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Arduino MEGA-RAMPS-Kombi für den Betrieb mit 24V umbauen

geschrieben von Printey 
Arduino MEGA-RAMPS-Kombi für den Betrieb mit 24V umbauen
28. Februar 2018 18:23
Dieser Beitrag wurde von Peter1956 erstellt.

Für den Umbau ist folgendes zu beachten/berücksichtigen:

- Arduino MEGA muss eigens versorgt werden
- RAMPS muss modifiziert werden

Zunächst zum Arduino MEGA (im Folgenden immer MEGA genannt).
Welche Möglichkeiten für die MEGA-Versorgung gibt es, wo liegen die Vor- und Nachteile und was ist zu beachten.

1. MEGA-Versorgung mit einem eigenen 9-12V Netzgerät über die schwarze Buchse
Vorteile:
- Die 24V Leistung kann vom MEGA ein- bzw. ausgeschaltet werden (PS-ON)
- Die Logik-Spannung bleibt nach dem Abschalten der 24V Leistung weiter vorhanden

Nachteile:
- Zweites Netzgerät wird benötigt
- Etwas unzuverlässige, nicht verrastende Steckverbindung
- Alle am MEGA angeschlossenen Komponenten wie Display, WLAN SD-Karte, etc. belasten den 5V Längsregler des MEGA


2. MEGA-Versorgung über die USB-Schnittstelle mit einem PC / Notebook / USB-Netzteil
Vorteile:
- Die 24V Leistung kann vom MEGA ein- bzw. ausgeschaltet werden (PS-ON)
- Die Logik-Spannung bleibt nach dem Abschalten der 24V Leistung weiter vorhanden
-

Nachteile:
- Es wird immer ein PC / Notebook / USB-Netzgerät benötigt
- Alle am MEGA angeschlossenen Komponenten wie Display, WLAN SD-Karte, etc. belasten die USB-Schnittstelle

Zu Beachten:
Eine USB 2.0 Schnittstelle stellt maximal 500mA zur Verfügung.
Die theoretisch möglichen 800mA einer USB 3.0 Schnittstelle oder die noch höhere Leistung eines USB-Netzteils
können nicht ausgenutzt werden, da die USB-Schnittstelle auf dem MEGA mit 500mA abgesichert ist.


3. Indirekte MEGA-Versorgung mit einem DC/DC-Wandler auf dem RAMPS
Vorteile:
- Nur ein Netzgerät
- RAMPS für 24V mit integriertem DC/DC Wandler ist bereits erhältlich
- Funktioniert genauso, wie mit einem Standard RAMPS mit 12V Versorgung

Nachteile:
- DC/DC-Wandler auf dem RAMPS oder modifiziertes RAMPS wird benötigt
- DC/DC-Wandler muss die Leistung für MEGA und angeschlossene Komponenten wie Display, WLAN SD-Karte, etc. liefern können
- Der 5V Längsregler auf dem MEGA wird weiterhin belastet
- Abschalten der 24V-Versorgung schaltet auch den MEGA (Logik) ab



Mein Ziel ist es, die 24V Leistung des Druckers mit dem MEGA Ein- und Ausschalten zu können. Daher scheidet die Möglichkeit 3 bereits aus.

Meine Realisierung

Offiziell kann der Arduino nur über die USB-Schnittstelle oder über den VIN-Eingang (schwarze Buchse oder VIN-Pin auf der Shield-Schnittstelle) versorgt werden.
Wird die Versorgung über VIN gewählt, so ist zu beachten, dass die minimale Spannung an VIN 7V DC beträgt.
Bei geringerer Spannung wird der MEGA nicht einwandfrei oder sogar überhaupt nicht arbeiten.
Weiterhin ist zu beachten, dass die VIN-Spannung über den internen Spannungsregler des Arduino auf 5V geregelt wird.
Dies ist insofern relevant, da dieser Spannungsregler Leistungsmäßig sehr begrenzt ist. Er ist primär nur für die Versorgung des MEGA ausgelegt.
Kommen jetzt noch zusätzliche Verbraucher (Display, insbesondere das Full Graphic Display, WLAN SD-Karte, etc.) hinzu,
so ist der Regler schnell überlastet. Er wird sehr heiß und die 5V-Versorgung kann temporär zusammenbrechen (MEGA bootet neu) oder der Regler wird sogar zerstört.
Clones sind da oft sogar noch anfälliger.

Eine Lösung dieses Problems wäre, den internen 5V Regler gegen einen guten DC-DC Wandler zu ersetzen.
Das ist aber mit etwas Aufwand und Kosten verbunden und damit nicht jedermanns Sache.

Es gibt aber noch eine weitere, eine 4. Möglichkeit.
Man kann den MEGA auch direkt mit 5V versorgen. Der interne Regler wird so umgangen.
Dieses Vorgehen wird aber offiziell aus gutem Grund wegen möglicher Zerstörung nicht empfohlen.
Werden die 5V direkt mit einem externen Netzgerät eingespeist funktioniert nämlich die automatische Umschaltung zwischen USB- und VIN-Versorgung nicht mehr.
Wegen der fehlenden VIN-Spannung ist T1 permanent leitend und die USB-Verbindung des MEGA wird dann rückwärts mit der 5V-Versorgung des externen Netzgerätes gespeist.
Das ist insofern kritisch, wenn zusätzlich ein Rechner über USB mit dem MEGA verbunden wird. Dann nämlich arbeiten die beiden 5V-Potentiale gegeneinander.
Selbst bei einem Spannungsunterschied von nur wenigen mV können so relativ hohe Ströme fließen und zur Zerstörung des MEGAs und/oder der USB-Schnittstelle des Rechners führen.

Nun gibt es die verbreitete Meinung, dass es dann doch genügt, die 5V-Leitung des USB-Kabels zu unterbrechen.
Ja, mal abgesehen von der Fummelarbeit an einem USB-Kabel wird das funktionieren.
Irgendwann aber wird unglücklicherweise doch einmal ein nicht modifiziertes USB-Kabel verwendet und schon ist es passiert, der Arduino und/oder der Rechner sind beschädigt.

Aber hier gibt es eine, meiner Meinung nach einfache und effiziente, Lösung. Die funktioniert zumindest bei einem Arduino MEGA 2560 R3 einwandfrei.
Abhilfe schafft hier das Auslöten der Sicherung F1 auf dem MEGA.
Der Arduino MEGA ist dann zwar immer auf die externen 5V angewiesen (USB-Kabel alleine reicht nicht mehr) aber die USB-Funktionalität ist vollständig gegeben, auch ohne modifiziertes Kabel.
Einen Nachteil hat diese Vorgehensweise aber doch.
Soll der MEGA eventuell wieder nur mit einem 9-12V-Netzeil (VIN) versorgt werden, wird ein über USB angeschlossener Rechner den MEGA nicht mehr erkennen,
da bei vorhandenem VIN-Potential > 6,6V der Transistor T1 sperrt und der ATMEGA16U2 damit nicht mehr versorgt wird.
Das funktioniert also nur noch mit der direkten 5V-Versorgung korrekt.

Unbedingt beachten!
Niemals den MEGA mit beiden Stromversorgungen (externes 12V-Netzteil über die schwarze Buchse oder VIN-Pin des MEGA und der externen 5V Direktversorgung) gleichzeitig betreiben.
Auf dem Board würden dann wieder zwei unterschiedliche 5V-Potentiale gegeneinander arbeiten.

Ich habe mich für diese Möglichkeit entschieden. Dafür brauche ich ein zusätzliches 5V Netzteil mit ausreichender Leistung.

Das folgende Bild zeigt die ausgelötete Sicherung F1,





Kommen wir zum RAMPS

Die Modifikation eines RAMPS für den Betrieb mit 24V setzt folgendes voraus:

- Die Elkos auf dem RAMPS müssen für mindestens 35V ausgelegt sein.

Erfüllen die Elkos die Spannungsanforderung nicht, besorgt man sich besser ein neues RAMPS, welches die Voraussetzungen erfüllt.
Ein Umbau ist schwierig und lohnt den Aufwand nicht.

Es sind mittlerweile zwei RAMPS Versionen im Umlauf. RAMPS 1.4 und RAMPS 1.5.
Meinen ersten Umbau habe ich auf der am weitesten verbreiteten Version 1.4 gemacht.
Bei der Version 1.5 lassen sich die Modifikationen aber leichter bewerkstelligen.
Ich versuche, den Umbau für beide Versionen zu beschreiben.

Meine Realisierung(en)

Diode D1 entfernen:
Der MEGA wird im Normalfall über die Diode D1 auf VIN mit der Versorgungsspannung des RAMPS versorgt.
Daher muss diese Diode bei einer Versorgungsspannung >12V entfernt werden.
Beim RAMPS 1.5 ist die Diode D1 ein SMD-Bauteil und lässt sich daher sehr einfach entfernen.

ACHTUNG!
Wird dies nicht korrekt gemacht oder vergessen, so hat das beim Einschalten der RAMPS-MEGA Kombination den sofortigen Tod des MEGAs zur Folge!

Foliensicherungen F1 und F2 ersetzen:
Hat das RAMPS Foliensicherungen (Polyfuses) so müsse auch die entfernt und gegen geeignete Sicherungen (z.B. KFZ-Sicherungen) ausgetauscht werden
da die Foliensicherungen nicht für die höhere Spannung geeignet sind.
Will man das Board extern absichern, so können die Foliensicherungen auch durch einen Draht geeigneten Querschnitts ersetzt werden.

Ich betreibe Hotend und Heizbett über SSRs bzw. PWM-taugliche FET-Schaltungen.
Damit muss ich mir über die Onboard FETs, insbesondere über deren Kühlung, und über die Stromtragfähigkeit der RAMPS Leiterbahnen und Steck- und Klemmverbindungen keine Gedanken machen.
Beim RAMPS 1.5 sind F1 und F2 als SMD-Sicherungenausgeführt. Diese sind auch für 24V geeignet müssen nicht zwangsläufig ausgetauscht werden.
Auch hier kann man bei externer Absicherung Brücken löten.
Die Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen soll bei der Version 1.5 höher sein. Diese Aussage gilt aber leider nicht für die FETs und die Klemm- und Steckverbindungen.

RAMPS 1.4 Vorwiderstände R23, R24 und R25 anpassen:
Die Vorwiderstände für die LEDs 2, 3 und 4 sind mit 1,8 kOhm für 12V ausgelegt.
Bei 24V fließt gut der doppelte Strom durch diese LEDs, was deren Lebensdauer verkürzen kann/wird. Daher sollten streng genommen auch diese Vorwiderstände angepasst werden.
Ich habe die Vorwiderstände auf 3,6 kOhm vergrößert (besser sind hier 4,7kOhm).
Das kann für den ungeübten eine kniffelige Angelegenheit werden da der Zugang durch große Bauteile erschwert ist.
Entsprechend meiner noch nicht vorhandenen SMD-Löterfahrung ist auch das Ergebnis ausgefallen. Aber es funktioniert.

RAMPS 1.5 Vorwiderstände R12, R16 und R18 anpassen:
Hier gelten die gleichen Aussagen wie beim RAMPS 1.4. Die Widerstände und LED haben aber eine andere Nummerierung.
Ich habe die Vorwiderstände für die Dioden D3,D4 und D6 hier durch 4,7kOhm Widerstände ersetzt. Die LEDs leuchten damit auch bei Betrieb mit 12V ausreichend hell.
Bei der Modifikation des RAMPS 1.5 stand mir besseres Lötequipment (Heißluft Entlöter, SMD-Lötkolben und Mikroskop) zur Verfügung. Entsprechend besser ist das Ergebnis ausgefallen.

Bilder des RAMPS 1.4 Umbaus










Bilder des RAMPS 1.5 Umbaus







Der Beitrag ist hier schon etwas groß geraten.
Daher werde ich bei Interesse den weiteren Aufbau und die Verdrahtung, insbesondere mit dem RAMPS Fan-Extenter, in einem weiteren Beitrag beschreiben.

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Gruß
Peter

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