Pamiętajmy o tym, że o ile możliwe jest podawanie napięcia 5 V na wejścia GPIO, aby tak zasilać nasz komputer, to jest to niepożądane rozwiązanie, gdyż w takiej sytuacji pomijamy wiele istotnych zabezpieczeń układu - bezpiecznik, diody zabezpieczające etc. Port USB to zdecydowanie najlepsze rozwiązanie do zasilania mikrokomputera, jednakże ma też swoje wymagania, szczególnie gdy chcemy zasilać system z baterii.
Popularna 'Malina' wymaga napięcia 5 V. Jak wszyscy wiemy, nie ma baterii dających takie właśnie napięcie, więc zastosować musimy inne: cztery baterie AA dadzą nam ponad 6 V gdy są w pełni naładowane, dwa ogniwa litowo-jonowe, dadzą 7,4 V, a pojedyncza bateria może dać aż 9 V. Te wartości napięcia spowodują awarię naszego mikrokomputera, więc musimy zastosować jakiś układ, który pozwoli na zasilenie z nich naszego RPi. Poniższej przedstawiamy trzy rozwiązania tego problemu:
Dobrze: Dzielnik oporowy
Zastosowanie dzielnika napięcia, na dwóch rezystora, to najprostsze, co można zrobić, aby zasilić nasz moduł z źródła napięcia wyższego niż 5 V. Dzielnik taki wygląda następująco:
Tak długo jak znamy napięcie wejściowe dzielnika, dobrać możemy R1 i R2, aby uzyskać 5 V na wyjściu. Stosunek napięcia wejściowego do wyjściowego w dzielniku wynosi R1/(R1+R2). Pamiętajmy jednak, że wykorzystując taki dzielnik, napięcie powyżej napięcia zasilania powodować będzie rozpraszanie nadmiarowej mocy na elementach dzielnika, więc warto dobrać napięcie zasilania, możliwie bliskie do 5 V. Na przykład 4 baterie AA dadzą 6 V, co jest całkiem bliskie 5 V i wymaga 'odłożenia' tylko 1 V, ale już zastosowanie baterii 9 V w poważny sposób zmniejszy wydajność energetyczną naszego systemu zasilania i spowoduje poważne grzanie się oporników.
Dodatkowo, aby dzielnik działał bezawaryjnie, należy zastosować oporniki odpowiedniej mocy. Gdy wyliczymy już jakiej wartości rezystory chcemy zastosować, należy obliczyć jaką mają mieć moc. To ile mocy rozprasza się na rezystorze zależy od tego, jaki prąd przez nie płynie pomnożone przez spadek napięcia na oporniki. Jeżeli chcemy uzyskać 5 V z 6 V zestawu baterii zastosować możemy oporniki R1 = 100 Ω i R2 = 20 Ω. Jeśli teraz chcemy wyznaczyć ile mocy rozproszy się na pierwszym oporniku policzyć musimy moc - P = I * U - spadek napięcia wynosi 1 V, a prąd jaki potrzebuje RPi to około 1 A, więc moc, jaka rozpraszać będzie się na oporniku to 1 W. Jakkolwiek nie jest to bardzo dużo, to jest to już spora ilość ciepła, jaka zostanie wyprodukowana. Analogicznie, jeśli chcemy zasilić układ z baterii 9 V, to wyprodukujemy 4 W ciepła, co jest już całkiem sporą wartością i wymaga zastosowania drogich oporników o wysokiej mocy.
Zalety: Tanie i proste rozwiązanie.
Wady: Niska wydajność energetyczna - marnujemy dużo mocy, a jeżeli niepoprawnie zmontujemy układ, możemy się poparzyć lub uszkodzić np. plastikową obudowę układu. Dodatkowo, jako że spadek napięcia jest stały, to wraz z spadkiem napięcia na ogniwach spadać będzie napięcie wyjściowe.
Lepiej: Satbilizator liniowy LDO.
Liniowy stabilizator LDO, czyli o niskim spadku napięcia, jest stabilizatorem liniowym, który stabilizować będzie na swoim wyjściu ustalone napięcie. Z uwagi na to, że jest on typu LDO, napięci wejściowe nie musi być dużo wyższe od wyjściowego - będzie ob równie dobrze działał zasilany napięciem 6 V, jak i 5,25 V, dając na wyjściu stabilne napięcie 5 V.
Popularnym elementem jest np. LM1117. Na jego wyjściu znajdziemy stabilne napięcie 5 V, a zasilać możemy go napięciem do 15 V. Pobrać z układu możemy do 1,3 A. Układy te są tanie, dostępne w obudowach THT i SMD, więc łatwo możemy zintegrować go z dowolnym układem. Do układ dodać wystarczy dwa kondensatory, jeden na wejściu, jeden na wyjściu i już mamy gotowy zasilacz.
Pamiętać trzeba jednakże, że jeśli o moc chodzi, to układ taki nie różni się wiele od dzielnika napięcia. Tak więc całe nadmiarowe napięcie wydzielać będzie się na jego wejściu, co oznacza, że zapewnić musimy układowi odpowiednie chłodzenie, aby był on w stanie oddać te 1..4 W w postaci ciepła. Wskazane jest dodanie do układu np. radiatora, szczególnie jeśli zasilać chcemy go np. z baterii 9 V.
Zalety: Jest tani, łatwi w użyciu i zapewnia stabilne napięcie, niezależne od napięcia wejściowego.
Wady: Nadal niska wydajność i problemy z zarządzaniem rozpraszanym ciepłem.
Najlepiej: Przetwornica DC/DC.
Przetwornica to najwydajniejsze rozwiązanie, jeśli chodzi o system zasilania. Przetwornicę zestawić można w oparciu o elementy dyskretne, ale można także zastosować gotowe układy scalone czy moduły, jak np. CC6-1205SF-E firmy TDK-Lambda. Moduł taki nie wymaga dodatkowych elementów, ani chłodzenia, gdyż nie rozpraszają się na nim znaczne ilości ciepła. Wydajność takiego modułu równa jest około 80%, niezależnie od napięcia wejściowego, a w handlu dostępne są scalone przetwornice, które charakteryzują się także wyższą wydajnością.
Zalety: Łatwe w implementacji i wydajne rozwiązanie; nie wymaga dodatkowych elementów zewnętrznych.
Wady: Jest to najdroższe rozwiązanie systemu zasilania, spośród zaprezentowanych powyżej.
Źródło: https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/battery-power-your-pi
