Arduino Lektion 83: Stromversorgung

In diesem Tutorial möchte ich mich mit der Stromversorgung eines Mikrocontrollers beschäftigen.

Ich habe bereits im Tutorial Arduino Lektion 82: Batterieshields einige LiPo Battieshields vorgestellt mit welchen kurzfristig ein Mikrocontroller betrieben werden kann.

Nun möchte ich gerne aufzeigen welche Möglichkeiten es noch zusätzlich gibt.

USB-Anschluss

Am einfachsten ist es, den Mikrocontroller mit einem USB-Anschluss des Computers zu verbinden, jedoch gibt es hier spezielle USB Spezifikationen welche beachtet werden müssen. Es gibt zzt. 3 USB Typen auf dem Markt, USB 1.1, USB 2 sowie USB 3. Gemeinsam haben diese, dass immer ca. 5V geliefert wird, jedoch ist die maximale Stromstärke eine ganz andere.

Hier muss man vorsichtig sein, denn unter Umständen kann das Motherboard oder der USB Hub einen Schaden nehmen.

USB Typ	max. Stromstärke	max. Leistung
USB 1.0 / 1.1	100 mA	0,5 W
USB 2.0	500 mA	2,5 W
USB 3.0 / 3.1	900 mA	4,5 W

Quelle:

Seite „Universal Serial Bus“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 29. März 2019, 23:58 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Universal_Serial_Bus&oldid=187066305 (Abgerufen: 7. April 2019, 12:04 UTC)

9V Blockbatterie

Der Wohl gängigste Vertreter ist die 9V Blockbatterie. Für diese Batterie gibt es passende Adapter, an welcher die Batterie verpolungssicher angeschlossen werden kann.

Die Batterie selber gibt es von namhafte Hersteller wie VARTA oder Duracell aber auch bei Discounter findet man diese Batterien. Neben dem Preis gibt es aber auch bei der Lebensdauer deutliche Unterschiede. Im nachfolgenden möchte ich eine kurze Tabelle zeigen wie die unterschiedlichen Batterien in meinem Test abgeschlossen haben.

Ich habe dabei eine einfache Schaltung mit dem Arduino Leonardo aufgebaut welche 9 LEDs beinhaltet welche als Lauflicht von rechts nach links (und zurück) aufgeleuchtet werden. Es wird jeweils eine frische Batterie verwendet, welche ich am selben Tag des Testes gekauft habe.

Hersteller	Bezugsquelle	Preis	Lebensdauer
Arcas	Mac Geiz	1 €	3h
TopCraft*	Aldi Nord	1,59 €	6h, 25min
High Quality*	Kik	1 €	3h, 50min
VARTA (LONGLIFE)	Rossmann	2,99 €	5h, 15min.

* Doppelpack

Die Batterie von Aldi Nord „TopCraft“ hat in meinem Test am längsten durchgehalten. Da dieser Test nicht unter Laborbedingungen durchgeführt wurde (gleiche Umgebungstemperatur, Batterietemperatur) gibt es hier geringe Abweichungen.

Powerbank

Eine Powerbank ist ein Akku mit zumeist einem Micro-USB bzw. neuerdings mit einer USB-Typ-C Buchse. Diese Geräte gibt es in kleinen Ausführungen für wenig Geld.

Plagiate aus China

Aus China (oder auch anderen asiatischen Ländern) gibt es Plagiate von Powerbanks zu kaufen. Diese Plagiate haben meist nicht annähernd die genannte Kapazität jedoch meist das entsprechende Gewicht. Hier wird mit Sandsäckchen getrickst.

Auf Google findet man mit der Suche „Fake Powerbank“ eine große Auswahl an Bilder.

Da ich selber „Gott sei dank“ noch keine solche Powerbank erwischt habe. Kann ich keine entsprechende Bilder liefern.

Solarbetriebene Powerbank

Für den Outdoorbereich gibt es Powerbanks mit einer Solarzelle, diese Solarzelle liefert zwar Strom, um die Powerbank aufzuladen, jedoch dauert dieses extrem lange, der Vorteil ist aber das man diese unterwegs mit der kraft der Sonne aufladen kann.

Die oben gezeigte Powerbank hat eine Ladezeit von 3 Tagen und kann dann für ca. 1h verwendet werden. Es ist somit wirklich nur ein Notstromakku mehr auch nicht. Auf eBay.de gibt es Solar betriebene Powerbanks mit einer Leistung von bis zu 100000mAh (100Ah bei 5V), jedoch sind diese nur Fake. Hierzu hat der Kanal Computer:Club2 ein Video mit dem Titel Die Lügen bei Solar-Power-Banks – Ein Filetstück aus CC2tv #247 veröffentlicht.

Wie man sich selber eine kleine, solarbetriebene Powerbank sich selber bauen kann, habe ich gleichnamigen Tutorial Weekend Project: Solarbetriebene Powerbank ausführlich beschrieben.

LiPo Batterie Modul

Es gibt Bsp. von der Firma Staudt Technologies ein LiPo Batteriemodul welches ich bereits im Beitrag Vorstellung #1 2019: PGCPSU LiPo PSU Modul vorgestellt habe. Dieses Modul kann eine LiPo Batterie laden und gleichzeitig einen Mikrocontroller mit 5V betreiben.

Es soll wohl möglich sein einen Arduino Blink-Sketch für 3,5 Tage laufen zu lassen, bzw. mit einigen Modifikationen wie das Entfernen der Power & TX LEDs und dem Deaktivieren von USB UART und dem „Tiefschlaf“ Modus soll es bis zu 25 Tage möglich sein.

Netzteil

Es gibt einige Netzteile auf dem Markt, welche sich ideal eignen, um einen Mikrocontroller damit zu betreiben.

Vin

Fast jeder Mikrocontroller verfügt über einen Vin Pin auf der Platine.
An diesem Pin kann alternativ die gleiche Spannung angelegt werden, wie auch über die Buchse auf der Platine.

Wenn man nun ein Universalnetzteil hat und an diesem die für den Mikrocontroller geeignete Spannung eingestellt hat, kann man über den Vin und den GND den Mikrocontroller mit Strom versorgen.

Universalnetzteil

Wie bereits erwähnt gibt es Universalnetzteile, diese Ladegeräte können individuell auf eine Spannung eingestellt werden.

Ich habe eines von Conrad Electronik erworben und bei diesem waren diverse Adapter dabei.

Und natürlich war auch ein passender für die 2,1 mm Center-Positiv Buche vorhanden.
Bei dem Adapter muss man auf die Richtung aufpassen wie man diesen verbindet, denn einmal hat man „center-negativ“ und einmal „center-positiv“.

Breadboard Power Supply

Das Breadboard Power Supply wird auf ein Breadboard mit min. 400 Pins gesteckt.

Das Modul verfügt über eine 2,1 mm center-positiv Buchse für die Stromzufuhr und eine USB Typ A Buchse für die Stromabnahme. Des Weiteren verfügt das Modul über eine 8fach Pinleiste für die Abnahme von 3,3V bzw. 5V und Ground. Die Spannung lässt sich pro Seite (auf dem Breadboard) durch einen Jumper individuell einstellen. Das Board nutze ich Bsp. wenn ich Servos betreibe und die Spannung nicht über den Mikrocontroller liefern möchte, denn bei Servos können lasten entstehen welche den Mikrocontroller schaden können.

USB Ladegeräte

Zu fast jedem Mobilfunkgerät und Tablet erhält man ein Ladegerät mit einer USB Buchse. Dieses ist ein Indikator dafür, dass, das Ladegerät 5V liefert, jedoch muss man prüfen, ob die Stromstärke ausreicht. Es gibt Ladegeräte mit ca. 150mA (welche für alte Handys und Tablets ausreichen)  und welche mit mehr als 1A Leistung.

Für die Arduino’s reicht ein USB Ladegerät mit 500mA aus. Wenn jedoch ein Raspberry PI oder ein anderer Einplatinencomputer betrieben werden möchte, sollte schon eines mit mehr Leistung genutzt werden.

Der Raspberry PI in der Version 3+ benötigt laut Hersteller ein 3A Netzteil.