Große Netzteile für Microcontroller
Heute bauen wir mal ganz flott eine Stromversorgung für eure Microcontroller Projekte.
Dabei werden wir zum Einen so ein LED Netzteil, Einbaunetzteil oder auch Schaltnetzteil verwenden. Und zum Anderen zeige ich euch noch, wie man sehr einfach ein PC Netzteil als Stromquelle für eure Microcontroller verwenden kann und warum die so praktisch sind.
Stromversorgungs-Basics bei Microcontrollern
Bevor wir ans Basteln gehen, schauen wir uns erstmal an, welche Möglichkeiten der Stromversorgung es bei Arduino, ESP32 und ESP8622 gibt.
Wo und wie kann ich eigentlich Strom in den Microcontroller führen?
Arduino Stromversorgung
Schauen wir uns zunächst den Arduino UNO an. Hier gibt es vier Möglichkeiten für die Stromversorgung:
- Stromversorgung über den USB-Port
- Stromversorgung mit einem Netzteil über die 5,5 mm Hohlstecker Buchse
- Stromversorgung mit einem Netzteil am VIN Pin
- Stromversorgung über den 5V Pin
Aber Achtung: es sind ein paar Besonderheiten zu beachten.
Arduino Stromversorgung über USB
Das ist die einfachste Möglichkeit. Einfach über USB an einen Computer, eine Powerbank oder ein Netzteil mit USB-Stecker anschließen. Alle Netzteile, die einen USB-Stecker haben, müssen laut USB-Spezifikation 5 Volt liefern. Bedeutet aber auch umgekehrt: jedes Gerät, das Strom über eine USB-Buchse erhält, erwartet hier genau 5 Volt.
Wenn ihr so ein Netzteil mit einem USB-Stecker verwenden wollt, schaut vorher lieber nochmal nach – der Ausgangsstrom muss auf jedem Netzteil drauf stehen. Wenn da nichts drauf steht, ist das seltsam. Dann würde ich das Netzteil gleich entsorgen. Achtung, manchmal ist der Aufdruck sehr sehr sehr klein – wie z.B. bei den Netzteilen von Apple.
Arduino Stromversorgung über Hohlstecker
Die Arduino UNO Boards verfügen, zusätzlich zum USB-Port, über eine 5,5 mm Hohlbuchse wo ein Netzteil angeschlossen werden kann. Hier ist jedoch zu beachten, dass das Netzteil eine Spannung zwischen 7 und 12 Volt haben muss.
„Warum nicht 5 bis 12 Volt? Der Arduino läuft doch mit 5 Volt?“
Berechtigte Frage: hier ist die Besonderheit, dass diese Stromversorgung durch einen Spannungswandler läuft, der auf dem Arduino verbaut ist. Dieser kümmert sich darum, die 7 bis 12 Volt in genau 5 Volt umzuwandeln. Aus technischen Gründen geht das nur, wenn die eingespeiste Spannung mindestens 2 Volt über der Zielspannung von 5 Volt lieg: 5 + 2 = 7.
Arduino Stromversorgung über VIN
Man kann den Arduino UNO auch über die Pins mit Strom versorgen: der Minuspol der Stromquelle wird dann an Ground angeschlossen. Der Pluspol wird an VIN angeschlossen. Der VIN Pin läuft, ebenso wie die Hohlbuchse, über den oben genannten internen Spannungswandler. D.h. hier gelten die gleichen Vorgaben – nutze eine Spannung zwischen 7 und 12 Volt.
Hier könnte man also auch unregulierte Stromquellen wie Batterie-Packs verwenden, wie zum Beispiel 4 × 1,5 Volt Batterien.
„He moment: 4 × 1.5 Volt ergibt 6 Volt. Das müssen doch Mindesten 7 Volt sein?“
Ja das stimmt. Allerdings ist der Arduino genügsam und läuft in der Regel auch mit etwas weniger Spannung. Selbstverständlich kannst du auch 5 × 1,5 Volt Batterien nehmen, dann bist du ganz offiziell innerhalb der Spezifikationen.
Arduino Stromversorgung über den 5V Pin
Und zuletzt kann man auch noch den 5V Pin für die Stromversorgung verwenden. Minuspol wieder an Ground und Pluspol an 5V.
Aber Achtung: Am 5V Pin geht das nur mit einer regulierten Stromquelle, die genau 5 Volt liefert. Denn dieser Pin läuft NICHT über den oben erwähnten Spannungswandler.
Das könnte also ein Netzteil, oder ein aufgeschnittenes USB Kabel sein, das an einer USB Stromquelle hängt.
Übrigens: wenn du den Arduino über den USB-Port, die Hohlbuchse oder VIN mit Strom versorgst, dann ist der 5V Pin und der 3v3 ein Output Pin und dort stehen dann regulierte 5 Volt bzw. 3,3 Volt zum Abgreifen zur Verfügung.
Was sind regulierte und unregulierte Stromquellen?
Was bedeutet eigentlich regulierte und unregulierte Stromversorgung?
Ein Netzteil liefert immer genau eine eingestellte Spannung. Man kann sich darauf verlassen, dass ein 5 Volt Netzteil immer 5 Volt liefert. Interne Komponenten im Netzteil regulieren das. Daher gehört ein Netzteil zur den regulierten Stromquellen.
Eine AA Batterie liefert 1,5 Volt, jedoch nur eine bestimmte Zeit lang. Wenn die Batterie randvoll ist, liefert sie etwas mehr als 1,5 Volt. Wenn mit der Zeit die gespeicherte Strommenge in der Batterie abnimmt, sinkt auch die Spannung bis deutlich unter 1,5 Volt. In diesem Beitrag gehe ich nochmal genauer auf das Thema ein: Stromversorgung von ESP mit Batterien
Hier sind keine regulierenden Komponenten verbaut, die den Spannungsverlauf einer Batterie ausgleichen. Batterien und Akkus gehören daher zu den unregulierten Stromquellen.
ESP32 Stromversorgung
Schauen wir uns jetzt mal die Möglichkeiten der Stromversorgung bei ESP32 und ESP8266 an. Diese ist ganz ähnlich zum Arduino UNO.
Achtung: Prinzipiell sind die Möglichkeiten der Stromversorgung beim ESP8266 und ESP32 gleich. Beider haben einen Operationsspannung von 3,3 Volt. Problematisch ist, dass es inzwischen sehr viele sog. Dev Kits oder Dev Boards mit ESP32 und ESP8266 gibt. Im Video gehe ich nochmal genauer darauf ein, was genau ein ESP32 oder ESP8266 ist. Die Boards haben dann oft Unterschiede bei den verbauten Spannungswandlern, so dass es hier andere Maximal- und Minimal-Spannungen gibt, die der Spannungswandler umwandeln kann. Manchmal ändert sich der Spannungswandler sogar von Charge zu Charge.
ESP32 Stromversorgung per USB
Wie beim Arduino ist die Stromversorgung über den USB-Port auch die einfachste Möglichkeit. Dadurch das USB auf 5 Volt genormt ist, kann man hier kaum etwas falsch machen.
ESP32 Stromversorgung über den 5V Pin
Achtung, hier gibt es deutliche Unterschiede. Es gib Boards, die können über den 5V Pin mit einer unregulierte Stromquellen zwischen 5 und 9 Volt betrieben werden.
Andere Boards lassen hier nur regulierte genaue 5 Volt zu – haben also gar keinen Spannungswandler verbaut.
Wenn du die Infos im Datenblatt zu deinem Board nicht findest (und das ist oft auch nicht einfach), dann nimm lieber regulierte 5 Volt – dann sollte nix schief gehen.
Pluspol der Stromquelle geht dann an den 5V Pin und Minuspol an Ground (GND).
ESP32 Stromversorgung über den 3v3 Pin
Und zum Schluss noch der 3v3 Pin des ESP32 – hier kann man regulierte 3,3 Volt Strom einspeisen mit dem Pluspol der Stromquelle. Minuspol dann an Ground (GND).
Übrigens: wenn du den ESP32 über den USB-Port mit Strom versorgst, dann ist der 5V Pin und der 3v3 ein Output Pin. Dort stehen dann regulierte 5 Volt bzw. 3,3 Volt zum Abgreifen zur Verfügung.
Hm, aber gibt es Netzteile, die 3,3 Volt liefern?
Ja, z.B. PC-Netzteile. Darauf gehe ich im nächsten Abschnitt ein.
Netzteile
So genug über Pins gequatscht, jetzt schauen wir uns mal die beiden Netzteil-Varianten an, die ich euch zeigen will. Fangen wir an mit dem Einbaunetzteil bzw. LED Netzteil oder auch Schaltnetzteil.
LED Netzteil, Einbaunetzteil, Schaltnetzteil
Dies ist ein 5 Volt, 8 Ampere Netzteil von MeanWell. Meistens findet man die unter dem Begriff Einbaunetzteil, LED Netzteil oder auch Schaltnetzteil. Die lassen sich prima in ein größeres Gehäuse verbauen. Diese Netzteile gibt es auch mit mehr Leistzung wie z.B. mit 5 Volt und 12 Ampere*.
Einziger Haken ist nur, dass man sich hier um eine 230 Volt Zuleitung kümmern muss.
Dafür nehme ich mir entweder ein übriggebliebenes Kaltgerätekabel und schneide den nicht benötigten Teil ab. Oder ich besorge mir Stromkabel und einen Stecker zum zusammenbauen aus dem Baumarkt.
Für die Verbindung der Leitungen könnte man die gute alte Lüsterklemme rauskramen – aber Halt: die ist ja out. Heutzutage setzt man auf sog. Federkraftklemmen. Die halten besser den Kontakt und sind zudem auch einfacher in der Anwendung.
Ich habe dieses Modell der Firma Flintronic gerade im Test und bin sehr zufrieden. Die einzelnen Elemente haben sogar ein kleines Verbindungs-Schienensystem. So kann man sich je nach benötigter Anzahl der Leitungen das passende Element zusammenstecken.
Und hinten gibt es noch eine kleine Mess-Hilfe zum abisolieren. Einstecken, umklappen, fertig. Aufpassen dass der Hebel nicht auf den Fingernagel knallt. Der schnappt ganz schön zu.
Am Ausgang des LED-Netzteils verwende ich auch diese Federklemmen. Dafür habe ich zwei Jumper-Kabel durchgeschnitten und kann den Strom so ganz einfach ins Breadboard leiten – fertig ist die Stromversorgung.
Achtet beim Netzteil darauf, wo die 230 Volt Wechselstrom (AC) hineingeführt werden müssen und wo der 5 Volt Gleichstrom (DC) herauskommt. Auf diesem Netzteil sind AC In und DC Out beschriftet.
Die MeanWell LED-Netzteile, die ich bisher verwendet habe, sind fast völlig lautlos. Es gibt auch günstigere Netzteile, die allerdings ein lautes nerviges Spulen-Fiepen haben. Da bin ich empfindlich. Wen das aber nicht stört, der findet sicher noch andere günstigere Pendants.
PC-Netzteil bzw. ATX-Netzteil
Jetzt schauen wir uns so ein PC-Netzteil an. Wenn der PC nicht besonders klein oder exotisch ist, wird es sich wahrscheinlich um ein Netzteil nach ATX Standard sein – je nachdem ob im PC ein ATX-Motherboard verbaut wurde.
Warum sind ATX Netzteile so praktisch?
Weil diese Netzteile drei verschiedene Spannungen liefern: 3,3 Volt, 5 Volt und 12 Volt.
Na wenn das kein Zufall ist, dass hier die üblichen Spannungen wie bei Microcontrollern & Co. verwendet werden. 12 Volt sind zwar eher unüblich, kommt aber vor. Aber 5 Volt und 3,3 Volt sind genau die Betriebsspannungen von Arduino und ESPs.
Perfekt um unsere Microcontroller insbesondere in der Prototypenphase zu betreiben, wo es noch nicht auf Optik oder kompkate Maße ankommt.
Der Molex Stecker
Das Herzstück der ganzen Stromversorgung über ein PC-Netzteil ist der sog. Molex-Stecker. Dort kommt alles an was wir benötigen.
Hier habe ich eine Grafik angefertigt, der die Pin-Belegung zeigt.
Achtung: Bei aktuellen ATX Netzteilen kommt noch ein zusätzlicher 4-Pin Stecker dazu, der zusammen mit dem 20-Pin Molex-Stecker einen 24-Pin Stecker ergibt. Dadurch verschiebt sich dann die Nummerierung der Pins, je nachdem ob der 20-Pin Stecker oder 24-Pin Stecker gemeint ist.
ATX-Netzteile haben keinen Ein/Ausschalter. Das erledigt im Normalfall der Schalter des PCs, der wiederum über das Motherboard dem Netzteil sagt, er soll jetzt hochfahren.
Alles was das Motherboard dann macht, sind zwei bestimmte Pins im Molex-Stecker zu verbinden und schon liefert das Netzteil Strom.
Um das Netzteil zu starten, kannst du eine Schalter zwischen die Kabel von Pin 14 (beim 20 Pin Molex Stecker) bzw Pin 16 (beim 24 Pin Molex-Stecker) und Ground löten und damit das Netzteil ein und ausschalten. Das ist immer der gleiche Pin (im Bild der grüne Pin PWR_ON), man zählt nur anders, wenn man von dem Molex Stecker mit 20 Pins oder mit 24 Pins spricht.
Eine Möglichkeit wäre nun also den Molex-Stecker bzw. die Kabel die man benötigt abzuknipsen und entsprechend vorzubereiten, so dass man diese als Stromquelle für 3,3 Volt, 5 Volt und bei Bedarf auch 12 Volt verwenden kann.
Aber bevor du jetzt den Saitenschneider holst, schau dir unbedingt den nächsten Abschnitt an.
ATX-Netzteil Stromverteiler Boards
Ich habe gesehen, dass es genau für diese Situation solche Verteiler-Boards für ATX-Netzteile gibt – hab ich mir natürlich besorgt.
Hier muss man nur den Molex-Stecker einstecken … fertig!
Die 3,3 Volt, 5 Volt und 12 Volt kann man nun bequem über die entsprechenden Terminals oder Pins abgreifen und es gibt auch noch einen Taster, mit dem man das Netzteil ein- und wieder ausschalten kann.
Jetzt brauchen wir nur noch zwei Kabel und können den regulierten Strom zum Microcontroller bringen. Wenn wir die 5 Volt nehmen, dann müssen wir beim Arduino also den 5V Pin nehmen.
Ähnlich sieht es beim ESP32 oder ESP8266 aus. Ich habe zum Beispiel solche fertigen Micro-USB Stecker Kabel besorgt. Darüber kann ich die 5 Volt dann direkt in die USB-Buchse des ESP Dev Boards schicken.
Und natürlich lassen sich über die gleiche Stromquelle auch externe Verbraucher betreiben, wie zum Beispiel LED-Streifen.
Apropos LED-Streifen: wenn euch dieses Thema interessiert empfehle ich meinen LED-Streifen Ultra Guide. Da erkläre ich alle wichtigen Basics zum Thema LED-Streifen und wie man diese mit ESP und Arduino ansteuert.
Ein Wort noch zum ATX-Netzteil: schaut euch unbedingt die Spezifikationen des Netzteils an, damit ihr wisst, wieviel Ampere euch zur Verfügung stehen. Die findet man in der Regel als Aufkleber auf dem Netzteil.
Die Wattangabe eines ATX-Netzteils ist in der Regel eine kombinierte Watt-Angabe. Wenn da 500 Watt steht, beziehen sich diese nicht komplett auf die 5V, sondern auf alle drei Spannungstypen.
Bei meinem 500W bequiet PC Netzteil hier sieht man, das für 5 Volt „nur“ 15 Ampere zur verfügung stehen und nicht 100 Ampere, wie man es bei 500 Watt rechnerisch vermuten könnte (Watt = Volt × Ampere). Und da man eh nicht mehr als 75 bis 80% Prozent der Leistung eines Netzteils dauerhaft abrufen darf, sollte man in diesem Fall keinen 5 Volt Verbraucher anschließen, der mehr als 12 Ampere benötigt.
Outro
Wir haben geklärt, welche Möglichkeiten und Pins du zur Stromversorgung von Arduino UNO, ESP32 und ESP8266 nutzen kannst. Wir sind auch auf die Besonderheiten der unterschiedlichen Pins bezüglich des Spannungswandlers eingegangen.
Ausserdem haben wir uns zwei Netzteil-Typen angeschaut, die etwas mehr Ampere liefern können, als das übliche Handy-Netzteil.
Insbesonder da ich noch ein PC-Netzteil übrig hatte, steht dieses jetzt bei mir immer auf dem Basteltisch und kann sehr einfach und mit genügend Leistungsreserven meine Microcontroller-Basteleien betreiben.
Ich hoffe, ihr habt jetzt einen guten Überblick zum Thema Stromversorgung von Microcontrollern mit Netzteilen.
Seid immer schön vorsichtig mit Strom – gerade bei den aktuellen Preisen!
Links
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- Flintronic Federklemmen Kabelverbinder
- ATX Stromverteiler Board
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- ESP8266 D1 Mini von AZDelivery
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- MeanWell LED-Netzteil, 5V 12A
- MeanWell LED-Netzteil, 5V 8A
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- 5V, 2A Netzteil mit Micro-USB
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