PIR-Bewegungssensor-Schalter für USB-Powerbank mit Transistor
Mein Dr. Brain Breaker 3D Puzzle mit Farbwechsel-LEDs-Schädel steht in meinem dunklen Flur im Regal. Schön und gut. Das Problem ist nur, dass ich an dieser Stelle keine Steckdose in der Nähe habe (langer Flur ,nur eine Steckdose ganz am Ende) und erst eine verlegen müsste, was natürlich Aufwand bedeutet, wenn man das halbwegs anständig machen will.Die größte "dumme" (das heißt, sie schaltet nicht automatisch ab, wenn zu wenig Strom gezogen wird) USB-Powerbank hat 4400 mAh laut Etikett. Und laut allgemeinem Etikettenschwindel sind das natürlich 4400 mAh bei nur bei 3.6 Volt (der Akku-Spannung) und einem angenommenen Wirkungsgrad von 100%. Geliefert werden allerdings 5.0V bei winem Wikrungsgrad von sagen wir mal 80%.
Macht einen reale gelieferte Kapazität bei 5V von 4400 * 3,6 / 5 * 0,8 = 2534 mAh. Gehen wir jetzt davon aus, dass die 4 LEDs im Schädel jeweils 25 mA (2.5 V Durchlassspannung und 100 Ohm Vorwiderstand, Berechunng mit dem Vorwiderstandsrechner), sind das zusammen 100 mA und das heißt dass die Powerbank etwa 24 Stunden am Stück blinken kann und dann leer ist. Das hieße, ich müsste jeden Tag die Powerbank wechseln, obwohl ich nur ein paar mal am Tag durch den Flur gehe und den Schädel überhaupt sehe.
Besser wäre doch eine Bewegungserkennung. Der Schädel soll immer nur dann leuchten, wenn ich den Flur betreten und dann nach einer halben bis einer Minute wieder ausgehen. Und wenn ich - sagen wir mal - 20 mal am Tag durch den Flur latsche, dann sind das 15 bis 20 Minuten am Tag. Der PIR-Bewegungsmelder selbst braucht nur etwa 50 &mikro;A für seine Arbeit. Das ist so wenig, dass ich das gar nicht in meine Rechnung aufnehme: 25 h Gesamtlaufzeit / 20 min pro Tag = 25*60/20 = 75 Tage. Damit, die Powerbank alle 2 einhalb Monate auszutauschen kann ich gut leben.
Das hört sich doch nach einer praktikablen Lösung an, die mir das Verlegen von 220V-Leitungen und Steckdosen erst einmal erspart.
Doch ein Problem stellt sich: der PIR-Sensor liefert an seinem OUT-Pin nur etwas über 3 Volt. Für den Schädel brauche ich aber die vollen 5 Volt der Powerbank, damit die LEDs in der richtigen Intensität leuchten. Und die Vorwiderstände auszutauschen wäre zwar auf den ersten Blick technisch das einfachste, aber mechanisch sind die natürlich Schädelinneren verbaut und ich müsste alle Kabel ziehen, umlöten und wieder reinfriemeln.
Irgendwie müsste ich die 5V Versorgungsspannung, die am PIR anliegt, weiterleiten, statt die 3 Volt von Out.
Der USB-PIR-Schalter
Und so kam mir die Idee zu einem universellen PIR-USB-Schalter. Denn am Schädel, den ich ja schalten will, ist schon alles fertig. Auch der USB-A-Stecker ist fest montiert. Also brauche ich ich Ausgang erst einmal eine USB-A-Buchse.Und irgendwoher muss der Strom ja her kommen. Am praktischsten sind hier USB-Powerbanks. Die haben meist eine USB-A-Buchse oder einen USB-Mikro-Stecker. Von den dazu passenden Mikro-USB-Buchsen haben ich noch ein paar rumfliegen, also nehme ich diese als Eingang.
Die Versorgungsspannung vom Mikro-USB-Port geht natürlich erst einmal an den PIR-Sensor. Außerdem geht +5V davon an den Ppluspol von der USB-A-Buchse für den Schädel.
Um nicht nur 3V an die USB-A-Buchse zu bringen, sondern 5V, benutze ich einen einfachen NPN-Transistor 2N2222 (aber es geht praktisch jeder NPN-Transistor, etwa BC237, BC337, BC547 etc., die geforderten 100 mA bei 5V schaffen sie eigentlich alle). Der Transistor wird mit den 3V vom PIR-Out zwischen Basis und Emitter getriggert und schließt dann die Strecke vom Kollektor an den Emitter und gibt so die 5V vom Mikro-USB an den USB-A-Schaltkreis weiter, nach der Grundregel
Der Bipolartransistor wird durch einen elektrischen Strom angesteuert. Die Anschlüsse werden mit Basis, Emitter, Kollektor bezeichnet (im Schaltbild abgekürzt durch die Buchstaben B, E, C). Ein kleiner Steuerstrom auf der Basis-Emitter-Strecke führt zu Veränderungen der Raumladungszonen im Innern des Bipolartransistors und kann dadurch einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern.Ich habe mir die Mühe gemacht, einen kleinen Schaltplan dafür zu zeichnen:
Quelle: Wikipedia
Der Effekt ist der gewünschte: immer wenn der Bewegungssensor anschlägt, dann werden die vollen 5 Volt von der Powerbank an den Ausgang-USB-Anschluss weitergegeben. Damit kann ich das Teil nicht nur für meinen Schädel benutzen, sondern praktisch alles, was mit 5V läuft (evtl. einen leistungsfähigen Transistor bei höheren Strömen verbauen).
Basteln und Löten
Das größte Teil und damit der Träger ist der Bewegungsmelder. Zwischen Poti und Jumper auf der einen Seite der Platine und Header und Elkos auf der anderen Seite ist eine Vertiefung bis zur einer Spalte von 2 Elkos, weil dort nur der BISS0001-Chip und andere flache Bauteile liegen:
Auf diese oben rot eingezeichnete Stelle habe ich mit reichlich Heißkleber eine Lochraster-Platine (eine ohne jegliche Kupferschicht, also nicht leitend) geklebt, auf der ich die stehende USB-A-Buchse montiert habe. Die habe ich zusätzlich mit einem angelöteten, dicken Kupferkabel und Heißkleber gegen mechanische Einwirkungen gesichert.
Noch difiziler war die nächste Platine, die wie ein Sandwich auf die mit der USB-A-Buchse kam - nur anstatt Toast und Mayonnaise halt mit Lochrasterplatine und Heißkleber.
Denn eine Mikro-USB-Buchse hatte ich nur als SMD-Bauteil da. Und da sind die Anschlussbeinchen einfach winzig. Beim ersten mal sind mir diese auch gleich abgebrochen, als ich ein wenig an das angelötete Kabel gekommen war. Darum wurde die Buchse sowie die Kabel beim zweiten Versuch gleich mit reichlich Heißkleber fixiert. Fertig war der zweite Layer.
Zum krönenden Abschluss kam noch die Transistor-Platine obenauf. Hier wurde, wie bereits oben geschrieben, die entprechenden Kabel angelötet und wieder mit reichlich Heißkleber fixiert.
Als i-Tüpfelchen noch eine Extra-Portion Heißkleber über alles und insbesonderen die Mikro-USB-Buchse und dann war es fertig, das mechanisch eher unempfindliche, dafür eher unschöne Teil.
Aber das macht überhaupt nichts. Denn für die Optik gibt es mal wieder ein schönes Gehäuse aus dem 3D-Drucker.
Gehäusedesign mit OpenSCAD
Am besten geeignet für solch eckigen, geometrisch eher einfachen Gehäuse finde ich OpenSCAD, eine Beschreibungs-/Programmiersprache für 3D-Objekte, die ich ja schön öfters benutzt habe.Ich wollte wieder eine passende Box mit einer offenen Seite, so dass in die ich die Platine hineinstecken könnte. Und obendrauf kommt dann wieder ein Deckel. Dazu brauche ich Aussparungen für den PIR-Sensor (kreisrund), die beidne Potis (rechteckig), die USB-A-Buchse (rechteckig) und die Mikro-USB-Buchse (rechteckig).
Aber ich glaube, der Source-Code erklärt das am Besten:
// Gehäuse USB-PIR-Schaltung (gibt Leistung von USB-Powerbank bei Bewegung weiter)
// mit dem kreisrunden Ausschnitt nach unten
// mit dem USB-A nach links und dem Mikro-USB nach rechts
// oben Decke frei, Deckel zum Auflegen
// letzte Änderung: Oliver Kuhlemann, 2020-07-17
wand=1.6;
xGes=59.2;
yGes=29.2;
zGes=25.0;
xPIR=29.8;
yPIR=16.7;
dPIR=24.4;
yUSBA=6.2+5.4;
yyUSBA=7.0;
zUSBA=7.2;
zzUSBA=14.6;
yUSBM=7+3.4+1;
yyUSBM=10+1;
zUSBM=7+1.6;
zzUSBM=5+1;
xPotis=19+2.4-1;
xxPotis=16-2.4;
zPotis=5+1;
zzPotis=7;
difference(){
translate([0,0,0]) { cube( [xGes+wand*2, yGes+wand*2, zGes+wand*2] ); }
// Quader aushöhlen
translate([wand, wand, wand]) { cube( [xGes, yGes, zGes+10] ); }
// Kreisrundes Loch für PIR
translate([wand+xPIR, wand+yPIR, -1]) { cylinder (d=dPIR, h=10, $fn=90); }
// links: Ausschnitt für USB A
translate([-1, wand+yUSBA, wand+zUSBA]) { cube( [10, yyUSBA, zzUSBA] ); }
// rechts: Ausschnitt für Mikro USB
translate([xGes, wand+yUSBM, wand+zUSBM]) { cube( [10, yyUSBM, zzUSBM] ); }
// Rückseite: Ausschnitt Einstellüpotis
translate([xPotis, yGes, wand+zPotis]) { cube( [xxPotis, 10, zzPotis] ); }
// oben Aussparung für Deckel
translate([wand/2, wand/2, wand+zGes]) { cube( [xGes+wand, yGes+wand, 10] ); }
} // end diff
// deckel, etwas kleiner (tol), damit er reinpasst.
tol=.1;
translate([wand/2+tol, wand/2+tol, zGes+wand*3]) { cube( [xGes+wand-tol*2, yGes+wand-tol*2, wand-tol*2] ); }
Die beiden damit erstellten Objekte (Basis und Deckel) sehen dann so im Slicer aus:
Der dritte Ausdruck war dann meiner Meinung nach okay und ich druckte ihn noch einmal mit voller 1.6 mm Wandstärke aus - ein bisschen Festigkeit sollte das Gehäuse ja schon haben.
Aber Murphys Law schlug mal wieder zu und so kam es, dass der Mikro-USB-Stecker nicht in die Mikro-USB-Buchse passen wollte, weil diese a) zu klein oder wahlweise b) zu tief versenkt war. Also das Teppichmesser raus und die Aussparung für die Mikro-USB-Buchse per Hand vergrößert, nochmal alles drucken wollte ich nicht - Filament kostet auch Geld.
Der Deckel passte dank berücksichtigter Toleranz wunderbar auf die Basis und wurde, genau wie der PIR-Sensor unten mit etwas Klebeknete gesichert - fertig war der universelle USB-PIR-Schalter.
Das Ergebnis
Damit konnte der USB-PIR-Schalter nun seinen neuen Stammplatz einnehmen: zwischen Powerbank und Dr. Brain Breaker im Regal.Und dort geht der Schädel am jetzt immer an, wenn ich den Flur entlang gehe - und bleibt ansonsten aus. So, wie ich mir das gedacht und gewünscht hatte.
Video
Natürlich gibt es auch dieses Mal wieder ein Erklär-Video, dass in bewegten Bildern das zeigt, was man eben mit einem Video besser zeigen kann als mit Text und Bildern: