ESP8266: Energiebedarf

Der Bau von kleinen Computern eröffnet viele Wege und ein wichtiger Aspekt ist auch das Thema Energieverbrauch. Auch der kleinste Schaltkreis braucht Strom und so gibt es einige Dinge zu überlegen. Der ESP8266 braucht nach dem "PowerUp" oder "WakeUp" einige Sekunden um per WiFi wieder im Netzwerk angemeldet zu sein und das kostet schon um die 200mA für einige Sekunden. Wer damit auf einer Batterie arbeitet, kann nicht alle 10 Minuten einen Messwert erfassen und ins LAN senden. Dafür gibt es dann andere Techniken (ZigBee etc.), die viel schneller einfach "senden".

Achtung bei Boards wie dem WeMOS oder NodeMCU / LUA. Der Chip zieht manchmal mehr als die am Standard USB-Port erlaubten 500mA. Die Spannungsregler können zwar aus 5V aus einem Akkupack die 3,3V erzeugen aber der ESP01 hat durchaus auch höhere Stromstärken beim Senden. Ein großer Pufferkondensator kann das etwas mindern oder sie achten auf "gut gespeiste USB-Ports". An diversen Notebooks gibt es oft Hochstrom-Anschlüsse die "gelb" gekennzeichnet sind oder sie schalten einen USB-Hub mit eigenem Netzteil dazwischen.

Energiequelle

Wenn der ESP8266 aber im "Deep Sleep"-Mode ist, braucht er laut Datenblatt typischerweise 10µA und mit zwei AA-Batterien (a 2600mAh) sollten damit auch 3 Jahre möglich sein. Bedenken Sie aber auch den Stromverbrauch einer externen Beschaltung und die Alterung der Batterien.

  • Netzteil
    Fast überall haben wir 220V aber selbst wenn ein Modul nur ganz wenig Leistung benötigt, so hat ein Netzteil immer auch eine Verlustleistung. Sicher gehen beim WiFi-Betrieb mit 200mA bei 3V schon 0,6W durch die Leitung aber das ist ja meist immer noch weniger als die Verlustleistung des Netzteils.
  • Klassische Batterien
    Theoretisch lassen sich 3V mit 2x 1,5 AA recht schnell bereit stellen. Die Entladekurve einer Batterie zeigt aber, dass die 1,5 Volt shr schnell abbauen und damit ein langer stabiler Betrieb nicht möglich ist.

    Quelle https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Aa-alkaline-100_c-v.png
    Wer nun 3x1,5V in Reihe schaltet, muss sich zumindest am Anfang mit der Überspannung von 4,5 Volt Gedanken machen.
  • Lithium-ManganDioxid Batterien (häufiger Typ CR123)
    Eine CR123 kostet zwischen 1-2€ und liefert nicht nur ca. 800mAh sondern behält ihre Spannung von 3,5-3,7V über lange Zeit und selbst bei niedrigeren Temperaturen und kurzfristig höheren Strömen. Laufzeiten von einem Jahr könnten damit aber schon erreicht werden. Natürlich nur, wenn der ESP8266 auch wirklich oft genug im "Deep Sleep" verharrt, sonst ist nach wenigen Stunden schon die Energie aufgebraucht. Manchmal gibt es aber auch schlechte Exemplare, wie ein Test von "Hiltihome" mit 40 verschiedenen CR123-Herstellern zeigt

    https://www.messerforum.net/threads/cr123-im-vergleich-messergebnisse.74499/
    Bei den meisten Zellen lassen sich aber schon bis zu 500mAh entnehmen, bis die 2,4 Volt unterschritten werden. Wann genau ihr ESP aber nicht mehr zuverlässig funktioniert, hängt auch von dem Board ab
  • Solar + GoldCAP
    Ausprobiert habe ich es noch nicht, aber eine Solarzelle könnte zumindest zur Speisung beitragen. Allerdings sind auch hier die Spitzenströme nur durch größere Zellen zu erreichen. Aber wenn lange genug Licht auf das Gerät fällt, könnte eine Solarzelle mit einem Gold-CAP (Kondensator mit hoher Kapazität) eine Lösung darstellen. Aufgrund der Entladekurve eines Goldcap muss ein Spannungsregler aber mächtig arbeiten. Er ist also eher eine kleine "USV" aber kein Dauerspeicher.
    https://de.wikipedia.org/wiki/Superkondensator
  • Solar + Akku
    Wenn Sie ihren Lieblingslieferanten besuchen, dann finden Sie dort sicher auch Akku-Packs mit Solarzellen. Als Campingbedarf soll man damit auch "Outdoor" sein Smartphone aufladen können. Das klappt oft aber nicht, da die Erwartungen an die Leistung einer Solarzelle im direkten Sonnenlicht nicht immer realistisch sind. 5V und 1A -Ladestrom ist unrealistisch mit einer Solarzelle in den Abmessungen eines 5"-Smartphone. Schauen Sie sich mal die "Gartenleuchten" mit Solarzelle und AA-Zelle an. Das Licht des Tages kann schon für ein paar Stunden "LED-Betrieb" reichen.

Wenn die Aufgabenstellung wirklich so ist, dass nur ganz selten mal ein Wert zu ermitteln ist und keine aktive vom ESP8266 hin aufgebaut werden muss, dann kann der Baustein vermutlich am günstigsten mit Batterien betrieben werden. Selbst die 0,9mA im Standby können z.B. durch einen Akku mit Solarspeisung einen günstigen Betrieb z.B. im Garten erlauben. Von SparkFun gibt es sogar ein Modul mit integriertem LiPO-Laderegler und entsprechenden Anschlüssen:

Leider ist der USB-Anschluss nicht auch zugleich Programmierzugang. Aber so spart man sich nicht nur Teile sondern auch den Stromverbrauch eines USB/Seriell-Wandlers

Sleep Modes und Energiebedarf

Ich habe leider kein hochgenaues Volt/Ampere-Meter mit zuverlässiger Messung im Bereich von Milliampere. Aber andere Blogger haben hier schon viel Vorarbeit geleistet.

Low Energy Boards

Kaum jemand wird den ESP8266 selbst als Modul verlöten, sondern NodeMCU, Wemos und andere Board tragen schon das Modul samt Spannungsregler und vielleicht auch Programmieradapter mit. Diese Komponenten benötigen aber alles auch Energie, selbst wenn Sie nicht genutzt werden. Daher gibt es aber auch Boards, die mit dem Ziel eines minimalen Energiebedarfs konstruiert wurden, z.B.: indem die ganze USB-Seriell-Schnittstelle entfällt oder deaktiviertbar ist oder besonders effektive Spannungswandler verwendet wurden.

Meist unterscheiden Sie d

Solarzelle und Akku

Wenn der Einsatzort nicht in einer Kiste oder Schrank drin ist, sondern sie irgendwo "Licht" her bekommt, dann kann eine Solarzelle mit einem Akku die Einsatzzeit des ESP-Projekts unabhängig vom Netzwerk machen. Auch hier ist wieder die Spannung ein wichtiges Kriterium:

  • ESP8266 brauchen VCC, Spannung (+3,3 V bis 3,6 V)
    Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/ESP8266#Pinbelegung_des_ESP-01
    Wobei oft externe Beschaltungen auf einen Board die Bandreite erweitern
  • Ströme
    Speziell wenn der ESP per WLAN kommuniziert, dann brauchen wir deutlich mehr mA und einige Quellen brechen dann schnell ein. Kondensatoren können hier kurze Spitzen überbrücken.
  • Überspannung
    Die Digitaleingänge sind wohl je nach Modul etwas besser gegen Überspannungen abgesichert aber auch hier müssen wir einen Blick drauf haben
  • Charakteristik von Solarzellen
    Es gibt einen "MPP" (Maximum Power Point) bei der eine Solarzelle die maximale Energie liefert und das ist immer ein Kompromiss zwischen maximalem Kurzschlussstrom und maximaler Leerlaufspannung. Die Spannung einer unbelasteten Solarzelle ist abhängig vom Licht oft viel zu hoch. Ohne Regelung und bei vollem Akku würde ein ESP sterben.

All digital IO pins are protected from over-voltage with a snap-back circuit connected between the pad and ground. The snap back voltage is typically about 6V, and the holding voltage is 5.8V. This provides protection from over-voltages and ESD. The output devices are also protected from reversed voltages with diodes.
Quelle: https://www.adafruit.com/images/product-files/2471/0A-ESP8266__Datasheet__EN_v4.3.pdf)) 

Ein Regler hat aber auch einen Eigenverbrauch und Ruhestrom. Er muss den Akku schützen, wobei ein LiPo-Akkus selbst nur 3,7V liefert aber mit bis zu 4,2 Volt geladen werden kann. Daher darf Solarzelle, Akku und ESP nicht direkt verbunden werden.

Eine LiPo Zelle darf nicht tiefentladen werden. NiCD und NiMH-Akkus waren das deutlich toleranter. Aber normale LiPo-Akkus halten recht gut ihre Spannung bis kurz vor Schluss. Für den ESP ist also eher der Start mit "Überspannung" und natürlich eine ungefilterte Ladespannung gefährlich.


Quelle: https://www.rclineforum.de/forum/board49-zubeh%C3%B6r-elektronik-usw/board53-akkus-ladeger%C3%A4te/319473-lipo-welche-spannung-entspricht-welchem-f%C3%BCllstand/

Zum Ende zu wird der ESP natürlich unter 3,3 Volt die Arbeit einstellen. Das bedeutet aber nicht, dass er dann keinen Strom mehr bezieht. Eine aktive Abschaltung bei Unterspannung ist weiterhin notwendig.

Zum Glück gibt es fertige Bausteine, die auf der einen Seite die Ladung von LiPo-Akkus mit Solarzellen oder anderen Quellen für kleines Geld erlauben und den Akku vor Überladung sichern. Auf der anderen Seite brauchen wir aber einen LowDrop Spannungsregler, der den ESP vor den höheren Ladespannungen schützt. Natürlich sollte der Laderegler auch Tiefentladungen verhindern, indem der Verbrauche notfalls ganz abgeschaltet wird. Wenn dann noch die Akku-Spannung durch den ESP (z.B. Analogport A0) gemessen werden kann, wäre das System komplett.

Aufgrund der niedrigen Kosten wird es aber oft auf einen Kompromiss hinaus laufen. Die Überspannung eines ESP könnte über einen Z-Diode gesichert werden, die aber keine Tiefentladung verhindert. Das wäre dann der Job des Laderegler. Wenn Sie aber all die "Gartenleuchten" mit LED und Solarzellen anschauen, dann ist es wohl gelebte Praxis, hier weniger perfekt zu arbeiten.

Nicht alle LiPo Lader habe auch einen Tiefentladeschutz, der für LiPo-Zellen aber genauso wichtig ist, wie der Überladeschutz.  Es gibt aber auch LiPo-Zellen, die schon direkt einen Überladeschutz und Tiefentladeschutz eingebaut haben. Wir brauchen dann aber immer noch eine Spannungsregelung für den ESP.

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