{"id":3243,"date":"2023-01-31T20:35:00","date_gmt":"2023-01-31T19:35:00","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=3243"},"modified":"2024-07-03T01:10:58","modified_gmt":"2024-07-02T23:10:58","slug":"esp8266-esp-01s-im-batterie-betrieb-ein-vergleichstest","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/esp8266-esp-01s-im-batterie-betrieb-ein-vergleichstest\/","title":{"rendered":"ESP8266 ESP-01S im Batterie-Betrieb – ein Vergleichstest"},"content":{"rendered":"

Der ESP-01S, eine besonders kleine Variante eines ESP8266-Breakouts, eignet sich f\u00fcr „Ad-Hoc-Aufgaben“ durchaus f\u00fcr den Batteriebetrieb. Im Rahmen der Untersuchungen zur Heizungsoptimierung<\/a> zeigten sich interessante M\u00f6glichkeiten …<\/em><\/p>\n

31.01.2023, kosmetische Revision 02.07.2024<\/p>\n

Messaufbau<\/h2>\n

Als Messaufbau (Abb. 1) diente die Temperatur\u00fcberwachung einer gas-Zentralheizung. Dazu misst der ESP8266 (ESP-01S) mit zwei Temperatursensoren DS18B20 alle 20 Sekunden Temperaturen und \u00fcbertr\u00e4gt diese \u00fcber https an einen Webservice. Im Loop wird zwischen den \u00dcbertragungen das WLAN ausgeschaltet, irgend eine Art des deep sleep ist nicht eingerichtet.<\/p>\n

Der ESP-01S vertr\u00e4gt nur Spannungen bis knapp unter 4 Volt und hat keinen Spannungsregler an Bord. Daher versorgt eine kleine Schaltung mit einem Linearregler den ESP mit 3,3 Volt.<\/p>\n

Aus den Mitschnitten der Temperaturwerte im Internet kann nun die Betriebsdauern mit unterschiedlicher Batterieversorgung bestimmt werden.<\/p>\n

\"Bild<\/a><\/p>\n

Abb.1: Foto des Messaufbaus<\/p>\n

Testf\u00e4lle<\/h2>\n

Folgende Testf\u00e4lle wurden untersucht bzw sind geplant:<\/p>\n

    \n
  1. 4 AA Batterien eines Discounters (Startspannung 6 Volt)<\/li>\n
  2. 3 AA Batterien eines Discounters\u00a0 (Startstpannung 4,5 Volt)<\/li>\n
  3. 2 AA Batterien eines Discounters (Startspannung 3 Volt)<\/li>\n
  4. 4 AA NIMH Akkus 1200 mAh (no name, Startspannung knapp \u00fcber 5 Volt)<\/li>\n
  5. 3 AA NiMH Akkus 1200mAh (no name, Startspannung knapp unter vier Volt)<\/li>\n
  6. 2 AA NiMH Akkus 1000mAh (no name, Startspannung etwa 2,6 Volt)<\/li>\n
  7. 2 AAA Batterien mit einem ESP-12E<\/li>\n<\/ol>\n

    Anmerkung zum Testfall 7:<\/p>\n

    Dieser Testfall ist noch nocht abgeschlossen, zeigt aber Stand 30.06.2024 \u00fcberzeugende Ergebnisse. Eingesetzt wird ein ESP-12E auf einem Adapter-Board, so dass\u00a0 ein Pinabstand von 2,54 mm eingehalten wird. Der Aufbau ist eine Minimalbeschaltung, die zwei Batterien sind direkt mit VCC verbunden. Der ESP l\u00e4uft noch mit Spannungen bis hinunter zu 2,5V. Allerdings ben\u00f6tigen die daran angeschlossenen Temperatursensoren DS18B10 laut Datenblatt eine Mindestspannung von 3,0V. Im Testaufbau mit insgesamt drei Temperatursenosren DS18B20 fielen zwei der drei Sensoren aus bbei einer Gesamtbatteriespannung von 2,58V.\u00a0 Mit einem zus\u00e4tzlichen St\u00fctzkondensator\u00a0 von 330 Mikrofarad direkt an Versorgungsspannungs-Pin des ESP und einer Verringerung der Pullup-Widerst\u00e4nde von 4,7kOhm auf 3,3kOhm lie\u00df sich noch ein Weiterbetrieb erzwingen.<\/p>\n

    Messergebnisse<\/h2>\n

    Folgende Betriebsdauern wurden ermittelt:<\/p>\n

    Testfall Batt\/Akku. Anzahl   Betriebsdauer\/h\r\n1.       Batt.      4.        noch offen \r\n2.       Batt.      3.        79 (>3 Tage)\r\n3.       Batt.      2.         4\r\n4.       Akku.      4.        noch offen\r\n5.       Akku.      3         89 (>3 Tage)\r\n6.       Akku.      2.         6 (Fehlmessungen!)\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n<\/pre>\n
     <\/p>\n
    Fazit<\/h2>\n
    Mit drei Batterien eines Discounters kann ein ESP-01S mehr als drei Tage betrieben werden. F\u00fcr Messungen, die sporadisch erfolgen sollen, ist das eine probate Energieversorgung.<\/p>\n
    Ein Betrieb mit Akkus ist auch m\u00f6glich. Nachteil ist, dass bei drei Akkus einer tief entladen (0,4 Volt) und damit gesch\u00e4digt wird. Hier ist ein Betrieb mit Wegwerfbatterien wirtschaftlicher und vermutlich auch \u00f6kologischer.<\/p>\n
    Ein Betrieb mit zwei Akkus oder Batterien ist m\u00f6glich, allerdings nicht lange.<\/p>\n
    ToDo<\/h2>\n
    Die Messreihe ist noch mit 4 Batterien oder Akkus zu komplettieren. Ich erwarte allerdings keine deutliche Verl\u00e4ngerung der Laufzeit.<\/p>\n
    Ein kl\u00fcgeres Energiemanagement (deep sleep) zwischen den Messungen sollte die Betriebsdauer deutlich erh\u00f6hen, allerdings kann der ESP-01S ohne Modifikationen nicht in den deep sleep versetzt werden<\/p>\n
    Glossar<\/h2>\n
    Deep Sleep<\/h3>\n
    Deep Sleep ist ein Energiesparmodus f\u00fcr Mikrocontroller. In diesem Modus wird der Mikrocontroller in einen Zustand versetzt, in dem er fast keine Energie (z.B. 1 MikroAmpere bei 3,3 Volt) verbraucht. Dies ist n\u00fctzlich, wenn das Ger\u00e4t f\u00fcr einen l\u00e4ngeren Zeitraum nicht verwendet wird und die Batterie geschont werden soll. Wenn ein externes Ereignis wie ein Tastendruck oder ein Signal von einem Sensor auftritt, wird der Mikrocontroller aus dem Deep Sleep aufgeweckt und kann weiterarbeiten. Es gibt auch M\u00f6glichkeiten, den Deep Sleep zeitgesteuert zu beenden. Auf diese Weise kann ein Ger\u00e4t mit begrenzten Energieressourcen (Akkubetrieb …) l\u00e4nger betrieben werden.<\/p>\n
    DS18B20<\/h3>\n
    Der DS18B20 ist ein digitaler Temperatursensor. Im Gegensatz zu analogen Temperatursensoren, die ein analoges Spannungssignal ausgeben, das proportional zur gemessenen Temperatur ist, oder die ihren elektrischen Widerstand mit der Temperatur \u00e4ndern, gibt der DS18B20 ein digitales Signal aus, das z.B. von einem Mikrocontroller wie dem ESP8266 oder einem Kleincomputer wie dem Raspberry Pi einfach ausgelesen werden kann. Das Anschlusskabel auf eine Entfernung von mehreren 10 Metern verl\u00e4ngert werden. Der DS18B20 verwendet eine Dallas-1-Wire-Schnittstelle, was bedeutet, dass mehrere Sensoren an einem einzigen Datenpin und an einem einzigen Datenkabel angeschlossen werden k\u00f6nnen. Der DS18B20 kann in einer breiten Spannweite von -55 bis +125 Grad Celsius verwendet werden und bietet eine hohe Genauigkeit von \u00b10,5 Grad Celsius. Er ist preiswert und gut beschaffbar und eignet sich daher besonders f\u00fcr Selbstbau (DIY) Projekte.<\/p>\n
    ESP-01S<\/h3>\n
    Der ESP-01S ist ein presiwertes Microcontroller-Breakout mit integriertem Wi-Fi-Modul, des auf dem ESP8266-Microcontroller basiert. Er verf\u00fcgt \u00fcber einen 80 MHz Prozessor, einen 512 KB Flash-Speicher und einen 32 KB SRAM. Mit seiner geringen Gr\u00f6\u00dfe und seiner F\u00e4higkeit, mit einer Vielzahl von Ger\u00e4ten \u00fcber Wi-Fi zu kommunizieren, eignet er sich gut f\u00fcr IoT-Anwendungen und Projekte, die eine einfache Konnektivit\u00e4t \u00fcber WLAN ben\u00f6tigen. Im Gegensatz zu den gr\u00f6\u00dferen Modellen ist bei ESP-01S kein analoger Anschluss herausgef\u00fchrt. Es k\u00f6nnen also nur digitale Sensoren angeschlossen werden.<\/p>\n
    ESP8266<\/h3>\n
    Der ESP8266 ist ein Mikrocontroller mit integriertem WLAN, der f\u00fcr IoT-Anwendungen<\/a> entwickelt wurde. Es verf\u00fcgt \u00fcber eine integrierte 802.11b \/ g \/ n-Funktionalit\u00e4t und eine 32-Bit-CPU, die es erm\u00f6glicht, Netzwerkanwendungen und -prozesse direkt auf dem Ger\u00e4t auszuf\u00fchren. Der ESP8266 kann einer Vielzahl von Entwicklungsplattformen und Programmiersprachen arbeiten, was ihn zu einer g\u00e4ngigen Wahl f\u00fcr DIY- und kommerzielle IoT-Projekte macht. Viele Anleitungen gibt es zur Programmierung in C mit der Arduino-IDE. Der ESP8266 kann auch in Micro-Python programmiert werden.<\/p>\n
    Linearregler<\/h3>\n
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    Ein Linearregler ist ein elektronisches Bauteil, das verwendet wird, um eine elektrische Spannung auf einen gew\u00fcnschten Wert (oft 5 Volt oder 3,3 Volt) zu regulieren. Er arbeitet auf der Basis eines linearen Regelungsmodells und verwendet Feedback, um eine Abweichung zwischen dem gew\u00fcnschten und dem tats\u00e4chlichen Wert zu messen und dann entsprechende Korrekturma\u00dfnahmen zu ergreifen. Linearregler haben gegen\u00fcber einem Spannungswandler (DC-DC-Wandler) dann einen Vorteil, denn der Strom \u00fcber l\u00e4ngere Zeitr\u00e4ume sehr niedrig ist.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n
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    NiMH-Akku<\/h3>\n
    Ein NiMH-Akku (Nickel-Metallhydrid-Akku) ist ein wiederaufladbarer Akku. Im Gegensatz zu Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) enth\u00e4lt NiMH kein Cadmium, was sie (etwas) umweltfreundlicher macht. NiMH-Akkus haben eine h\u00f6here Energiedichte als NiCd-Akkus und k\u00f6nnen mehr Energie speichern. Die Energiedichte ist geringer als bei Lithium-Akkus. Sie wurden h\u00e4ufig in elektronischen Ger\u00e4ten wie Digitalkameras, tragbaren CD-Spielern etc. verwendet.<\/div>\n<\/div>\n
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    Weiterlesen<\/h2>\n
    Raspilab Wetterstation dritte Mission Temperatur messen mit dem DS18B20<\/a><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n
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    St\u00fctzkondensator am ESP8266 und ESP23<\/h4>\n
    Ein ausf\u00fchrliche Erkl\u00e4rung zum ESP32, die sich so auch f\u00fcr den ESP8266 gilt, findet man unter folgendem Link: https:\/\/arduino-hannover.de\/2018\/07\/25\/die-tuecken-der-esp32-stromversorgung\/<\/a><\/p>\n
    Hier ist im Folgenden eine eine stark gek\u00fcrzte Fassung wiedergegeben:\u00a0 Ein ESP32 ben\u00f6tigt ohne aktiven WLAN-Betrieb 50-70 mA, im WiFi-Betrieb geht der Stromverbrauch\u00a0 bis auf etwa 80-170 mA [im Mittel] hoch. Im WiFi-Betrieb werden beim Senden\u00a0 bis zu 400 mA und mehr gebraucht, allerdings nur f\u00fcr wenige Millisekunden. F\u00e4llt die Spannung dann unter einen Wert von 2,55 Volt, st\u00fcrzt der ESP32 (oder auch der ESP8266) ab. Ein Unterschreiten der Spannung f\u00fcr weniger als eine Millisekunde reicht schon f\u00fcr einen Absturz aus. Sind die Zulaitungen f\u00fcr die Stromversorgung d\u00fcnn, so kann durch den hohen Strom ein Spannungsabfall auf unter der notwendigen Betriebsspannung erfolgen.Beim WiFi-Empfang sieht es deutlich besser aus. Das ist aber auch dadurch bedingt, dass beim Empfang weniger Strom ben\u00f6tigt wird als beim Senden. Ein Teil der L\u00f6sung der Stabilit\u00e4tsprobleme ist die Verwendung von dickeren Zuleitungskabeln. Eine weitere M\u00f6glichkeit ist die Pufferung der Betriebsspannung mit zwei Kondesnatoren: Einen 47-\u00b5F-Tantalkondensator, der direkt am ESP32-Modul zu den Pins VDD\/GND parallel geschaltet wird. Dieser ist in der Lage, die geforderten Stromspitzen schneller als der LDO-Regler (beim Modell mit Spannungsregler) zu liefern. Zus\u00e4tzlich zum Tantalkondensator gibt es dann noch die M\u00f6glichkeit, einen gro\u00dfen Low-ESR-Elektrolytkondensator mit einer Kapazit\u00e4t von 470 \u00b5F bis 2000 \u00b5F zu verwenden. Der Elko ist dann in der Lage, den Tantal nachzuladen, womit die Spannungsversorgung weiter stabilisiert wird.<\/p>\n
    Anmerkung: Ich verzichte auf den Tantalkondensator und verwende lediglich einen 330 Mikrofarad Elektrolytkondensator. Bisher hat das in allen von mir untersuchten Anwendungsf\u00e4llen gen\u00fcgt. Ein vergleichbares Problem ergibt sich im \u00dcbrigen beim Betrieb eines SIM800L Mobilfunkmoduls, das beim GPRS-Aufbau Stromspitzen bis 2A erzeugt. Hier sind Elkos bis zu 2200 Mikrofarad erforderlich.<\/p>\n
    Dass die Spannungsversorgung ein Hautproblem des ESP sein k\u00f6nnte, lasst sich auch aus dem folgenden Blogbeitrag auf https:\/\/www.esp8266.com\/viewtopic.php?p=71144<\/a> schlie\u00dfen. De Beitrag habe ich \u00fcbersetzt:
    \n„Der ESP8266 verzeiht nicht viel, wenn Sie ihn mit zu wenig Strom versorgen. Stromversorgungsprobleme k\u00f6nnen Sie in den Wahnsinn treiben, wenn Sie versuchen, die Ursache zu finden, wenn Sie glaubten, dass es ein Codeproblem war. Ich denke, als die ESP8266-Module entwickelt wurden, war der Gedanke, dass sie in ordnungsgem\u00e4\u00df konzipierten Systemen mit angemessener Stromversorgung und Signalaufbereitung eingesetzt werden w\u00fcrden. Und das ist bei weitem nicht der Fall, wenn es um den Bastlermarkt geht. Der ESP8266 wird als stromsparender Chip angepriesen. Und das ist unter bestimmten Bedingungen auch richtig. Aber es gibt andere Betriebszust\u00e4nde, in denen er eine Menge Strom ben\u00f6tigt. (z.B. Selbstkalibrierung)
    \nSp\u00e4tere Revisionen einiger Module enthielten intern mehr Kapazit\u00e4t, um die Stromprobleme zu l\u00f6sen. Sie sind besser, aber man muss immer noch vorsichtig sein, wenn man Stabilit\u00e4t und Zuverl\u00e4ssigkeit will.“<\/p>\n
    <\/p>\n
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