Raspberry Pi Pico im Akku- und Batterie-Betrieb
Wenn man den Raspberry Pi Pico „von der Leine lassen“ will, dann muss man sich zwangsläufig mit der Stromversorgung befassen. In der Regel fasst man auch einen Akku- und Batterie-Betrieb ins Auge.
Im Akku- und Batterie-Betrieb könnte die Stromversorgung mit folgenden zwei Lösungen realisiert werden:
- USB-Powerbank am Micro-USB-Port oder VBUS-Pin (5 Volt)
- Batterie- oder Akku-Pack am VSYS-Pin (1,8 bis 5,5 Volt)
Der Akku- oder Batterie-Betrieb macht aber nur dann Sinn, wenn man den Stromverbrauch so weit wie möglich reduziert hat. Es gilt dann den Stromverbrauch zu messen und die Akkulaufzeit zu berechnen.
Hinweis
Der Mikrocontroller RP2040 auf dem Raspberry Pi Pico verbraucht im niedrigsten Leistungszustand, kaum messbar, etwa 180 µA. Für batteriebetriebene Anwendungen kann das schon zu viel sein. Darüberhinaus verbraucht der Flash-Speicher Strom und das Pico-Board hat einen eher ineffizienten Spannungsregler, der den Stromverbrauch deutlich erhöht. Andere Mikrocontroller sind, was einen niedrigen Stromverbrauch angeht, deutlich besser.
Stromverbrauch reduzieren
Bevor man sich gleich um die Akkus und Batterien kümmert, sollte man möglichst viele Maßnahmen zum Reduzieren des Stromverbrauchs durchführen.
Stromverbrauch beim Raspberry Pi Pico messen
Wenn man einen Strom messen will, dann muss man das Messgerät in Reihe der stromführenden Leitung einfügen. Dazu muss der Stromkreis für die Dauer des Einfügens unterbrochen werden.
Der dann messbare Strom ist aber nicht der Strom, den wir wissen wollen. Dieser Strom ist der gerade aktuelle Strom, der vom betreffenden Aufbau gerade verbraucht wird. Eigentlich brauchen wir den durchschnittlichen Strom innerhalb einer bestimmten Nutzungszeit. Dazu müsste der Strom über die Zeit gemessen werden. Dafür bedarf es eines speziellen Messgeräts.
Hilfreich ist es auch, wenn man den Spitzenstrom beim Einschalten und im laufenden Betrieb ermittelt. Diesen Strom muss die Stromquelle auf alle Fälle liefern können.
Akku-Laufzeit berechnen
Ob der Akku- und Batterie-Betrieb überhaupt Sinn macht, hängt vom durchschnittlichen Strom ab und wie lange dann die Batterie hält. Wenn man eine Batterie alle paar Tage wechseln muss, schließt das diese Betriebsart schnell aus.
Die exakte Akkulaufzeit eines Geräts lässt sich nicht allgemein berechnen, da sie von verschiedenen Faktoren abhängt. Dazu gehören unter anderem die Akkukapazität, Ladezustand, die angeschlossenen Komponenten, die Art des Energieverbrauchs und die Umgebungstemperatur.
Um eine ungefähre Akkulaufzeit zu berechnen, kann man die Akkukapazität mit dem durchschnittlichen Stromverbrauch des Geräts dividieren. Das Ergebnis ist die Akkulaufzeit in Stunden.
Wenn ein Akku eine Kapazität von 1.000 mAh und das Gerät einen durchschnittlichen Stromverbrauch von 100 mA hat, dann beträgt die Akkulaufzeit ungefähr 10 Stunden.
Wie lange ein Akku oder eine Batterie wirklich hält wird man zwangsläufig durch Ausprobieren herausfinden müssen. Die Messung des Stroms und anschließende Berechnung der Akkulaufzeit ist nur eine Näherung. Beispielsweise um zu ermitteln, ob der Akku- oder Batterie-Betrieb generell möglich ist.
Stromversorgung mit USB-Powerbank am Micro-USB-Port (5 Volt)
Eine USB-Powerbank ist ein tragbarer Akku, der über einen USB-Anschluss geladen werden kann und als mobile Stromversorgung für andere Geräte dienen kann, die über einen USB-Anschluss verfügen. Dabei ist zu beachten, dass jede Powerbank eine andere Kapazität und Ausgangsstrom hat, wodurch sie für unterschiedliche Geräte geeignet sein kann.
Es ist sinnvoll eine Powerbank vor dem Gebrauch vollständig aufzuladen, damit eine zuverlässige Stromversorgung sichergestellt ist.
Stromversorgung mit Batterie- oder Akku-Pack am VSYS-Pin (1,8 bis 5,5 Volt)
Für AA- und AAA-Akkus und -Batterien gibt es spezielle Batteriefächer in denen 2 bis 6 Stück eingesetzt werden können und die diese in Reihe schalten. Das bedeutet, dass die Einzelspannungen der Akkus und -Batterien addiert werden müssen und die Gesamtkapazität dem Durchschnitt aller Akkus und -Batterien entspricht.
Prinzipiell sind jegliche Akku- und Batterie-Kombinationen geeignet, bei denen die Gesamtspannung zwischen 1,8 und 5,5 Volt liegt. Voraussetzung ist, dass der Gesamtaufbau mit einer Betriebsspannung von 3,3 Volt auskommt.
- 2 x AA- oder AAA-Akkus in Reihe: 2 x 1,2 V = 2,4 V
- 3 x AA- oder AAA-Akkus in Reihe: 3 x 1,2 V = 3,6 V
- 4 x AA- oder AAA-Akkus in Reihe: 4 x 1,2 V = 4,8 V (*)
Hinweis: AA- und AAA-Akkus haben im vollen Zustand im Leerlauf und wenn sie nur geringfügig belastet werden eine Spannung von bis zu 1,35 Volt. Bis 5,5 Volt ist das also unbedenklich
- 2 x AA- oder AAA-Batterien in Reihe: 2 x 1,5 V = 3,0 V
- 3 x AA- oder AAA-Batterien in Reihe: 3 x 1,5 V = 4,5 V
4 x AA- oder AAA-Batterien in Reihe: 4 x 1,5 V = 6,0 V
(*) Da bei der allgemeinen Handhabung von AA- bzw. AAA-Batterien und -Akkus davon ausgegangen werden kann, dass diese Aufgrund der Bauform einfach untereinander zu tauschen sind, **sollte man mit einem Batteriefach für maximal 3 Batterien bzw. Akkus arbeiten**, wenn diese direkt an VSYS (Pin 39) angeschlossen werden. Wer in ein 4-fach-Batteriefach versehentlich 4 x 1,5-Volt-Batterien statt Akkus einbaut, der himmelt dadurch den Raspberry Pi Pico rechnerisch mit 6,0 Volt.
Lithium-Ionen-Akkus
Bei Lithium-Ionen-Akkus sind im Prinzip alle Typen geeignet, die eine Spannung zwischen 1,8 und 5,5 Volt haben und deren Kapazität zum Strombedarf des Aufbaus passen.
Aber, was im privaten Umfeld gerne vergessen wird ist, dass jeder Transport eines Lithium-Ionen-Akkus ein Gefahrguttransport ist. Für die Beförderung gelten auf Grund der hohen Brandgefahr bei Kurzschluss oder Wasser-Einfluss besondere Sicherheitsvorschriften. Vor dem Einsatz und Kaufs eines Lithium-Ionen-Akkus sollte man überlegen, ob es vielleicht doch eine andere Lösung gibt.
Was es noch zu beachten gilt
Beim Entwickeln von Geräten, die den Strom aus Akkus oder Batterien beziehen, ist es wichtig, den Stromverbrauch sorgfältig zu überwachen und zu optimieren, um eine lange Betriebszeit mit einer einzigen Ladung zu erreichen. Einige Faktoren, die beim Akku- und Batteriebetrieb berücksichtigt werden müssen, sind:
- Stromverbrauch: Je höher der Stromverbrauch eines Geräts ist, desto schneller wird der Akku oder die Batterie entladen. Das heißt, er muss gewechselt oder geladen werden.
- Display: Hat das Gerät ein Display, dann hat die Display-Helligkeit und -Nutzung einen signifikanten Einfluss auf den Stromverbrauch.
- Hintergrundaktivitäten: Einige Hintergrundaktivitäten, wie das ständige Abrufen und Verarbeiten von Daten oder das Durchführen von Datenübertragungen, können die Akku-Laufzeit erheblich beeinträchtigen.
- Energiesparmodus: Viele Geräte bieten einen Energiesparmodus an, um den Stromverbrauch zu reduzieren und so die Akkulaufzeit zu verlängern.
Es ist wichtig zu beachten, dass jedes Gerät anders ist und dass es einige Experimente und Anpassungen erfordern kann, um eine möglichst lange Akku- und Batterielaufzeit zu erzielen.
Überwachen der Versorgungsspannung an VSYS
Beim Mikrocontroller-Board Raspberry Pi Pico ist der ADC 3 (GPIO 29) intern über einen Spannungsteiler mit VSYS (Pin 39) verbunden. Da bietet es sich regelrecht an, die Versorgungsspannung an VSYS zu messen. Aber, ein korrektes Ergebnis zu bekommen ist nicht so ganz einfach, wie man sich das vielleicht denkt.
- Raspberry Pi Pico: VSYS mit ADC messen
- Raspberry Pi Pico: Überwachen der Versorgungsspannung an VSYS
Batterie-Lade-Zustand anzeigen
Der Raspberry Pi Pico ermöglicht die Überwachung des Batterie-Ladezustands über den ADC 3 (GPIO 29), der mit VSYS verbunden ist. Der Programmcode zur Messung berücksichtigt Unterschiede zwischen dem Pico und Pico W. Nutzer müssen Spannungsgrenzen für volle und leere Batterien festlegen.
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