Aller Anfang ist... doch kein Step Down Regler ??

Hallo liebe Community !

Ich hoffe ich bin in der richtigen Rubrik gelandet. Wenn nicht entschuldige ich mich schon einmal dafür und bitte darum, dass der Thread verschoben wird bitte :)

ich bin neu in der Robotik und habe aber schon ein paar Erfahtungen mit einem Bausatz mit Arduino Mega2560 machen können.
Nun habe ich mir ein Langzeitprojekt vorgenommen welches in einem günstigen einfachen Rasenmäherroboter enden soll.
Dazu habe ich aber noch so 1-3 Fragen...

Ich habe derzeit einen kleinen Roboter mit wie gesagt dem Arduino Mega2560, einem L298N Motortreiber, ein HC-SR04 Ultraschallsensor und 2 einfachen im Bausatz enthaltenen Motoren.
Die Software dafür bzw. die Programmierung habe ich geschnallt und konnte auch mit der Ultraschallabtastung erfolgreich umgehen und darauf reagieren lassen.
Ich habe vor, den Rasenmäherroboter mit 2x 12V Motoren anzutreiben und einen 12V Motor für den Mähteller (evtl Kunststoffteller mit Cuttermessern oder so) zu verwenden.

Nun zu den Fragen (habt ihr bestimmt schon min. 3mio mal gehört und beantwortet, aber leider kann ich aus google etc kaum Zusammenhänge zu meinem Projekt knüpfen):
Verstehe ich DIESE Abbildung richtig, dass der Motortreiber bereits die benötigten 5V für den Arduino bereitstellt auch wenn ich eine 12V Stromquelle anschließe ? oder muss ich auf jeden Fall eine direkte Verbidung vom Akku zum Arduino mit Stepdownregler bauen ?
Angenommen, dass das der Fall ist kann ich demnach 2x 12V Motoren und den Arduino mit einem Motortreiber betreiben und bräuchte dann einen weiteren Motortreiber für den Mähmotor ?
Macht ein 12V z.b. 14Ah Blei-Gel-Akku Sinn (aufgrund Kosten) ?
Wieviel Ladestrom brauche ich dafür und kann ich vom Ladegerät direkt zum Akku verbinden oder brauche ich dafür eine Ladeelektronik ?
Ich denke es ist das beste, wenn ich 12V DC-Getriebemotoren nehme ? Welche Überstzung sollte ich nehmen bei 1-2 km/std auf ca. 5-6 Kilo Gewicht ohne großartiges Gefälle ?
Welche Motoren kämen in Frage sowohl für den Antrieb und auch den Mähteller ?

Noch einmal das konkrete Ziel:
Ein einfacher günstiger Rasenmäherroboter der bei einer bestimmten Abstandsmessung des HC-SR04 anhält und umdreht.

Entschuldigt bitte die vielen Fragen die ihr bestimmt schon öfter gelesen habt. Aber ich würde es gern richtig machen.
Und da ihr die Elite in unserem Bereich seit, denke ich gut getroffen zu haben =)

Das solls erstmal gewesen sein :)

Gruß Chris

Zitat:

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Verstehe ich DIESE Abbildung richtig, dass der Motortreiber bereits die benötigten 5V für den Arduino bereitstellt auch wenn ich eine 12V Stromquelle anschließe ?

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Es sollte zu dem Motortreiber eine technische Dokumentation (Datenblatt) geben, in der so etwas drinsteht. Da aber für die Motorspannung minimal 4,8V angegeben ist, glaube ich eher nicht, dass die daraus 5V Logikspannung machen. Es ist prinzipiell etwas gefährlich, die Stromversorgung für die Logik aus der selben Quelle zu nehmen wie für die Motoren. Die Akkuspannung kann schon mal auf 7-8V zusammenfallen (fast entladen + Vollgas), da steigen dann schon die meisten 5V Spannungsregler aus. Andererseits ist der Aufwand für einen extra Akku lästig.
Die Verbindung Ground Logic und Ground Motors sollte man erst direkt am Batteriepol machen (Also beide Kabel getrennt zur Batterie führen). Die Motore brauchen teilweise recht viel Strom, so dass der elektrische Widerstand im Kabel schon zu einem deutlichen Spannungsabfall führt, besonders wenn dann noch Klemmen oder Steckverbindungen drin sind. Entsprechend tanzt das Potential in der Ground Motors Leitung, abhängig vom Abstand zur Batterie. Wenn man das wie gezeichnet verbindet, tanzt das Potential von Ground Logic entsprechend mit. Das kann lange problemlos gehen, bis man mal einen Sensor einbaut, dessen Minusanschluss man direkt an den Batteriepol anschliesst...
Blei-Gel: Zum Laden: auch hier sollte es ein Datenblatt geben. Wenn man nicht das Gewicht zur Traktion haben will, eher ungünstig, aber da scheiden sich die Geister.
Motoren: fertige Getriebemotore (RB35 oder ähnliches) sieht man nicht selten in solchen Projekten, Sind etwas laut und halten nicht ewig und sollten auch einigermaßen vor Nässe und Dreck geschützt werden. Am besten, Du schaust Dir mal ein paar Blogs von anderen Bastlern an, da gibt es viele Erfahrungen. Die Übersetzung läßt sich mit Sollgeschwindigkeit und Raddurchmesser rechnen.

Hi ranke,

danke für deine Antwort.
Ich würde über kurz oder lang so und so die Akkuspannung überwachen und bei entsprechendem Ladestand des Akkus das ganze System ausschalten lassen um solche Fehler zu vermeiden. Wäre das Sinnvoll ?
Also meinst die Grounds (Logic und Motor) direkt an den Minuspol des Akku´s anschließen ja ?
Thema Akku; was meinst du mti Traktion ? Anspressdruck der Räder ?

zumindest für den Mähteller würde ich auf ein Motor-Shield verzichten und direkt mit einem MOSFET schalten. Du brauchst da ja weder eine Drehrichtungs-Änderungen noch eine variable Geschwindigkeit. Zudem wird der Mähmotor wohl auch etwas mehr Power brauchen, als ein einfaches Motor-Shield liefern kann ... mit 20 Watt wirst Du nicht viele Halme abhacken können ;-)

Zitat:

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Ich würde über kurz oder lang so und so die Akkuspannung überwachen und bei entsprechendem Ladestand des Akkus das ganze System ausschalten lassen um solche Fehler zu vermeiden. Wäre das Sinnvoll ?

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Ja, sinnvoll um Tiefentladung zu vermeiden aber nicht sinnvoll um den aktuellen Ladungszustand im Betrieb zu messen. Auch nicht sinnvoll um Spannungseinbrüche am Controller zu vermeiden. Man sollte sich überlegen was der Controller bei Unterspannung macht, da sollte alles in einen fail-safe Zustand fallen. Viele Controller lassen sich auf so etwas programmieren (Stichwort: brownout)

Zitat:

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Also meinst die Grounds (Logic und Motor) direkt an den Minuspol des Akku´s anschließen ja ?

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Ja, sinnvollerweise auch die Plusleitungen. Man baut also zwei getrennte Stromkreise auf, einen für die Motoren (die relativ viel Strom brauchen) und einen für die Logik, die wenig und konstanten Strom braucht, dafür aber keine zu starken Spannungseinbrüche verträgt. Beide Stromkreise gehen direkt von den Batteriepolen weg und nutzen außer der Batterie keine gemeinsamen Leitungen oder Bauteile (außer Motortreiber, die beide Spannungen benötigen, die aber auf der Platine auch getrennt bleiben). Beide sollte man auch sinnvoll absichern (z.B. Feinsicherung für Logikkreis, KFZ-Sicherung für Laststromkreis) und für die Motoren einen sinnvollen Kupferquerschnitt wählen. Einen Kurzschluss hat man schnell mal gemacht und wenn die Kabel erst mal rauchen, bringt man den hakeligen Steckverbinder auch nicht mehr auseinander. Da kann man nur noch beim Ausbrennen zuzuschauen. Den Frust sollte man sich sparen.

Traktion: Ja, ich meinte die Gewichtskraft, die die Räder an den Boden drückt und damit die Übertragung der Antriebskraft möglich macht. Aber Gewicht kommt auch ohne Bleiakku von selbst, meistens mehr als man will.

Wenn ich die FUnktion vom MOSFET richtig gedeutet habe, ist das so korrekt gebaut ? (mit Ausnahme der eigenen Plusleitung für Logik)
Bild hier  

Tu Dir selbst einen Gefallen und vergiss Fritzing. Nimm lieber ein vernünftiges Programm für Schaltpläne und idealerweise auch gleich Platinen-Layout wie KiCad (komplett kostenlos) oder Eagle (für kleine Platinen kostenlos). Wenn die Projekte nur etwas komplexer werden, verlierst Du in Fritzing komplett die Übersicht.

Für diesen Zweck nimmt man einen sog. Logic-Level N-Channel MOSFET wie den IRLZ34 (gibt es ab 0,35 Euro). Ein MOSFET hat drei Anschlüsse, die man Gate, Drain und Source nennt (beim IRLZ auch genau in dieser Reihenfolge). Der Motor wird auf einer Seite mit +12 Volt verbunden und auf der anderen Seite mit dem Drain Pin des MOSFET. Der Source Pin wird direkt mit GND verbunden. Das Gate ist der "Steuereingang" des MOSFET. Er wird mit dem Arduino verbunden. Um EMV-Störungen zu reduzieren, kommt zwischen Arduino und Gate ein kleiner Widerstand in der Größenordnung von 10 bis 100 Ohm. In Deinem Fall nicht notwendig aber als Hintergrund-Info: wenn der MOSFET mit PWM betrieben werden soll, sollte der Widerstand kleiner gewählt werden. Zusätzlich brauchst Du noch einen 100k Widerstand zwischen Gate und Source. Der Grund: ein MOSFET hat eine sog. Gate-Kapazität. Das heißt Du kannst Dir das Gate wie einen Kondensator vorstellen. Wird der MOSFET mit HIGH am Gate angesteuert, lädt sich dieser Kondensator auf und der MOSFET wird leitend. Wenn der Controller-Pin dann wieder auf LOW geht, muss diese Kapazität erst wieder entladen werden, damit der MOSFET sperrt. Dafür ist dieser 100k Widerstand gedacht (deshalb nennt man ihn auch Gate-Ableit-Widerstand). Abhängig von der Funktionsweise des Controllers könnte man ihn ggf. auch weglassen - um sich aber keine Gedanken darum machen zu müssen wann man ihn braucht und wann nicht, sollte man ihn immer mit vorsehen (er macht nichts kaputt, auch wenn er im Einzelfall mal nicht notwendig sein sollte).

Bei der Auswahl des MOSFET's sind ein paar Angaben zu beachten. Zum einen sollte es unbedingt ein Logic-Level Typ sein und zum anderen ein N-Channel. Wichtig ist die max. Spannung, die zwischen Drain und Source liegen darf (im Datenblatt meist als UDS genannt) und der max. Strom, der mit dem MOSFET geschaltet werden kann (im Datenblatt Ic25). Eine andere wichtige Größe ist das sog. RDSON. Das ist der Restwiederstand, zwischen Drain und Source, wenn das Gate mit der vorgesehenen Spannung auf HIGH geht. Die Höhe der dabei verwendeten Gate-Spannung wird im Datenblatt ebenfalls angegeben und bestimmt ob es Logic-Levell MOSFET ist oder nicht. Bei einem Logic-Level wird diese RDSON bei max. 5 Volt am Gate erreicht. Bei herkömmlichen, nicht Logic-Level Typen wie zum Beispiel dem IRFZ sind es hingegen 10 Volt, die am Gate anliegen müssten. Das wäre natürlich zu viel, um das Gate direkt mit dem Arduino schalten zu können. Deshalb ist es wichtig, einen Logic-Level zu nehmen.

Bei der Stromfestigkeit (Ic25) ist zu beachten, dass diese über dem max. Strom sein muss, der durch den Motor fließen kann. Das ist meist der sog. Anlauf- oder Blockier-Strom. Der ist in der Regel deutlich höher als die Stromaufnahme, die beim Motor angegeben wird, da sich der dort gelistet Wert normalerweise auf einen bereits laufenden Motor bezieht.

Ich persönlich nutze für sowas wie gesagt den IRLZ34. Der hat:

UDS:	55 V
Ic25	30 A
RDS(on)	0,035 Ohm bei 5 Volt UGS

Ich hoffe, das hilft ein wenig beim Verständnis der MOSFET's :)