässt sich dann auch ein autarker Betrieb mit Solarzellen (in einer Power Bank) realisieren.

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