Raspberry Pi行動電源:帶著Raspberry Pi趴趴走

三月 14, 2014
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改裝18V電鑽用電池,為Raspberry Pi打造堅固、可充電的電源供應裝置。
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以18V電鑽用充電電池為Raspberry 供應電源。

Raspberry Pi問世似乎滿足所有人的需求,麻雀雖小、五臟俱全,不但有許多影像、聲響與USB周邊設備可用的連接埠、用來傳遞實體世界輸入與輸出訊號的排針、甚至還有攝影機專用的空間,因此,也讓Raspberry Pi變得非常適合用來製作各式各樣的攝影專題。

然而,Raspberry Pi卻有一個問題,就是缺乏良好的電源供應。如果身邊有插座的話,靠交流電源自然不成問題,但是,要有一個持久而穩定的電源,才有可能將Raspberry Pi帶離書桌,在外面的世界自由揮灑。當然,你可以直接購買小型的Raspberry Pi電池,像是行動電源那樣(見Maker Shed商品編號 #MKMTS01,網址為makershed.com),不過,我決定自己動手來做一個,在這篇文章當中,我將介紹電池的製作方式。

基本款的Raspberry Pi只要40美元左右,並不算貴,但是周邊商品(像是外殼、攝影機、USB集線器等等)加總起來,隨便就會變成兩三倍的價錢。這也就是為什麼我選擇使用無線電鑽的電池當作Raspberry Pi的電源,這些18V電池大小跟壘球差不多,可以提供電源相當一段時間,而且夠堅固,耐得住日常使用的顛簸。更重要的是,這種電池我手邊就有(包括充電器),我猜很多人家裡也有這種電池。此外,既然我沒有要把Raspberry pi丟來丟去(至少現在還沒),重一點也沒有關係。但是,除了這些問題之外,還有一個問題有待解決。

在錯誤中前進

要用這些強力電池來連接Raspberry Pi,必須先將18V(或其他數值)的高壓降到剛好5V左右,才符合Raspberry Pi的規格。要做到這一點,有好幾種方法,我做了許多嘗試。首先,因為手邊剛好有一個7805線性穩壓器,我就接了一個電路,這種積體電路很常見,價格便宜、構造簡單,但是,它在降壓任務中悲慘的失敗了,原因在於它在電壓轉換上效率不彰,我那可憐的穩壓器在幾分鐘之內變得像烤盤一樣燙,還散發出類似薯條的味道,因此,Raspberry Pi也當機了(還好沒有就這樣壞掉)。

後來,我也試了車用的iPod充電器,這種充電器要插在點菸器(這個名稱似乎有些過時)插槽中,號稱以24 V電壓輸入,並以5V1,000 ma/輸出:這正好可以和Raspberry Pi的需求一致!但遺憾的是,它還是失敗了:我的Raspberry Pi才啟動攝影機沒多久就當機了,也可能是與伺服器失去聯繫,我懷疑這是因為車用充電器的實際供電規格與表定不同,所以我的Raspberry Pi、攝影機和無線顯示轉換器加起來超出充電器的負荷。經過這次經驗,我知道我需要更好的供電方式,以下是後來我想到的方法。

步驟一:蒐集零件

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電路圖

材料列表

  • SW1SWST電源開關
  • IC1-直流-直流變壓器,例如Marata出品的OKI-78SR-5/1.5-W36-CDigi-Key零件編號# 811-2196-5-ND; Mouser零件編號 # 580-OKI78SR5/1.5W36C
  • C1-穩壓電容器,220 uF, 25V
  • LED1-顯示開關狀態的LED
  • R1180 Ohm系列的LED用電阻器
  • 螺絲端子、螺絲3
  • 2-AMP汽車型保險絲、附保險絲座
  • 穿孔型電路板,大小約1″x 1″


在一些網站和論壇搜索之後,我找到一些有用的零件組合,包括:高效能切換式電源(MurataOKI-78SR系列)現在似乎大量取代了之前的7800系列積體電路,我選了MurataOKI-78SR-5/1.5-W36-C模組,以5V1.5 a的規格輸出電流,並且可以處理7V36V之間的店員輸入、不需要散熱器,能源轉換效率大約可達百分之九十。

為了完成我的電源轉換器,我還加入了一個220µF電解電容器來穩定輸出電壓以及電源需求的不穩狀態、一個小型的滑動開關、一個紅色LED和串聯電阻,當有電源供應的時候燈會點亮,最後還有一個USB-A母接頭(所以我可以用AC變壓器的電源線來把5V電源傳到Raspberry Pi上頭)。

另外,我還從汽車材料行弄來了一些美規18號電線、一個引線型保險絲座和2 amp保險絲,然後,我又挑了一個小的方型穿孔線路板和一些螺絲端子,我的線路設計滿簡單的,請參考線路圖。

步驟二:連接線路

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因為電池需要耐得住旅行中的顛簸,而且,有時使用者疏於保護、有時使用者甚至還會主動虐待電持裝置,因此,好的電池必須堅固耐用、自成一體。首先,先將螺絲端子放到穿孔電路板的輸入與輸出電壓端,使端子粗的引線穿過孔洞,使得一個端子導引正電壓進入、第二個端子接地、第三個端子則提供+5V電壓輸出。

接下來,可以放入開關了,開關可能有兩種形式,可能用電線穿入電路板、也可能要用螺栓固定,不管是哪一種,都請確定開關安裝穩妥,這些大概就是您會用到最大的零件了,因此,您可以將電路板裁剪成適合的大小,我的電路板最後大約是1″ 見方左右。

接下來的部分就簡單多了,只要注意穩壓器的針腳編號、LED的方向性和電容器的安裝就行了,最後,請盡量保持零件留下來的導線不要太長,安裝穩妥不會鬆脫,另外,焊接也非常重要。

步驟三:連接電鑽用電池

用一般電線把您的可充電電鑽用電池連到2A保險絲再接到電路板上的螺絲端子,選用螺絲端子是因為如果電線磨損、或者想要更換電池,都不會有太大問題。

不過,要如何將電線接到電池上呢?這要視您使用得電池形式而定,我選用的電池(老式18V DeWalt無線工具用)在本體上有鏟型的正極/負極端子,只要拿一挑一般的汽車用母接頭,將接收端稍為弄寬一點,就可以完美的連接了。如果您使用的是其他類型的電池,可能需要動一點腦筋才能找出最好的連接方式,重點在於連接要穩固,不會因為一點拉扯或顛簸就鬆脫。

接著,請用多用電表確認哪一個端子是正極、哪一個端子是負極,並連接到變壓器線路中正確的輸入位置,就算2A保險絲可以提供一些保護,但如果是短路或者極性顛倒這樣的問題,那麼保險絲可能也無濟於事。

步驟四:將電源連上Raspberry Pi

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針腳1和4是電源用;針腳2和3是資料傳輸用。

將線路板的電源輸出端連上Raspberry Pi,要做到這一點,可以使用線路板的小USB插槽,或者直接接線到GPIO排針編號2 6號上。

我個人偏好使用USB插槽,原因在於可以受到電路板內建可複式保險的保護(只要使用排針就會通過可複式保險),而且,這樣排針就可以移作別的用途。還有,比如說你需要將電池組和攝影機分開的時候,只要用一條USB連接線就沒問題了,但是,如果線路設計正確的話,用GPIO針腳效果應該一樣好才對。

在我的線路設計當中,我用USB-A接頭作為電源輸出的端子 ,所以只要用交流電邊壓器的電源線 USB-A micro-USB接頭)連接Raspberry Pi就行了,接著,我用一小段雙心導線連接端子,在這邊請特別小心極性的問題(見線路圖)當然,我是可以直接把它焊死,但是我選擇使用螺絲端子,使得一切都有改變的可能。

步驟五:測試與使用

有了7805線性穩壓器的經驗之後,我再也不會未經測試就貿然將電池接上Raspberry Pi了!一開始,我先把電池接起來,但是輸出端沒有接上任何東西,然後,我把開關打開,讓它「空轉」幾分鐘,我沒有感覺到任何異常的發熱,並且在輸出端量到4.95V的電壓。接下來,我在USB插槽插了一個會亮的USB玩具,打開之後,LED便熠熠生輝。

最後,我把Raspberry Pi插進去,發現一切運作順暢無礙,無論是桌上測試或者實際外出測試都非常完美。

最近,我用這個電池做了長達八小時的縮時電影,過程中完沒有任何問題,經過一整天拍攝之後,我只要把電池卸下來,充電兩小時就行了。

搭配高品質攝影機、大量輸入/輸出排針的Raspberry Pi可以支援許多有趣的電腦專題,但是,如果需要購買各種不同的周邊產品(像是無線顯示轉換器、交流電源、外殼、USB集線器等等),甚至加上攝影機、液晶顯示器之類的設備,玩家們可能要因此大大破費,預算遠超過Raspberry Pi號稱的40美元。製作這款可攜式充電電源只要使用您的電鑽電池,加上20美元左右的材料,就可以讓您的Raspberry Pi離開工作檯,在真實世界裡馳騁!

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