Latest revision as of 13:08, 24 July 2024

Opis

Wielofunkcyjny moduł zasilający i wykonawczy dla Raspberry Pi 5 pozwala na zasilanie komputerka Raspberry Pi 5 ze źródła zasilania o napięciu od 8 do 32 V. Moduł zawiera także dwa przekaźniki ze stykami przełącznymi, które umożliwiają sterowanie odbiornikami o prądzie do 3 A. Ponadto na płytce znajduje się obwód wejścia cyfrowego z separacją galwaniczną na bazie transoptora. Wszystkie te funkcje zostały zaimplementowane w jednym zwartym module, który można łatwo dołączyć do Raspberry Pi 5 oraz niektórych, podobnych SBC.

Podstawowe parametry

• Dostarcza zasilania o napięciu 5,1 V o prądzie ciągłym do 3 A i krótkotrwałym do wartości 5 A
• Dostosowany do napięcia wejściowego w zakresie 8...32 V
• Stabilizator napięcia na bazie układu XL4015 (step-down, 5 A, 180 kHz, 96%)
• Zabezpieczenie przepięciowe, przeciążeniowe oraz termiczne
• Dwa wyjścia przekaźnikowe ze stykami przełącznymi (NC/ON)
• Maksymalne obciążenie przekaźników: 3 A/250 VAC lub 3 A/30 VDC
• Wejście cyfrowe z separacją galwaniczną na bazie transoptora
• Parametry wejścia cyfrowego: napięcie 3,5…32 V (prąd: 0,5...5 mA)
• Łatwy montaż na Raspberry Pi 5, również z RPi Active Cooler
• Wymiary modułu 81x56 mm, wysokość ok. 17 mm (oraz złącze pod płytką o wysokości ok. 14 mm)

Wyposażenie standardowe

Schemat elektryczny

Złącze zasilania

Złącze zasilania POW (J1) pozwala na dołączenie napięcia stałego (DC) z zakresu 8...32 V, z którego jest wytwarzane napięcie 5,1 V do zasilania Raspberry Pi.Dołączając napięcie do złącza POW należy zwrócić uwagę na jego prawidłową polaryzację.
Oznaczenie na płytce - [G|V] wskazuje prawidłową biegunowość zasilania:

• G - styk nr 1 to masa, ujemny biegun zasilania (GND),
• V - styk nr 2 jest wejściem dodatniego bieguna zasilania.

Nie należy dołączać napięcia o wartości powyżej 34 V. Moduł zawiera zabezpieczenie przeciw-przepięciowe, które odłączy zasilanie przy napięciu powyżej 34 V.

Dołączone źródło zasilania powinno mieć odpowiednią moc. Aby moduł mógł działać z zachowaniem wszystkich parametrów (5,1 V/ 5 A), moc źródła zasilania nie powinna być mniejsza niż 30 W. Dołączenie zasilania o niższej mocy będzie skutkowało niższą wartością maksymalnego prądu na wyjściu 5 V.

Wyjścia przekaźnikowe

Moduł zawiera dwa przekaźniki typu HF32F, które pozwalają przełączać obwody napięcia stałego (DC) lub przemiennego (AC) o następujących parametrach:

• DC – maksymalnie 3 A i 30 V,
• AC – maksymalnie 3 A i 250 V.

Przekaźniki zawierają styki przełączne, połączone ze złączami OUT1 (J2) i OUT2 (J3), zgodnie z oznaczeniami [NC|CO|NO] na płytce PCB:

• NO – styk normalnie rozłączony ze stykiem wspólnym (Normally Open),
• NC – styk normalnie zwarty ze stykiem wspólnym (Normally Close),
• CO – styk wspólny (Common).

Wejście z optoizolacją

Złącze IN (J5) jest połączone z diodą transoptora cyfrowego typu TLP2348. Transoptor zapewnia separację galwaniczną wejścia IN, a wbudowany przerzutnik Schmitta eliminuje wiele zakłóceń sygnału. Stanem aktywnym na wyjściu transoptora jest stan logiczny „0” (L). Maksymalna częstotliwość sygnału wejściowego to ok. 1 MHz.
Sygnał na wejściu IN musi być napięciem stałym z zakresu 3,5...32 V dołączonym zgodnie z polaryzacją opisaną na płytce [N|P]:

• N - styk nr 1 to ujemny biegun napięcia sterującego połączony z katodą diody transoptora,
• P - styk nr 2 to dodatni biegun napięcia sterującego połączony z anodą diody transoptora.

Wyjście zasilania 5 V

Moduł KAmodRPI5 REL+POW zawiera stabilizator impulsowy na bazie układu XL4015, który dostarcza na wyjściu stabilizowane napięcie o wartości 5,1 V ±2%. Maksymalne sumaryczne obciążenie ciągłe może wynosić 3 A, natomiast obciążenie krótkotrwałe może wynosić nawet 5 A, jeżeli pozwoli na to moc źródła zasilającego moduł. Czas pracy z obciążeniem do 5 A, zależy od skuteczności rozpraszania ciepła wydzielanego z modułu i może wynosić od kilkunastu sekund do kilkunastu minut. Wyjście zasilania o napięciu 5,1 V jest doprowadzone do złącza oznaczonego 5V (J6) oraz do odpowiednich szpilek złącza GPIO – tak, jak pokazano na poniższym rysunku:

Złącze I2C

Moduł KAmod RPI5 REL+POW zawiera dodatkowe złącze oznaczone jako I2C (J7), na którym wyprowadzone są sygnały SCL i SDA interfejsu I2C. Interfejs I2C dostępny jest na złączu GPIO płytki Raspberry Pi 5:

• styk nr 3 – SDA, GPIO02,
• styk nr 5 – SCL, GPIO03.

Sygnały ze złącza GPIO są połączone ze złączem I2C poprzez rezystory 22 Ω i nie zawierają rezystorów podciągających – pull-up.

Złącze konfiguracji transoptora

Wejście transoptora (dioda transoptora) jest dołączone do zacisków złącza IN (J5). Podając niezależne napięcie na złącze IN wymuszamy stan aktywny na wyjściu transoptora. Wejście IN można również aktywować napięciem ze złącza POW. Szpilki oznaczone na płytce jako IN CFG pozwalają na dołączenie zasilania do jednego lub obu wejść złącza IN i w ten sposób uzyskanie różnych sposobów aktywowania wejścia:

• brak zworek na szpilkach IN CFG – transoptor aktywowany napięciem na wejściu IN;
• zworka na szpilkach V-P – anoda transoptora (P) połączona z dodatnim stykiem zasilania (V) - wejście IN będzie aktywowane poprzez zwarcie styku N do masy zasilania (G);
• zworka na szpilkach N-G – katoda transoptora (N) połączona z ujemnym stykiem zasilania (G) - wejście IN będzie aktywowane poprzez zwarcie styku P do plusa zasilania (V);
• zworki na szpilkach V-P oraz N-G – anoda i katoda transoptora połączone z zasilaniem POW poprzez rezystor 3,3 kΩ na dodatniej linii zasilania. Wejście IN jest w stanie aktywnym, dopiero zwarcie na wejściu IN (styki P-N) wyłącza transoptor – podobnie, jak w obwodach alarmowych.

Złącze GPIO standardu RPi

Złącze GPIO (J4) jest kompatybilne ze standardem Raspberry Pi. Sygnały sterujące przekaźnikami są doprowadzone do styków:

• styk 15 – GPIO22 – OUT1,
• styk 13 – GPIO27 – OUT2.

Ustawienie wysokiego stanu logicznego („1”) powoduje załączenie danego przekaźnika.

Sygnał z wejścia IN jest doprowadzony do styku 11: GPIO17 - INPUT. Należy pamiętać, że stanem aktywnym, odpowiadającym wysterowaniu transoptora, jest niski stan logiczny („0”).

Sygnały sterujące przechodzą przez szpilki J9. Jeżeli zwarte są odpowiednie pary – jak na poniższym rysunku (1-2, 3-4, 5-6) to sygnały trafiają do wyprowadzeń GPIO17, GPIO22, GPIO27. Aby odłączyć sygnały sterujące lub dołączyć do innych portów złącza GPIO należy zdjąć odpowiednie zworki ze szpilek J9 i szpilki 2, 4, 6 (po prawej stronie) połączyć z innymi portami na złączu GPIO.

Kontrolki sygnalizujące

Na płytce modułu KAmod RPI5 REL+POW znajdują się 4 miniaturowe kontrolki LED:

• OUT1 i OUT2 - sygnalizują załączenie przekaźników wyjścia OUT1 i OUT2,
• IN – sygnalizuje stan aktywny na wejściu IN, czyli stan „0” na porcie GPIO17,
• POW – sygnalizuje obecność napięcia zasilającego 5 V.

Wymiary

Wymiary modułu KAmod RPI5 REL+POW to 81x56 mm. Wysokość maksymalna (przekaźniki) wynosi ok. 17 mm. Na spodzie płytki znajduje się złącze przystosowane do Raspberry Pi GPIO o wysokości ok. 14 mm.

Płytkę modułu należy dodatkowo usztywnić przy pomocy tulejek i śrub, aby punkty lutownicze na spodzie płytki nie zwarły się z metalowymi obudowami złączy USB i Ethernet płytki Raspberry Pi 5. Rozmieszczenie otworów mocujących jest zgodne ze standardem Raspberry Pi.

Skrypt testowy

Sprawdzenie działania wejścia i wyjść modułu można wykonać uruchamiając prosty skrypt na pisany w Pythonie. Treść skryptu znajduje się poniżej, nie jest skomplikowany i nie wymaga dokładnego omawiania. Uruchomienie skryptu spowoduje cykliczne przełączanie jednego przekaźnika, a drugi będzie sterowany poprzez wejście IN. Aby zakończyć działanie należy nacisnąć klawisze Ctrl + C.

Kod skryptu testowego:

import gpiod
from time import *

OUTPIN1 = 22
OUTPIN2 = 27
INPUTPIN = 17



chip = gpiod.Chip('gpiochip4')
out1_line = chip.get_line(OUTPIN1)
out2_line = chip.get_line(OUTPIN2)
input_line = chip.get_line(INPUTPIN)



out1_line.request(consumer='REL1', type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT)
out2_line.request(consumer='REL2', type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT)
input_line.request(consumer='>INPUT', type=gpiod.LINE_REQ_DIR_IN)



i = 0
step = 0



print("Out2 - tick/tack; Out1 - set from input; Ctrl + c to exit")



while True:


Ostrzeżenia generowane przez system

Komputer Raspberry Pi 5 jest wyposażony w zaawansowany układ zarządzania zasilaniem tzw. PMIC - Power Management IC. Nadzoruje on parametry zasilania jeszcze zanim zostanie uruchomiony procesor główny i rozpocznie się uruchamianie systemu.

Moduł KAmod RPI5 REL+POW zawiera impulsowy stabilizator napięcia wyposażony w szereg zabezpieczeń, m.in. ograniczenie prądowe, które powoduje, że w momencie dołączenia zasilania do modułu, napięcie na jego wyjściu narasta stopniowo od 0 V do poziomu 5,1 V. Ten przejściowy stan trwa zaledwie kilkadziesiąt milisekund ale jest błędnie interpretowany przez układ PMIC, jako „low power event– czyli sytuacja, w której napięcie zasilania ma zbyt niską wartość. Towarzyszy temu komunikat wyświetlany zaraz po uruchomieniu pulpitu systemu Raspberry Pi:

Moduł KAmod RPI5 REL+POW dostarcza stabilnego napięcia, które w zupełności wystarcza do zasilania komputerka Raspberry Pi 5 i wielu rodzajów dołączonych peryferiów. Można się o tym przekonać wyłączając komputerek poleceniem „Shutdown”, i włączając go za pomocą przycisku (nie odłączając przy tym przewodu zasilającego moduł KAmod RPI5 REL+POW). W takim scenariuszu nie wyświetla się ostrzeżenie o niskim napięciu zasilania, ponieważ jest ono całkowicie stabilne.

Ostrzeżenie o niskim napięciu można wyłączyć. W tym celu należy nacisnąć prawym przyciskiem myszy na górnym pasku, a następnie wybrać Add/Remove Plugins….

Teraz należy odnaleźć moduł Power i nacisnąć Remove oraz potwierdzić przyciskiem OK. Po tych czynnościach ostrzeżenie nie będzie wyświetlane.

Linki

• Karta katalogowa układu XL4015
• Karta katalogowa transoptora TLP2348
• Karta katalogowa przekaźnika HF32F