Verwendung alternativer Energiequellen

Verwendung alternativer Stromquellen

Es gibt drei Haupt-Gleichspannungsquellen, um unsere Mikrocontroller-Projekte mit Strom zu versorgen: Batterien, Netzadapter oder der USB-Port eines Computers. Im Allgemeinen wird der Leistungsbedarf durch die Anforderungen der Geräte bestimmt, die Sie zum Aufbau der Schaltung verwenden. Diese Geräte bestehen aus dem eigentlichen Mikrocontroller und jeglicher daran angeschlossener Peripherie-Hardware. Peripheriegeräte können Sensoren oder andere integrierte Schaltungen (ICs) sein. Was meine ich also mit "durch die Anforderungen der Geräte bestimmt"? Um diese Frage zu beantworten, beginnen wir mit einer Diskussion über die Leistungsanforderungen des eigentlichen Mikrocontrollers.

Die meisten Mikrocontroller können nur eine Spannung innerhalb eines bestimmten Bereichs akzeptieren, und oft ist diese Spannung der entscheidende Faktor für die Betriebsgeschwindigkeit des Systemtakts. Im Falle des Atmega32 besagt das Handbuch, dass er Spannungen im Bereich von 4,5-5,5 Volt empfangen kann. In Bezug auf die Spannungsanforderungen für dieses Gerät ist das kein großer Bereich. Daher könnte es etwas schwierig sein, andere Peripheriegeräte hinzuzufügen, die unterschiedliche Leistungsanforderungen haben. Im Allgemeinen wurde der Atmega32 jedoch so konstruiert, dass er 5 Volt mit einem Spielraum von 0,5 Volt zu beiden Seiten empfängt, so dass Sie damit umgehen müssen, um dieses Gerät in einer Schaltung zu verwenden. Glücklicherweise kann sein Nachfolger (der Atmega324) einen größeren Spannungsbereich akzeptieren. Zum Beispiel kann der Atmega324A eine Spannung im Bereich von 1,8-5,5 Volt akzeptieren, wobei der untere Teil dieses Bereichs für den Einsatz in stromsparenden Schaltungen verfügbar ist. Der Atmega324p hat einen Bereich von 2,7-5,5 Volt, was immer noch die Verwendung von Standard-Peripheriegeräten ermöglicht, die entweder 3,3 Volt oder 5,5 Volt benötigen.

Wie bereits erwähnt, müssen Sie bei der Auswahl eines Mikrocontrollers auch die anderen Komponenten berücksichtigen, die in der Schaltung verwendet werden. Versuchen Sie, Komponenten zu finden, die mit dem Spannungsbereich Ihres Mikrocontrollers übereinstimmen, damit Sie keine Spannungsquelle auf zwei Ebenen bereitstellen müssen. Wenn Sie beispielsweise den älteren Atmega32 besitzen und einen Beschleunigungsmesser verwenden möchten, der nur 3,3 Volt akzeptiert, müssen Sie zwei Spannungspegel bereitstellen; einen (4,5-5,5 V) für den Mikrocontroller und einen weiteren (3,3 V) für den Beschleunigungsmesser.

Stromquellen

Woher beziehen wir also den Strom für unsere Schaltungen? Glücklicherweise gibt es ein paar Optionen. Wir können entweder Batterien, einen Wandadapter oder den USB-Anschluss des Computers verwenden. Denken Sie daran, dass, wenn Sie einen Wandadapter verwenden, dessen Ausgangsspannung im Gleichstrombereich liegen muss. Lassen Sie uns jede potenzielle Stromquelle etwas genauer untersuchen.

Batterien

Es gibt viele Arten und Größen von Batterien, jede mit ihrer eigenen Nennspannung. Um die Sache jedoch etwas zu verkomplizieren, haben sie auch variable Betriebszeiten, was die Zeit betrifft, in der sie eine Schaltung mit ihrer Nennleistung versorgen können. Die Amperestundenzahl einer Batterie ist eine Bewertung, die die Energiemenge angibt, die eine Batterie über einen bestimmten Zeitraum liefern kann. Bei der Betrachtung der kleinen Kapazitätsbatterien, die typischerweise in Mikrocontrollerschaltungen verwendet werden, können wir diese Bewertung auch in Milliamperestunden (mAh) ausdrücken, was im Wesentlichen angibt, wie lange (in Stunden) die Batterie hält, wenn ihr Strom von einer Last von 1 Milliampere gezogen wird. Wenn eine Batterie für 1000 mAh ausgelegt ist, kann sie theoretisch eine Schaltung, die 100 Milliampere benötigt, 10 Stunden lang oder eine Schaltung, die 50 Milliampere benötigt, 20 Stunden lang versorgen. Da kleine Batterien jedoch in der Regel nicht sehr lange halten, wenn sie Schaltungen mit einem Mikrocontroller im Dauerbetrieb versorgen, sollten sie wahrscheinlich nur in Situationen verwendet werden, in denen eine Stromquelle nicht auf andere Weise bereitgestellt werden kann. Wiederaufladbare Batterien können in solchen Installationen jedoch eine gute Option sein, insbesondere wenn sie so verwendet werden, dass sie aus einer erneuerbaren Quelle aufgeladen werden können.

Die nächste Frage, die wir uns stellen müssen, da verschiedene Batterietypen unterschiedliche Spannungen liefern, ist, wie wir die gewünschte Spannung erhalten. Das ist eigentlich relativ einfach. Oft müssen Sie lediglich Batterien hintereinander (in "Reihe") schalten, bis Sie die benötigte Ausgangsspannung erreicht haben. Wenn Sie beispielsweise Batterien verwenden, die jeweils eine Ausgangsspannung von 1,5 Volt liefern (eine Standardspannung für Batterien wie die gängigen Haushalts-AA-, AAA-, C- und D-Zellen), können Sie diese in Reihe schalten und einfach die Spannungen jeder Batterie addieren. Wenn beispielsweise zwei AA-Batterien in Reihe verwendet werden, können Sie eine Versorgung von etwa 3 Volt erwarten; obwohl Sie wahrscheinlich etwas mehr sehen werden, wenn die Batterien neu sind. Aber Sie fragen sich vielleicht – wie können wir dann eine 5-Volt-Versorgung erhalten? Das ist eigentlich ein kleines Problem, da es keine gute Möglichkeit gibt, 5 Volt aus einer Batteriestromversorgung zu erhalten, ohne andere Komponenten zur Spannungsregelung zu verwenden (wie unten beschrieben). Wenn Sie zu den 3 Volt der ersten beiden Batterien eine weitere Batterie hinzufügen würden, erhalten Sie 4,5 Volt – was zu wenig ist. Wenn Sie dann jedoch eine weitere 1,5-Volt-Batterie hinzufügen, erhalten Sie satte 6 Volt. Da dies außerhalb des Nennbetriebsbereichs des Mikrocontrollers liegt, könnten wir ihn sehr leicht zerstören, es sei denn, wir können diese Spannung irgendwie "regulieren", um sie in den gewünschten Bereich zu bringen.

Kurz gesagt: Zwei Batterien werden in Reihe geschaltet, indem der Pluspol (+) einer Batterie mit dem Minuspol (-) der nächsten verbunden wird. Das war's!

Wandadapter

Diese Adapter werden aus offensichtlichen Gründen oft auch als „Steckernetzteile“ bezeichnet. Sie sind groß und klobig und ragen wie eine Warze hervor! Wenn Sie einen Wandadapter verwenden, müssen Sie einen auswählen, dessen Ausgangsspannung den Anforderungen der Geräte in Ihrer Schaltung entspricht. Wenn Sie einen Spannungsregler (siehe unten) verwenden, benötigen Sie einen Adapter mit einer Ausgangsspannung, die über der von Ihren Komponenten benötigten liegt.

Alle Wandadapter, die ich gefunden oder aus meiner entsorgten Elektronik gerettet habe, haben die Eingangs- und Ausgangsinformationen irgendwo auf dem Gehäuse angegeben (gedruckt). Die Eingangsspannung für jeden Adapter sollte natürlich dem Stromtyp in Ihrem Land entsprechen. Zum Beispiel liegt hier in den USA der Strom aus einer Steckdose im Bereich von 110-130 Volt Wechselstrom (AC). Dies ist im Allgemeinen in Form einer Sinuswelle, bei der der Stromfluss schnell wechselt, zuerst in die eine Richtung und dann in die andere. Eine weitere Sache, auf die man am Wandadaptergehäuse achten sollte, ist die Ausgangsspannung, die ebenfalls aufgeführt ist. Für unsere Zwecke in Schaltungen mit Mikrocontrollern muss die Ausgangsspannung in Form von Gleichstrom (DC) vorliegen.

USB

Dies ist eine einfache Möglichkeit, eine relativ gleichmäßige Form von 5 Volt Gleichstrom zu erhalten. Wenn Ihre Komponenten 5 Volt akzeptieren können, ist dies normalerweise eine gute Stromquelle. Es ist ziemlich einfach, diese Spannung anzuzapfen – nehmen Sie einfach einen der vielen USB-Stecker, die Sie wahrscheinlich zu Hause herumliegen haben, und isolieren Sie das Kabel ab, bis Sie vier Drähte sehen. Sie möchten die beiden Drähte, die entweder rot oder schwarz sind, da die anderen Drähte im Kabel Datenleitungen sind, die für unsere Zwecke nicht benötigt werden. Von den beiden Drähten, die uns interessieren, ist der schwarze der Erdungsdraht (0 Volt) und der rote Draht die 5-Volt-Versorgungsleitung. Alles, was Sie vielleicht tun müssen, ist, einen oder zwei Kondensatoren hinzuzufügen, um die Spannung zu glätten, und Sie können loslegen!

Spannungsregler

Wie oben erwähnt, benötigen Sie möglicherweise einen Spannungsregler, wenn Sie Batterien verwenden oder wenn Sie keinen Wandadapter mit der richtigen Ausgangsspannung finden. Obwohl es viele Regler auf dem Markt gibt, verwende ich im Allgemeinen ein oder zwei der folgenden Modelle: 7085, Max 603 oder Max 604.

7805

Dies ist ein sehr beliebter „High-Dropout“-Spannungsregler, der wahrscheinlich in vielen elektronischen Geräten in Ihrem Zuhause verwendet wird. Dieser Regler liefert 5 Volt, solange die ihm zugeführte Eingangsspannung mindestens 2 Volt höher ist als die erwartete Ausgangsspannung von 5 Volt. Dieser 2-Volt-Überschuss wird als Dropout-Spannung bezeichnet. Obwohl der Regler 7 Volt Eingang akzeptieren kann, um 5 Volt geregelten Ausgang zu erzeugen, kann es sicherer sein, mindestens 8 Volt Eingang zu liefern, falls es eine „Welligkeit“ (Inkonsistenz) in der Eingangsspannung gibt. Sie können auch höhere Eingangsspannungen verwenden, sollten aber 30 Volt nicht überschreiten, da der Regler über diesem Pegel zusammenbricht.

Max 603/604

Dieser Spannungsregler liefert ebenfalls 5 Volt für den 603 (3 Volt für den 604), hat aber eine viel geringere Dropout-Spannung. Dieses IC-Gerät ist für den Einsatz mit Batterien vorgesehen, und die 6 Volt von vier "AA"-Batterien ermöglichen eine Ausgangsspannung von 5 Volt (mit dem Max 603). Verwenden Sie jedoch keine Eingangsspannung von mehr als 11,5 Volt, da sonst der magische blaue Rauch entweicht! Mit anderen Worten, Sie zerstören den Spannungsregler. Diese Regler können sogar viele andere Ausgangsspannungen liefern, wenn sie entsprechend konfiguriert werden, indem verschiedene Widerstände verwendet werden, wie im Video zu diesem Tutorial besprochen wird.

Überlegungen zu Kondensatoren:

Sie werden im Video bemerken, dass ich ein paar Kondensatoren verwende. Da ich einige Anfragen erhalten habe, dies zu erklären, habe ich ein weiteres Video zu diesem Thema gemacht. Kurz gesagt, die Kondensatoren werden verwendet, um die "nicht so perfekte" (pulsierende) Gleichspannung zu glätten. Wie Sie in dem anderen Video sehen können, wird ein Kondensator vor und nach dem Regler verwendet.