Модуль бесперебойного питания ИБП RPi UPS HAT (D) Waveshare

Обратите внимание! Модуль Raspberry Pi не входит в комплектацию.

Технические характеристики

• Модель: RPi UPS HAT (D) Waveshare
• Совместимость: Raspberry Pi 3 / 3+ / 4 / 5 и др.
• Тип устройства: источник бесперебойного питания
• Батарея резервного питания: 2х 5000мАч 21700 Li-ion (2S)
• Входное напряжение и ток заряда: 5В DC / до 3A
• Выходное напряжение и ток разряда: 5В / 4A (макс.5А)
• Чип мониторинга напряжения и тока: INA219 TI, I2C/IIC
• Встроенная защита: от перезаряда, переразряда, перегрузки по току, короткого замыкания и переполюсовки
• Интегрированный 5-вольтовый регулятор: TPS61088 / SGM6610
• Интегрированный 3-вольтовый регулятор: RT9193-33
• Контроллер заряда/разряда батареи: ETA6953
• Разъёмы
  • USB Type-C: для заряда батареи
  • USB Type-A: для питания периферии
  • Pogo контакты: для питания Raspberry Pi
• Индикация: обратная полярность батареи, статус заряда батареи
• Управление: переключатель питания OFF/ON, кнопка пуска Boot
• Монтажные отверстия: 4хØ3мм
• Размеры
  • платы UPS HAT: 85 х 56 х 30.5мм
  • упаковки: 135 х 97 х 42.5мм
• Вес изделия
  
  • нетто (модуль с батареей): 177г
  • брутто: 245г

Комплектация

• Модуль UPS HAT (D) Waveshare - 1шт
• Батарея аккумуляторная литиевая 21700 Li-ion 5000мАч - 2 шт
• Акриловое защитное стекло - 1шт
• Набор стоек и винтов/гаек - 1компл

Организация стабильного питания исключительно важна для большого числа приложений, занимающихся непрерывной обработкой потоков информации в реальном времени. Например, это могут быть системы круглосуточного мониторинга за различного рода датчиками, умные автомобильные парковки, сервисное или вендинговое оборудование, и так далее. Доступность таких приложений, а также целостность и сохранность цифровой информации, с которой работают приложения, зависят от нескольких значимых факторов, среди которых бесперебойное энергоснабжение выходит на первое место. Главной причиной неустойчивой работы подобных приложений являются глубокие просадки или полное отключение напряжения питания из-за перегрузок, обрывов или короткого замыкания в линиях электропередач. Устройства бесперебойного питания ИБП (англ. UPS - Uninterruptible Power Supply) имеют индивидуальную перезаряжаемую батарею резервного напряжения и позволяют на протяжении некоторого отрезка времени целиком компенсировать перечисленные проблемы энергоснабжения. ИБП переключают линии внешнего питания на резервную батарею незаметно для потребителя, исключают его перезагрузку или пояление помех.

Модуль UPS HAT (D) Waveshare идеально подходит для реализации сценариев бесперебойного питания различных приложений, созданных на основе моделей 3-5 поколения микрокомпьютерной платформы Raspberry Pi с  интегрированным 40-контактным разъёмом выводов общего назначения (GPIO). Аккумуляторная плата поддерживает и некоторые другие платформы: Orange Pi, Rock Pi, Repka Pi, Thinker Board и т.д. Схема модуля компактного бесперебойника UPS HAT Waveshare выделяется среди прочих аналогичных решений продвинутым комплексом защиты резервной батареи от перезаряда, от переразряда, от перегрузки по току, от короткого замыкания и переполюсовки, в полном объёме обеспечивающие максимальную безопасность в процессе эксплуатации. Благодаря наличию многоуровневой защиты, значительно продлевается срок службы резервной литиевой батареи, состоящей из двух элементов 21700.

Дизайн и интерфейсы платы ИБП UPS HAT (D) Waveshare

Модуль ИБП с аккумуляторной батареей 21700 выполнен в размерах, эквивалентных плате мини-ПК Raspberry Pi. Он крепится шестигранными стойками к RPi со стороны считывателя карты памяти microSD. Противоположная сторона UPS HAT (D) защищается акриловой пластиной, которая одновременно является ещё и опорной плоскостью. Расположение соединительных контактов Pogo соответствует распиновке 40-контактного разъёма GPIO RPi. Кроме напряжения питания 5 вольт, Pogo-контакты обеспечивают обмен данными по последовательной шине I2C/IIC между платами UPS и RPi. Ручное управление модулем определено двумя элементами: кнопка Boot для запуска схемы защиты батареи после её извлечения и повторной установки в ИБП, а также двухпозиционный ползунковый переключатель OFF/ON для включения или отключения напряжения питания.

Восполнение энергии резервной батареи осуществляется от любого внешнего адаптера или блока питания с характеристиками на выходе не менее 5В/3А постоянного тока DC, подключенного через разъём USB Type-C (маркировка 5V IN). Бесперебойник выдаёт заряд стабилизированного напряжения 5 вольт через подпружиненные Pogo-контакты 5V+GND, а также через стандартный порт USB Type-A для периферии. Суммарная ёмкость двухэлементной батареи резервного напряжения составляет 10000мАч. Максимальный ток разряда аккумулятора, с учётом потребления платой Raspberry Pi, не должен превышать 4000мА в продолжительном режиме потребления или 5000мА - в кратковременном. Сеанс автономной работы модуля UPS HAT (D) при отключенном внешнем источнике питания целиком зависит от основных значений: остаточном уровне заряда в резервной батареи и показателе расходуемой энергии.

Интерфейсы модуля ИБП USB HAT (D) Waveshare

В схему бесперебойника встроен датчик тока и напряжения INA219 для мониторинга и рассчёта в реальном времени значений остаточного заряда аккумулятора, текущего уровня напряжения батареи, а также значения тока и мощности потребления нагрузкой. Чип INA219 получает напряжение от интегрированного 3-вольтового регулятора. Дополнительно имеется микроконтроллерная система 30-секундного автоматического запуска мини-ПК Raspberry Pi, управляемая внешней командой через последовательную шину I2C/IIC.

i2cset -y 1 0x2d 0x01 0x55

Демонстрационное программное приложение Battery Monitor Demo, предоставленное производителем UPS HAT (D) Waveshare, отображает на экране ОС иконку с актуальным зарядом аккумулятора и осуществляет автоматическое выключение Raspberry Pi с 60-секундной задержкой при низком заряде батареи менее 5%. Примеры кода приложения автомониторинга на языке Python можно загрузить в разделе "Программное обеспечение".

Cхемы защиты и стабилизации модуля UPS HAT (D) Waveshare

1. Защита батареи от перезаряда, переразряда, перегрузки по току
2. Понижающий преобразователь-стабилизатор 3.3В
3. Система автоматического запуска Raspberry Pi
4. Схема контроля заряда/разряда батареи
5. Индикатор состояния батареи заряжается/заряжена
6. Мониторинг напряжения и тока батареи
7. Защита от перегрузки по току
8. Повышающий преобразователь-стабилизатор 5В
9. Pogo-контакты

Индикаторы обратной полярности батареи

Модуль UPS HAT (D) Waveshare обладает светоиндикаторной системой защиты батареи от обратной полярности. Батарея резервного питания состоит из двух отдельных элементов 21700 с напряжением 3.7 вольта (4.2 вольта при полной зарядке). Для обоих энергоэлементов предусмотрен предупреждающий индикатор, зажигающийся красным светом тогда, когда аккумулятор 21700 неправильно расположен в отсеке держателя. Подключение напряжения для заряда батареи при любом светящемся индикаторе WARNING повлечёт повреждение цепей защиты.

Внимание! Установка или извлечение элементов 21700 разрешаются только в обесточенном состоянии платы (переключатель напряжения питания в положении выключен - OFF).

Физические размеры, мм

Программное обеспечение

1. Исходники и примеры на Python для UPS HAT (D) Waveshare (7z-архив)

Документация

1. Руководство пользователя UPS HAT (D) Waveshare (web-версия)
2. Электрическая принципиальная схема UPS HAT (D) Waveshare (PDF)
3. Спецификация INA219 TI датчика напряжения и тока (англ., PDF)