Die Stromversorgung wird zunächst von einem älteren Notebook-Netzteil sichergestellt, welches am Ausgang eine Spannung von 19V bei 2,6A zur Verfügung  stellen kann.

Es fällt vermutlich nicht nur dem Laien auf, dass diese Werte doch recht ungünstig sind für den Betrieb des Raspberry und seine Peripherie.

Dementsprechend erzeuge ich die benötigten Spannungen (5V und 12V für die Festplatte, 5V für den Raspberry sowie 5V, 12V und 3,3V für diverse Peripherie), indem die 19V in einen 1A-Schaltwandler für 12V (mit LM2575) und einen 3A-Schaltwandler für 5V (mit LM2576) geleitet werden. Aus den 5V werden mit einem kleinen "LP2950 ACZ3,3" die 3,3V erzeugt. Der letztere Chip kann bis zu 150mA zur Verfügung stellen, das sollte für die verschiedenen 3,3V-Bereiche ausreichen.

Auf der Platine werden die drei Spannungen über die vom PC bekannten Stecker herausgeleitet und an die anderen Platinen verteilt.

Für die Schaltregler habe ich die "ADJ" gewählt, also die Version, bei der über externe Widerstandskombinationen einstellbare Ausgangsspannungen erzeugt werden können. Grund dafür ist, dass ich bei dem heiklen Umgang des Raspberry mit der Betriebsspannung sicherstellen wollte, dass am Raspberry wirklich mindestens die 5V ankommen. Die von mir gewählte Dimensionierung liefert an den Prüfpunkten des Raspberry eine Spannung von ca. 5,18V (Berechnung der Spannungen siehe Fußnote 2).

Wer das nicht möchte, kann jeweils die Fixspannungsversion wählen, bis auf die Widerstands-Außenbeschaltung ändert sich nichts weiter.

Beide Schaltregler werden auch bei Last nur mäßig warm, einfache Fingerkühlkörper reichen aus, um die Abwärme abzuleiten. Hier kann man sich die Eigenschaft der verwendeten Schaltregler zunutze machen, dass die Kühlfahnen der ICs GND-Verbindung haben. Sofern das Gehäuse aus Metall ist und nicht ein anderes Potential als GND hat, kann man hier also das Gehäuse oder mit dem Gehäuse verbundene Metallteile zur Kühlung nutzen. Ebenso kann man beide Schaltregler gemeinsam an ein Kühlprofil klemmen oder schrauben ohne dass man sich wegen der Isolierung Gedanken machen muss.

Am Stecker K5 kann eine LED angeschlossen werden zur Anzeige der Betriebsbereitschaft.

Mit auf der Platine befindet sich ein 26poliger Wannenstecker, der mehrere Zwecke erfüllt:

• er versorgt den Raspberry mit den benötigten 5V
• er gibt an den Raspberry KEINE 3,3V weiter, da dieser diese Spannung selbst in ausreichendem Maß erzeugt
• an dem Wannenstecker werden über Pins die nicht anderweitig benötigten Signale zur Verfügung gestellt (z.B. für den von den anderen Platinen benötigten I₂C-Bus)
• über eine Signalleitung kann der Raspberry den Watchdog steuern

Der Watchdog ist die bekannte Schaltung aus meinem Vorentwurf (siehe hier). 

Schaltplan und Layout im Target-3001!-Format

Schaltplan als PDF

Platine (Kupferseite) als PDF

Bestückungsplan als PDF

Das Display ist nicht so ganz ernstzunehmen, eigentlich eher sowohl eine Übernahme eines lieb gewonnenen Teils aus dem alten Controller und eine Löt- und Designübung, zum anderen ein Rest vom I²C-Test.

Im Normalzustand stellt das Display die aktuelle Uhrzeit dar (Stunde-Minute-Sekunde). Dafür läuft ein kleines C-Programm, welches ständig rotierend die beiden I2C-Slaves auf Basis des PCF8574 mit Daten füttert. Einer der beiden ist dabei für die Auswahl der Anzeigestelle zuständig, der andere gibt die 8 Segmentdaten weiter.

Ein paar Informationen zur Schaltung:

• Die Jumper und Pull-Up-Widerstände an den PCF8574 können entfallen, wenn man die Adressen nicht änderbar haben will. Dann halt nur darauf achten, dass beide PCF8574 unterschiedliche Adressen bekommen und auch sonst im Bus keine Duplikate auftreten.
• Die 10K-Pull-Up-Widerstände an der Basis der Transistoren auf der Anoden-Seite der LED-Anzeigen sind ein Kompromiss (siehe Fußnote 1):
  • Die PCF8574 können mit H nur eine 100µA-Stromquelle zur Verfügung stellen.
  • Bei H und einer am Ausgang anliegenden Spannung größer als der Versorgungsspannung des IC dürfen maximal 400µA in den IC hineinfließen
  • die Transistoren sollen trotzdem noch schnell und zuverlässig in die Sättigung kommen

• Die Anoden-Treibertransistoren sollten einen ordentlichen h_fe haben (ich habe welche mit Werten um die 120...150 im Einsatz)
• Die Katoden-Treibertransistoren müssen im ungünstigsten Fall (alle Segmente an, also eine "8" mit Punkt) 8 mal den LED-Durchlassstrom treiben können. Das sind dann bei mir nur um die 160mA, wer hellere Anzeigen möchte, kann kleinere Widerstände als die verwendeten 100Ohm hernehmen (LED-Spezifikation beachten und vorher mal auf einem Steckbrett schauen, ob sich durch eine Stromänderung überhaupt noch eine Änderung der Helligkeit ergibt!!!) und bekommt dann entsprechend einen u.U. deutlich höheren Gesamtstrom. Die verwendeten Transistoren sind "dicke" Teile mit dem Nachteil eines relativ kleinen h_fe-Werts. Daher fallen die Pull-Up-Widerstände an der Basis recht klein aus.
• Die Transistoren vor den Katodentreibern existieren primär aus dem Grund, den Ausgang des PCF8574 zu negieren. Dieser ist nach dem Anschalten auf "H" (bzw. hochohmig bzw. von der 100µA-Quelle gespeist). Das bedeutet, dass standardmäßig nach dem Anschalten alle Digits der Anzeige leuchten würden. Durch die kleinen Transistoren wird das umgekehrt, hat dann dafür den Nachteil, dass im Betrieb die Position der Digits negiert angegeben werden muss (also z.B. 0xfe statt 0x01).

Ansonsten benötigt diese Schaltung vermutlich keine weiteren Kommentare. Die Schaltung lässt sich äquivalent auch auf Anzeigen mit gemeinsamer Anode anwenden. Man muss dazu halt das Teil andersherum aufbauen.

Die Display-Platine ist eigentlich ein reiner Träger für die Anzeigemodule, da steckt außer diesen und dem Steckverbinder nichts weiter drauf.

Aufgrund der Führung der Leiterbahnen auf Display und Displaycontroller ergibt sich für die Segmente folgende Werteverteilung (Zuordnung der Segmentbuchstaben siehe Bild):

Die Digits der Anzeige werden von 0 bis 5 durchgeschalten mit jeweils gleitendem Low am PCF8574. Dabei ist die Stelle "0" die am weitesten rechts liegende.

Für die Darstellung einer "1" an der zweiten Stelle von rechts ergibt sich damit

• durch das Setzen der Segmente b und c ein Ausgangswert am Segment-PCF8574 von 0x08 + 0x40, also 0x48.
• am Digit-PCF8574 entsteht ein Ausgangswert von 0xfd

Display: Schaltplan und Platine im "TARGET 3001!"-Format

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Die Relaisplatine läuft bei mir mit einer Reihe von 12V-DIL-Relais. Die 12V dafür werden an der Stromversorgungsplatine abgegriffen. Da die 12V ausschließlich auf der Relaisplatine für die Relais benötigt werden und sonst keinen Einfluss auf die anderen Schaltungsteile haben, kann man ebensogut statt der 12V-Relais auch 5V-Exemplare nehmen und den entsprechenden Spannungs-Stecker mit dem 5V-Ausgang statt dem 12V-Ausgang der Stromversorgungsplatine verbinden.

Auch 6V-Relais funktionieren im Normalfall problemlos, weil die Reichweite der sicheren Betriebsspannung in aller Regel auch die 5V mit umfasst. Bei der Relais-Reihe, die ich benutzt habe, haben die 6V-Relais zum Beispiel eine "Pickup-Spannung" von max. 4,5V. Selbst bei schwachen 5V ziehen die Relais dann also noch sicher an.

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