¿Cómo suministrar energía a múltiples componentes?

No tengo experiencia con ningún tipo de trabajo eléctrico y actualmente estoy armando un conjunto de (mínimo 6) cerraduras de solenoide de 12v para ser controladas por un Raspberry Pi 4. Hasta ahora, tengo el Pi enviando datos a través de un registro de desplazamiento a un Relé de disparo bajo de 5v. La función actual de la configuración no es un problema, pero tal como está, contiene 3 fuentes de alimentación: el suministro de 5vCC USB-C estándar para el Pi, un suministro aleatorio de 5vCC para el relé y otro suministro de 12vCC que alimenta todo el solenoide Cerraduras.

Para simplificar la alimentación de este sistema, me gustaría conectar todos estos sistemas a la misma fuente de alimentación. Hasta ahora, había leído acerca de usar solo una fuente de alimentación de cualquier computadora vieja y simplemente conectar todos mis componentes directamente a ella, pero me preocupaba que el ruido pudiera empujar un voltaje más alto a la Raspberry. Ya he frito mi primer Pi conectándolo incorrectamente al relé, y odiaría volver a hacer lo mismo simplemente porque no sé lo que estoy haciendo.

Un boceto aproximado que propone un circuito. Alimentado por los rieles de 12 V CC y 5 V CC de una fuente de alimentación de PC estándar.

Cada relé individual en el módulo usa esta configuración.

Con todo lo dicho, mi pregunta general es la siguiente:

1. ¿Tendré que preocuparme por la retroalimentación ruidosa de un relé que afecta a una raspberry pi conectada a la misma fuente de alimentación?
2. ¿Eso no invalidaría el aislamiento que había adquirido con los optoaisladores y la fuente de alimentación externa del relé?

¡¡ACTUALIZAR!! 26/06/2020

Después de semanas de trabajar en este proyecto, siento que finalmente llegué a un punto de parada bastante decente. Dado que esto parece una aplicación de nicho para la pregunta, consideré no actualizar nada de esta pregunta. Sin embargo, en caso de que alguien viniera y encontrara este proyecto relevante, pensé que valía la pena hacerlo. ¡Espero que ayude a que el desarrollo para otra persona sea mucho más fácil de lo que fue para mí! Con lo poco que sé de EE, creo que documentar mis propios problemas y soluciones es lo máximo que puedo dar a cambio de la ayuda que he recibido aquí.

Para quien se encuentre con esto y esté interesado en lo que realmente funcionó, la siguiente es una descripción de la solución de funcionamiento actual, así como un resumen de algunos de los problemas que han ocurrido en el camino: (Y para quien quiera criticar el forma en que he hecho las cosas - siempre estoy abierto a mejoras)

La configuración actual He decidido utilizar un convertidor de pared de 12 VCC 2A como fuente de alimentación general. Tengo un riel de tierra y +12 V separado para usar en la operación de las cerraduras de solenoide, mientras que el principal se alimenta a un convertidor reductor de salida aislada, de salida ajustable y con clasificación de 3A configurado en un poco más de +5.0 V CC.

La fuente de +5 V se utiliza para alimentar tanto el relé de 8 módulos como el RPi-4. Todavía no he decidido si me gustaría quedarme con un ventilador de 5 V para enfriar el RPi y el convertidor o actualizar a uno de 12 V, ya que estarán alojados juntos en un compartimento estrecho y tenderán a calentarse bastante. El ventilador se conectará al riel de 12 V junto con las cerraduras de solenoide o se extraerá directamente de la salida del convertidor con el resto.

El RPi se utiliza para ejecutar un registro de desplazamiento 74HC595N que, a su vez, ejecutará el módulo de relé. Eventualmente, el sistema se expandirá para requerir hasta 12 candados, por lo que esta se consideró la solución más prudente.

Se usará un simple botón para apagar/reiniciar correctamente el RPi, mientras que el interruptor de encendido se usará para encender el sistema y como una desconexión de seguridad para el manejo.

Perdone las elecciones extrañas para los símbolos y etiquetas de los diagramas: esta es la primera vez que uso Fritzing y todavía estoy revisando su biblioteca.

El módulo de relés se simplifica para ahorrar espacio. En realidad, cada módulo es equivalente a lo que se muestra en la figura 2 anterior.

Los problemas hasta el momento El primer problema importante encontrado fue un cortocircuito de un módulo de relé defectuoso. El relé estaba siendo alimentado directamente desde los pines de salida de 5 V del RPi, y los 12 V de alguna manera se abrieron paso desde un solenoide conectado a una de las salidas del relé a través de una sola capa de aislamiento a los pines GPIO del RPi. Esto llevó a cierta paranoia de que era necesaria una segunda capa de aislamiento "por si acaso". Como tal, se conectó una fuente separada de 5 V CC al JD-VCC y GND del módulo de relé como se muestra en la figura 1 anterior. Al menos no duele nada, ¿verdad?

Cuando llegó el momento de condensar las fuentes de energía, algo realmente extraño comenzó a suceder. Si bien no se conectó ningún solenoide al riel de +12 V, el registro de desplazamiento funcionaría perfectamente bien. Cada entrada de byte se traduciría correctamente y haría que se activaran los relés correctos. Sin embargo, por el motivo que sea, aplicar una carga al riel de +12 V provocaría que los relés incorrectos se activaran de manera completamente aleatoria.

Después de casi una semana de solucionar los problemas del módulo de relé, el registro de desplazamiento y los pines GPIO, finalmente pude rastrear el problema hasta la fuente de alimentación del RPi. Cuando se conecta a un suministro dedicado, el problema desaparecería y la conmutación aleatoria de relés se detendría.

La raíz del problema parecía ser la presencia de alguna carga en el riel de 12V. Cualquiera de los bloqueos que se dispararon pareció causar una caída de voltaje suficiente para que el RPi ya no fuera capaz de emitir una señal alta / baja sólida en ninguno de los pines GPIO. Sin una detección adecuada del aumento de voltaje por register_clock y latch_clock en el registro de desplazamiento, las salidas del registro serían efectivamente aleatorias (con patrones recurrentes).

Más investigaciones arrojaron varias soluciones potenciales: un condensador electrolítico en los pines +5VDC y GND del RPi, una pequeña tapa de cerámica. a través de VCC y GND del registro, un inductor a través de las salidas del convertidor reductor, eliminando el aislamiento a tierra que proporcionó el convertidor, etc. Ninguno de ellos pareció solucionar el problema, mientras que la mayoría lo empeoró. Finalmente, decidí intentar amortiguar la caída de voltaje en el riel de +12 V (que ocurrió cuando el relé encendió una carga) con un capacitor grande (ciertamente de tamaño arbitrario). Dado que el sistema estaría diseñado para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, y cada cerradura individual funcionaría durante períodos cortos, pensé que cualquier cosa por encima de 25 µF sería suficiente.

Tomé un capacitor electrolítico aleatorio de 47 µF de uno de mis kits variados y lo conecté a través de los rieles de +12 V y GND y dejé que el sistema alternara varias veces. Los relés correctos se dispararon en su mayor parte, con aproximadamente cada 3/20 intentos arrojando resultados aleatorios. Subí la gorra. tamaño a 100 µF y el problema parece finalmente resuelto.