Stromversorgung mehrerer Geräte

[Schwarzfuchs]

Hallo,

ich bin noch frischer Anfänger in Sachen Elektrotechnik, daher wollte ich meinen Entwurf erstmal von euch begutachten lassen,
ehe ich versuche es in Betrieb zu nehmen und womöglich ein paar wichtige Dinge außer Acht gelassen habe und direkt alles zerstöre... :)

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Folgende Fragen sind mir schonmal eingefallen:

1) Ist meine Stromversorgung einigermaßen korrekt oder könnten insbesondere die Motoren mehr ziehen und Schaden verursachen?

Es handelt sich dabei um zwei Motoren dieser Art: Schrittmotor Nema 17 - 12V 350mA (http://www.exp-tech.de/stepper-motor-nema-17-200-steps-rev-12v-350ma)
Wie ich gelesen habe zählt man bei Schrittmotoren den benötigten Strom pro Phase/Spule, d.h. ich habe:

I = (2 * 350mA) * 2 = 1400mA

und nun kommt noch hinzu das man bei Bipolar-Betrieb der Spulen um Faktor Wurzel 2 verringert oder bei Parallelschaltung erhöht.
Dann käme ich aufgerundet auf

1400mA / 1,41 = 992.9mA = ~1000mA

Aber inwiefern muss ich dies nun berücksichtigen, wenn Verbraucher sich automatisch den Strom nehmen den sie brauchen?
Muss meine Spannungsquelle einfach nur genug Ampere liefern können?

2) Liegt bei allen Geräten nun wirklich die korrekte Versorungsspannung an?
Ich hatte dafür diese Spannungsregler gefunden um den Stromkreis des Raspberry Pis mit 5V und den Arduino mit etwa 9V zu versorgen.

Festspannungsregler L78S05CV für den Raspberry Pi (https://www.conrad.de/de/festspannungsregler-2-a-positiv-stmicroelectronics-l78s05cv-gehaeuseart-to-220-ausgangsspannung-5-v-i-out-2-a-179345.html)
Festspannungsregler L7809CV für den Arduino (https://www.conrad.de/de/festspannungsregler-1-a-positiv-stmicroelectronics-l7809cv-gehaeuseart-to-220-ausgangsspannung-9-v-i-out-15-a-179191.html)

Ist diese Lösung gut oder gibt es evtl. bessere Möglichkeiten?

Was ich mich noch frage ist, ob es beim Arduino Probleme gibt wenn er gleichzeitig die 9V vom Akku bekommt und mit dem RPi über USB verbunden ist.

3) Ist es generell schlimm wenn die Schaltkreise nur mit 11,1V eines LiPos versorgt werden, da z.B. die Motoren 12V fordern, oder kommen diese damit zurecht?

4) Muss ich noch diverse Bauteile zur Sicherung einbauen, um die µController vor hohen Schwankungen der Spannung oder Entladungen zu sichern?

5) Mich würde auch noch interessieren wie ich ein Netzteil hinzuschalten kann, ohne das der Roboter ausgeschaltet werden muss.
Also wie bei einem Notebook.

6) Wie kann ich die Kapazität des Akkus überwachen, um bspw. das System bei 30% automatisch auszuschalten?
Ich habe bei Amazon zwar ein Messgerät gefunden das den LiPo prüft, jedoch hat dieser keine Möglichkeit dem µController etwas mitzuteilen.

7) Müssen bei 4A bereits dickere Kabel verwendet werden?

8 ) Ist dieser Wippschalter (https://www.conrad.de/de/wippschalter-24-vdc-10-a-1-x-ausein-sci-r13-70a-01-rastend-1-st-700877.html) für mein Vorhaben geeignet?

PS: Ratschläge zur Optimierung sind sehr willkommen! :D

LG, Schwarzfuchs.

[Hubert.G]

1 Grundsätzlich korrekt, Kondensatoren laut Datenblatt noch zu den Spannungsreglern. Schaltregler wären allerdings besser da sie weniger Leistung in Wärme umsetzen.
Verbraucher nehmen sich so viel Strom wie sie brauchen, solange es die Quelle liefern kann.
2 Es sollte überall die korrekte Spannung anliegen.
3 Die Motoren kommen auch mit weniger Spannung zurecht, im gewissen Rahmen, allerdings sinkt auch die Leistung.
4 Jeweils eine Diode in die Leitung zu den Spannungsregler und einen Elko danach schützt vor kurzen Spannungseinbrüchen die die Motoren verursachen können.
5 In die Leitung zum Akku eine Diode ist die einfachste Lösung. Damit unterbindest du eine Rückladung der LiPo.
6 Der Arduino hat die Möglichkeit der Spannungsüberwachung, ADC.
7 Kommt auf die Länge an, 2,5mm² sollten es schon sein.
8 Ja, ein Snubber parallel verlängert die Lebensdauer, da bei jedem Abschalten sonst ein Funken entsteht.

[Peter(TOO)]

Wie schon geschrieben wurde, wären Schaltregler effizienter.

Nehmen wir mal den 7805.
Bei 1A entnimmt er der Batterie auch 1A. 11V-5V = 6V bei 1A verheizt der 7805 also 6W.

Bei einem Schaltregler sieht dies anders aus:
5V*1A sind 5W für den RasPi.
der Schaltregler zieht dann auch 5W aus dem Akku also 5W/11V = 0.45A.
OK, stimmt nicht ganz, der Schaltregler hat einen Wirkungsgrad zwischen 80% und 95%, sind dann bei 80% um die 0.56A.

Die Akku-Kapazität wird in Ah angegeben. etwas vereinfacht kann man bei einem voll geladenen Akku mit 10Ah 1h lang 10A ziehen oder aber 10h 1A oder 100h 0.1A.
OK, funktioniert in der Praxis nicht so schön linear und Akkus darf man nicht Tiefentladen! LiPos sollte man maximal bis auf 20% entladen.


LiPos haben auch keine feste Spannung, diese ändert sich mit dem Ladezustand, die 11.1V sind der Nominalwert.
So Pimal Daumen und im Quadrat zur Schuhgrösse liegt die Spannung zwischen 3.0V und 4.2Vpro Zelle. Dein Akku hat 3 Zellen mit nominal 3.7V.
Die Spannung liegt also im Bereich von 9V bis 12.6V.
Die genauen Werte muss du dem Datenblatt des Akkus entnehmen die sind etwas unterschiedlich, je nach Typ und Hersteller.

Jetzt kommt das nächste Problem:
Damit der 7809 funktioniert, muss der Spannungsunterschied zwischen Ein- und Ausgang mindestens 2V betragen.
Das wird dann bei einer Akkuspannung <11V etwas schwierig :-(
Dein Arduino läuft aber eigentlich mit 5V und hat schon einen Spannungsregler wie den 7805 eingebaut. Daher kommen auch die Minimal 7V.
Du kannst also den Arduino auch mit 5V betreiben und kannst den 7809 weg lasen und die 5V vom deinem 7805 nehmen oder eben von einem 5V Schaltregler.
Passende DC/DC-Wandler bekommt man ab 5-10¬

MfG Peter(TOO)

[Schwarzfuchs]

Hi,

danke euch, habe eure Vorschläge nun mal mit eingearbeitet und (hoffentlich) passende Bauteile gefunden. :)
Ich habe auch nun überlegt einen LiPo mit 14,8 V zu verwenden, um auch die Motoren voll zu versorgen.

Zur Schaltung:

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1) Wie von euch angemerkt habe ich nun Dioden eingefügt, um den Akku und die Geräte zu schützen, sind diese angemessen "groß" und an der korrekten Stelle?
Im Datenblatt steht das der maximale Dauergrenzstrom 5A beträgt und "Periodische Spitzenspannung" meint vermutlich das die Diode kurzzeitig 50 V aushält?
Wenn ja, sollte es wohl passen. :)

Bei der Diode nach dem Netzteil und den Schaltreglern bin ich mir nicht sicher, kann man die dort evtl. auch weglassen?

Ich habe noch im ELKO gelesen das die Dioden nicht direkt leiten, sondern bei Silizium-Dioden sogar erst ~0,7 V anliegen müssen.
Was bedeutet das nun für die Schaltung, muss ich dann nach der Diode einfach mit ~14,1 V rechnen?

2) Durch die neuen Schaltregler nehme ich an das man keine Kondensatoren(und Dioden?) mehr zuschalten muss, da auf dem kleinen Board bestimmt schon alles notwendige enthalten ist?

3) Reicht der Snubber/RC-Glied?
Leider noch etwas schwierig zu bestimmen aber wenn ich einfach mal von maximal 3A ausgehe und die Spannung bei ~14V liegt müsste nach der hier genannten Faustformel
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.25.1 ein 14 Ohm Widerstand und 0,033 uF Kondensator verbaut werden, möglicherweise ist beides sogar etwas zu hoch.
Wahrscheinlich muss ich das in dem Fall wohl einfach ausprobieren.

4) Wenn ich dem Arduino die 5V des Schaltreglers auf den Netzteilanschluss der 7-12 V verlangt zuführe, würden dann die 5V "verlustlos" durchgelassen
oder würde der 7805 onboard die Spannung nochmal zusätzlich aufgrund des Bauteils selbst verringern?
Da in dem Paket das ich bestelle sowieso 5 Schaltregler enthalten sind, könnte ich notfalls auch noch eine extra Leitung für den Arduino einbauen.

5) Eine Sache beim Schaltregler ist mir auch noch nicht so ganz klar geworden, ich habe gesehen das man bei diesen mittels einer Schraube die Ausgangsspannung
einstellt, um wie hier die 5V zu erhalten. Liefert dieser dann immer 5V, auch wenn die Eingangsspannung variiert, oder ist die Schraub-Einstellung immer auf die
Eingangsspannung bezogen die zu diesem Zeitpunkt angelegt war und müsste dementsprechend geändert werden?
Ist vielleicht eine blöde Frage aber bisher stand es nirgendwo so explizit wie beim Festspannungsregler.

6) Was mich bei dem Snubber noch interessieren würde, müsste nicht wenn man den Schalter OFF schaltet trotzdem noch Strom fließen? Weil der Schaltkreis ja gar nicht unterbrochen wird. :confused:

LG, Fuchs.

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Schaltregler (https://www.amazon.de/LM2596S-Step-Down-Schaltregler-Konverter-Spannung/dp/B00Q8753KQ/ref=sr_1_2?s=diy&ie=UTF8&qid=1474251341&sr=1-2&keywords=step-down+schaltregler)

Dioden(1) nach dem Akku/Netzteil (https://www.conrad.de/de/diode-by-550-50-1000-5a-diotec-by550-50-gehaeuseart-do-201ad-i-f-5-a-sperrspannung-u-r-50-v-152897.html)
Dioden(2) vor den Boards (https://www.conrad.de/de/1n-gleichrichter-diode-3-a-diotec-1n5400-gehaeuseart-do-201-i-f-3-a-sperrspannung-u-r-50-v-162361.html)

Snubber:
Widerstand (https://www.conrad.de/de/metallschicht-widerstand-14-axial-bedrahtet-0207-025-w-royalohm-mf0w4ff140ja10-1-st-1089685.html)
Kondensator (https://www.conrad.de/de/entstoer-kondensator-x2-radial-bedrahtet-33000-pf-275-vac-10-15-mm-l-x-b-x-h-18-x-5-x-11-mm-wuerth-elektronik-wcap-ftx2-890324025006cs-1-st-1279972.html)

[Hubert.G]

Wenn du LiPo 4S nimmst und dein Netzteil nicht wesentlich mehr als 12V bringt, dann kannst du die Dioden 1 weglassen. Die Dioden 2 sollen vor dem Schaltregler sein. Du brauchst auch nur eine Diode vor dem Schaltregler für Raspi und Arduino. Zwischen Diode und Schaltregler aber einen größeren Elko als Puffer.
Die Schaltregler brauchen an Eingang etwa 2V mehr als am Ausgang eingestellt.
Die Arduino sollten einen 5V Eingang haben.
Der Snubber sollte in der Dimensionierung schon passen. Über den Kondensator fließt kein Gleichstrom.
Das Adafruit Motorshild kenne ich nicht. Die gängigen Schrittmotorsteuerungen haben eine einstellbare Strombegrenzung eingebaut. Da kannst du ohne weiteres mit höherer Spannung die Motoren betreiben und brauchst daher den zweiten Spannungsregler nicht.

[Peter(TOO)]

Zu 1)
Die Dioden(1) darfst du auf keinen Fall weg lassen!

1. Wenn der Akku entladen ist und nur noch weniger als 12V hat wird er vom Netzteil mit einem unbegrenzten Strom aufgeladen! Dabei kann ein LiPo explodieren, das mögen die meisten Leute nicht wirklich. Wie gross der Strom wirklich ist, hängt vom Netzteil ab, das uss nicht unbeding eine Strombegrenzung bei 3A haben.
2. Ist der Akku voll geladen, kann, sofern vorhanden, ein Crowbar im Netzteil auslösen und den Akku kurzschliessen. Kann auch zu einer Explosion des Akkus führen.
Crowbar: Wird die Ausgangsspannung grösser als am Netzteil eingestellt, wird der Ausgang kurzgeschlossen. Damit werden angeschlossene Geräte vor Überspannung und Zerstörung geschützt.

Diode(1) Datenblatt:
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000-174999/152927-da-01-en-BY550__400.pdf
Der Spannungsabfall an der Diode hängt vom Strom ab.
Aus den ersten Diagramm "Durchlasskennlinie (typische Werte)" kann man ersehen, dass der Spannungsabfall bei 3A um die 0.95V beträgt.

Die 50V Sperrspannung ist die maximale Spannung welche an der Diode in Sperrrichtung angelegt werden darf.
Wie du aus dem Datenblatt sehen kannst, gibt es eine ganze Reihe von Typen mit Sperrspannungen von 50V bis 1'000V.
Ich würde die 100V-type nehmen, weil diese günstiger ist als die 50V.

Unwesentlich teurer wäre diese Schottky-Diode:
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/550000-574999/556820-da-01-ml-SCHOTTKY_DIODE_SB5100_DO_201_DIO_de_en.pdf
Hier läge der Spannungsabfall bei 3A nur bei 0.5V.


Weg lassen kannst du die Dioden(2) die machen keinen Sinn!

Zu 3)
Das Snubber-Glied kannst du dir sparen.
Dieses braucht man vor allem, wenn beim Schalten hohe Spannungen entstehen können, welche dann beim Schalten Funken am den Schaltkontakten erzeugen.

Zu 4)
Am 7805 auf den Arduino fällt noch eine Spannung ab, dann hast du weniger als 5V.
Du kannst aber den 7-12V Eingan einfach frei lassen und den Schaltregler an einem der +5V-Anschlüsse anschliessen.

MfG Peter(TOO)