PiPower - Raspberry Pi用のUPSバッテリー¶

SunFounder PiPowerをお選びいただき、ありがとうございます。

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UPSが何をするのか？

Raspberry Piプロジェクトで安定した電力供給が必要な場合、主電源だけに頼るのはリスキーです。地域によっては、電力の落ちや急激な電圧変動が頻繁に発生し、数時間続くこともあります。このような電力の不安定性はRaspberry Piに損傷を与える可能性があり、停電が発生すると即座にシャットダウンします。その結果、安全なシャットダウンができず、SDカード上のデータが全て失われ、壊れる可能性が高まります。

そのため、無停電電源装置（UPS）の使用が推奨されます。

UPSを利用すれば、主電源からの供給が途絶えた場合（停電など）、バッテリーや他の電源が代わりになり、デバイスをシャットダウンすることなく継続して動作させます。UPSは一般に非常用電源とされています。主電源が復旧した後、UPSは再び充電して次の非常事態に備えます。

PiPowerについて

このような背景から、PiPowerは最初から設計されました。PiPowerはRaspberry Piのセカンダリ電源として使用できます。USB-Cの主電源アダプタをPiPowerに接続すると、Raspberry Piは直接電源供給を受け、同時に低電流でバッテリーも充電されます。PiPowerは、停電やUSB-C主電源の切断が発生した際にも、Raspberry Piに途切れることなく電力を供給します。

PiPowerは、5V/3Aの電源を出力でき、様々なRaspberry Piの使用状況に対応します。電源インジケーターが4つあり、各インジケーターは電力の25%を表示します。また、電源コードを抜き差しすることなくRaspberry Piの電源をオン/オフできる電源スイッチも装備しています。

警告

バッテリーを初めて装着する場合や、バッテリーを外して再度装着した場合、正常に動作しない可能性があります。このような場合、Type Cケーブルを充電ポートに接続して保護回路を解除し、バッテリーを正常に使用できるようにしてください。

部品リスト¶

PiPowerの組み立て¶

パッケージ内の各部品に習熟した後、PiPowerの組み立てを開始します。

以下の手順では、特にバッテリーと透明なアクリル裏蓋の組み立て位置など、注意すべき多くの詳細があります。

裏面に粘着テープを貼り付けます。
次に、バッテリーを貼り付けて接続します。
バッテリーのワイヤーをケーブルタイでまとめます。
4組のスペーサーをねじで固定します。
Raspberry Piを上に取り付けます。
下部に保護プレートを固定します。
USB-Cケーブルを接続し、Raspberry Piに電源を供給します。
PiPowerは、初めて使用する際やバッテリーを再度接続する際に、USB-Cケーブルを充電ポートに接続して初期化する必要があります。

警告

バッテリーを初めて装着する場合や、バッテリーを外して再度装着した場合、正常に動作しない可能性があります。このような場合、Type Cケーブルを充電ポートに接続して保護回路を解除し、バッテリーを正常に使用できるようにしてください。

機能一覧¶

パススルー充電
待機電流：< 0.5mA
入力:
- USB Type-C, 5V/3A
- バッテリー入力
出力：
- USB Type-A, 5V/3A
- 2x4P P2.54ピンヘッダー
充電電力：7.4V/1A 7.4W
搭載バッテリー
- タイプ：3.7V リチウムイオンバッテリー x 2
- 容量：2000mAh
- コネクタ：PH2.0, 5P
過放電保護電圧：3.2V
過充電保護電圧：4.2V
寸法：90mm x 60mm x 24.9mm
オンボードインジケーター
- 1 x 充電インジケーター (CHG)
- 1 x 電源インジケーター (PWR)
- 4 x バッテリーインジケーター (D4 ~ D7)

充電と放電について¶

電源パスの切り替え

PiPower V2は統合電源機能を有し、バッテリー消費を抑えるために自動で電源パスを切り替えます。

外部電源が接続されている場合、5V出力は外部電源から直接出力され、電源スイッチでオン/オフが可能です。さらに、外部電源で低電流でバッテリーを充電できます。
外部電源が抜かれた場合、PiPowerはバッテリー降圧供給に切り替わり、デバイスを保護するためにシームレスに切り替えます。

充電電力

電源スイッチの状態に応じて充電電流が切り替わります。

電源スイッチがオフの場合、PiPowerは外部デバイスに電源を供給しません。この時点で、充電電力は7Wで、0%から100%まで充電するのに約2時間かかります。
電源スイッチがオンの場合、外部電源は接続されたデバイスに直接電源を供給します。この時、充電電力は1W以下に減少して、電源供給電流を確保します。

過放電保護

単一バッテリーの電圧が3.2V以下になると、バッテリー保護が作動し、バッテリーはこれ以上放電されません。

バッテリーが外れた場合、オンボードの過放電保護回路のメカニズムにより、電圧が低すぎると判断され、保護回路が作動します。この状態でPiPowerにバッテリーを再接続すると、バッテリーは正常に動作しないため、Type Cケーブルを充電ポートに接続して保護回路を解除し、バッテリーを正常に使用できるようにする必要があります。

過充電保護

バッテリーの合計電圧が8.4Vに達した場合、充電が終了します。

充電バランス

単一バッテリーが4.2Vを超えた場合、電圧分割抵抗器チャンネルが導通し、バッテリーの充電電流が減少または放電されます。

温度

出力電力が最大定格の5V/3Aに達すると、DC-DC降圧チップU1の温度は約70-80度Cに上昇するので、触らないように注意し、通気を確保してください。温度がDC-DCの保護温度である75度Cに達すると、DC-DCは過熱損傷を防ぐためにシャットダウンします。

バッテリーインジケーター¶

バッテリーインジケーターと電圧との関係は以下の通りです：

4つのLEDがすべて点灯：電圧 > 7.8V
3つのLEDが点灯：電圧 > 7.36V
2つのLEDが点灯：電圧 >6.96V
1つのLEDが点灯：電圧 > 6.6V
4つのLEDがすべて消灯：電圧 <6.6V、この時点で、バッテリーを充電する必要があります。

外部バッテリー¶

ネジ端子を使用して独自のバッテリーを接続できます。

警告

外部バッテリーと同梱のバッテリーを同時に接続しないでください！

外部バッテリーは、3.7Vのリチウムバッテリーを2つ直列接続したもののみをサポートします。インターフェイスには「+」「M」「-」の3つのピンがあります。それぞれ、バッテリーの正極、二つのバッテリーの中間、およびバッテリーの負極に接続する必要があります。

PiPowerボードにはオンボードのバッテリー保護回路があり、過放電、過充電、過電流保護を提供しています。そのため、独自の保護ボードを持つバッテリーを使用しないことが推奨されています。

「M」インターフェイスは主に、単一セルバッテリー保護および充電中のバランス充電電流のためのボードの保護回路に使用されます。保護機能やバランス充電機能が不要な場合、この「M」インターフェイスに接続する必要はありません。

IOピンについて¶

PiPowerには、お客様のDIYニーズに応えるために複数の信号ピンが提供されていますが、デフォルトでははんだ付けされていません。

GND: アース入力
BT_LV: バッテリー電圧取得ピン。このピンの電圧は、バッテリー電圧の1/3に等しい。
IN_DT: 入力検出ピン。USB電源入力があるかどうかを判断するために使用され、存在する場合、このピンは高電圧を出力する。
CHG: 充電状態指示ピン。このピンは充電中に高い。
LO_DT: バッテリー低電圧状態ピン。通常状態では、このピンは低い。低電圧が検出された場合、このピンは高い。
EN: スイッチ信号ピン。ENピンは外部スイッチに接続可能で、このピンを接地すると、PiPowerがオフになります。外部スイッチは自己回復ボタンやキーなどを使用できません。ENピンは、オンボードスイッチがオンのときのみ有効です。
GND: アース入力
LED: 電源インジケーターピン。電源投入時に5Vを出力する。外部LEDを接続する際は、間に電流制限抵抗を追加する必要があります。
GND: アース入力

バッテリーについて¶

VCC: バッテリー正極。こちらにはVCCとGNDの2セットがあり、電流を増加させて抵抗を減らすためです。
Middle: 二つのセル間の電圧をバランスさせ、バッテリーを保護します。
GND: バッテリー負極。

このバッテリーパックは、SunFounderによってカスタム製造されたもので、3.7V 18650バッテリーを2つ含んでおり、容量は2200mAhです。コネクタはPH2.0-5Pで、PiPowerに挿入した後、直接充電できます。

PiPowerを使ってRaspberry Piの安全なシャットダウンを実現¶

PiPowerボードには、Raspberry Piの安全なシャットダウンなどの機能を有効化するために利用できるいくつかの拡張ピンが装備されています。以下は、これらのピンとその機能に関する詳細な説明です。

GND: アース接続。
BT_LV: バッテリー電圧を示し、実際のバッテリー電圧の1/3です。
IN_DT: USB電源が接続されているかどうかを判断します。USB電源が検出されると高出力します。
CHG: デバイスが充電中であることを示します。
LO_DT: バッテリーの低電圧状態を示します。低電圧が検出された場合、高出力します。
EN: スイッチ信号として機能します。外部スイッチに接続し、接地するとPiPowerがオフになります。これは、オンボードスイッチがアクティブな場合のみ有効です。
LED: 電源状態を示します。電源がオンの場合、5Vを出力します。外部LEDを接続する場合、電流制限抵抗が必要です。

注釈

これらのピンははんだ付けされていません。はんだごてではんだ付けする必要があります。

このプロジェクトでは、 IN_DT 、 CHG 、および LO_DT ピンに焦点を当て、外部バッテリーが存在するか、USB充電ケーブルが接続されているか、バッテリーが低いかを判断します。これにより、バッテリーのレベルが低い場合、Raspberry Piは安全にシャットダウンします。

警告

外部バッテリーと内蔵バッテリーを同時に接続しないでください！

配線

このテーブルは、PiPowerがRaspberry Piにどのように接続されるべきかを示しています：

PiPower	Raspberry Pi
IN_DT	GPIO17
CHG	GPIO18
LO_DT_PIN	GPIO27
GND	GND

ダウンロードとテスト

安全なシャットダウンのためのサンプルコードが提供されています：

PiPower Github からダウンロードするか、以下のようにクローンします。
git clone https://github.com/sunfounder/pipower.git
examplesディレクトリに移動します。
cd pipower/examples
Raspberry Piが電源状態を正確に読み取れるか確認するためにテストプログラムを実行します。
python3 read_all.py

USBケーブルを抜く、バッテリーを取り外す、またはRaspberry Piのピン接続を変更することで、異なる電源状態をシミュレートできます。表示されるメッセージで電源状態がわかります。例えば、電源がバッテリーのみから供給されている場合、以下のメッセージが表示されます：

外部電源が切断されました
充電されていません
バッテリー正常

警告

外部バッテリーと内蔵バッテリーを同時に接続しないでください！

安全なシャットダウンの設定

安全なシャットダウン機能を有効にするには：

pipower/examples ディレクトリで以下を実行します：
sudo bash enable_safe_shutdown.sh
Raspberry Piを再起動します：
sudo reboot

この設定により、充電していない場合やバッテリーが低い場合、Raspberry Piは自動的にシャットダウンします。

高度な設定

さらなるカスタマイズを希望する方は、 safe_shutdown.py に追加のアクションを追加できます。 # シャットダウン前に実行する操作 の下に、シャットダウンする前に特定の操作を実行するための任意のコードを挿入します。たとえば、スマートフォンに通知を送ったり、特定のサービスをシャットダウンしたりします。

safe_shutdown.py を変更した場合、 enable_safe_shutdown.sh を再実行してください。

sudo bash enable_safe_shutdown.sh

FAQ（よくある質問）¶

PiPowerが動作しない？¶

初めてバッテリーをセットした場合や、バッテリーを一度外して再度セットした場合、バッテリーが正常に動作しないことがあります。

これは、バッテリーが取り外された際、オンボードの過放電保護回路の仕組みにより、電圧が低すぎると判断され、保護回路が作動するからです。

この状態では、保護回路を解除するために Type C ケーブルを充電ポートに接続する必要があります。それを行うと、バッテリーは正常に使用できるようになります。