Elektrizitätslehre für Hobby-Elektroniker - [Teil 4]

Elektrizitätslehre für Hobby-Elektroniker und solche, die es werden wollen. Warum wir manchmal eine externe Spannungsversorgung brauchen.

In den ersten Teilen dieses Blog-Beitrags haben wir uns einen Überblick verschafft, welche elektronischen Bauteile wir für welchen Zweck einsetzen, einfache Berechnungen mit dem Ohm’schen Gesetz durchgeführt, und eine externe Spannungsversorgung für große Verbraucher betrachtet, die wir häufig direkt an einem Motor- oder Servo-Controller einsetzen können. Was liegt da näher, als auch den Micro-Controller mit an die Batterie zu hängen. Exakt diese Frage hatte ein Kunde, der seinen Micro-Controller in einem Gewächshaus mit Spannung versorgen möchte.

Eine kurze Frage, die man nur mit einer Gegenfrage beantworten kann: Ist eine Steckdose in der Nähe? Wenn ja, lautet meine favorisierte Lösung: Es gibt Power Banks, die Spannung an Smartphone oder Micro-Controller abgeben und gleichzeitig geladen werden können. Also MCU an Power Bank, diese an Netzteil mit Micro-USB-Stecker. Funktioniert auch bei Stromausfall stundenlang weiter, solange sie sich nicht einfach abschalten, weil zu wenig Strom abgenommen wird.

Aber diese fertige Lösung ist nicht immer geeignet, also beginnen wir mit grundsätzlichen Überlegungen. Dank der EU-Kommission hat der Wildwuchs an Steckernetzteilen für Handys und Smartphones ein Ende gefunden. Alle Geräte werden mit 5V-Gleichspannung betrieben und auch die Stecker sind weitestgehend standardisiert. Der Konsens wurde auch gefunden, weil die USB-Schnittstelle der Computer eben diese 5 V bereitstellt.

Als Spin-off der Smartphones haben wir Bastler von einer Vielzahl von Errungenschaften profitiert: Die Prozessoren des Raspberry Pi sind von Broadcomm, einem Hersteller von Smartphone-Prozessoren. Und eine Vielzahl von Sensoren sind nur deshalb so klein und preiswert, weil sie auch in großer Stückzahl in Smartphones verbaut werden.

Zurück zu unserer Spannungsversorgung: Wir brauchen also 5 Volt Gleichspannung, deshalb können wir ein Standard-Steckernetzteil für 230V aus der Steckdose nehmen, wenn eine in der Nähe ist, oder eine Batterie, die diese Spannung liefert.

Beim Wort Batterie beginnt bereits die Sprachverwirrung. Batterie ist der Oberbegriff für zwei Arten von Stromspeichern: die nicht wieder aufladbaren Batterien (autsch!) und die aufladbaren Akkumulatoren. Die Autobatterie und die Power Bank sind also korrekterweise Akkumulatoren oder kurz Akkus.

Die Kapazität eines Akkus wird regelmäßig in Amperestunden (Ah oder mAh) angegeben, wobei dabei auch die Nennspannung zu beachten ist. Typische Autobatterie: 12 V, 80 Ah, das bedeutet: ein Strom von 1 Ampere kann rund 80 Stunden fließen. Das ist der Fall der vergessenen Glühlampe im Innenraum oder Handschuhfach. Spätestens nach zwei Tagen dreht der Anlasser nicht mehr, weil die Batterie fast leer ist. Von unserer Stromrechnung kennen wir die Kilowattstunde (kWh).
Die Autobatterie hat 12V * 80 Ah = 0,96 kWh.

Bei dem Wort Kapazität (von lateinisch: capacitas = Fassungsvermögen) muss man beachten, dass es häufig synonym für Kondensatoren (engl. capacitor) bzw. deren elektrische Eigenschaft verwendet wird. Tatsächlich ist dies die elektrische Kapazität C = Q / U mit der Einheit Farad (F, mF, µF, nF).

Wie groß muss ich nun den Akku dimensionieren, damit mein Micro-Controller x Stunden funktioniert? Dafür muss man wissen, wie groß die Stromstärke oder die Leistung ist, die gebraucht wird.

Leider gibt es hierfür keine brauchbaren Angaben, denn die Leistungsaufnahme hängt häufig vom verwendeten Micro-Controller, von der Betriebsart und der zusätzlich angeschlossenen Elektronik ab. Diese Situation kann man durchaus mit der des Smartphones vergleichen: Standby ohne Bildschirm – eingeschalteter Bildschirm – telefonieren – oder Internetverbindung – der Stromverbrauch schwankt erheblich und damit die „Akku-Reichweite“.

Häufig machen die Hersteller von Micro-Controllern Reklame mit der Stromstärke im Deep Sleep-Modus, aber den Fall brauchen wir nicht betrachten, denn wir wollen ja permanent Temperatur, Feuchtigkeit der Pflanzerde und der Luft, ggf. auch die Sonnenlichteinstrahlung messen und mit den gemessenen Werten ermitteln, ob die Beleuchtung, die Heizung oder der Wassersprüher automatisch eingeschaltet werden müssen.

In den Datenblättern des Arduino Uno bzw. Nano können wir nur entnehmen, dass die maximale Stromstärke je Pin 40 mA, insgesamt 120 mA betragen darf, bei anderen MCUs liegt dieser Wert bei 15 bis 20 mA. Damit stellen die Micro-Controller häufig mehr Strom für die angeschlossene Peripherie bereit, als der Prozessor selbst benötigt. Am besten misst man also den Strom, wenn die gesamte Konfiguration aufgebaut ist und insbesondere auch die Relais oder Stellmotoren angesteuert werden.

Bei einem Versuchsaufbau mit Arduino Uno, LCD1602 und GPS-Empfänger habe ich mit einem Digital-Multimeter Werte zwischen 70 und 100 mA gemessen.

Bei unserem Wetterballonaufstieg in die Stratosphäre liefen die beiden Raspberry Pi Zero mit Kamera bzw. GPS-Empfänger mit der 10.000 mAh Power Bank fast 10 Stunden.

Die gute Nachricht ist: Selbst bei Betrieb rund um die Uhr merken wir den Stromverbrauch der Micro-Controller oder Micro-Computer nicht wirklich auf der Stromrechnung. Beispiel 1: Kleiner Micro-Controller mit wenig Peripherie: 100 mA * 5 V * 24 h * 365 d = 4,18 kWh im Jahr. 

Beispiel 2: großer Raspberry Pi mit 1 A * 5V = 5 W = 42 kWh im Jahr.

Genug der theoretischen Überlegungen. Wir wollen eine Spannungsversorgung ohne Power Bank und USB-Stecker entwerfen, denn schließlich heißt ein Pin an unserer MCU Vin. Hier können wir also die Eingangsspannung auch anlegen. Einige Arduinos haben ja sogar einen Hohlstecker für einen 9 V-Block oder ein entsprechendes Batteriefach für AA-Batterien.

Annahme: Unser Micro-Controller mit Peripherie verbraucht 200 mA. Um sicher einen Zweitageszeitraum zu überbrücken, benötigen wir eine Batterie mit mindestens 200 mA * 48 h  ≈10.000 mAh. Auf der nach oben offenen Skala beginnen die Preise für einen Blei-Vlies-Akku bei ca. 18 Euro.

Wir unterscheiden bei den Micro-Controllern die mit eingebauten Spannungsreglern für 5 V und für 3,3 V. Die großen Arduinos vertragen durchaus höhere Gleichspannungen, die auf 5 V intern herunter geregelt werden. Die kleineren Micro-Controller werden zwar mit einer Betriebsspannung von 5 V versorgt, arbeiten jedoch intern mit 3,3 V. Diese Spannungsregler vertragen keine größeren Spannungen als die 5 V!!!

Wir benötigen also hierfür einen externen Spannungsregler, der uns z.B. aus 6 V, 9 V oder 12 V eine saubere Gleichspannung von 5 V liefert. Solche elektronischen Bauteile heißen Abwärtswandler, auch Tiefsetzsteller, Abwärtsregler, englisch step-down converter oder buck converter oder DC-DC converter. Hierbei handelt es sich um schaltende Gleichspannungswandler. Die Ausgangsspannung ist dabei stets kleiner als die Eingangsspannung. Meist muss diese mindestens 0,7 bis 1 V höher liegen als die gewünschte Ausgangsspannung.

Ein mögliches Funktionsprinzip ist die Pulsweitenmodulation (PWM), wobei der nachfolgend abgebildete Schalter tatsächlich einen Transistor, der mit hoher Frequenz geschaltet wird, darstellt. Die Kombination aus Spule und Kondensator speichert und glättet die Ausgangsspannung. Dieses Prinzip-Schaltbild und weitere Details finden Sie bei Wikipedia.

Nehmen Sie bitte keine einfachen Spannungsteiler, bei denen die nicht benötigte Teilspannung in Wärme umgesetzt wird. Geringe Verluste und damit Erwärmung der Bauteile treten auch beim o.g. Abwärtswandler auf, sind jedoch deutlich geringer.

Empfehlen können wir:

Für Anwendungen mit niedrigem Strombedarf den LM2596S:

Für Anwendungen bis 5 A Strombedarf den XL4015:

Für Versuchsaufbauten auf dem Steckbrett gibt es eine sehr praktische Lösung: Beim Breadboard Netzteil Adapter  kann man mit Steckbrücken (Jumper) die Spannung von 3,3 V bzw. 5 V wählen. Dieser wurde bei der Versuchsanordnung mit Arduino Uno, GPS-Empfänger und LCD1602 verwendet. (Siehe Bild oben).

Denken Sie bitte daran, dass die kleinen aufladbaren Batterien nur eine Nennspannung von 1,2 V (im Gegensatz zu den äußerlich baugleichen Batterien mit 1,5 V) haben. Sie benötigen also einen Batteriehalter für sechs Batterien.

Diese Spannungswandler kommen auch in Betracht, wenn man in der Bastelkiste ein altes Netzteil vom ausgedienten Anrufbeantworter, Scanner, Handy usw. findet, das eine höhere Gleichspannung als 5 V liefert. Und wenn die Ausgangsspannung eine Wechselspannung ist, wird zusätzlich noch eine Gleichrichterbrücke benötigt.

Für einige Anwendungen kommen auch Step-up Converter  in Betracht, bei denen die Ausgangsspannung höher liegt als die Eingangsspannung, z.B. von 3,7 V Lithium-Akkus. 

Nachdem wir uns jetzt für die Kombination Batterie (ach nein: Akkumulator!) und Spannungswandler entschieden haben, müssen wir uns nur noch Gedanken machen, wie wir den Akku wieder aufladen.

Das Schöne beim Betrieb der Micro-Controller ist ja, dass sie den Programmcode nicht vergessen, wenn wir kurz die Spannungsversorgung unterbrechen. Also Akku abklemmen, zweiten Akku anschließen, in Sekundenschnelle funktionieren unsere Sensoren und Aktoren wieder wie gewünscht. Den Akku können wir dann im Haus an der Steckdose wieder aufladen. Oder noch umweltfreundlicher: mit einer Solarzelle.

Auf vielfachen Wunsch hier der Download des Blog-Beitrags als pdf-Dokument.