Wie werden mehrere Komponenten mit Strom versorgt?

Ich bin mit jeglicher Art von Elektroarbeiten ziemlich unerfahren und stelle gerade einen Satz von (mindestens 6) 12-V-Magnetschlössern zusammen, die von einem Raspberry Pi 4 gesteuert werden sollen. Bisher habe ich den Pi, der Daten durch ein Schieberegister an a sendet 5-V-Low-Trigger-Relais. Die aktuelle Funktion des Setups ist kein Problem, aber so wie es aussieht, enthält es 3 Stromquellen: die standardmäßige USB-C 5-V-DC-Versorgung für den Pi, eine zufällige 5-V-DC-Versorgung für das Relais und eine weitere 12-V-DC-Versorgung, die alle Solenoide mit Strom versorgt Schlösser.

Um die Stromversorgung dieses Systems zu vereinfachen, möchte ich alle diese Systeme an dieselbe Stromversorgung anschließen. Bisher hatte ich gelesen, dass ich nur ein Netzteil von jedem alten Computer verwenden und alle meine Komponenten direkt daran anschließen könnte, aber ich war besorgt über Rauschen, das möglicherweise eine höhere Spannung an die Himbeere drückt. Ich habe bereits meinen ersten Pi gebraten, indem ich ihn falsch an das Relais angeschlossen habe, und ich würde es hassen, dasselbe noch einmal zu tun, nur weil ich nicht weiß, was ich tue.

Eine grobe Skizze, die eine Schaltung vorschlägt. Stromversorgung über die 12-VDC- und 5-VDC-Schienen eines Standard-PC-Netzteils.

Jedes einzelne Relais im Modul verwendet diese Konfiguration.

Nach alledem lautet meine allgemeine Frage wie folgt:

1. Muss ich mir Gedanken über lautes Feedback von einem Relais machen, das einen Himbeer-Pi beeinträchtigt, der an dieselbe Stromversorgung angeschlossen ist?
2. Würde das nicht die Isolierung ungültig machen, die ich mit den Opto-Isolatoren und der externen Stromquelle des Relais erworben hatte?

AKTUALISIEREN!! 26.06.2020

Nachdem ich wochenlang an diesem Projekt gearbeitet habe, habe ich das Gefühl, dass ich endlich an einem ziemlich anständigen Haltepunkt angelangt bin. Da dies eine solche Nischenanwendung für die Frage zu sein scheint, habe ich überlegt, diese Frage nicht zu aktualisieren. Als jedoch zufällig jemand vorbeikam und dieses Projekt für relevant hielt, dachte ich, dass es sich lohnt, es zu tun. Hoffentlich hilft es dabei, die Entwicklung für jemand anderen viel einfacher zu machen, als es für mich war! Da ich so wenig über EE weiß, denke ich, dass das Dokumentieren meiner eigenen Probleme und Lösungen das Beste ist, was ich als Gegenleistung für die Hilfe, die mir hier gegeben wurde, geben kann.

Für alle, die darauf stoßen und sich dafür interessieren, was tatsächlich funktioniert hat, finden Sie im Folgenden eine Beschreibung der derzeit funktionierenden Lösung sowie eine Zusammenfassung einiger Probleme, die auf dem Weg aufgetreten sind: (Und für alle, die Lust haben, das zu kritisieren wie ich Dinge getan habe - ich bin immer offen für Verbesserungen)

Das aktuelle Setup Ich habe mich entschieden, nur einen 12VDC 2A-Wandkonverter als Gesamtstromquelle zu verwenden. Ich habe eine +12-V- und Erdungsschiene, die für den Betrieb der Magnetschlösser getrennt ist, während die Hauptleitung in einen 3-A-bewerteten Abwärtswandler mit einstellbarem Ausgang und isoliertem Ausgang eingespeist wird, der auf knapp über +5,0 VDC eingestellt ist.

Die +5V-Quelle wird verwendet, um sowohl das 8-Modul-Relais als auch das RPi-4 mit Strom zu versorgen. Ich habe mich noch nicht entschieden, ob ich bei einem 5-V-Lüfter zur Kühlung des RPi und des Konverters bleiben oder auf einen 12-V-Lüfter aufrüsten möchte, da sie zusammen in einem engen Fach untergebracht sind und dazu neigen, ziemlich heiß zu werden. Entweder wird der Lüfter zusammen mit den Magnetschlössern an die 12-V-Schiene angeschlossen oder mit dem Rest direkt vom Wandlerausgang gezogen.

Das RPi wird verwendet, um ein 74HC595N-Schieberegister zu betreiben, das wiederum das Relaismodul betreibt. Schließlich wird das System auf bis zu 12 Schlösser erweitert, daher wurde dies als die umsichtigste Lösung angesehen.

Eine einfache Taste wird verwendet, um das RPi ordnungsgemäß auszuschalten/neu zu starten, während der Netzschalter zum Einschalten des Systems und als Sicherheitstrennschalter für die Handhabung verwendet werden muss.

Bitte verzeihen Sie die seltsame Auswahl für Diagrammsymbole und Beschriftungen - dies ist das erste Mal, dass ich Fritzing verwende, und ich gehe immer noch ihre Bibliothek durch

Das Relaismodul ist platzsparend vereinfacht. In Wirklichkeit entspricht jedes Modul dem, was in Abbildung 2 oben gezeigt wird.

Die bisherigen Probleme Das erste große Problem, das auftrat, war ein Streukurzschluss von einem fehlerhaften Relaismodul. Das Relais wurde direkt von den 5-V-Ausgangspins des RPi mit Strom versorgt, und 12 V gelangten irgendwie von einem Solenoid, das an einem der Relaisausgänge angeschlossen war, durch eine einzelne Isolationsschicht zu den GPIO-Pins des RPi. Dies führte zu einer gewissen Paranoia, dass eine zweite Isolationsschicht "nur für den Fall" notwendig sei. Daher wurde eine separate 5-VDC-Quelle an JD-VCC und GND des Relaismoduls angeschlossen (siehe Abbildung 1 oben). Zumindest tut es nicht weh, oder?

Als es an der Zeit war, Energiequellen zu kondensieren, begann etwas wirklich Bizarres zu passieren. Während kein Solenoid an die +12-V-Schiene angeschlossen war, funktionierte das Schieberegister einwandfrei. Jede Byte-Eingabe würde richtig übersetzt und bewirkt, dass die richtigen Relais auslösen. Das Anlegen einer Last an die +12-V-Schiene würde jedoch aus irgendeinem Grund dazu führen, dass die falschen Relais auf völlig zufällige Weise auslösen.

Nach fast einer Woche der Fehlersuche bei Relaismodul, Schieberegister und GPIO-Pins konnte ich das Problem schließlich auf die Stromquelle des RPi zurückführen! Beim Anschließen an eine dedizierte Stromversorgung verschwand das Problem und das zufällige Relaisschalten wurde gestoppt.

Die Ursache des Problems schien das Vorhandensein einer Last auf der 12-V-Schiene zu sein. Jede der ausgelösten Sperren schien einen ausreichenden Spannungsabfall zu verursachen, sodass das RPi nicht mehr in der Lage war, ein solides High/Low-Signal an einem der GPIO-Pins auszugeben. Ohne eine ordnungsgemäße Erkennung des Spannungsanstiegs durch den Register_Clock und den Latch_Clock am Schieberegister wären die Ausgänge des Registers effektiv zufällig (mit wiederkehrenden Mustern).

Weitere Nachforschungen ergaben mehrere potenzielle Lösungen – einen Elektrolytkondensator über den +5VDC- und GND-Pins des RPi, eine kleine Keramikkappe. über VCC und GND des Registers, eine Induktivität über den Ausgängen des Abwärtswandlers, Entfernen der vom Wandler bereitgestellten Masseisolierung usw. Keiner von ihnen schien das Problem zu beheben, während die meisten es tatsächlich verschlimmerten. Ich entschied mich schließlich, einfach zu versuchen, den Spannungsabfall auf der +12-V-Schiene (der auftrat, als eine Last durch das Relais eingeschaltet wurde) mit einem (zugegebenermaßen beliebig großen) großen Kondensator zu puffern. Da das System rund um die Uhr mit Strom versorgt werden sollte und jedes einzelne Schloss für kurze Zeit mit Strom versorgt werden würde, dachte ich, dass fast alles über 25 µF ausreichen würde.

Ich nahm einen zufälligen 47-µF-Elektrolytkondensator aus einem meiner verschiedenen Kits und verband ihn über die +12-V- und GND-Schienen und ließ das System einige Male umschalten. Die richtigen Relais wurden größtenteils ausgelöst, wobei ungefähr alle 3/20 Versuche zu zufälligen Ergebnissen führten. Ich habe die Kappe aufgesetzt. Größe auf 100µF und das Problem scheint endlich gelöst zu sein!