USB Redundanzmodul für IoT und Kleinrechner

Sichere Stromversorgung mit idealen Dioden für USB und IoT-Systeme oder überall dort, wo Ausfallsicherheit der USB Versorgungsspannung zählt.

Eine stabile Stromversorgung ist die Grundlage für zuverlässige Embedded-, IoT- und Server-Systeme. Gerade beim Raspberry Pi führen kurze Spannungseinbrüche oder der Ausfall einer Stromquelle schnell zu Abstürzen, Dateisystemfehlern oder unkontrollierten Neustarts.

Das USB Redundanzmodul wurde genau für diese Anforderung entwickelt: Es kombiniert zwei unabhängige USB-Stromquellen zu einem einzigen, ausfallsicheren 5-V-Ausgang – ohne Umschaltzeiten, ohne Rückspeisung und mit minimalem Spannungsabfall.

Übersicht

• Grundidee & Einsatzbereich
• Elektrischer Aufbau des Redundanzmoduls
• Die ideale Diode – Funktionsprinzip im Detail
• Strompfade & Priorisierung
• Schutzbeschaltungen & Betriebssicherheit
• Typische Anwendungen
• Die Schaltung
• Zusammenbau

Grundidee & Einsatzbereich

Das USB Redundanzmodul ermöglicht den gleichzeitigen Anschluss von zwei unabhängigen 5-V-USB-Versorgungen (z. B. Netzteil + Powerbank). Der Verbraucher – typischerweise ein Raspberry Pi – wird automatisch aus der jeweils verfügbaren Quelle versorgt.

Ein manuelles Umschalten oder eine externe Logik ist nicht erforderlich. Der Übergang erfolgt unterbrechungsfrei und transparent für das angeschlossene System.

Elektrischer Aufbau des Redundanzmoduls

Jeder Eingang ist identisch aufgebaut und vollständig voneinander entkoppelt:

• USB-Eingang (Micro-USB oder USB-B)
• Feinsicherung (2 A flink)
• TVS-Diode zur Überspannungsbegrenzung
• Ideale-Dioden-Schaltung mit P-MOSFET
• Status-LED zur Spannungsanzeige

Die beiden Strompfade werden erst nach den idealen Dioden zusammengeführt. Dadurch ist eine Rückspeisung zwischen den Eingängen physikalisch ausgeschlossen.

Die ideale Diode – Funktionsprinzip im Detail

Kernstück des Redundanzmoduls ist die sogenannte ideale Diode.

LT Spice Simulationsdateien dafür sind HIER frei zugänglich.

Im Gegensatz zu einer klassischen Silizium- oder Schottky-Diode entsteht hier nahezu kein Spannungsabfall.

Realisiert wird dies durch einen P-Kanal-MOSFET (IRF4905), dessen Body-Diode und Kanal gezielt ausgenutzt werden.

Funktionsablauf Schritt für Schritt

1. Spannung liegt an Eingang an:
   Die Eingangsspannung speist über die Body-Diode des MOSFETs zunächst den Ausgang.
2. Gate-Steuerung über Transistorstufe:
   Ein NPN-Transistor (2N3906) überwacht die Eingangsspannung und zieht das Gate des MOSFETs gegen Masse.
3. MOSFET schaltet durch:
   Sobald V_GS negativ genug ist, wird der MOSFET leitend. Der Strom fließt nun über den niederohmigen Kanal – nicht mehr über die Diode.
4. Minimaler Spannungsabfall:
   Der Spannungsabfall reduziert sich auf R_DS(on) · I, typischerweise nur wenige Millivolt selbst bei mehreren Ampere.
5. Spannung fällt weg:
   Sinkt die Eingangsspannung, sperrt der MOSFET sofort. Eine Rückspeisung vom Ausgang zum Eingang ist unmöglich.

Das Ergebnis ist eine verlustarme, schnelle und rückstromfeste Entkopplung, ideal für redundante Versorgungssysteme.

Strompfade & automatische Priorisierung

Sind beide Eingänge gleichzeitig aktiv, übernimmt automatisch die Quelle mit der höheren Spannung die Versorgung.

Die zweite Quelle bleibt vollständig entkoppelt. Es findet kein Spannungsausgleich zwischen den Eingängen statt.

Fällt die aktive Quelle weg, übernimmt die zweite Quelle nahtlos, ohne Spannungseinbruch oder Umschaltverzögerung.

Schutzbeschaltungen & Betriebssicherheit

Für einen robusten Dauerbetrieb sind mehrere Schutzmechanismen integriert:

• TVS-Dioden an Ein- und Ausgang zum Schutz vor Überspannung
• Feinsicherungen pro Eingang (2 A flink)
• Pufferkondensatoren (2 × 220 µF) zur Abfangung von Lastspitzen
• Status-LEDs zur visuellen Kontrolle der aktiven Versorgung

Diese Kombination macht das Modul besonders geeignet für Dauerbetrieb, unbeaufsichtigte Systeme und industrielle Umgebungen.

Typische Anwendungen

• Raspberry-Pi-Server mit Powerbank-Backup
• IoT-Gateways mit redundanter Stromversorgung
• Smart-Home-Zentralen
• Mess- und Überwachungssysteme
• Embedded-Linux-Systeme mit hoher Verfügbarkeit

Die Schaltung

Zusammenbau

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Verlöten Sie die Widerstände: R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7 (Widerstand 4k7 – Farbcodierung: Ye/Vi/Bk/Br/Br).

• Schritt 3
Verlöten Sie die TVS Dioden D1,D2,D3 (Type: P6KE6.8A – Beschriftung: P6KE6.8A)

• Schritt 4
Bestücken Sie die PNP Transistoren Q2,Q3,Q5,Q6 (Type: 2N3906 – Beschriftung: 2N3906)

• Schritt 5
Danach folgen die Mosfet Q1,Q4 (Type: IRF4905 – Beschriftung: IRF4905) und die USB Ausgangsbuchse.

• Schritt 6
Verlöten Sie die Kondensatoren C1,C2 (Kapazität: 220 µF / 16 V), die Sicherungen F1,F2 und die drei grünen LEDs LED1,LED2,LED3.

• Schritt 7
Nur bei Artikelnummer 002132:
Bestückung mit den zwei Micro USB Buchsen

• Schritt 7
Nur bei Artikelnummer 002131:
Bestückung mit den zwei USB B Buchsen

FAQ
Hier werden wir natürlich gerne die meistgefragten Fragen beantworten.

Der Bausatz des „USB Redundanzmoduls“ kann in unserem Shop bezogen werden.

Bei Wünschen und Anregungen könnt Ihr euren Kommentar absetzen.