Lektion 07: Zusätzliche 5V und GND vom Arduino erhalten | Arduino Schritt-für-Schritt-Kurs

In dieser Lektion aus dem Robojax Arduino Schritt-für-Schritt-Kurs untersuchen wir eine praktische Lösung für ein häufiges Problem: die 5V- und GND-Anschlüsse auf Ihrem Arduino-Board gehen aus. Egal, ob Sie ein Projekt bauen, das die Stromversorgung eines Servomotors, eines LCD-Displays, eines Ultraschallsensors oder einer Kombination von Geräten erfordert, die begrenzte Anzahl von Strompins auf einem Arduino Uno oder Nano kann schnell zum Engpass werden. Diese Anleitung zeigt, wie Sie kreativ jeden digitalen I/O-Pin als zusätzliche 5V-Quelle oder als Masseverbindung nutzen können, und bietet Ihnen die Flexibilität, mehrere Komponenten ohne externe Stromversorgung für Geräte mit geringem Stromverbrauch zu versorgen.

Diese Technik ist besonders nützlich für mehrere reale Anwendungen, darunter:

• Versorgung eines kleinen OLED- oder LCD-Displays zusammen mit einem Servomotor in einem einzigen Projekt.
• Gleichzeitige Stromversorgung mehrerer Sensoren, wie eines Ultraschallsensors und eines PIR-Bewegungsmelders.
• Erstellung temporärer Testaufbauten auf einem Breadboard, wenn Sie eine schnelle und einfache Stromquelle für ein neues Modul benötigen.
• Ansteuerung von LEDs mit geringer Leistung oder Logikschaltungen, die eine saubere 5V-Referenz benötigen.

Verständnis der Arduino-Strombegrenzungen

Bevor wir uns mit der Lösung befassen, ist es entscheidend, die Stromarchitektur Ihres Arduino-Boards zu verstehen. Auf einem Standard-Arduino Uno haben Sie normalerweise einen einzigen dedizierten 5V-Pin. Einige Drittanbieter-Boards, wie im Video erwähnt, verfügen möglicherweise über einen zweiten 5V-Pin, aber selbst dann benötigen Sie möglicherweise mehr (im Video bei 00:26).

Die Strommenge, die Sie aus diesen Pins ziehen können, hängt von Ihrer Stromquelle ab. Wenn Sie das Board über USB mit Strom versorgen, wird der Strom durch den USB-Port oder das Ladegerät begrenzt, das Sie verwenden – zum Beispiel erlaubt ein 1A-Ladegerät bis zu 1A, während ein 2,4A-Ladegerät mehr erlaubt (im Video bei 01:55). Wenn Sie die Hohlbuchse mit einer 7-12V-Versorgung verwenden, wird der Strom durch den integrierten AMS1117-Spannungsregler-Chip reguliert, der eine typische Stromgrenze von 1,1A hat (im Video bei 02:20).

Es ist auch wichtig, den ICSP-Header auf dem Board zu beachten. Wie im Video erklärt, bietet dieser Header Zugriff auf die SPI-Pins (Serial Peripheral Interface), und der Pin auf der rechten Seite ist tatsächlich VCC (5V), während der letzte Pin GND ist (im Video bei 00:54). Dies gibt Ihnen einen weiteren physischen Ort, um auf die 5V-Schiene zuzugreifen.

Die kritischste Einschränkung, die Sie jedoch beachten müssen, betrifft die digitalen I/O-Pins. Laut der offiziellen Arduino-Dokumentation kann jeder digitale Pin maximal 20 Milliampere (mA) liefern oder aufnehmen (im Video bei 03:30). Dies ist mehr als ausreichend für LEDs, Logikschaltungen und viele Sensoren, aber unzureichend für Geräte mit hohem Stromverbrauch wie Motoren oder Hochleistungsservos. Für diese sollten Sie immer den Haupt-5V-Pin oder eine externe Stromquelle verwenden.

Hardware und Komponenten

Für diese Demonstration benötigen Sie die folgenden Komponenten:

• 1x Arduino-Board (Uno, Nano oder ähnlich)
• 1x LED (beliebige Farbe)
• 1x 1kΩ-Widerstand
• 1x Breadboard
• Jumper-Kabel
• (Optional) Ein LCD-1602-Display oder ein Relaismodul zur Demonstration

Verdrahtungsanleitung

Die Verdrahtung für dieses Projekt ist unkompliziert, da sie hauptsächlich darin besteht, einen digitalen Pin mit der Stromschiene Ihrer Komponente und einen anderen digitalen Pin mit deren Masse zu verbinden. Im Video demonstriert der Dozent dies, indem er eine LED mit Strom versorgt.

So richten Sie es ein:

1. LED anschließen: Verbinden Sie die Anode (längeres Bein) der LED über einen 1kΩ-Strombegrenzungswiderstand mit digitalem Pin 5 auf Ihrem Arduino.
2. Masse anschließen: Verbinden Sie die Kathode (kürzeres Bein) der LED direkt mit digitalem Pin 2 auf Ihrem Arduino.

Diese einfache Schaltung ermöglicht es Pin 5, als 5V-Quelle zu fungieren, und Pin 2, als Masse zu fungieren, wodurch der Stromkreis geschlossen wird (im Video bei 06:05).

Für einen skalierbareren Ansatz können Sie ein Breadboard verwenden, um die Stromversorgung zu verteilen, wie im Video gezeigt. Indem Sie die rote Stromschiene des Breadboards mit Pin 5 und die blaue/schwarze Masseschiene mit Pin 2 verbinden, können Sie problemlos mehrere Komponenten mit Strom versorgen, indem Sie sie in die jeweiligen Schienen stecken (im Video bei 06:59).

Code-Erklärung

Der für diese Lektion bereitgestellte Code ist außergewöhnlich einfach, da sein einziger Zweck darin besteht, zwei digitale Pins so zu konfigurieren, dass sie als Stromversorgungspins fungieren. Der Schlüssel zu dieser Funktionalität liegt in den zwei Konfigurationskonstanten, die am Anfang des Sketches definiert sind.

Hier ist der benutzerkonfigurierbare Teil des Codes:

#define VCC2  5 // definieren Sie Pin 5 oder einen anderen digitalen Pin hier als VCC2
#define GND2  2 // definieren Sie Pin 2 oder einen anderen digitalen Pin als Ground 2

Diese beiden Zeilen sind der Kern der Anpassung. Die #define-Direktive ist ein Präprozessorbefehl, der dem Arduino-Compiler mitteilt, jedes Vorkommen von VCC2 durch die Zahl 5 und jedes Vorkommen von GND2 durch die Zahl 2 zu ersetzen, bevor der Code kompiliert wird. Dies macht es unglaublich einfach, zu ändern, welche Pins Sie für die Stromversorgung verwenden. Wenn Sie Pin 8 als Ihre 5V-Quelle verwenden möchten, ändern Sie einfach die 5 in 8 in der ersten Zeile. Ebenso können Sie den Massepin ändern, indem Sie die zweite Zeile bearbeiten.

Der Rest des Codes ist nur die Initialisierungslogik innerhalb der setup()-Funktion. Sie setzt den als VCC2 definierten Pin auf OUTPUT und schreibt ihn dann auf HIGH, wodurch 5V ausgegeben werden. Umgekehrt setzt sie den als GND2 definierten Pin auf OUTPUT und schreibt ihn auf LOW, wodurch er als Masseverbindung fungiert. Sobald dies in der setup() erledigt ist, behalten die Pins ihren Zustand für die gesamte Zeit bei, in der der Arduino mit Strom versorgt wird, und du kannst deine Hauptprogrammlogik zur loop()-Funktion hinzufügen.

Live-Projektdemonstration

Im Video demonstriert der Dozent das Konzept, indem er den Code auf den Arduino lädt. Nach dem Hochladen leuchtet die LED, die zwischen Pin 5 und Pin 2 angeschlossen ist, sofort auf, was beweist, dass Pin 5 Spannung liefert und Pin 2 als Masse Strom aufnimmt. Um den Punkt weiter zu veranschaulichen, zeigt er, dass das Verschieben der Stromverbindung der LED zu einem anderen, nicht konfigurierten digitalen Pin dazu führt, dass die LED nicht aufleuchtet, da dieser Pin nicht auf 5V-Ausgabe eingestellt ist (im Video bei 06:37).

Die Demonstration enthält auch ein praktisches Beispiel mit einem Breadboard. Indem er den 5V-Pin mit der Stromschiene des Breadboards und den Massepin mit der Masseschiene verbindet, versorgt er gleichzeitig ein 1602-LCD-Display und ein Relaismodul mit Strom. Dies zeigt, wie du diese Technik nutzen kannst, um einen kleinen, dedizierten Stromverteilungsbus für deine stromsparenden Komponenten zu erstellen und so deine Verkabelung sauber und organisiert zu halten (im Video bei 06:59).

Fazit

Diese Lektion bietet einen einfachen, aber leistungsstarken Trick, um die Fähigkeiten deines Arduino-Boards zu erweitern. Indem du digitale Pins als Stromquellen neu definierst, kannst du das häufige Problem begrenzter 5V- und GND-Verbindungen lösen. Denke an das kritische 20-mA-Limit pro Pin, und du kannst in deinen zukünftigen Projekten sicher eine Vielzahl von Sensoren und kleinen Modulen mit Strom versorgen.

Kapitel

• [00:00] Einführung und Überblick über 5V-Pins
• [00:54] Verständnis des ICSP-Headers und der SPI-Pins
• [01:55] Strombegrenzungen basierend auf der Stromquelle
• [03:30] Stromgrenzen digitaler Pins und Anwendungsfälle
• [04:51] Code-Erklärung zur Erstellung zusätzlicher 5V und GND
• [06:05] Verdrahtungsdemonstration mit einer LED
• [06:59] Skalierung mit einer Breadboard-Stromverteilung