배터리에서 라즈베리 파이 실행
모바일의 필수 속성 중 하나 인 Raspberry Pi 기반 로봇은 배터리 전원으로 작동해야한다는 것입니다.
문제는 Pi가 상당한 양의 전류 (예 : 활동 및 연결된 주변 장치에 따라 500mA)를 취하고 매우 좁은 입력 전압 범위 (5V +/- 0.25V 등)가 필요하다는 것입니다. 배터리 전압은 현재 충전 수준에 따라 크게 다르기 때문에 배터리에서 직접 실행하는 것은 실제로 의미가 없습니다.
그래서 표준 배터리 전압을 Pi에 적합한 것으로 변환하는 다양한 옵션을 살펴 보았습니다.
선형 레귤레이터 사용
약 30 년 전에 전자 제품을 처음봤을 때의 전통적인 접근 방식은 5V보다 훨씬 높은 전압을 얻을 수있는 충분한 배터리를 장착하는 것입니다 (예 : 6V를 얻기 위해 4 배의 비 충전 AA, 7.2를 위해 6 배의 재충전 AA) V) 그런 다음 선형 레귤레이터 (예 : 7805 시리즈 IC)를 통해 안정된 5V를 얻습니다.
이 방법에는 두 가지 주요 문제가 있습니다.
- 선형 레귤레이터는 비효율적이며 과잉 전압을 열로 효과적으로 연소시킵니다. 즉, 배터리 수명을 낭비하고 방열판으로 열을 소산해야 할 수도 있습니다.
- Pi는 많은 양의 전류를 소비하므로 큰 방열판과 함께 상당히 큰 레귤레이터가 필요합니다.
다행스럽게도 요즘에는 스위치 모드 레귤레이터의 형태로 훨씬 더 나은 접근 방식이 있으며, 이는 고전류에서도 훨씬 더 효율적입니다.
RC 모델 UBEC 사용
적절한 무선 제어 모델, 특히 항공기는 소형 소형 배터리로 작동하는 효율적이고 안정적인 전압 전원 공급 장치가 필요한 경우가 많습니다. 이를위한 표준 접근 방식은 UBEC (Ultimate Battery Eliminator Circuit)라고하는 장치를 통해 연결된 충전식 배터리를 사용하는 것입니다.이 배터리는 필요한 출력보다 높은 전압을 사용하고 매우 효율적으로 다운 변환합니다. 6V 입력에서 500mA 출력을 공급하는 선형 레귤레이터는 500mA를 소비하지만 ((6-5) x0.5 = 0.5W의 낭비 전력으로 이어짐) UBEC는 입력 배터리에서 전체 500mA를 끌어낼 필요가 없습니다. 전력을 거의 낭비하지 않습니다.
UBEC는 RC 모델에 일반적으로 사용되므로 매우 저렴하게 픽업 할 수 있으며 일반적으로 꽤 높은 전류를 처리 할 수 있습니다. 예를 들어, eBay에서 우송료를 포함하여 약 £ 1.50의 4A 모델을 찾았습니다.
단점은 원하는 출력 전압보다 더 많은 입력 전압을 공급해야한다는 것인데, 이는 배터리 팩에 많은 셀이 필요할 수 있음을 의미합니다. 여전히 이것은 매우 저렴한 옵션이며 잘 작동합니다.
DC-DC 변환기 사용
무게가 우선이라면 배터리 셀 수를 최소로 유지하는 것이 중요합니다. 다행히도 UBEC와 매우 유사한 방식으로 작동하지만 필요한 출력 전압보다 낮은 입력 전압에서 작동 할 수있는 DC-DC 컨버터라는 장치가 있습니다. 이것들은 또한 일반적으로 아주 작습니다.
eBay를 다시 살펴보면 여성 USB-A 소켓을 포함하여 정말 멋진 것을 발견했습니다. 즉, Raspberry Pi에 전원을 공급하는 데 사용하는 것과 동일한 USB 리드를 수정없이 사용할 수 있습니다. 여기의 가격은 약 2.5 파운드이며 무료 우송료가 부과됩니다. 입력 전압은 3-5V (충전식 AA 3 배에 이상적)이며 출력 전류는 최대 1A이며 충분해야합니다.
내장형 배터리 박스 사용
마지막으로 전용 하우징에 충전식 배터리와 DC-DC 컨버터를 사용하는 다양한 솔루션이 있습니다. 이것들은 전문가 조립 (예 : 납땜)이 필요하지 않기 때문에 꽤 좋을 수 있습니다-일부는 이미 배터리가 내장되어 있습니다. 내가 선택한 옵션은 대용량 "18650"리튬 이온 셀을 사용합니다 (예 : 약 £ 10 eBay에서 쌍), 우편 요금을 포함하여 £ 8의 주위에 비용. 최대 2.5A를 공급할 수 있으며, 다시 연결하기 쉬운 내장 USB-B 소켓과 간편한 충전을위한 편리한 USB-miniA 소켓이 있습니다. 이 유형의 상자의 또 다른 멋진 기능은 필요한 배터리 수명에 따라 1-4 셀에서 무엇이든 넣을 수 있다는 것입니다.
단점은이 상자가 상당히 클 수 있다는 것입니다. 내가 선택한 것은 파이가 파넬에서 나온 상자와 거의 같은 크기입니다.
18650 옵션을 선택하면 신중하게 쇼핑 할 가치가 있습니다. 일부 브랜드, 특히 Ultrafire는 품질에 대한 평판이 좋지 않으며 정격 용량에 미치지 못하는 것 같습니다. 이러한 유형의 배터리는 부적절하게 사용하면 화재 나 폭발이 발생하기 쉽기 때문에 조심스럽게 돌보고 싶을 것입니다.
배터리 수명 계산
필자는 Pi가 각 옵션에서 행복하게 실행되는지 테스트했지만 (UBEC 제외), 아직까지 이러한 옵션에 대한 배터리 수명 수치를 아직 검증하지 않았습니다.
이론적 인 배터리 수명을 계산할 때는 전압을 변환하기 때문에 배터리에 인쇄 된 밀리 암페어 시간 (mAh) 정격만으로는 갈 수 없습니다. 와트시로 변환하는 것이 가장 간단합니다. 이는 단순히 mAh 수치에 전압을 곱한 것입니다. RasPi는 5V에서 약 500mA, 즉 0.5 x 5 = 2.5 와트가 필요합니다. 컨버터의 완벽한 효율 (보통 90 % 이상 효율)을 가정하면 1000mAh 용량의 1.5V AA 셀은 1.5Wh를 공급할 수 있습니다. 즉, 약 1.5 / 2.5 = 0.6 시간 (또는 36 분) 동안 RasPi를 실행 ) 자체적으로. 스위치 모드 변환기 (예 : 마지막 3 개 옵션 중 하나)를 사용하면 여러 셀을 직렬로 또는 병렬로 연결하는지 여부는 중요하지 않습니다. 각 경우에 사용 가능한 용량에 셀 수를 대략적으로 곱하고 있습니다. 익숙한.
위에 나열된 옵션을 쉽게 비교할 수 있습니다. Pi 프로젝트에 적합한 배터리 전원 솔루션을 찾는 데 도움이되기를 바랍니다.
충전 수준 모니터링
배터리를 사용할 때는 배터리 잔량을 예상 할 수 있도록 현재 충전 수준을 모니터링하는 것이 좋습니다. 배터리 양단의 전압을 관찰하면 배터리를 방전시킬 수 있습니다. 비선형 방전 곡선 (각 셀 유형이 다르게 작동하고 전압 범위가 다름)을 허용하는 것 외에도 전압 변환기에서 Pi를 실행할 때 두 가지 주요 어려움이 있습니다.
- Pi의 입력 전압은 설계 상 항상 5V로 일정합니다. 따라서 Pi의 입력 전압을 측정 할 수있는 것이 아니라 입력 배터리의 전선을 충전 모니터링 회로에 연결해야합니다. 통합 배터리 박스의 경우 배터리에 접근하려면 박스에 구멍을 뚫어야합니다.
- Pi에는 아날로그-디지털 변환기가 내장되어 있지 않으므로 Pi를 사용하여 전압을 직접 측정 할 수 없습니다. Pi의 GPIO 핀 (예 : I2C 사용)을 사용하여 액세스 할 수있는 작고 저렴한 독립형 ADC 칩을 얻을 수 있습니다. 이는 아마도 가장 저렴한 옵션 일 것입니다. 개인적으로, 저는 ATTiny85 마이크로 컨트롤러가 주위에 놓여 있고 (아마도 미니-아두 이노), 아날로그 전압을 측정하기 위해 그 중 하나를 사용하여 ATTiny의 소프트웨어를 사용하여 남은 비율로 변환하는 것을 고려할 것입니다. 해당 레벨을 Pi over I2C와 통신하십시오.
불행히도 소프트웨어에서 순수하게 Pi의 전원을 제대로 끌 수 없으므로 소프트웨어로 제어 가능한 래칭 오프 스위치를 제공하는 잠재적 인 미니 프로젝트도 있습니다. 개인적으로, 나는 배터리 박스에 내장 된 수동 오프 스위치를 사용하기를 기대합니다. Li 18650 셀을 사용하는 경우 저전압에서 자동으로 차단되므로 '보호'유형을 얻는 것이 좋습니다.