USB-Stromversorgung für den 10 Zoll Patch-Schrank.

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.

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.

Zunächst habe ich deshalb ein 5V 20A Netzteil für die Stromversorgung bestellt. Dazu noch 10 USB-Ports und 6 beleuchtete Schalter, um die USB-Anschlüsse einzeln schalten zu können. (Eine Einkaufsliste aller benötigten Teile füge ich für Interessierte unten an.) Ein 10 Zoll Boden für den Schrank war noch vorhanden ( ist aber auch in der Einkaufsliste aufgeführt). Das bestellte Netzteil passte nahezu perfekt quer auf den Fachboden und wurde mit zwei auf 4mm gekürzten M3-Schrauben über die beiden Befestigungspunkten des Netzteils am Fachboden befestigt. Hierzu wurden die Bohrungen mit 2,5mm gebohrt und ein M3 Gewinde geschnitten.

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.

Das Endergebnis in Fusion sah dann so aus: ( Die STL-Datei kann demnächst auf Thingiverse heruntergeladen werden. Wenn die Daten auf Thingiverse liegen, werde ich hier noch den Link dorthin einfügen.)

Der finale Entwurf in Fusion 360

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.

Das fertige Panel, schon mit den USB-Buchsen und einem 12mm Schalter bestückt. Der hier als Platzhalter verwende Schalter ist tatsächlich nur ein Taster und diente nur zum Testen der Löcher und dem Platz für die Verschraubung.

Das Panel von vorne. Die USB-Buchsen sitzen perfekt in den Aussparungen.

Das Panel sitzt pass-genau auf dem Regalboden.

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 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.

Leider sind die von mir verwendeten Schalter aktuell bei Amazon nicht mehr verfügbar. Ich habe aber ein alternatives Modell in der Einkaufsliste verlinkt. Als weitere Alternative findet man bei AliExpress mit etwas längerer Lieferzeit ebenfalls die von mir verbauten Modelle. Wichtig ist eigentlich nur, dass die Schalter ein Einbaumaß von 12mm haben und die eingebaute LED in einem Bereich von 3-6V arbeitet, sofern man denn eine Beleuchtung als Schaltkennung haben möchte.

Beleuchtete Schalter sind jetzt eingebaut
Leider ist bei den Schaltern die Ausrichtung der Kontakte und die Ausrichtung des Symboles auf der Vorderseite nicht bei allen Schalter identisch. Aber damit kann ich leben.

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.

Fertige Lötarbeiten
Anschlussblock am Netzteil
Der fertige Einschub.

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!

Hier noch ein paar Bilder zur Funktion der Schalter und der Schaltzustände:

Die beiden mittleren Ports sind aktiv.
Port 1, 3 und 5 (von links) sind eingeschaltet.
Alle Ports sind an.
Panel mit gesteckten USB-Kabeln, die natürlich ins Gehäuse, zu den Raspberrys, führen müssen/sollen. Daher auch die Aussparungen auf der Oberseite des Panels. Das Blindpanel drüber dient nur zur Verdeutlichung der Kabelführung.

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.

Der endgültige Einbau des Panels in den Patch-Schrank wird aber noch verschoben. Bei ein paar Überlegungen zum Bau kam mir der Gedanke, dass 20 mögliche Ampere an jedem Port anliegen zu haben und diese ungesichert an das Gerät abgeben zu können, wohl im Zweifel nicht so gesund für die Geräte ist. Klar, jedes Gerät zieht im Normalbetrieb nur so viel Strom, wie es eigentlich benötigt, aber bei einem Defekt möchte ich auf der sicheren Seite sein und mögliche Kollateralschäden verhindern. Daher werden noch an jedem Ausgang flinke 3A Sicherungen nachgerüstet, um mir zumindest etwas Sicherheit zu suggerieren. Die Dokumentation hierzu folgt, wenn die Teile geliefert wurden. Die benötigten Sicherungen und Halter sind aber schon in der Einkaufsliste zu finden.

Das eingebaute Strompanel im Schrank

Update 18.05.20:

Das Panel wurde doch schon vor Einbau der Sicherungen im Schrank verbaut, da ich dringend einen weiteren Raspi in Betrieb nehmen musste/wollte und keine weitere Möglichkeit für ein Steckernetzteil bestand. Wenn die Sicherungen endlich bei mir eintreffen, werden sie umgehend verbaut und der Einbau hier gepostet.

Zu guter Letzt noch die versprochene Einkaufsliste der Teile:

Solltet ihr noch Fragen, Kritik oder Anregungen zum Bau oder den verwendeten Teilen haben, schreibt mir gerne in die Kommentare.