Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Arduino und Masse


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von Stephan56 (Gast)


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Hallo Forengemeinde,

grundsätzlich ist es ja wohl so, wenn ich mit mehreren Arduinos (in 
meinem Fall Megas) arbeite, und ich ein gemeinsames Bezugsotential 
herstellen möchte, dann sollte es ja ausreichen, jeweils von einem Mega 
zum nächsten eine Masse bzw. GND-Leitung durchzuschleifen.

Nun habe ich jede Menge Schalter und LEDs, Servos, Stepper, die an 
diesen Megas betrieben werden sollen.

Elektrisch korrekt müßte es dann ja auch sein, sich eine Masseleitung zu 
schnappen und dort die eine Seite der Komponenten anzuschließen. An die 
andere Seite der Komponenten werden dann die Steuerleitungen 
angeschlossen, die dann an die unterschiedlichen MEGAs angeschlossen 
werden (Steuerleitungen).

Meine Frage an die Experten ist nun, wie es sich mit dem Strom verhält?
Habe ich beispielsweise 5 MEGAs, die je mit einem GND-Kabel verbunden 
sind und die Komponenten vom GND des 1. versorgt werden, während die 
Pinanschlüsse jeweils an andere MEGAs verkabelt werden.

Fließt dann der Strom verbrauchsabhängig durch jeden MEGA, oder fließt 
der Strom dann ausschließlich über die eine GND-Leitung über den ersten 
MEGA?

Ein extremes Beispiel: ich nehme 50 Arduino MEGA. An jedem werden 40 LED 
angeschlossen und mit jeweils 20 mA betrieben.
Jeder MEGA wird mit einer GND-Leitung direkt verbunden und die LEDs 
erhalten alle vom 1. MEGA die GND-Leitung. Die Steuerleitungen sind 
jeweils zu 40 auf die einzelnen MEGA verteilt.

Somit betreibe ich also 2000 LED zu je 20mA an 50 MEGAs, was nach Adam 
Riese einem Strom von 40.000 mA oder 40A ausmacht. Die 
Leitungsquerschnitte wollte ich jetzt mal außen vorlassen.

Fließt jetzt der Strom verteilt auf die Controller oder komplett über 
die eine GND-Rückleitung auf den 1. MEGA?

Ich habe dafür kein praktisches Beispiel, es ist eine rein theoretische 
Erwägung.

Wäre es sinnvoller, besser oder korrekt, alle Masseleitungen der 
Controller in einem Punkt zusammen zu führen und auch hier die 
GND-Leitungen der LEDs anzuschließen?

Ich habe versucht, das Geschilderte im Netz zu recherchieren, aber 
nichts gefunden.

von Martin O. (ossi-2)


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Mach mal nen Schaltplan, aus dem die Verdratung hervorgeht, ich verstehe 
sonst nicht, wie Du das meinst. Mit nem Schaltplan wird der Stromfluss 
evtl. auch gleich klarer.

von Arduino Fanboy D. (ufuf)


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Stephan56 schrieb:
> Ich habe versucht, das Geschilderte im Netz zu recherchieren, aber
> nichts gefunden.

Hmm..

Du könntest dir die "Knoten und Maschen Regeln" des Herren Kirchhoff zu 
Gemüte führen.

von Wolfgang (Gast)


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Stephan56 schrieb:
> Fließt jetzt der Strom verteilt auf die Controller oder komplett über
> die eine GND-Rückleitung auf den 1. MEGA?

Betrachte jede Leitung als Widerstand und dann rechne es aus.

von Stephan56 (Gast)


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Mal auf die Schnelle ein Symbolbild.

von S. R. (svenska)


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Der Strom fließt über die Vcc-Pins in die Controller rein und aus den 
Masse- und den GPIO-Pins wieder hinaus (wenn die LEDs zwischen Pin und 
Masse hängen).

Wenn du die GPIO-Pins und die GND-Pins nicht lokal verbindest, dann 
werden die Ströme aus den GPIO-Pins deine lange Masseleitung wegziehen 
(Widerstandsbelag), was zu einem hinreichend großen Potentialunterschied 
zwischen den beiden GND-Strängen und dann zu Problemen führen kann. 
Weglaufende Masse ist doof.

Dazu kommt noch, dass ein "Arduino Mega" deutlich mehr Beschaltung 
enthält als ein nackter AVR.

von Stephan56 (Gast)


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Wäre es denn dann angebrachter, jeden Mega mit der unteren Masseleitung 
zu verbinden, anstatt nur die Mega untereinander?
Dann dürfte es ja nicht zu den angesprochenen Potentialunterschieden 
kommen, oder? Quasi als "sternförmige" Masse?

von S. R. (svenska)


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Das würde den Unterschied zwischen den Massen lokal für jeden Arduino 
reduzieren. Eine sternförmige Masse hast du aber trotzdem nicht, weil 
der Rückstrom trotzdem durch eine stark belastete "lange Leitung" mit 
Widerstandsbelag muss.

Wo ist eigentlich deine Versorgungsleitung? Sinnvollerweise liegt die 
parallel zu deiner langen Masseleitung und wird auch nicht von Arduino 
zu Arduino geschleift.

von Stephan56 (Gast)


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Ich denke 50 Megas lassen sich nicht so ohne Weiteres "nur" über USB 
versorgen (oder eben Hubs). Auch den Leitungsquerschnitt möchte ich 
momentan mal außer acht lassen (denke mindestens an 25mm²). Es dürften 
dann wohl mehrere zusätzliche 5V-Netzteile sein, die bei jetziger 
Betrachtung auch zu jedem Board einzeln geführt werden sollten.

Beim Stichwort USB fällt mir da noch ein, sind den die Megas nicht 
bereits über den USB-Bus, so sie auf den selben Rechner führen, bereits 
mit GND verbunden? USB ist ja keine galvanische Trennung.
Mir ist klar, je mehr GND-Leitungen parallel geführt werden, desto 
geringer sollte deren Widerstand bei hohen Strömen sein und desto 
geringer auch der Spannungsabfall darüber. Sehe ich das richtig?

von Turgut T. (tft)


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Hallo,

jeder deiner Arduino ist mit GND und mit VCC verbunden. Wenn du die 
Installation so vornimmst, das du von Arduino zu Arduino installierst. 
Addiert sich die Belastung, weil ja der Strom für Arduino 2, auch durch 
das Kabel von Arduino 1 muss. Der Strom von 3 muss durch die Kabel von 2 
und 1. Der Strom der innerhalb des Arduino läuft ist davon nicht 
betroffen. Nur um ein beispiel aus der Welt der 220 V zu nennen.

50 Lampen mit 1 A, brauchen insgesamt 50 A.
Die Verdrahtung der letzten 10 Lampen erfolgt mit 0,75 Quadrat Kabel.
Danach müsste der Querschnitt auf 1.00 Quadrat angehoben werden.
Nach 3 weiteren Lampen schon auf 1,5 Quadrat.
Das Spiel geht so weiter. Für 50 Ampeere benötigt man am Anfang dann 6 
Quadrat. Lampen mit 6 Quadrat zu installieren ist unmöglich. 
Zumindestens in der Praxis. Und der Chef wird einem schon was erzählen 
wenn man doch auf die Idee kommt.

Du wirst um eine Sternförmige Anordnung nicht herum kommen. Und bitte 
das Thema nicht auf die leichte Schulter nehmen, Wenn 50 A durch hitze 
schaden am Kabel einen Brand auslösen, hilft auch ein Eimer Wasser nicht 
mehr.

In diesem sinne , fiel Spass an deinen überlegungen.

Gruss TFT

von Wolfgang (Gast)


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Stephan56 schrieb:
> LED zu je 20mA

Nur weil irgendwo im Datenblatt jemand die 20mA hingeschrieben hat, muss 
man LEDs nicht mit diesem Strom betreiben.
Bei modernen, effizienten LEDs holst du dir da einen Augenschaden ;-)

von Conny G. (conny_g)


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An diesem Denkmodell stimmt grundsätzlich etwas nicht.
Man würde in der Praxis höchstens 2-3 Arduinos an einer Stromversorgung 
betreiben und selbst dann wäre es komisch, dass man für die Aufgabe 2-3 
braucht, wenn sie eh direkt nebeneinander sind.

Wenn man ein große Installation macht, dann würde man sie komplett 
getrennt und eigenständig betrachten und sie mit irgendeinem Datenbus 
zur Synchronisation/ Abstimmung versorgen.

Getrennt versorgt bedeutet, man ginge mit 12-24V an allen vorbei (bei 
längeren Strecken ist höhere Spannung von Vorteil) und dort mit einem 
Regler die 5V für den Arduino generieren.
Oder. Man hängt jeden an ein Steckernetzteil, d.h. man nimmt die 
Netzspannung als die Versorgung für alle.

Wenn man nun viele LEDs am Arduino hat würde man die auch nicht vom 
Arduino versorgen, nur ansteuern.
Der Arduino hat sowieso nur ein paar Ausgänge.
Bei Dutzenden LEDs oder mehr würde man deren Versorgung separat vom 
Arduino regeln, sie mit einem Transistor ansteuern, den Transistor vom 
Arduino.
Und der Transistor würde eine separate Versorgungsspannung an die LEDs 
anlegen.
Diese separate Versorgung könnte man wiederum aus den genannten 12V 
erzeugen.

Richtig ist, dass alles am Ende über die Masse der 12V verbunden ist und 
auch über die +12V, d.h. diese Leitung muss den Strom aushalten.
Aber den einzelnen Arduino interessiert das nicht, der braucht nur seine 
paar 10mA von dieser Leitung.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Masse Anschlüsse soll man nicht verketten, sondern sternförmig 
miteinander verbinden. Ansonsten kann der Spannungsabfall an der Leitung 
zu Fehlfunktionen bis zur Zerstörung von Bauteilen führen.

Es geht hier nicht nur um ein paar hundert mA Gleichstrom, sondern um HF 
Anteile, die sich dabei wesentlich stärker bemerkbar machen.

Auch die Stromversorgung soll man sternförmig auslegen, aber da ist es 
nicht ganz so kritisch.
1
                +----------o GND Modul 1
2
                |
3
                | ---------o GND Modul 2
4
Netzteil        |/
5
GND o-----------*----------o GND Modul 3
6
                |\
7
                | ---------o GND Modul 4
8
                |
9
                +----------o GND Modul 5

Mit "Modul" meine hier sowohl deine Arduino Boards als auch deine 
Komponenten. Alles gehört sternförmig zu einem Punkt zusammen geführt.

: Bearbeitet durch User
von Stephan56 (Gast)


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Erst einmal vielen Dank für die zahlreichen Beiträge!

Es zeigt mir, daß man an ein solches Projekt nicht allzu blauäugig 
herangehen sollte, auch wenn es eine rein theoretische Betrachtung ist. 
Es zeigt auch, daß intensive Planungen und Betrachtungen erforderlich 
sind.

Hinsichtlich der 20mA pro LED gebe ich dem Wolfgang völlig Recht. Eine 
LED mit 50mcd ist nun einmal eine Funzel, die sicherlich auch ihre 
Daseinsberechtigung hat. Eine mit 12.000mcd ist da schon ein anderes 
Kaliber und verursacht Augenschmerzen bei 20mA. Insofern betrachte ich 
diese 20mA auch als oberen Grenzwert und betreibe sie bei mir auch nur 
mit ca. 10mA oder weniger. Zufällig sind die 20mA auch der Grenzwert an 
den Arduino-Pins und auch hier bin ich darauf bedacht, den roten Bereich 
zu vermeiden.

Kabelführung und Querschnitte sind zwangsläufig abhängig von der 
Gesamtleistung dessen, was man da zusammenbaut und bei meinem 
theoretischen Gebilde käme sicher einiges zusammen.

Mein Hauptaugenmerk lag hier jetzt mal nur auf der Masseführung und ich 
erkenne, daß das obige Schaubild vielleicht den Ansprüchen mit kleinen 
Strömen genügen würde, der Aufwand logischerweise mit der Komplexität 
steigt.

Ihr habt mir sehr anschaulich dargelegt, worauf zu achten ist und welche 
Auswirkungen es haben kann, wird hier nicht sorgsam geplant.

Danke und Grüße,
Stephan

von Sauerei (Gast)


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Stephan56 schrieb:
> Zufällig sind die 20mA auch der Grenzwert an
> den Arduino-Pins

Die haben auch einen Gesamtgrenztwert von irgendwas um 200mA für alle 
Pins zusammen.

von Stephan56 (Gast)


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Die 200mA gelten pro Port. 8 Pins eines Mega sind zu einem Port 
zusammengefaßt. Darüber wurde hier bereits an anderer Stelle diskutiert.
Siehe hier: Beitrag "Maximalstrom Arduino Mega 2560"

Dort ist auch ein Link zum Datenblatt des Mega und die Portbeschreibung 
findet man ab Seite 5

von S. R. (svenska)


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Stephan56 schrieb:
> Die 200mA gelten pro Port.

Der Strom, der in den AVR reinfließt, muss auch aus dem AVR wieder 
rauskommen. Wenn du also aus vier Ports je 200 mA rausziehst, müssen 800 
mA in den AVR reinfließen, über den Vcc-Pin.

Damit überlastest du den Vcc-Pin und zerstörst möglicherweise den Chip.

von batman (Gast)


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Man malt dicke Stiche in den Plan, wo mehr Strom langfließt, so wirds 
vielleicht übersichtlicher. Die Vcc-Leitungen zu den Megas werden dick, 
die GND bleiben dünn, die GND-Leitungen zu den Komponenten (LED) werden 
dick.

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