Universelle Verstärkungsschaltung für Arduino mit und ohne PWM

[Peter M. (ikabod)]

Hallo,

mit einem Arduino Mega 2560 Rev.3 möchte ich verschieden Lasten schalten 
bzw. regeln. Ich kenne mich mit Elektronik sehr wenig aus und habe die 
angehängte Schaltung in ähnlicher Form im Internet gefunden.

Es geht in erster Linie um die Dimensionierung der Bauteile. Der 
Einfachheit halber sollen für alle Fälle die gleichen Bauteile verwendet 
werden, auch, wenn diese dann z. T. überdimensioniert oder überflüssig 
sind.

Folgendes soll realisiert werden (24 V):

- Relais (bis zu 7 parallel, gesamt: ca. 0,9 A)
- Relais und Magnetventil parallel (zusammen ca. 0,75 A)
- Lüfterregelung mit PWM (12V-Lüfter mit 110 Ohm Vorwiderstand, ca. 0,2 
A)
- LED-Band (ohne RGB) regeln mit PWM (ca. 1 A)
- Keine Ahnung (ca. 3 A)

Als Laie stehe ich nun vor diesen Fragen:

1. Welcher Mosfet der bei 4,5-5 V voll durchsteuert ist für diese 
Anforderungen geeignet? Er sollte die maximal geplanten 3 A ohne 
Kühlkörper im PWM-Betrieb gut aushalten. Die Liste hier auf 
mikrocontroller.net habe ich mir dazu schon angesehen, ist mir als Laie 
aber zu kompliziert.

2. Wie sind die Widerstände R8a und R8b zu bemessen?

3. Die Diode Z8a muss die maximale Betriebsspannung + etwas Reserve und 
den maximalen Betriebsstrom aushalten. Ist das so richtig und benötige 
ich dann eine mit 40V und 3 A? Muss es eine Schottky-Diode sein, wegen 
der 490 Hz bei PWM?

4. Ich möchte alle Ausgangsschaltungen identisch aufbauen. Stört bei 
ohmschen Lasten (z. B. bei den LED-Bändern im PWM-Betrieb) dann die 
Diode Z8a?

5. Den Arduino betreibe ich im Normalfall mit ca. 7 V, damit ich volle 5 
V am Ausgang habe. Für einen Notbetrieb ist eine 2. Spannungsquelle 
immer am USB-Anschluss angeschlossen (geplant über einen 5 V 
Spannungsregler, der an einer 24 V Battrie hängt. Kann ich über den 
USB-Eingang auch mit 7 V rein gehen ohne dass etwas kaputt geht und so 
dass ich dann auch volle 5 V am Ausgang habe?

Falls noch exakte Datenblätter benötigt werden, kann ich diese 
hochladen. Ich möchte aber eine möglichst flexible Schaltung aufbauen, 
an die ich dann alles mögliche anschließen kann (induktiv, wie ohmisch 
(das klingt aber komisch)). Also maximal 3 A (darf natürlich auch mehr 
sein, aber für mehr sind im Moment die Leitungen nicht ausgelegt).

Sollte ich noch für Außenstehende wichtige Informationen vergessen 
haben, bitte einfach kurz nachfragen.

Freue mich über konstruktive Beiträge. Es darf auch an der Schaltung 
herumgemeckert werden, da es gut sein kann, dass da einiges verkehrt 
ist.

Viele Grüße
Peter

Edit: Habe versehentlich zuerst die falsche Schaltung angehängt (linkes 
Bild, das war die, die ich im Netz gefunden habe). Die Fragen beziehen 
sich auf das rechte Bild (konnte das andere nicht mehr löschen).

[Boris O. (bohnsorg)]

Gleich vorweg: es wird nicht einfach(er). Dagegen macht aber Wissen 
vieles einfacher. Die Rücklaufdiode muss u.U. sogar mehr als 
Betriebsstrom oder Betriebsspannung aushalten und sie muss schnell sein. 
Der Widerstand vom Gate nach Masse räumt die Spannung schneller ab 
(100k), der zum Gate begrenzt den Umladestrom des Gate. Wenn nicht allzu 
schnell umgeladen wird, kann er auch entfallen. Nun stehst du wieder am 
Anfang und darfst Schaltgeschwindigkeiten rechnen, Ladestrom, 
Spannungsspitzen der induktiven Verbraucher…Vellemann hat ein RGB-Shield 
im Sortiment, mit 3 identischen 2A-Kanälen. Vielleicht hilft das als 
Schritt 0 und von da an weiter nach Bedarf ausbauen. (Für reine 
Relais-Anschlüsse tut es bspw. auch ein ULN2003.)

Der Spannungsregler des Arduino ist jenseits der 12V unpraktikabel (ist 
auch jenseits der Spezifikation). Das ist ein Linearregler, d.h. der 
verbrennt die Leistungsdifferenz (Spannungsdifferenz x Strom). Für 
Bastellösungen empfehle ich fertige DC-DC-Module, die nahezu jeder 
Elektronikversender anbietet. Darunter gibt es auch welche mit bis zu 
36V Eingangsspannung und 3.3, 5, 9 und 12V-Ausgang. Dann aber gleich die 
5V-Version direkt mit der 5V-Versorgung des Arduino verbinden, das spart 
den Spannungsabfall am Regler.

[Peter M. (ikabod)]

Danke für Deine Antwort, Boris.

Das RGB-Shield habe ich bei Conrad und ELV nicht gefunden. Weiß auch 
nicht, ob das alle Anforderungen abdeckt. Wollte das schon alles selbst 
löten und auf 1 Platine haben (sind insgesamt 16 Ausgänge, die aktuell 
geplant sind). Auch der vorgeschlagene ULN2003 ist nichts für mich (zu 
viele Beine, zu umständlich, sollte doch auch mit einem 3-beinigem 
Mosfet machbar sein, oder?).

Es sollte dann eine Schottkydiode mit 100V und 5A sein, so wie ich das 
heraus gelesen habe und die Widerstände spielen demnach keine so große 
Rolle. D. h. ich kann die Werte aus der Schaltung 1 nehmen (100 und 
100k).

Den Arduino versorge ich über die Anschlussbuchse mit 7V (ginge laut 
Spezikikation auch bis 20V), weil ich gelesen habe, dass sonst nicht 
volle 5 Volt am Ausgang liegen (Der Spannungsregler wird wohl 0,5V 
verbraten). Wenn man also am 5V-Eingang 5V anlegt, gehen diese nicht 
über den Spannungsregler, sondern direkt hinein.

D. h. auch, nach dem der USB-Standard mit 5V arbeitet, wird (so vermute 
ich jetzt aus dem vorangegangenen Absatz) diese Spannung auch nicht über 
den internen Spannungsregler geführt, sondern gehen sozusagen auch 
direkt ins Bord. Wenn das stimmt, dann darf man nicht mit mehr als 5V am 
USB-Eingang hineingehen und muss man auch nicht, da sie voll zur 
Verfügung stehen.

Jetzt sind noch die Fragen 1. und 4. offen.

Kannst Du oder jemand anderes noch etwas dazu schreiben?