Hallo liebes Forum, ich starte soeben mein erstes etwas größeres PCB Projekt. Ich bin nun dabei eine Schaltung dafür zu entwerfen. Ein großes Fragezeichen für mich ist die Auswahl geeigneter Bulk Kondesatoren. Folgenden Aufbau habe ich mir überlegt: Die Platine wird über einen Hohlstecker von einem Netzteil (24V, 6A) an einer Stelle versorgt. Über Schraubklemmen möchte ich einen Externen Buck Converter von Meanwell verwenden um von dort aus die 5V wieder auf das PCB zu führen. Von der 24V und der 5V Schiene möchte ich Sternförmig auf meine Komponenten aufteilen. Folgende Komponenten werden auf der 24V Schiene verbaut: - Ein kleiner 30mm DC-Motor der über einen DRV8871 H-Brücke getrieben wird. - Ein NEMA17 1,7A Schrittmotor der über einen TMC5160 von Bigtreetech Treiber versorgt wird. Folgende Komponenten werden auf der 5V Schiene verbaut: - Ein Raspberry Pi 5 wird über die GPIO Pins mit Strom versorgt. - 2x Atmega328 Mikrocontroller - 1x kleiner Modellbauservo (max. 1A) - 2x 50mm Computer Ventilator zum Kühlen des Gehäuses - 5x Neopixel LED - 1x kleiner Piezzo Buzzer - 1x LDR um die Lichtstärke zu erkennen Anbei ein Bild mit den erwarteten Strömen die auf der jeweiligen Stromschiene zu erwarten sind. Meine Idee wäre die Platine folgendermaßen aufzubauen: - An der Eintrittstelle der 24V werden größere Bulk untergebracht. - Nach dem 5V Buck Converter werden auch größere Bulk untergebracht. Somit sollte die Grundversorgung einmal abgedeckt sein. - Weiters soll jede Schiene eine Polyfuse bekommen. - Event. TVS Dioden? Nun teile ich Sternförmig die 2 Spannungen (24V,5V) auf meine einzelnen Verbraucher auf. Vor jedem IC sollen lokale Kerkos/Elkos untergebracht werden um diese Spitzen direkt abzufangen. - Ich denke vor den Atmegas dürfte jeweils ein 100nF Kerko reichen oder? - Bei dem Raspberry bin ich mir extrem unsicher was hierfür eine Sinnvolle Entkoppelung darstellt. - Vor der H-Brücke und vor dem TMC Treiber ist es, denke ich Sinnvoll größere Bulks unterzubringen oder? Die Platine möchte ich mehr oder weniger fertig bestückt auf JLCPCB zukaufen. Die THT Bauteile werde ich selber einnlöten. Um den Preis der PCB nicht zu sehr in die Höhe zu treiben würde ich gerne so viele Gleichteile wie möglich verwenden. Ich denke, ich habe hier nun einen ersten Überblick über mein Projekt geben können. Vielleicht kann mir dabei jemand einige Tipps geben, welche Entkoppelung der einzelnen Komponenten auf dem Board sinnvoll wäre. Vielen Dank!
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Franz H. schrieb: > über einen Hohlstecker Das halte ich bei 6A für keine gute Idee. Mach' mal ersten Entwurf Platzierung der Komponenten auf deiner Platine (welche Größe?), dann kann man mehr sagen. Für die höheren Ströme unbedingt Leiterbahnbreiten beachten, https://www.multi-circuit-boards.eu/leiterplatten-design-hilfe/oberflaeche/leiterbahn-strombelastbarkeit.html Dabei möglichst erste Spalte (10°). 2-seitige Platine, nehme ich an.
Das ist von der Leistungsaufnahme schon ganz schön knackig. Ich empfehle bei den Motoren die Elkos sehr großzügig zu dimensionieren. Du musst immer davon ausgehen, das beim Bremsen die Bewegungsenergie durch den Dynamoeffekt wieder zurück in die Schaltung fließt. Möglicherweise macht hier sogar ein Brems-Chopper Sinn, der die Spannung überwacht und bei Überschreitung der Versorgungsspannung per Mosfet einen Leistungswiderstand zwischen Vcc und Ground einschaltet. Sowas kann den Rest der Schaltung schützen, falls über den Motor wirklich mal Bremsenergie in die Schaltung zurückfließt. Also lieber mehr Kapazität und höhere Spannung einplanen. Folgendes ist egal für Prototypen, aber bei den Keramik Caps über 1µF, die bei Dir auf der 5V Schiene laufen brauchst Du wahrlich keine 25 oder 50V Typen. 10V oder 16V Typen reichen da. Sind in der Regel billiger, kleiner und leichter verfügbar.
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Bevor du ein solches Projekt weiter machst, versuche doch, lesbare Schaltpläne zu zeichnen. Es ist ein Unding, jedem IC nochmal einen Kasten herum zu malen. Den gibt es doch schon! Und wenn du nicht mit Labels arbeiten würdest, sondern versuchst, kurze Leitungen zu malen, müssten nicht wir (und vielleicht auch du?) jedes Mal 6 Blätter öffnen und suchen, wo die Labels noch zu finden sind. Von wem du das möglicherweise abgeschaut hast: das sind m.M. nach keine Leute, die mit den Plänen arbeiten müssen; das sind chinesische Stümper.
Meinst du das der Hohlstecker die Ströme nicht schafft? Das Netzteil hat diesen Stecker bereits montiert. Ich habe 5,5 x 2,5mm Hohlstecker THT für PCB Montage die bis 7 oder 8A aushalten gefunden. Ich dachte grundsätzlich schon das dies funktioniert. Den PCB Entwurf wollte ich erst beginnen wenn ich meine Kondensatoren so halbwegs festgelegt habe. Kannst du mir dazu etwas sagen? Ist mein Ansatz wie oben beschrieben grundsätzlich korrekt? Also an Einspeisungspunkten/Motortreiber größere Elkos und an den ICs kleine Kerkos. Leiterbahnbreiten muss ich natürlich beachten. Übrigens soll es eine 4 Lagen Platine werden (SIG/GND/12V-5V/SIG) dachte ich mir.
Max H. schrieb: > Ich empfehle > bei den Motoren die Elkos sehr großzügig zu dimensionieren. Also eher in Richtung 2200uF, 10uF und envent. noch 100nF parallel am Einspeisepunkt? Bezüglich der Spannungsfestigkeit werde ich dann noch ändern. Ich dachte bezüglich Gleichteile/Fertigungskosten wäre es Sinnvoll. Helmut -. schrieb: > Und wenn du nicht mit > Labels arbeiten würdest Ich verstehe... so wird das für andere sicher leichter zu lesen wenn alles mit Leitungen verbunden ist.
Für die lokalen Stützkondensatoren kann man einfach die größte Kapazität nehmen, die in der gewünschten Baugröße gut verfügbar ist und andere Anforderungen, z. B. an die Spannungsfestigkeit, erfüllt. In vielen Anwendungen kann man da mittlerweile locker auf 1 uF statt 100 nF gehen. Ein 1-uF-MLCC hat gegenüber einem 100-nF-MLCC der gleichen Baugröße in der Regel auch keine praxisrelevanten Nachteile bei den Hochfrequenzeigenschaften. Ich wäre nur vorsichtig damit MLCCs unterschiedlicher Kapazitäten zu mischen. Wenn man weiß was man tut (z. B. durch Simulation), ist das zwar kein Problem. Aber bei MLCCs mit gemischter Kapazität kann es passieren, dass man sich schöne Schwingkreise baut, wenn bei bestimmten Frequenzen die großen Kondensatoren schon induktiv, die kleinen aber noch kapazitiv wirken. Deswegen kann es auch Sinn machen bei den Bulk-Kondensatoren MLCCs zu meiden und stattdessen Typen zu verwenden, die eine etwas höhere ESR haben.
P. S. schrieb: > Ich wäre nur vorsichtig damit MLCCs unterschiedlicher Kapazitäten zu > mischen. Vielen Dank für deine Infos. Ich werde das in meinem Design berücksichtigen. Einen Schwinkreis möchte ich nicht bauen. Ich denke Simualtionen selbst zu machen liegt noch etwas in der Zukunft. Ich denke ich mache meine Schaltung jetzt einmal soweit fertig und zeige sie dann hier. Dann hat man eine bessere Diskussionsgrundlage um auf etweilige Probleme/Verbesserungen hinzuweisen. Vielleicht kann mir noch jemand bei der Versorgung des Raspberry ein paar Gedankenanstöße geben.
Franz H. schrieb: > Vielleicht kann mir noch jemand bei der Versorgung des Raspberry ein > paar Gedankenanstöße geben. Muss es eigentlich ein 5er sein? Vom 3er gab es noch einen (vereinfachten) Schaltplan, vom 4er evt. auch. Beim 5er so viel anders, dass ich den nicht per GPIO versorgen würde (mangels Schaltbild). Eine andere Überlegung: die RPi sollen ja mit irgendeinem langen USB-Kabel funktionieren. In dem Fall gibt es überhaupt keine externen Kondensatoren und sowas wie 100nF gehört auf jedem Fall auf die RPi-Platine selbst. Ja, ok, ich spendiere meinem 3B trotzdem einen 220uF Elko vor den GPIO-Pins.
Bauform B. schrieb: > Muss es eigentlich ein 5er sein? Leider ja, da es mit ihm möglich ist eine SSD direkt über PCIe zu betreiben. Und das ist ein gewaltiger Permformance Booster. Und wenn ich schon eine Platine auf den Pi aufstecke, möchte ich ihn eigentlich gleich darüber versorgen. Und da ich sowiso eine 5V Schiene auf der Platine habe, bietet sich das sehr gut an. Ich habe nun schon einiges darüber gelesen wie man das am besten anstellt. Man umgeht damit eben die internen Sicherheitsvorrichtungen und deshalb sollte ich hier auf jeden Fall etwas vorsehen. Ich hätte jetzt einmal eine TVS Diode, einen 10uF und einen 100nF vorgesehen. Aber ob das so in Ordnung ist kann ich leider nicht sagen.
Klaus F. schrieb: > Franz H. schrieb: >> über einen Hohlstecker > > Das halte ich bei 6A für keine gute Idee. Wer sagt denn, dass dort auch wirklich 6A fließen, nur weil das Netzteil das kann?
Ich gehe davon aus das an dem 24V Hohlstecker etwa 3-4A fließen. Ich denke das sollte machbar sein.
Nach kurzem Drüberfliegen ist mir folgendes aufgefallen: 1. Der PI Bootloader erwartet an GPIO0 und GPIO1 ein HAT-EEPROM oder gar nichts. Das kann man abschalten, aber es ist einfacher, diese Pins gar nicht zu verwenden. Das Teil hat ja genügend UARTs. 2. Genauso würde ich UART0 auf GPIO14/15 für die Linux-Console freihalten. Gut, der Pi5 hat einen extra Debug-UART dafür, aber der Pi4 nicht. Unnötige Einschränkung. Nimm einen anderen UART. 3. Du verbindest die 3.3V GPIOs des PI mit den 5V-IOs des Atmegas. Das ist nicht gut und kann Dir Deinen Pi killen. Ich würde eher einen der modernen AVRs nehmen, die auch bei 3.3V mit voller Geschwindigkeit laufen (sowas wie den AVR64DA/DB28 oder so) und - das ist wichtig - ihn mit den 3.3V aus dem Pi versorgen. Der Pi verträgt an seinen GPIOs nur Spannungen zwischen 0V und IOVREF. Wenn der Pi heruntergefahren ist, ist IOVREF=0V. Du musst dafür sorgen, dass in diesem Zustand genau kein GPIO-Pin mehr Spannung führt. Das machst Du (a) indem Du alles, was direkt an den GPIOs hängt, aus den 3.3V des PI versorgst, oder (b) indem Du Pegelwandler 74LVC1T45/2T45/8T245 dazwischen schaltest. Die haben zwei Versorgungsspannungen - einmal die 3.3V vom Pi und einmal die 5V vom AVR. Damit hast Du dann saubere 5V-Pegel an Deinem AVR und schützt Deinen Pi. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc1t45.pdf https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc2t45.pdf https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc8t245.pdf Das gleiche gilt für den AVR und sehr viele andere ICs auch. Die vertragen im ausgeschalteten Zustand auch keinerlei Spannungen an ihren Pins, es sei denn, es steht ausdrücklich so im Datenblatt. (4) Der Spannungsteiler im TXD-Pfad ist suboptimal. Sowas funktioniert bei hohen Bitraten nicht mehr sauber. Der Einsatz von richtigen Pegelwandlern behebt dieses Problem. fchk
Nochwas: Der Pi möchte gerne bis zu 5A auf seine 5V haben. Wenn Du ihn über die Pfostenleiste versorgst, verwende beide 5V Pins (2 und 4). Schließe ALLE GND-Pins an - ausnahmslos. Achte darauf, Buchsenleisten einzusetzen, die minimal 2.5A pro pin garantieren, einige tun das nämlich nicht. Und wenn Du die geschalteten 3.3V des Pi verwendest (was DU solltest, siehe vorheriges Posting), dann verwende auch da beide Pins (1 und 17) und nicht nur einen. Und korrigiere Dein KiCAD-Symbol dahingehend. Und sei Dir im Klaren, dass Du den USB-C des Pi in diesem Zustand nicht verwenden darfst, schon gar nicht als Device.
So, nächster Punkt: Keramikkondensatoren sind nichtlinear. Die Kapazität nimmt mit steigender Spannung ab. Ich mach das immer so, dass ich die Nennspannung Faktor 3 der Betriebsspannung nehme und dann aufrunde, d.h. 10V bei 3.3V und 16V bei 5V. Das passt meistens. Für die Stromversorgung nehme ich gerne solche Stecker: https://www.we-online.com/de/components/products/TBL_3_50_3251_HORIZONTAL_PCB_HEADER_W_FLANGES_69132511000X Die lassen sich auch verschrauben, sind robust und stabil. Passende Klemmblöcke: https://www.we-online.com/de/components/products/TBL_3_50_3641_VERTICAL_W_FLANGES_69136410000X Die gibts kompatibel auch von Phoenix. fchk
Frank K. schrieb: > 2. Genauso würde ich UART0 auf GPIO14/15 für die Linux-Console > freihalten. Gut, der Pi5 hat einen extra Debug-UART dafür, aber der Pi4 > nicht. Unnötige Einschränkung. Nimm einen anderen UART. Leicht gesagt, der 3B z.B. hat nur ein UART auf dem 40-poligen Stecker. Den 4er kenne ich leider nicht so genau.
Bauform B. schrieb: > Frank K. schrieb: >> 2. Genauso würde ich UART0 auf GPIO14/15 für die Linux-Console >> freihalten. Gut, der Pi5 hat einen extra Debug-UART dafür, aber der Pi4 >> nicht. Unnötige Einschränkung. Nimm einen anderen UART. > > Leicht gesagt, der 3B z.B. hat nur ein UART auf dem 40-poligen Stecker. Ja. Um den gehts aber nicht. > Den 4er kenne ich leider nicht so genau. Und den 5'er wohl auch nicht. Der 4'er hat insgesamt 5 große UARTs (0,2,3,4,5) und den Mini-UART (1). Der 5'er hat 5 nach außen geführte UARTs (alle große, keinen Mini-UART mehr), dazu zusätzlich einen Debug-UART und einen extra-UART fürs Bluetooth. Die letzteren sind aber weder beim regulären Pi noch beim CM5 nach außen geführt. Also: leicht gesagt, leicht gemacht. Er kann beim Pi5 z.B. UART2 auf GPIO4/5 und UART4 auf GPIO12/13 nehmen. Beim PI4 wären das UART3 und UART5. fchk
Franz H. schrieb: >> Muss es eigentlich ein 5er sein? > > Leider ja, da es mit ihm möglich ist eine SSD direkt über PCIe zu > betreiben. Das kann ein CM4 auch ... allerdings muss man dann auch die zwei 100poligen Steckverbinder sauber aufs eigene Layout bekommen.
Harald K. schrieb: > Franz H. schrieb: >>> Muss es eigentlich ein 5er sein? >> >> Leider ja, da es mit ihm möglich ist eine SSD direkt über PCIe zu >> betreiben. > > Das kann ein CM4 auch ... allerdings muss man dann auch die zwei > 100poligen Steckverbinder sauber aufs eigene Layout bekommen. Oder ein Waveshare CM4-IO-BASE-B verwenden. https://www.waveshare.com/wiki/CM4-IO-BASE-B Und genau da ist es dann wirklich von Vorteil, GPIO14/15 für die Linux-Console freizuhalten und andere UARTs für die AVRs zu verwenden. Ich empfehle, diesen UART über einen 74LVC2T240 oder 74LVC2T241 zu führen (zum Schutz und für 5V-Toleranz), den dann auf eine 3.5mm Klinkenbuchse zu führen, und dann über ein FTDI-TTL232R-3V3-AJ vom PC drauf zuzugreifen. https://ftdichip.com/products/ttl-232r-3v3-aj/ fchk
Frank K. schrieb: > Oder ein Waveshare CM4-IO-BASE-B verwenden. Da passen aber nur 2230/2242-SSDs drauf. Mit dem "offiziellen" CM4-IO-Board gehts auch, wenn man einen PCIe-zu-M.2-Adapter in den PCIe-x1-Slot steckt. Und man kann ein richtiges 12-V-Netzteil mit Hohlstecker verwenden, etwas im Raspberry-Lager ausgesprochen unübliches. https://www.raspberrypi.com/products/compute-module-4-io-board/ Die eine bittere Pille, die man halt schlucken muss: Nur USB2.0. Beim "normalen" Pi 4 gibts USB3.0, aber das geht nur, weil der PCIe-Bus mit den USB3.0-Controller belegt ist. Dann doch lieber schneller(er) Massenspeicher. Zwar ist PCIe 2.0 mit nur einer Lane nicht schneller als SATA, aber von SATA bootet der Raspberry Pi nicht. Dann müsste man entweder von SD-Karte oder von eMMC booten.
Harald K. schrieb: > Frank K. schrieb: >> Oder ein Waveshare CM4-IO-BASE-B verwenden. > > Da passen aber nur 2230/2242-SSDs drauf. Ja und? Die Pi Foundation verkauft sogar selbst welche, wenn Du Dich auf a* oder e* unter den hunderten von Angeboten nicht entscheiden kannst, welche Du denn nimmst. Und ich denke, der Fragesteller braucht höchstens ein TB, wenn überhaupt, auch wenn es 2TB-SSDs in 2230 gibt. Ist jedenfalls deutlich kompakter und mechanisch robuster als eine M.2 SSD in einem PCIe-Adapter in x1 Slot im CM4IO, und billiger obendrein, und mechanisch kompatibel zu einem regulären Pi4. fchk
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