Spannungsversorgung Rapberry Pi Pico extern und USB

Der 7805 muss 19V in Wärme umwandeln, um den Spannungsfall zu erzeugen. Wenn der Strom 100 mA ist, sind das 1,9 Watt und pro Watt steigt die Temperatur um 5°C an (Quelle), also 9,5°C Erwärmung bei 24V Versorgung und 100 mA Strom.

Ein Wandler wäre besser, da dort weniger Leistung in Wärme umgewandelt wird. Die 78xx sind sehr ineffizient.

Quote from Akira2019

Nun wird der Spannugswandler ziemlich heiß.

Das wird nicht so heiß:

https://www.berrybase.de/netzt…36v/5a-mit-loetpads?c=392

Und man kann/sollte es einstellen.

MfG

Jürgen

Moinsen,

Ein Lösung seitens des Herstellers für dieses Problem ist bereits im Datasheet Seite 20 aufgeführt.

Dieser P-Channel MOSFET DMG2305UX ist ein der Lage einen Dauerstrom bis 3 A dauerhaft über Pin 39 in das PICO einzuspeisen. Sobald über die USB Buchse eine Spannung erkannt wird, schaltet der MOSFET die Spannungsversorgung automatisch auf USB Betrieb um, die Fremdstromversorgung via PIN 39 wird dabei abgeschaltet.

Anmerkung zu Jürgen Böhm s Beitrag: Diese Methode ist bezüglich einer übermäßigen Abwärme durch den Regler 7805 besser, weil geringer Wandlungsverluste entstehen. Allerdings hat diese Methode auch ein Nachteil, wenn du die ADC Channels bei deiner Anwendung nutzen willst. Hier wirkt sich die Restwelligkeit dieser Step-Down-Wandler negativ auf die Bereitstellung der internen VRef aus, welche man auch über den Pin 35 nach außen geführt nachmessen kann. Da du keine Angaben machst was deine Schaltung mit allen Anhängseln insgesamt verbraucht, wäre es besser diesen Step-Down-Wandler auf eine etwas höhere Ausgangsspannung einzustellen, und diese dann von einem low noice LDO nochmal auf den gewünschten Spannungspegel mit einem geringeren Grundrauschen / Restwelligkeit zu bringen. Eine Restwelligkeit größer 1 mV hat schon einen spür- und meßbaren negativen Einfluss auf Meßergebnisse über die drei nach Außen geführten ADC Channels. Wenn du diese ADC-Pins nicht für analoge Messungen benötigst, kannst du auch diesen Step-Down-Wandler mit einer Ausgangsspannung bis maximal 5,5 Volt mit diesem P-Channel MOSFET anschließen.

Moin Akira2019,

erstmal: Herzlich Willkommen im Forum!

Ich frage mal so, du hast die Masse deines Netzteils auch an dem Pico angeschlossen?

Es ist immer schlecht, wenn ein Bauteil mit 2 unterschiedlichen Spannungen versorgt wird.

Vorschläge:

Du kannst ja, während der Entwicklung dein Netzteil abklemmen.

Oder trennst im USB-Kabel die +5V-Leitung ab.

73 de Bernd

Fehlende Verbindung der Masse / GND um auf das selbe Level zu kommen war auch mein erster Gedanke.

Moinsen Akira2019,

Es ist ganz einfach. Verluste sind das eine, ja die kann man einplanen. Aber die Robustheit, Dauerverfügbarkeit ist etwas ganz anderes.
Wenn der 7805 so viel Abwärme produziert, also an der thermischen Grenze betrieben wird, musst du ihn entweder Zwangskühlen, Kühlkörper, oder wenn sich die Ambientbedingungen zu ungunsten einer höheren Umgebungstemperatur ändern muss man mit dem thermischen Ausfall dieses Bauteils rechnen.
Um diesen großen Spannungsunterschied nieder zu ringen, ohne dabei unnötig Wärme zu erzeugen, ist ein solcher Step-Downwandler, welcher nach dem Prinzip eines Buck-Converters arbeitet nicht nur effizienter in der Wandlung, sondern produziert auch bedeutend weniger Abwärme.

Nachteil dieses Verfahrensist die Lastabhängige Restwelligkeit in der ausgegebenen Versorgungsspannung. Für Prozesse wo ein ADC zum EInsatz kommt, wird diese Restwelligkeit zu einem Problem.
Da du wieder mal auf meine Nachfrage nicht antworten konntest, sondern lieber von Sensoren anstatt von genutzten GPIO-PIns spricht musste ich nun auch noch die Pins nachzählen, ob die die GPIOs 26, 27, 28 nutzt oder nicht. Offensichtlich nutzt du diese nicht.
Also Ran mit dem Buck-Converter ( Step-Down-Wandler ) diesen auf eine Ausgangsspannung von 3,8 - 5,2 Volt einstellen, und den 7805 weglassen. Und natürlich die P-MOSFET Schaltung verwenden, welche zwischen PIN 40 und PIN 39 eingebracht wird. Damit hast du RUHE, und auch die Umgebungstemperaturen ( keine Ahnung wo diese Dinger eingesetzt werden sollen ) spielen dann ein untergeordnete Rolle. Denn Kühlkörper, die eine Temperatur > 55 ° erreichen können, müssen zudem mit einen "HOT" Symbol gekennzeichnet werden, wenn kein vollständiger Berührungsschutz besteht !!!

Hier also mal wenn dritte Personen mit dieser Schaltung in Berührung kommen, auch die Vorschriften genau beachten !

Moinsen Akira2019,

Das Problem ist einfach der 7805 selber, wenn der Wirklich unter Last kommt, zudem du keine Vorahnung hast sich die Umgebungsbedingungen Temperaturmäßig aussehen werden, dann sei im Vorfeld schon gesagt, bei ca 95 Grad gehen dem 7805 die Lichter aus. Das heißt aber nicht nur reine Umgebungstemperatur, sonder auch das was er selber als Wandlungsverluste an thermischer Abwärme erzeugt. Und bei diesen möglicher Weise doch nicht ganz ohne - Lasten, ist man das schon bei ca 40-45° Umgebungstemperatur am Limit, wenn dieser 7805 nicht zusätzlich über einen Kühlkörper die Wärme abführen kann. Wahrscheinlich wird deine Entwicklung in einem Schaltschrank landen, wo es immer einige Grad wärmer sein wird als außerhalb des Schaltschrankes.

Aber wenn du eine ADC Wandler-Eingang nutzt, wie sieht den dein Ripple ( Schwankung der V_Ref ) gemessen über / an PIN 35 aus. Nun weiss hier keiner welche Anforderung du an die Auflösung und Genauigkeit deiner ADC-Messung du stellst, aber hier solltest du vor der Beauftragung einer Platinenfertigung mal eine Feldversuche machen.

Dazu muss man beachten das die internen ADCs des PICOs eine relativ geringen Eingangswiderstand Impedanz von ca. 100 kOhm haben, also auch der eingehende Meßstrom am ADC-Pin entsprechend hoch sein sollte, damit dieser Innenwiderstand die Spannung selber als Meßgröße nicht herunter zieht.

Wie ich schon ausführte die ADC-PIN /-Funktionen sind nicht so einfach beim PICO handhabbar wie bei anderen µC. Da hier diese Referenzspannung für den ADC / die ADC Messung vom gleichen Spannungswandler /-regler auf dem PICO Board bereitgestellt wird, der auch alles andere mit 3,3 Volt versorgt.

Am unentfindlichsten ist immer noch ADC2 = PIN34 = GP28. Je nach dem was du mit welcher Abfragerate ( Meßintervall ) du mit diesem internen ADC messen willst, und welche Genauigkeitsansprüche du hast, solltest du ggf auch über einen Tiefpass am diesem Eingang nachdenken. Aber ohne die wirkliche Aufgabe und die angeschlossene analoge Signalquelle zu kennen, kann man hier aus der Ferne keine realistische Einschätzung machen.

Guten Morgen

Quote from Akira2019

... unter Umständen baue ich dann vielleicht auch einen Traco Baustein ein, der funktioniert dann einfach so...

nachdem ich erst einmal suchen musste was du mit diesem TRACO-Baustein meinst, ich mir dazu auch die Datenblätter des Herstellers angesehen habe kann ich dir zusichern - es wird nichts.
Ich hatte selber schon einmal mit solchen DC/DC Wandlerbausteinen ein Projekt aufzubauen, und bin dabei zur gleichen Erkenntnis gekommen, wie diese schon erwähnt wurden. Sobald man die ADC-Eingänge nutzen möchte treten genau diese schon aufgeführten Effekte auf. Da diese Bausteine genauso wie die StepDown Wandler mit unterdimensionierten Glättungskapazitäten eine übermäßige Restwelligekeit über den Ausgang mit ausgeben, wird jede ADC Messung zu einer Glückslotterie.

Sobald das Spannungsdelta am Ausgang, was mit Restwelligkeit oder Ripple bezeichnet wird, etwa 5 mV überschreitet sieht man bei einer Folgemessung oder einer Meßwertaufnahme in Form einer ganzen Meßreihe sehr deutlich diesen Einfluß welche über die proportional mitschwankende Referenzspannung sich in den Meßrohdaten widerspiegelt.
Es ist zum Schluß auf deiner Platine auch eine Platzfrage, ob man eine externe Referenzspannungsquelle mit allen seinen Zusatzbauelementen unterbringen muss um eben über Pin 35 "ADC_VREF" ein präzisere Spannung im Bereich von 3.25 bis 3.3 Volt einspeißt, oder ob man sich die Mühe macht den DC/DC b.z.w. StepDown-Wandler in seiner Ausgangsspannung so auswählt, oder dimensioniert damit man mit einem LDO und einer möglichst geringen Dropspannung dann nur noch mal zur Verbesserung der Eingangsspannung beiträgt. Gute LDO-Regler ( Low-Drop ) erreichen hier selbst bei einem Spannungsunterschied zwischen EIngangs- und Ausgangsspannung von weniger als 300 mV eine Restwelligkeit von unter 100µv bei gleichzeitig weniger Platzbedarf im Vergleich zu einer externen Referenzspannungsquelle.
Die Bereitstellung der Versorgungsspannung für den PICO zweistufig aufzubauen, zuerst den großen Sprung von 24 Volt auf etwa 5.5 bis 6.0 Volt und diese dann noch einmal mittels LDO auf 5.0 Volt zu reduzieren, kann durchaus sinnvoll sein.

Die ADC Eingängen am PICO unter den Standardumständen mit einer Standardversorgung via USB ohne eine besonderes Augenmerk auf die Versorgungs- b.z.w. Referenzspannung zu lenken, liefern etwa die Genauigkeit einer 10 % Schätzung. Ich kann leider aus der Gesamtbeschreibung deinerseits nicht abschätzen, ob du mit einem solchen Meßfehler leben könntest, oder ob es mittels Software notwendig werden würde, diese Meßwerte zu glätten oder / und zu Filtern, um die gewünschte Funktion erreichen zu können. Dabei muss man immer im Auge behalten das solche Software.Lösungen immer mit einem erheblichen Rechenaufwand, und einer entsprechenden Latenz einhergehen.

Es gibt in diesem Forum schon sehr viele Beiträge, welche man sehr leicht über die Forensuche findet, wo diese Probleme um die erzielbare Genauigkeit mit einem PICO angesprochen werden, und ebenso unterschiedliche Lösungswege aufgezeigt werden.

Moinsen,

Quote from Akira2019

Ich wollte die Messung über ein 4-20mA Mess-Signal und über einen 500 Ohm Widerstand vornehmen, ... ...., da nur ein Ein/Aus-Signal über eine entsprechende Hysterese gebildet wird. Die analogen Eingänge stehen aber erstmal hinten dran.

Wie willst du das machen ?
Falls das eine Strommmessung über einen Shunt werden soll, dann kann ich dir gleich sagen, versuche es gar nicht erst. Das würde den Pico zerstören.
Diese ADC Eingänge sind wegen der internen AGND Verbindung nicht für eine Differenzielle Messung geeignet.

Wäre es hier nicht einfacher und von Aufwand, auch in der SW Steuerung einen Schmitt-Trigger verwenden, der ab einer gewissen Eingangsspannung den Ausgang auf High setzt, was man beim Pico ohne Dauerabfragen ( Statemachine ) auch via GPIO.IRQ ( Interrupt ) auflösen kann. Damit muss man sich nicht erst mit dem ADC herumschlagen. Ob man dafür einen Chip aus der CD- / HEF- bzw. 74L-Serie verwendet oder einfach einen OPV dafür mißbraucht das bleibt jedem selbst überlassen. Aber um GPIO U_Input kompatibel bei 3,3 Volt zu bleiben würde sich, wenn die auszuwertende Spannung eine Gleichspannung ist , ein recht einfacher Rail-to-Rail OPV wie der MCP6002 anbieten. Diese OPVs sind für unter 50 Cent zu bekommen. Wenn diese Lösung für dich nicht Frage kommt, bleibt dir nur der Weg über einen externen Differenziellen ADC. Hier ist dann besonders darauf zu achten, falls du mehrere dieser Kanäle Nutzen willst, dass der ADC Chip keine interne AGND Verbindung hat, und auch keine AGND-DGND Verbidnung, bzw wenn die Spannung am Meßwiderstand die Signalausgangs- und Vcc Spannung des ADC überschreitet, sind auch diese Pseudodifferenziellen ADCs ungeeignet.

Quote from Akira2019

Ich wollte die Messung über ein 4-20mA Mess-Signal und über einen 500 Ohm Widerstand vornehmen, möglichst simpel (da bekommt man schon Fehler rein durch den Widerstand...).

Btw: Bei 20 mA fallen an einem 500 Ohm Widerstand 10V ab. Wenn der ADC z.B. mit 3.3V versorgt wird, würde ich 160 Ohm verwenden. Dann fallen bei 20 mA 3.2V ab.

Guten Morgen

Quote from Akira2019

über den Widerstand wird der Spannungsabfall vom Pico gemessen, da das Messgerät den maximalen Strom begrenzt (4...20mA) kann da m.E. nix passieren zur Sicherheit wird noch eine Z-Diode parallel zum Widerstand eingebaut und einen Vorwiderstand hin zum Pico gibts auch noch. Das Konstrukt muss ich nur noch testen

Wenn du einen Spannungsabfall messen willst, ist es notwendig, das "Meßgeräte" parallel zum Widerstand einzubauen. Ein reiner Widerstand ändert nichts an der Spannung, er ist nur eine Strombremse.
Da dein PICO selber mit dem gleichen Massepotential verbunden ist, und der AGND des PICOs intern mit dem DGND , oder einfach der gleichen Masse verbunden ist, kannst du keine Spannung mit nur einem Widerstand als Vorwiderstand messen. Die Spannung die zum ADC-Eingang geführt wird, egal ob du diese vor oder nach dem Widerstand ( gemäß deiner Stromlaufskizze ) abgreifst, diese wird immer größer sein als die Referenzspannung des ADCs von 3,3 Volt und damit den RP2040 zerstören.
Wenn du im Verhältnis die 24 V Spannung auswerten willst, bräuchtest du schon einen Spannungsteiler oder einen Differenziellen ADC. Das Problem ist nunmal das, das auf dem PICO alles gegen Masse liegt.
Hinzu kommt auch noch der Umstand, das man diese GPIOs nicht unendlich belasten kann.
Alle Output GPIOs in der Summe sollten nicht mehr wie mit 16 mA belastet werden. Und du wirst je nach Aufbau deiner Spannungsversorgung merken, dass du jeden Schaltvorgang ( Output ) auch wenn es nur wenige mA sind, du als Eingangsschwankung über den ADC Kanal registrierst.
Bei jedem On- Schaltvorgang wird für eine kurze Zeit die Eingangsspannung je nach Glättungskondensator zusammenbrechen, und du damit einen höheren Spannungswert über den ADC Eingang festsellen. Denn die Schwankung der Referenzspannung aus der gleichen Quelle kommend, hat eine umgekehrtproportionale Auswirkung auf den Meßrohwert des ADC.
Je nach dem wie viele Ausgänge du für deine Relais nutzt, wie hoch der Strom durch diese GPIO Ausgänge gezogen wird, solltest du diesen Umstand als Meßfehler einkalkulieren.

Auch wenn es sicherlich bessere Lösung gibt, würde ich hier dafür sorgen das die Ausgangsströme an den Output GPIOs reduziert werden.
Da deine Ausgangsbeschaltung "geheim" ist, und man hier nur raten kann, mache mal eins , auch auf einem Steckboard, und schalte mal. Wenn du mit einem 2 Kanal- OSZI dann an die Pins ADC_VREF und 3V3_OUT gehst und beobachtest was mit dieser 3,3 Volt Spannung passiert, während der Schaltvorgänge und wie lange es braucht bis sich diese Spannung wieder erholt hat, dann wirst du verstehen, wenn man die Funktion eines ADCs kennt, das dein Aufbau möglicher Weise ungeeignet ist. Dazu muss man beachten, der ADC vergleicht die Eingangsspannung mit dieser Referenzspannung. Mit diesem 47µ / 6,3V Tantal-Elko C2 am Ausgang des Spannungsreglers auf der PICO Platine lässt sich da nicht viel machen. Auch wenn jetzt wieder einige die OPCs nicht mögen, oder warum auch immer hier wettern werden, mit einem OPV kann man den Strom aus den GPIO Ausgängen in den pA ( Pico-Ampere ) Bereich reduzieren, und am Ausgang auf Grund der Stromverstärkung des OPVs einige mA abgreifen, um zB einen Optokoppler sicher anzusteuern. Besonders bei schnellen Schaltspielen der Relais und es sind ja mehrere wirst du ganz schnell feststellen können, wie sich dieses positiv auf die ADC Meßergebnisse auswirkt. Dazu muss man nur den / die OPV(s) aus den 5 Volt deines Spannungswandlers 24to5,0 versorgen. Die Beschaltungsvarinate des OPVs wird Impedanzwandler oder Spannungsfolger genannt. Vorne wenige pA aus dem GPIO-Out rein, hinten einige mA raus, um z.B. einen Optokoppler oder dieses Darlington Array anzusteuern. Denn hier ist die Summe und die Häufigkeit der Schaltvorgänge der potentielle Störfaktor für die ADC Nutzung.