Hardware-Projekte

Prof. Jürgen Plate

Der Rechner-Wecker

Problemstellung

Ein Linux-Rechner (genauer: ein kleiner Industrie-PC, mit den Abmessungen eines Barebone) steht alleine in der Pampas und wird per Solar-Panel versorgt. Er muss nur tagsüber arbeiten und soll daher nachts abgeschaltet werden, damit die Akkus der Solanranlage nicht unnötig leer gesaugt werden. Daraus ergibt sich:

Abgeschaltet heisst komplett aus, nicht etwa standby,
Einschalten per Tastatur (-Simulation) oder Maus fällt damit weg,
"Wake on LAN" gibt es mangels LAN auch nicht, Wecken per Modem auch nicht.

Es bleibt eigentlich nur die BIOS-Einstellung "Automatic Power up" bzw. "AC Power Loss Restart" - also der automatische Start der Kiste, wenn die Stromversorgung mal weg war. Der Rechner wird übrigens mit 12 V Gleichspannung versorgt, statt des ursprünglichen Steckernetzteils ist er an den Akku der Solaranlage angeschlossen. Das macht die Sache zumindest insofern einfacher, als dass man nicht mit 230-V-Netzspannung hantieren muss.

Das Konzept sieht nun folgendermaßen aus:

Der Rechner fährt zeitgesteuert abends herunter und schaltet sich ab.
Morgens wird er durch einen Dämmerungsschalter wieder aktiviert.

Dabei sind natürlich einige Randbedingungen zu beachten. Ein Dämmerungsschalter enthält eine Elektronik, die ab Unterschreitung eines gewissen Helligkeitswerts einschaltet und bei Überschreiten eines (größeren) Helligkeitswertes wieder abschaltet. Ein- und Ausschaltschwelle sind unterschiedlich (sogenannte Hysterese"), sodass leichte Helligkeitsschwankungen (Wolke etc.) keinen Schaltvorgang auslösen. Trotzdem könnte es vorkommen, dass der Photosensor des Dämmerungsschalters aus irgend einem Grund verdunkelt wird und den Linux-PC brutal ausknipst - mit allen üblen Folgen für Hard- und Software. Daher muss gelten:

Das Abschalten darf nur auf Initiative des Linux-PCs erfolgen (Shutdown). Ein Defekt oder eine Fehlfunktion des Dämmerungschalters darf hier keine Wirkung haben.
Der Dämmerungsschalter ist somit nur für das Einschalten zuständig und muss dann sofort wieder inaktiv werden.
Die Schaltung muss auch von "Nicht-Elektronikern" betrieben werden können.

Und - wie so oft - sollte alles möglichst schnell fertig sein. Zeit für die Entwicklung einer Schaltung und eines Platinenlayouts usw. blieb also nicht.

Lösung

Für den Dämmerungsschalter wurde ein Bausatz von Conrad eingesetzt, der unter der Bestellnummer 19 13 02 als "Präzisions-Lichtschranke/Dämmerungsschalter" geführt wird. Schaltungstechnisch handelt es sich um einen mit Operationsverstärker realisierten Komparator, bei dem Schaltschwelle und Hysterese einstellbar sind. Durch Ändern der Bauteilewerte lässt sich nahezu jede gewünschte Arbeitsweise erreichen. Als Lichtempfildliches Element dient ein Photowiderstand (LDR).

Das Relais in der Schaltung zieht an, wenn Licht auf den LDR fällt, was dem aktuellen Vorhaben entgegenkommt (eigentlich sollte ja bei Eintritt der Dämmerung bzw. beim Unterbrechen des Strahls einer Lichtschranke das Relais anziehen, was genau die gegenteilige Arbeitsweise darstellen würde). Solange es hell ist, ist bei der Conrad-Schaltung das Relais angezogen. Nachts herrscht also Ruhe und wenn es morgens hell wird, bekommt der Computer Strom. Um die weiteren Vorbedingungen zu erfüllen, reicht die Conrad-Platine jedoch nicht aus - denn erstens soll der Computer bestimmen, wann er herunterfährt, und nocht der Dämmerungsschalter und zweitens soll letzterer eigentlich nur zum "Aufwecken" dienen (eine zufällige Verdunkelung des LDR darf den PC nicht abschalten).

Deshalb gesellt sich dem Relais des Dämmerungsschalters noch ein zweites hinzu, das von einen USB-Port des PC gespeist wird (wobei nur die beiden Versorgungsleitungen des USB-Kabels verwendet werden). Sobald der Rechner läuft, zieht das 5-V-Relais an. Wie die Grafik oben zeigt, sind die Kontakte beider Relais oder-verknüpft, es gilt also:

Der PC bekommt Strom, wenn es hell ist ODER wenn er bereits läuft.

Über das USB-Relais wird also eine "Selbsthaltung" realisiert. Der PC kann jederzeit herunterfahren - auch, wenn es noch hell ist. Mit dem Stutdown fällt das USB-Relais ab und wenn es dann dunkel ist, auch das Relais des Dämmerungsschalters: silence from dusk to dawn. Erst mit der Morgenröte klickt das Relais des Dämmerungsschalters und der PC nimmt wieder seine Arbeit auf.