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

Вопрос надёжной сохранности цифровой информации в условиях вероятного возникновения перебоев энергоснабжения часто занимает не последнее место при разработке электронного приложения. Тема организации стабильного питания исключительно важна для большого круга приложений, которые занимаются непрерывной обработкой потоков информации в реальном времени. Например, это могут быть системы круглосуточного мониторинга за датчиками, умные автомобильные парковки или вендинговое оборудование, и др. Ключевой причиной неустойчивой работы подобных приложений являются недопустимые просадки или полное отключение напряжения питания из-за перегрузок, обрывов или короткого замыкания в линиях электропередач. Источник бесперебойного питания (англ. UPS - Uninterruptible Power Supply) имеет индивидуальную перезаряжаемую батарею резервного напряжения и позволяет на протяжении некоторого отрезка времени целиком компенсировать перечисленные проблемы с напряжением во внешней сети. Переключение между линиями внешнего питания и резервной батареей в ИБП осуществляется незаметно для потребителя, без глубокого падения напряжения.

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 повлечёт повреждение цепей защиты.

Внимание! Установка или извлечение элементов 21700 разрешаются только в обесточенном состоянии (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)