Wenn der Schulroboter seinen Code ausführt, während er per USB mit einem Laptop verbunden ist, aber sofort ausgeht oder neu startet, sobald ein Schüler das Kabel abzieht, liegt ein Problem mit der Spannungsversorgung vor. Der USB-Anschluss versorgt die Recheneinheit des Mikrocontrollers (Logik) mit Strom, während die Motortreiberschaltung entweder keine externe Batteriespannung erhält oder an einer ungeregelten Schiene hängt, die unter der Motorlast sofort zusammenbricht.

Das Problem getrennter Stromschienen erklärt

Jeder mobile Schulroboter – ob auf Basis eines ESP32, eines Arduino, eines micro:bit-Breakouts oder eines Raspberry Pi Pico – arbeitet mit zwei getrennten Stromkreisen:

• Logikversorgung (3,3 V oder 5 V): Versorgt den Mikrocontroller-Chip, Onboard-Sensoren und die Codeausführung. Hierfür wird sehr wenig Strom benötigt, typischerweise 50 mA bis 200 mA.
• Motor- / Aktorversorgung (5 V bis 12 V): Versorgt die Gleichstrommotoren, Servos oder Schrittmotortreiber. Kleine gelbe Hobby-Getriebemotoren (TT-Motoren) ziehen im Leerlauf jeweils 150 mA bis 300 mA, erreichen beim Anlaufen oder Blockieren auf Teppichboden jedoch Spitzenwerte von über 800 mA.

Ist der Roboter an den USB-Anschluss eines Laptops angeschlossen, liefert der Laptop eine stabile 5-V-Schiene mit bis zu 500 mA (oder 900 mA bei USB 3.0). Das reicht völlig aus, um die Mikrocontroller-Logik zu betreiben, und genügt oft gerade so, um frei drehende Räder auf dem Tisch in Bewegung zu setzen. Allerdings kann USB kein fahrendes Chassis auf dem Boden versorgen, und nach dem Abziehen fällt die Logikspannung auf null ab – es sei denn, ein funktionierender Akkupack übernimmt die Versorgung.

Die drei häufigsten Verkabelungsfehler im Unterricht

In einem typischen Robotik-Fachraum mit 30 oder 40 Schülern lässt sich dieses Symptom meist auf eine von drei Hardware-Konfigurationen zurückführen:

1. Das Motor-Shield hat getrennte Stromeingänge

Motortreiber-Platinen (wie ein L298N, ein L293D-Shield oder ein spezielles Motor-Breakout) verfügen fast immer über zwei getrennte Plus-Anschlüsse: VCC/5V (Logikversorgung) und VM/VIN/12V (Motorversorgung). Schließen die Schüler das USB-Kabel an, versorgt der integrierte 5-V-Spannungsregler den Chip, der Motoranschluss bleibt jedoch stromlos, solange keine externe Batterie an den Schraubklemmen anliegt. Wird das Kabel abgezogen, verlieren beide Stromkreise die Spannung.

2. Der Power-Jumper fehlt oder ist falsch gesteckt

Viele Treiberplatinen für zwei Stromschienen besitzen eine kleine Steckbrücke (Jumper, oft beschriftet mit 5V-EN oder VIN-VCC). Wenn dieser Jumper gesteckt ist, leitet die Platine den Batteriestrom über einen internen linearen Spannungsregler zur Versorgung der Mikrocontroller-Logik weiter. Entfernen die Schüler diesen Jumper, ist der Mikrocontroller für die Logikspannung vollständig auf USB angewiesen – und der Roboter bleibt sofort regungslos stehen, sobald die Verbindung getrennt wird.

3. Spannungseinbrüche und Brownout-Resets

Manchmal ist zwar ein Batteriehalter montiert (beispielsweise mit vier standardmäßigen 1,5-V-AA-Zellen oder einem 9-V-Block), der Mikrocontroller führt jedoch beim Abziehen des Kabels sofort einen Reset durch. Eine herkömmliche 9-V-Alkalibatterie kann den von zwei Gleichstrommotoren benötigten Anlaufstrom nicht liefern; die Spannung bricht unter die Mindestbetriebsspannung des Mikrocontrollers ein (typischerweise etwa 2,7 V bis 3,3 V) und löst eine Brownout-Reset-Schleife aus.

Eine einfache Verkabelungs-Checkliste für Lehrkräfte

Bevor die Schüler mit der Fehlersuche im Code beginnen, sollten die physischen Stromverbindungen anhand dieser Übersicht überprüft werden:

So werden getrennte Logik- und Motorschienen richtig verkabelt

Um einen zuverlässigen kabellosen Betrieb zu gewährleisten, empfiehlt sich dieser Standardaufbau:

1. Gemeinsame Masse (Common Ground): Verbinden Sie den Minuspol (-) des externen Akkupacks direkt mit GND des Motortreibers und GND des Mikrocontrollers. Ohne gemeinsame Masse können Logiksignale die Transistoren des Motortreibers nicht zuverlässig schalten.
2. Motorversorgung: Verbinden Sie den Pluspol (+) des Akkupacks (6 V–9 V) über einen mechanischen Kippschalter mit dem VM- oder VIN-Anschluss des Motortreibers.
3. Mikrocontroller-Versorgung: Wenn das Motor-Shield über einen integrierten 5-V-Regler verfügt, aktivieren Sie den 5V-Jumper und verbinden Sie den geregelten 5V-Ausgang des Shields mit dem 5V- / VIN-Eingang des Mikrocontrollers. Bei separaten Modulen regeln Sie die Batteriespannung mit einem dedizierten Abwärtswandler (Buck Converter) herunter oder verwenden ein Mikrocontroller-Entwicklungsboard mit integriertem Weitbereichsregler.

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Schnelltest für den Fachraum

Bevor die Schüler einen kabellosen Test auf dem Boden starten, sollten sie diesen Zwei-Sekunden-Check durchführen: Den Roboter so aufbocken, dass die Räder frei drehen, das USB-Kabel abziehen und den Batterieschalter einschalten. Leuchten die Status-LEDs auf der Platine weiterhin hell und drehen sich die Räder auf Befehl, sind Logik- und Motorstromschiene korrekt verbunden und geregelt.