Wie man Mikrocontroller mit Strom versorgt

Mikrocontroller brauchen zum Arbeiten Strom, genauer, eine stabile Versorgungsspannung. Im Folgenden wird behandelt, wie man eine solche stabilisierte Versorgungsspannung erzeugt.

Zuerst mal ein Blockschaltbild, was gleich alles dran kommt, und in welcher Reihenfolge die zusammengehören. Wichtig: man braucht nie alle Blöcke!

A) Steckernetzteil

Vorne nimmt man ein Steckernetzteil. Die Alternative, wie man aus 230V eine Kleinspannung zaubert, beschreibe ich hier nicht. Sonst müßte man mit 230V hantieren, und das ist Lebensgefährlich, auch wenn viele Leute ganz stolz erzählen, dass sie einen Stromschlag überlebt haben. Nützt einem nix, wenn man Pech hat. Außerdem sind Steckernetzteile so billig, dass sich Alternativen meist eh nicht lohnen.

Am besten paßt natürlich ein Sternetzteil, das genau die benötigte stabilisierte Gleichspannung liefert, also oft 5 Volt. Die Stromangabe muss passen, darf aber höher sein. Wenn man extra kauft, dann nimmt man so was auf jeden Fall.

Zweitbeste Wahl sind Netzteile mit etwas zu hoher Gleichspannung, dabei ausreichend Strombelastbarkeit. Problem ist hier: jedes Volt zu viel wird (s.u.) in Wärme umgesetzt.

Auch Netzteile mit Wechselspannungsausgang kann man nehmen. Hier ist zu beachten, dass die Wechselspannung nach Gleichrichtung (s.u.) um den Faktor 1.4 höher ist (unbelastet), oft sogar noch mehr. D.h., ein Netzteil mit 5 Volt Wechselspannungsausgang liefert bereits 7 Volt Gleichspannung. Diese geht erst dann auf die aufgedruckten 5 Volt zurück, wenn man den Nennstrom entnimmt, aber meist braucht eine Mikrocontrollerschaltung nicht viel, also meist deutlich weniger, als das Netzteil liefern kann.

B) Sicherung

Sicherungen brennen durch, wenn mehr Strom hindurchfließt, als ihr Nennwert beträgt. Sinn der Sache ist, dass eine billige Sicherung eine teure Schaltung dahinter vor größeren Schäden bewahren soll. Die Fehlersuche hingegen wird erschwert.

Baut man ein, wenn die Schaltung einen nennenswerte Strom zieht. Braucht alles zusammen weniger als 100 mA braucht man keine Sicherung. Ein zweiter Grund für eine Sicherung ist aber, wenn ein Fehlerfall vorkommen kann, der den Stromverbrauch (unzulässig) stark ansteigen läßt. Elektromotoren sind so ein Fall: wenn die nicht drehen können, dann steigt der Strom stark an, und zerstört den Motor oder das Netzteil. Mit elektromagnetischen Artikeln also unbedingt eine Sicherung einbauen! Ausnahme: Relais, weil die in ihrem Gehäuse sehr zuverlässig schalten.

C) Z-Diode

Eine Z-Diode mit etwas höhere Spannung als die gewünschte Versorgungsspannung schützt die Schaltung dahinter, indem sie bei Überspannung und auch bei verpolter Spannung durchbrennt, und dabei zum Kurzschluss wird. Die Schaltung dahinter ist geschützt, jedoch muss die Stromversorgung davor so sicher sein, dass der Kurzschluss nicht zum Brand wird!

Die einfachste Lösung dazu ist, eine Schmelzsicherung mit einzubauen, wie gerade obendrüber beschrieben wurde. Die brennt dann nach der Z-Diode durch, und der Stromfluss ist gestoppt. Z-Diode und Sicherung zusammen schützen so das Gerät vor verpolter und/oder Überspannung.

Ohne Schmelzsicherung versorgt das Netzteil die Schaltung weiter mit Strom, d.h., das Netzteil arbeitet gegen den Kurzschluss der Z-Diode. Moderne Netzteile schalten wegen dem Kurzschluss einfach ab, ältere können alles mögliche machen, z.B. die Haussicherung auslösen. Da das angeschlossene Gerät nicht funktioniert trennt der vernünftige Mensch aber das Netzteil vom Strom und sucht den Fehler.

Ich baue diese Art von Z-Diode gerne bei Laborgeräten ein, wo kurzschlussfeste Netzteile vorherrschen. Ansonsten nur mit Schmelzsicherung kombinieren oder weglassen!

D) Gleichrichter

Gleichrichter gibt es in zwei Geschmacksrichtungen: Einweg- und Doppelweg-Gleichrichter (letzterer ist im Bild unten, der mit den vier Dioden).

Der Einweggleichrichter schützt vor verpolter Versorgungsspannung, ohne dass etwas kaputt geht. Der Doppelweg-gleichrichter schützt nicht nur davor, sondern das Gerät funktioniert einfach, egal wie herum die Versorgungsspannung angeschlossen ist!

Wenn man ein Wechselspannungsnetzteil nimmt muss ein Gleichrichter eingabut werdne, bevorzugt dann ein Doppelweg-Gleichrichter, weil er das Netzteil symmetrisch belastet.

Gegen Gleichrichter spricht, dass diese Leistung verbrennen, sprich, Strom in Wärme umsetzen. Der Einweg-Gleichrichter braucht 0.7 Volt, der Doppelweg-Gleichrichter 1.4 Volt, multipliziert mit dem Strombedarf der Schaltung ergibt das die Leistung, die in Wärme umgesetzt wird. Mit Schottky-Dioden gegenüber Silizium-Dioden kann man da was verbessern, aber es bleibt dabei: hier wird Wärme produziert.

Diese Wärme kann aber auch was gutes haben: wenn man ein Netzteil übrig hat, dass eine recht hohe Spannung gegenüber dem Mikrocontroller hat, dann kann der Gleichrichter etwas von der Arbeit des Spannungsreglers wegnehmen, der sonst alleine die Überspannung wegbrennen muß.

E) Stützkondensator

Ein solcher sollte immer da sein. Bei Wechselspannungs-Netzteil zusammen mit dem Gelichrichter absolut Pflicht, damit in den der kurzen Pause beim umkehren der Spannungsrichtung trotzdem Strom an die Schaltung geliefert werden kann, nämlich aus dem Stützkondensator. Faustformel: 2000uF pro Ampere. Braucht die Schaltung 50 mA nimmt man also 100 uF. Die Spannungsfestigkeit des Kondensators muss etwas höher sein als die Spannung, die vorkommt, darf aber beliebig viel höher sein.

F) Spannungsstabilisierung

Hier nimmt man ein 78xx IC oder ein anderes Spannungsregler-IC. Es gibt da eine ganze Menge davon. Beim 78xx steht das xx steht für die Ausgangsspannung, die man braucht, also 7805 für 5 Volt Ausgangsspannung, 7812 für 12 Volt usw. Reichen der Schaltung 100mA wählt man statt 78xx den entsprechenden 78Lxx, also z.B. dann 78L05. Die Spannungsregler bekommen an Ein- und Ausgang jeweils einen 100nF-Kondensator gegen Masse, nahe am Spannungsregler-IC.

78xx und 78Lxx brauchen auf der Eingansseite 3 Volt mehr, als sie hinten stabilisiert abliefern sollen. 7805 braucht also 8 Volt 78L12 braucht 15 Volt Eingangsspannung minimal. Es gibt andere ICs, die da weniger brauchen. Viel Spass beim googlen.

Linearregler setzen die überflüssige Spannung einfach in Wärme um. Beispiel: Gibt man einem 7805 vorne 9 Volt rein, und braucht für die eigene Schaltung 150 mA Strom, dann heizt der 7805 mit (9Volt-5Volt)*150mA = 600mW das Zimmer. Die 78Lxx-Regler brauchen nie Kühlung, die 78xx-Regler schaffen ohne Kühlkörper mehr, aber sicher nicht das ganze Ampere, das im Datenblatt steht. Meist reichen aber 200..300 mA bei eigenen Schaltungen auch im schlechtesten Fall. Wenn man slo nicht mehr braucht: auf den Kühlkörper verzichten! Aber: dem Spannungsregler Platz lassen, damit er die Wärme an die Umgebungsluft abgeben kann.

Noch eine gute Nachricht: die 78xx und 78Lxx Regler schalten sich selbst ab, bevor sie kaputt gehen. Zu viel Stromentnahme, z.B. durch einen Kurzschluss? Regler schaltet sich ab, bis der Kurzschluss weg ist. Regler wird zu heiss? Schaltet sich ab. Wenn der Chip heiss wird, so, dass man sich die Finger verbrennt? Nicht schlimm, der schaltet sich ab, bevor er durchbrennt. Ob er schon abgeschaltet hat? Nachmessen!

Andere Spannungsregler als 78xx und 78Lxx benutze ich selten. Der einzige Grund dafür wäre, wenn die Ausgangsspannung des Netzteils nur knapp über der Nutzspannung liegt. 78xx braucht 3 Volt mehr, Google findet einem aber auch "Low-Drop-Spannungsregler", die mit nur einem Volt oder noch weniger bereits klar kommen.

G) zweiter Stützkondensator

Der zweite Stützkondensator hinter dem Spannungsregler ist nur selten nötig, und zwar dann, wenn das Datenblatt des Spannungsreglers ihn vorschreibt. Kommt selten vor, dann aber machen! Typischerweise steht dann im Datenbaltt auch gleich, welcher Wert hier hin muss.

H) Mikrocontroller-Schaltung bzw. Thema: Stützkondensatoren

Bastlerregel: jedes IC erhält einen Kondensator von 100nF nahe an seine Versorgungsspannungs-Pins. Es gibt dafür sogar extra IC-Fassungen mit eingebautem Kondensator, die mir persönlich aber zu teuer sind. Läßt man diese Kondensatoren weg, dann nicht wundern, wenn die Schaltung spinnt. (Wenn für 10 ICS nahe beieinander nur 9 Kondensatoren da sind, dann ist's aber auch ok.)

Warum braucht man das? Das Grundproblem ist, dass ein IC im Schaltmoment sehr viel Strom braucht, und die Induktivität der Stromzuführung (Leiterbahnen) den Strom der Spannungsversorgung ausbremst. Dadurch kann es kurzzeitig (das Bastler-Oszilloskop sieht diese kurze Zeit nicht) dazu kommen, dass die Spannung zusammenbricht. Logikpegel können in dieser kurzen Zeit falsch interpretiert werden und Flip-Flops nehmen beim "Wiedereinschalten" einen zufälligen Zustand an. Ergebnis: die Schaltung "spinnt".

Noch einige Anmerkungen

Instabile Versorgungsspannung

Viele Mikrocontroller akzeptieren laut Datenblatt einen ganzen Spannungsbereich als Stromversorgung. Theoretisch müßte man also mit einer nicht stabilisierten Versorgungsspannung auskommen.

Ich habe das bisher noch nie ausprobiert, weil man sich Probleme einhandelt, wie z.B. dass eine log. 1, die nur knapp über der halben Versorgungsspannung liegt, sehr schnell zur log. 0 wird, bloss weil die Versorgungsspannung des Controllers kurz mal hoch geht. Solche Probleme muss ich mir nicht antun. Oder, was auch passieren kann, die Taktfrequenz des Controllers ist für die Versorgungsspannung kurz zu hoch. Z.B. das Datenblatt des AtTiny2313 sagt aus, dass bis 4.5Volt nur max. 10 MHz Takt gehen, darüber auch bis 20 MHz. Eine kurze Spanungsschwankung, und des Programm im Conroller stürzt ab, ohne Hinweis darauf, was überhaupt los ist.

Einzige Ausnahme, die ich akzeptieren würde: Batterieversorgung bei niedriger Taktfrequenz, weil die Batteriespannung nicht so leicht springt und bei langsamem Takt der Controller auch zuverlässig läuft. Hab' ich aber noch nie probiert.

Mehrere Spannungen

Immer wieder braucht man mehrere Spannungen. Z.B. Motoren und Relais wollen 12 Volt, der Mikrocontroller nur 5 Volt. Man hat dann die Wahl 7812 und 7805 parallel am Netzteil anzuschließen, oder die 5 Volt aus den 12 Volt zu erzeugen, indem man die Spannungsregler hintereinander schaltet. Was besser ist entscheidet man anhand des vorliegenden Problems.

Relativ wichtig ist dann oft, dass die Spannung für den Mikrocontroller auch stabil bleibt, wenn viele Motoren auf einmal loslaufen. Das Netzteil kann den Anlaufstrom von Motoren oft nicht bedienen, es kommt kurzzeitig zu einem Spannungseinbruch. Hier hilft ein Einweggleichrichter mit Stützkondensator in der Stromversorgung des Mikrocontrollers. Also so, dass der Stützkondensator keinen Strom mehr an die Motoren liefern kann, nur an den Mikrocontroller.

Bei A/D-Wandlern verhält es sich ähnlich: die mögen es oft überhaupt nicht, das der Mikrocontroller ihnen sehr kurzzeitig den Strom wegnimmt. Hier kann es sich lohnen nur for den A/D-Wandler eine extra-Stromversorgung einzuplanen, also auch wieder Einweg-Gleichrichter, Stützkondesator und 78L05.