Energie aus free@home-bus entnehmbar?

[Stefan R. (stefan103)]

Hallo Zusammen,

aus einem bestehenden free@home-Bus möchte ich gerne Energie zur 
Versorgung von ESP32 Boards entnehmen.
Kann ich DC-DC Wandler (mit/ohne Tiefpass) über den Bus speisen ohne 
free@home zu stören?

Mehr Informationen:

Das System von Busch und Jäger arbeitet mit 30VDC.
Von den 4 Adern des verlegten Bus-Kabels verwendet der Bus nur 2 Adern, 
da Energie und Daten gemeinschaftlich über nur ein Paar übertragen 
werden.
An diesem System hängen die Rollläden.

Nun soll das Haus smarter werden.
Dazu sollen ESP32 Boards in Unterputzdosen verbaut werden.
Diese sollen in einem zweiten Bussystem via CAN-Bus*1 mit einem 
Raspberry Pi kommunizieren. Die Daten sollen über das verbleibende 
Adernpaar übertragen werden.
Zur Versorgung der ESP32 Boards möchte ich DC-DC Wandler verwenden.

Noch mehr Informationen:

Den Strombedarf*2 eines ESP32 Boards schätze ich ganz grob auf 0,2mA.

Auf Wifi, BT, Z-Wave und weitere Busch und Jäger Komponenten soll nach 
Möglichkeit verzichtet werden.

Eingänge am ESP32: Lichtschalter, Rollladenschalter, Bewegungsmelder 
(via Interrupt). Eventuell auch Temperatur und Luftfeuchtigkeit (Update 
nur bei großen Änderungen).

Das Licht soll über Installationsrelais in einem Kleinverteiler, der 
auch das Raspberry Pi beherbergt, geschaltet werden. Dies ist möglich da 
die Lichtkreise von den Steckdosenkreisen getrennt verlegt wurden.

*1 - CAN-Bus mit ESP32: 
https://lastminuteengineers.com/esp32-can-bus-tutorial

*2 - Energiebedarf ESP32: 
https://www.elektronikpraxis.de/ultra-low-power-management-des-esp32-fuer-wifi-iot-module-nutzen-a-738971

Vorab vielen Dank,
Stefan

[Rainer W. (rawi)]

Stefan R. schrieb:
> Den Strombedarf*2 eines ESP32 Boards schätze ich ganz grob auf 0,2mA.

Worauf basiert deine Schätzung? Auf solche Werte kommst du nur in 
bestimmten Sleep Modi.

Für den aktiven Betriebszustand liest man bei WiFi-Betrieb Werte von 
400mA während der Sendung. Der Strombedarf eines ESP32 hängt sehr stark 
vom Betriebszustand ab.

Für den Betrieb eines Systems musst du Stromaufnahme und mittleren 
Strombedarf auseinander halten. Dazwischen muss ein Pufferspeicher 
liegen, also z.B. ein Akku.

[Stefan R. (stefan103)]

Rainer W. schrieb:
> Stefan R. schrieb:
>> Den Strombedarf*2 eines ESP32 Boards schätze ich ganz grob auf 0,2mA.
>
> Worauf basiert deine Schätzung? Auf solche Werte kommst du nur in
> bestimmten Sleep Modi.
>
> Für den aktiven Betriebszustand liest man bei WiFi-Betrieb Werte von
> 400mA während der Sendung. Der Strombedarf eines ESP32 hängt sehr stark
> vom Betriebszustand ab.
>
> Für den Betrieb eines Systems musst du Stromaufnahme und mittleren
> Strombedarf auseinander halten. Dazwischen muss ein Pufferspeicher
> liegen, also z.B. ein Akku.

Hallo Rainer,

die Schätzung basiert auf diesem Artikel.
https://www.elektronikpraxis.de/ultra-low-power-management-des-esp32-fuer-wifi-iot-module-nutzen-a-738971

Also wie du schon sagst in bestimmten Sleep Modi.

WiFi soll nicht verwendet werden. Die ESP32 Boards sollen bei 
Statusänderung per CAN mit einem Raspberry Pi kommunizieren.

Die ESP32 Boards sollen nicht von einem Akku versorgt werden sondern 
über den bereits bestehenden Bus von Busch und Jäger (free@home).

Hierzu ist meine Frage ob ich DC-DC Wandler über den Bus speisen kann 
ohne free@home zu stören?

[Sherlock 🕵🏽‍♂️ (rubbel-die-katz)]

Stefan R. schrieb:
> Den Strombedarf*2 eines ESP32 Boards schätze ich ganz grob auf 0,2mA.

Ganz grob .... haha

Tatsächlich musst du mindestens 500mA bereit stellen. Lies mal das 
Datenblatt und die Hardware Design Guidelines des Herstellers.

Wenn du nur wenige mA zur Verfügung hast, musst du auf ganz andere 
Mikrocontroller setzen. Zum Beispiel ATmega oder STM32L0.

[Stefan R. (stefan103)]

Sherlock 🕵🏽‍♂️ schrieb:
> Stefan R. schrieb:
>> Den Strombedarf*2 eines ESP32 Boards schätze ich ganz grob auf 0,2mA.
>
> Ganz grob .... haha
>
> Tatsächlich musst du mindestens 500mA bereit stellen. Lies mal das
> Datenblatt und die Hardware Design Guidelines des Herstellers.
>
> Wenn du nur wenige mA zur Verfügung hast, musst du auf ganz andere
> Mikrocontroller setzen. Zum Beispiel ATmega oder STM32L0.

Hallo Sherlock,

meine Annahme basiert auf den Messungen von elektronikpraxis.
Selbst nachmessen konnte ich es noch nicht.
Welche Stromaufnahme konntest du denn beim ULP-Coprozessor ermitteln?

Aktuell stehen 19W zur Verfügung. Dies lässt sich aber natürlich mit 
potenteren Schienennetzteilen nach oben korrigieren.

Die Frage ist ob ich an den bestehenden free@home-Bus DC-DC Wandler (zum 
speisen der ESP32 Boards) anschließen kann, ohne das der free@home-Bus 
davon gestört wird.

[Sherlock 🕵🏽‍♂️ (rubbel-die-katz)]

Stefan R. schrieb:
> Welche Stromaufnahme konntest du denn beim ULP-Coprozessor ermitteln?

Ich habe den ESP32 nicht ausgemessen, sondern stütze mich wie gesagt auf 
die Doku des Herstellers. Die wird schon stimmen.

Du musst deine Schaltung auf die maximale Stromaufnahme auslegen, sonst 
kann dein ULP Prozessor nicht mal starten.

> Die Frage ist...

Keine Ahnung, dazu kann ich nichts sagen.

[H. H. (hhinz)]

Stefan R. schrieb:
> Die Frage ist ob ich an den bestehenden free@home-Bus DC-DC Wandler (zum
> speisen der ESP32 Boards) anschließen kann, ohne das der free@home-Bus
> davon gestört wird.

Ja, das geht, aber es muss eine Drossel dazwischen, sonst leidet das 
aufmodulierte Signal.

[Stefan R. (stefan103)]

H. H. schrieb:
> Stefan R. schrieb:
>> Die Frage ist ob ich an den bestehenden free@home-Bus DC-DC Wandler (zum
>> speisen der ESP32 Boards) anschließen kann, ohne das der free@home-Bus
>> davon gestört wird.
>
> Ja, das geht, aber es muss eine Drossel dazwischen, sonst leidet das
> aufmodulierte Signal.

Hallo und vielen Dank für deine Antwort.

Wenn ich dich richtig verstehe sprichst du hier nicht von einem Tiefpass 
2. Ordnung, sondern lediglich von einer in Reihe liegenden Spule zur 
Dämpfung der hohen Frequenzen (= Daten)!?

Ist die Frequenzermittlung mittels Oszi zur Ermittlung der Induktivität 
zwingend notwendig? Oder gibt es für meine Anwendung ein best practice? 
(Vielleicht auch aus dem Bereich PoE?)

[Matthias S. (dachs)]

Stefan R. schrieb:
> Hallo und vielen Dank für deine Antwort.

Nu hat endlich jemand die Antwort gegeben, die er haben wollte.

[H. H. (hhinz)]

Stefan R. schrieb:
> Oder gibt es für meine Anwendung ein best practice?

In einem der Geräte von BJ nachsehen.

[Stefan R. (stefan103)]

Dieser Post enthält keine Frage. Über gefundene Fehler freue ich mich 
natürlich.

Die nachfolgende Berechnung der Spule enthält leider viele Annahmen.

Die Frequenz des free@home-Bus konnte ich bisher weder messen noch 
nachlesen.
Ich nehme an, dass die Frequenz bei wenigstens 10kHz liegt.

Das ESP32 wird sich im Modem-Sleep, Light-Sleep, oder Deep-Sleep 
befinden. Dabei wird es einen Strom zwischen 10µA und 20mA*1 benötigen.

Der TJA1050 CAN bus transceiver benötigt 5mA*2.

Der Wirkungsgrad des DCDC-Wandlers sei angenommen mit 0,85.

L ≥ 68mH (Berechnung anbei)

Es folgt die Berechnung des maximalen Stroms der bei 5V genutzt werden 
kann. Basierend auf Werten einer konkreten Spule. Diese Induktivität*3 
mit 68mH hat 52,8Ω und erlaubt bis zu 110mA.

I_max5V = 452mA (Berechnung anbei)

Dies sollte (mit Pufferkondensator) selbst bei Spitzen immer genügend 
Strom für ESP32 und TJA1050 sein. (Zur Erinnerung: Wifi und BT sind 
permanent deaktiviert.)

*1 – Energiebedarf Sleeping-ESP32:

https://lastminuteengineers.com/esp32-sleep-modes-power-consumption/

*2 - Energiebedarf TJA1050 CAN bus transceiver:

https://www.mouser.de/ProductDetail/NXP-Semiconductors/TJA1050T-CM118?qs=5XOdhvmYM0NFFspw0VP5sA%3D%3D

*3 – Induktivität 68mH:

https://www.mouser.de/ProductDetail/Delevan/4590R-686J?qs=M8zUmdy7pClz%252B6Ch2svYwQ%3D%3D

[H. H. (hhinz)]

Stefan R. schrieb:
> 
https://www.mouser.de/ProductDetail/Delevan/4590R-686J?qs=M8zUmdy7pClz%252B6Ch2svYwQ%3D%3D

Bei 110mA ist die schon weitgehend in Sättigung. Und mit über 600mW 
Verlustleistung wird sie auch ziemlich warm.

[Stefan R. (stefan103)]

H. H. schrieb:
> Stefan R. schrieb:
>>
> 
https://www.mouser.de/ProductDetail/Delevan/4590R-686J?qs=M8zUmdy7pClz%252B6Ch2svYwQ%3D%3D
>
> Bei 110mA ist die schon weitgehend in Sättigung. Und mit über 600mW
> Verlustleistung wird sie auch ziemlich warm.

Danke, das ist ein guter Hinweis, dass Sättigung und Temperatur bei 
110mA durch die Spule ein Problem werden. Die von mir berechnet 452mA 
Maximalstrom bei 5V sollten nicht abgerufen werden.

Mit 10mA bei 5V erwarte ich aktuell (10mA * 5V)/(0,85 * 30V) = 2mA durch 
die Spule.

[Stephan (stephan_h623)]

Stefan R. schrieb:
> Mit 10mA bei 5V erwarte ich aktuell (10mA * 5V)/(0,85 * 30V) = 2mA durch
> die Spule.

Die 10mA braucht unter Umständen schon alleine der oftmals lausigste 
Spannungsregler auf den Dev-Boards.
Deine ursprünglich genannten 0.2mA lassen sich vielleicht mit dem 
nackigen ESP im Deep Sleep, ohne PSRAM, Uart-Bridge und sonstige externe 
Komponenten erreichen.
Ich würde da eher mit 50mA+ auf der 5V-Schiene mit Datenübertragung 
rechnen.

Als erstes solltest du die Frequenz des BJ-Systems klären. 68mH bei 10 
Nodes und 10kHz dürften noch grob ok sein. Mehr wäre besser. 100kHz wäre 
sehr viel entspannter.

Notwendige Strombelastbarkeit der Induktivitäten hängt auch vom 
BJ-System ab. Beim Start, z.B. nach Stromausfall ziehen die ESP evtl. 
deutlich mehr Strom. Im Betrieb würden vermutlich 10mA 
Strombelastbarkeit für die Nodes auf der 30V-Schiene reichen.
Wenn dem BJ-System kurze Kommunikationsstörungen egal sind muss man 
nicht unbedingt auf die max. Stromaufnahme designen. Wenn das System 
penibel ist geht's evtl. beim Start schon auf Störung.

[Stefan R. (stefan103)]

Wäre es nicht schlauer auf einen LC-Tiefpass zu wechseln?

Im Vergleich zur reinen Spulen-Variante ist das günstiger, leichter zu 
beschaffen und kleiner. Zugleich kann die Temperatur gesenkt, die 
Sättigung vermieden und die Strombelastbarkeit erhöht werden.

Meine Annahme zur kleinstmöglichen Frequenz muss ich nach unten 
korrigieren. Mit einer vermutlich nahen Verwandtschaft zu KNX mit seinen 
9600 Bit/s und einem Pegelwechsel nach spätestens 6 gleichen Bits 
(Bit-Stuffing). Gehe ich nun von 9600/6s = 1600Hz aus.

Anmerkung zur Messung der Frequenz: Die Impuls bzw. Pausendauer werde 
ich in den kommenden Tagen messen. Jedoch kenne ich damit noch nicht das 
Bit-Stuffing von free@home.

Ich nehme an, der Tiefpass muss vor Resonanzkatastrophe geschützt 
werden. Daher reduziere ich die Grenzfrequenz um den Faktor 3 auf 
1600Hz/3 = 533Hz.

Wenn ich den Kondensator einfach mal auf 1000µF (50V) festlege, ergibt 
sich für die Spule 1/((2  π  533Hz)² * 1000µF) = 89µH.

Hier würde ich eine Induktivität wählen die einen Strom um 1A erlaubt. 
Da das verbaute BJ Hutschienennetzteil nur 630mA liefert, sollte die 
Spule fein raus sein.

[H. H. (hhinz)]

Stefan R. schrieb:
> Wäre es nicht schlauer auf einen LC-Tiefpass zu wechseln?

Den Kondensator hats am Eingang des Reglers dann eh.


> Im Vergleich zur reinen Spulen-Variante ist das günstiger, leichter zu
> beschaffen und kleiner. Zugleich kann die Temperatur gesenkt, die
> Sättigung vermieden und die Strombelastbarkeit erhöht werden.

Du hast nicht verstanden um was es geht.

[Stefan R. (stefan103)]

Wie versprochen eine Messung vom Busch Jäger Bus free@home inkl. erster 
Analyse.

Impulsdauer = 68 µs

Pausendauer = 36 µs

Periodendauer = 104 µs

Übertragungsgeschwindigkeit 9600 Bit/s (= 9600 Baud, wie auch KNX!)

Frequenz maximal = 9600 Baud / 2 = 4800 Hz

Spannender fürs Filtern ist natürlich die minimale Frequenz. Leider weiß 
ich von diesem proprietären (und undokumentierten!?) Bus nicht, wie 
viele gleiche Bits aufeinanderfolgend übertragen werden dürfen. Ich kann 
höchstens die maximale Anzahl aus den von mir aufgenommenen 
Oszillogrammen ablesen und daraus die minimale Frequenz ableiten.

Gleichspannungsanteil = 30 VDC (Offset, Energie aus Netzteil)

Wechselspannungsanteil = +/- 7 VAC (Daten)