Die Mikrocontroller der ATMEL-Familie vertragen maximal 5,5 V Gleichspannung. Diese Betriebsspannung kann man einem geregelten Netzteil entnehmen, aber auch einem alten PC-Netzteil. Im einfachsten Fall geht auch eine 4,5 V-Flachbatterie oder ein Batteriehalter für 3 runde Zellen. Werden NC-Akkus als Energiequelle benutzt, dann sind 4 Zellen nötig, um 4,8 V (= 4 mal 1,2 V) Betriebsspannung zu erreichen.
Steht ein Steckernetzteil mit einer ungeregelten Ausgangsspannung zur Disposition, dann muss eine der folgenden Spannungskonstanterschaltungen eingesetzt werden, damit der Controller keinen Schaden nimmt.
Stabilisierte Netzteile (steht drauf) sollten zumindest eine gesiebte Gleichspannung abgeben. Ein von mir getestetes Gerät (Voltcraft NG650GS), bei dem verschiedene Ausgangsspannungen eingestellt werden können, bringt auch eine schöne Gleichspannung, jedoch stimmen die einstellbaren Spannungen nicht mit dem Aufdruck überein. Für solche Netzteile reicht die Schaltung von Abb. 1. Allerdings muss für eine Ausgangsspannung von 5 V die Eingangsspannung schon mehr als 8 V betragen. Je höher die Eingangsspannung ist, desto mehr Energie muss vom Regler-IC als Wärme verbraten werden. Deshalb ist dann ein entsprechender Kühlkörper vorzusehen, auf den das IC mit einer 3 mm-Schraube zu montieren ist. Die Trägerplatte des ICs und natürlich dann auch der Kühlkörper liegen auf Massepotential (GND). Die Polung der zugeführten Spannung ist zu beachten. Geht die Polung nicht aus der Geräteaufschrift des Netzteils hervor, dann muss man mit Hilfe eines Voltmeters die Plus- und Minusleitung ermitteln. Die beiden Kondensatoren dienen übrigens dazu, die Schwingneigung des ICs zu verringern. Dazu sind sie möglichst nahe an den Pins 1 und 3 anzubringen.
Für Netztteile, die zwar eine gleichgerichtete aber nicht geglättete Spannung liefern, ist die Schaltung aus Abb. 2 gedacht. Die Unterschiede zur ersten Schaltung sind der Elektrolytkondensator (Kurzbezeichnung: Elko) in der Zuleitung und die Universaldiode 1N4001, die einen Spitzenstrom von 1 A verträgt. Die Spannungsangabe am Elko muss stets gleich oder noch besser größer dem Wert der Ausgangsspannung des Steckernetzteils sein. Um sicher zu gehen, wähle Elkospannung = 2 mal Netzteilspannung.
Der Kapazitätswert des Elkos richtet sich nach der maximal entnehmbaren Stromstärke wird aber auch durch die Spannung des Netzteils beeinflusst. Je größer die entnehmbare Stromstärke (bis 1 A maximal) sein wird und je weniger die Netzteilspannung über den 5 V am Ausgang liegt, desto größer muss die Kapazität des Elkos sein, damit am Ausgang eine saubere Gleichspannung rauskommt. Welche Rolle der Elko spielt, demonstrieren die Abbildungen im Anhang dieses Kapitels.
Die Diode in der Plusleitung lässt den Strom nur in Pfeilrichtung durch (technische Stromrichtung von + nach -). Wird das Steckernetzteil falsch herum gepolt, sperrt die Diode den Stromfluss und am Ausgang bleibt die Spannung auf Null. Regler-IC und nachfolgende Schaltung sind so geschützt. Weil die Diode 0,7 V für sich verbucht, sollte die Spannung am Eingang der Reglerschaltung 9 V aufwärts betragen.
Abb. 2a: Neuer Platinenentwurf mit Eingangsrohrbuchse und Schottky-Verpolungsschutzdiode
(Klicke auf die Grafiken für einen Download des Layouts in PDF-Form)
Abb. 2b: Die Teile für das neue Spannungskonstanterboard
Abb. 2c: Bohrdurchmesser und Bestückung des neuen Boards
Wird als Stromquelle z. B. ein Klingeltrafo oder ein Eisenbahntrafo verwendet, dann ist außer der Siebung auch noch ein Gleichrichter notwendig, der aus der Netzwechselspannung zunächst eine pulsierende Gleichspannung herstellt, die dann durch den Elko geglättet und schließlich durch den Regler auf konstant 5 V reduziert wird. Abb. 3 zeigt die Schaltung, die natürlich auch an einer beliebig gepolten Gleichspannungsquelle betrieben werden kann.
Abb. 4 zeigt die Umsetzung der Schaltung aus Abb. 3. Vielfältig gesponsorte Anschlussbuchsen sorgen für eine Steigerung des Komforts. Neben den Bananenbuchsen gibt es eine Buchse zur Aufnahme des Rohrsteckers vom Netzteil (links hinten). Der Spannungsverteiler stellt Anschlüsse für verschiedene Stecksysteme zur Verfügung. Besonders zu erwähnen sind die beiden Buchsen in der Plus-Schiene, durch die man ein Amperemeter in die Versorgungsleitung einschleifen kann. Ein Siebelko von 2200 µF sorgt auch bei Volllast für guten Gleichstrom.
Abb. 4: komfortable Spannungsversorgung
Abb. 5: Layout
zur Schaltung aus Abb. 4
Hier werden einige typische Spannungsverläufe gegen die Zeit dargestellt. Sie zeigen, welchen Einfluss der Siebelko und die Größe der Spannung vom Netzteil auf das Ausgangssignal der Reglerschaltung haben. Der Elko ist ein Energiespeicher, der dann gefüllt wird, wenn Überfluss herrscht also zum Zeitpunkt der Spannungsspitzen. In der folgenden hundertstel Sekunde gibt er so lange Energie ab, bis seine Entladespannung gleich der Spannung des Gleichrichterausgangs ist (Abb. 8). Die Gesamtspannung kann dadurch nicht mehr bis auf 0 V abnehmen. Die Welligkeit nimmt jedoch zu, wenn die Belastung der Energieversorgung steigt. Die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie wird dann schneller abgegeben, die Entladespannung am Kondensator sinkt schneller (Abb. 9).
Abb. 6: Wechselspannung vom Trafo - Periodendauer (Berg+Tal) = 1/50 s = 0,02
s
Abb. 7: Durch 2-Weg-Gleichrichtung hergestellte pulsierende Gleichspannung
- 1 Puls dauert 0,01 s
Abb. 8: Ein Elko überbrückt durch die in ihm gespeicherte Energie
die "stromlosen Zeiten".
Abb. 9: Der Elko speichert zwar genau so viel Energie wie oben, muss sie
aber in einer kürzeren Zeit wieder hergeben.
Abb. 10: Höhere Eingangsspannung
Abb. 11: Die Spannung in den "Tälern" reicht eben noch aus,
um am Ausgang konstant 5 V zur Verfügung zu stellen.
Abb. 12: Ist die Eingangsspannung zu klein, kann der vorhandene Siebelko
nicht genug Energie für die "spannungslosen Zeiten" bunkern.
Abb. 13: Ist die Eingangsspannung größer, bleibt genug Puffer
für die Reglerschaltung, wenn die Belastung steigt.
Wenn die Eingangsspannung nicht vergrößert werden kann, muss die
Kapazität des Elkos vergrößert werden.
