Zentrale USB-Stromversorgung für einen 10 Zoll Patch Schrank

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Projekt

Nightdiver

09.05.2020

Skill level

Normal
Costs

50 €
Duration

2-3 Tage

Eines vorweg. Wie bei nahezu allen meiner gezeigten Projekte ist die Bilddokumentation recht mager, weil ich grundsätzlich vergesse, entsprechend Bilder bei den einzelnen Arbeitsschritten zu machen. Ich versuche diese fehlenden Bilder bei der Schriftlichen Beschreibung zu kompensieren. Sollten dennoch Fragen offen sein, dürft Ihr natürlich in den Kommentaren oder per PN nachfragen. Ich versuche die Anfragen schnellstens zu beantworten.

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Ich nutze ein paar Raspberry Pis für einige Aufgaben in meinem Haushalt. Unter anderem als AirPrint-Server, um von meinen IPads auf meinem nicht Apple-tauglichen Drucker drucken zu können, oder um meine WLan Accesspoints im Haus zentral verwalten und steuern zu können.

Meine Technik hierzu befindet sich in zwei 10 Zoll Patch-Schränken in meinem Keller. Durch die kompakte Bauform der Schränke ist hier der Platz natürlich sehr beschränkt. Das gilt auch für die dort einsetzbaren Steckdosenleisten, die i.d.R. für Schränke in dieser Größe nur drei oder vier Steckplätze besitzen. Da in dem Schrank aber neben der Fritzbox, einem 24 Port Switch und einem PoE-Adapter noch 4-5 Raspberrys ihren Platz gefunden haben und jedes Gerät bisher mit einem eigenen Stecker zur Stromversorgung daher kommt, musste eine Lösung her, die Menge an verwendeten Steckdosenplätzen zu reduzieren.

Natürlich ist es eine Möglichkeit, alle überschüssigen Stromkabel und Netzteile außerhalb des Schrankes in einer oder mehreren Mehrfachsteckdosenleisten unterzubringen. Das funktioniert bei mir zum einen aus Platzgründen rund um die Schränke nicht, zum anderen wäre diese Methode ja auch keine Herausforderung.

Es muss daher ein Plan für eine zentrale Stromversorgung für die Raspberrys her. Durch den Wegfall einer Komponente in dem großen Patch-Schrank ( eine Hardware zur VPN-Verbindung zu meinem vorherigen Arbeitgeber), war hier ein Einlegeboden und die dazugehörige Höheneinheit im Schrank frei.

Somit könnte hier ein 5V Schaltnetzteil mit ausreichend Leistung einziehen, um die Raspberry Pis über ein USB-Panel mit schaltbaren Ausgängen mit Strom zu versorgen. Eine Idee war geboren und im Kopf reifte der Plan zur Umsetztung. Schaltbar sollten die Ports in jedem Fall sein, denn wenn man mal einen Raspi aus Wartungsgründen ausbauen muss, möchte ich es nicht tun, wenn der Raspi noch mit Strom versorgt wird. Die Gefahr eines Kurzschlusses ist, durch die Einbaulage und den Metallrahmen, an dem die Raspis befestigt sind, leider gegeben. Und alle Rasips abzuschalten, nur weil einer raus soll, kommt auch nicht in Frage.

Du brauchst

Werkzeuge

Akku-Schrauber

Hilfsmittel

3D Drucker
Lötstation/Lötkolben
Bohrer 2,5mm
Gewindeschneider M3
Abisolierzange
Seitenschneider
Aderendhülsenzange

Materialliste

USB-Pegboards
Schalter 12mm, LED 3-6V
Filament, grau
Fachboden 10Zoll
Inbusschraube
Mutter
Schaltnetzteil 5v 20a
Netzkabel, Schutzkontakt
Aderendhülsen
Kabel
Zugentlastung

Schritt 1 5

Konstruktion des Frontpanels in Fusion 360

Nach ein bisschen Überlegung sollte es ein Panel sein, auf dem 6 Stromanschlüsse für die Raspis platz haben. Grundsätzlich passen zwar nur maximal 5 Raspberrys in den Einbaurahmen in meinem Schrank, aber einen Reserveplatz zu haben, schadet ja nicht. Die Leistung sollte pro Port bei mindestens 3 Ampere liegen und einen kleinen Puffer beinhalten. Ein 20A Netzteil sollte hier ausreichen. Die Rasips ziehen nur beim Start und in den seltenen Fällen von Vollast den maximalen Strom. Und da bei mir zur Zeit nur Raspi 3B+ ihren Dienst tun, reichen sogar 2,5A pro Kleinstrechner. Bei 5 aktiven Pis sind es somit maximal 12,5A, im Mittel im normalem Betrieb sogar unter 10A. Da man als Faustregel für den Normalbetrieb etwa 50% der Maximallast eines Netzteils rechnet, fahre ich mit 20A ganz gut. Der Rest ist die Sicherheitsreserve.

Von einem vorhandenen 10 Zoll Blindpanel wurden die genauen Maße abgenommen, in Fusion 360 dann damit das Frontpanel entworfen und ein Prototyp auf meinem 3D Drucker gedruckt. Der erste Entwurf funktioniert zwar schon sehr gut, allerdings waren noch ein paar kleine Änderungen nötig, um ihn an meine Ansprüche anzupassen.

Trotz genauer Vorgaben in der Zeichnung waren die Löcher für die Schalter zu eng ( entweder hat mein Drucker die Löcher für die Schalter zu knapp gedruckt, oder die Schalter sind nicht so maßhaltig, wie angenommen) und mussten 0,3mm erweitert werden. Der Steg für die Stabilisierung war im ersten Schuss zu niedrig und hat dadurch nicht ausreichend für die gewünschte Stabilität gesorgt. Zusätzlich war der Steg noch auf einer Seite zu lang, so dass das Panel durch den Steg nicht in die Aussparung des Fachbodens passte. Zudem musste an den Haltern für die USB-Ports noch eine weitere Aussparung geschaffen werden, damit die Lötpunkte für die Spannungsversorgung frei liegen.

Für den Druck nutze ich meinen Anycubic I3 Mega. Das Druckbett halt leider nur ein Maß von 210x210mm, das Panel hat aber rund 254mm länge und 40mm höhe. Mit etwas probieren ging das Panel aber glücklicherweise so gerade eben diagonal auf das Druckbett. Allerdings musste ich ohne Brim und Skirt drucken, obwohl ich das sehr ungerne mit einem mir noch unbekannten Filament mache. Aber auch hier hatte ich wieder mehr Glück als Verstand und die gewählten 205 Grad an der Düse und den 70 Grad am Druckbett waren für das Filament auf meinem Drucker die perfekte Einstellung.

Gedruckt habe ich das Panel in einem hellgrauen PLA-Filament von AIO Robotics. Das Grau ist zwar nicht das klassische RAL 7035 (Lichtgrau), was die Hersteller üblicherweise für die Patch- und Serverschränke verwenden, kommt aber von allen Grautönen, die ich gesichtet habe, am dichtesten an den Farbton heran. Die alternative wäre noch, das Panel mit dem Lichtgrau zu lackieren. Da mein Schrank aber im Keller hängt, ist es in meinen Augen bei mir unnötig

Schritt 2 5

Montage des Netzteils, der USB-Ports und der Schalter

USB-Ports montiert. Schalter ist nicht der endgültige und nur zum Test eingebaut

USB-Ports und die finalen Schalter montiert

Das Netzteil wurde mit zwei M3x6 Schrauben am Regalboden befestigt. Die Schraubpunkte wurden markiert, mit einem 2,5mm Bohrer gebohrt und dann ein M3 Gewinde geschnitten

Für die Befestigung der USB-Ports habe ich M3x12 Inbusschrauben und die passenden Muttern in Edelstahl verwendet. (siehe Materialliste). Die Inbusschrauben haben den Vorteil, dass der Schraubenkopf, im Gegensatz zu allen anderen Kopftypen, sehr kompakt ist und bei der Befestigung keine Kontakte oder Leiterbahnen berührt. So können die Schrauben hier auch ohne Isolierscheibe genutzt werden. Die Befestigung der USB-Platinen auf den Bildern ist aber nur provisorisch und für die Fotos erfolgt, da die Teile zum Löten ja wieder ausgebaut werden müssen.

Kurz nach dem ich die ersten Bilder gemacht hatte, kamen auch die bestellten Schalter an und konnten verbaut werden. Daher hier noch ein paar Bilder mit der endgültigen Bestückung.

Die Schalter sollen IP 64 und somit wasserdicht sein. Die Wasserdichtigkeit ist ein Feature das bei der Wahl der Schalter mitgekauft wurde und in jedem Fall nicht nötig. Die dazugehörige Dichtung in Form eines O-Rings habe ich aber weggelassen. Das Schaltergehäuse sitzt ohne Dichtung deutlich besser und dichter an dem Panel. Die Haltekraft der Konterschraube ist ausreichend, so dass sich der Schalter nicht verdrehen kann.

Schritt 3 5

Anschließen der USB-Stromversorgung

Die Anschlüsse an den Schaltern und den USB-Ports wurden verlötet, geprüft und am Netzteil angeschlossen.

Die Plusleitung wurde an der einen Lötfahne des Schalterkontakts verlötet. An der anderen Lötfahne des Schaltkontaktes wird eine Leitung zum Eingang des USB-Boards geführt und ein weiteres Kabel vom Kontakt an den Pluspol der LED des Schalters. An den Minuspol der LED wird ein Kabel zum Massekontakt des USB-Board geführt und ein weiteres Kabel zur Masse des Netzteils.

Eigentlich war es geplant, nur insgesamt eine Zuleitung und eine Masseleitung für alle Schlater zusammen zu verlegen. Nach einigen Versuchen, mit denen ich nie wirklich zufrieden war, habe ich mich entschlossen, von jedem Schalter eine eigene Plus- und Masseleitung zum Netzteil zu führen. Die Kabel wurden in zweimal zwei Gruppen zu je drei Kabel gebündelt, jeweils mit einer Aderendhülse versehen und in einen der vorhandenen Ausgänge für 5V und Masse am Netzteil angeschraubt.

Am Netzteil wurde eine 230V Zuleitung angebracht und mit einer Zugentlastung versehen. Für die Zuleitung habe ich ein vorhandenes Kaltgerätekabel genommen und den Kaltgerätestecker einfach abgeschnitten. Die Leitungen wurden abisoliert, mit Aderendhülsen versehen und auf der 230V Seite des Netzteils verschraubt. Die Zuleitung wurde zur Sicherheit mit einer Zugentlastung am Fachboden befestigt. Diese habe ich aus einem alten Stecker ausgebaut und hierfür zweckentfremdet. Auch wenn im Schrank eigentlich keine mechanische Belastung zu erwarten ist und eine Zugentlastung grundsätzlich nicht zwingend nötig ist, möchte ich trotzdem nicht plötzlich unangenehm überrascht werden, wenn ich mal mit der Hand ins Gehäuse fasse.

Zu guter Letzt habe ich noch die Sekundärspannung am Netzteil auf 5,1 Volt justiert und die Funktion der Schalter und LEDs in den Schaltern überprüft. Wie zu erwarten, war die voreingestellte Spannung des Netzteils nicht bei 5 Volt. Hier an diesem Netzteil lag sie überraschenderweise nicht über, sondern deutlich unter 5 Volt ( es waren nur 4,68 Volt). Vor dem ersten „scharfen“ Einsatz sollte man an jedem Netzteil die Spannung kontrollieren und nicht blind den angeblichen Vorgaben vertrauen. Teilweise ist die Spannung so stark verstellt, dass empfindliche Elektronik mit einem Totalausfall auf die zu hoch eingestellte Spannung reagieren kann. Daher immer mit dem Multimeter prüfen!

Schritt 4 5

Elektrischer und mechanischer Test

Test der Kabelführung der USB-Anschlussleitungen

Durch den entsprechenden Anschluss der LEDs in den Schaltern kann man nun an den leuchtenden LEDs erkennen, welcher USB-Port aktiv ist, und welcher nicht.

Für den Einsatz an den Raspberrys werden noch USB-Kabel benötigt. Hier sollte darauf geachtet werden, dass die Kabel auch für den von den Raspis angeforderten Strom ausgelegt sind. Viele Kabel sind nur bis 2A ausgelegt, was für diesen Einsatz zu wenig ist, obwohl diese Kabel auch funktionieren können. Man sollte hier in jedem Fall etwas mehr Geld ausgeben und USB-Kabel verwenden, die für Ströme bis 3A ausgelegt sind. Je nach Platz im Schrank sollte man auch überlegen, ob man gewinkelte Stecker (auf beiden Seiten des Kabels) verwendet. In meinem Schrank wäre zumindest für Seite am Panel so viel Platz, das ich auch gerade Stecker hätte verwenden können. Da ich aber lieber die gewinkelten nehmen wollte, sind es eben diese geworden.

Schritt 5 5