ich wende mich an die Expertenrunde hier im Forum mit einer Frage zur Batterieversorgung des ESP32 (C3/C2). Bisher habe ich drei AA-Batterien in Kombination mit einem LDO verwendet, um meinen ESP32 zu betreiben. Mit den Ergebnissen bin ich bisher aus folgenden Gründen nicht zufrieden:
Platzbedarf der Batterien – Externes Gehäuse oder ungemütliche Unterbringung auf dem PCB
Trotz niedrigem Energiebedarf (kleiner 50 µA) mittels Software- und Hardwareoptimierungen bin ich mit dem Wirkungsgrad und der Laufzeit unzufrieden
Ich setze die Module für den Betrieb von E-Paper Displays ein, die mittels TCP API von einem zentralen Server mit Bildern gefüttert werden. Wi-Fi ist also ein Muss.
Ich habe bereits im Voraus mehrere Beiträge und Artikel gelesen habe allerdings nicht wirklich Fortschritte erzielt.
Meine Hauptanliegen sind die Effizienz der Energieversorgung und die Maximierung der Batterielebensdauer. Ich würde gerne erfahren, welche Bauteile und Zelltypen Ihr verwendet! Vielleicht hat bereits jemand einen goldenen Kompromiss gefunden?
Ein LP2950 LDO braucht so 75-100µA, AA hat 2000mAh. Zusammen mit den
50µA Last hält das bestimmt 1,5 Jahre.
Mit einem Satz von drei Zellen sollte mindestens ein Betrieb von zwei Jahren realisiert werden.
Der LP2950/51 ist ein interessantes Bauteil scheidet allerdings schon wegen des Ausgangsstromes von 100 mA aus. Die ESPs brauchen auch mit Softwareoptimierungen (Start des Wi-Fi Moduls ohne Netzwerkscan) mindestens 150~250 mA in der Spitze. Ein Elko am Ausgang oder vergleichbare Bastellösungen möchte ich ausschließen.
Die Laufzeit hängt doch erheblich vom Intervall ab in dem Wifi eingeschaltet wird, das ist der Stromfresser. Bei 1-2 mal am Tag Infos zum darstellen holen wird die Batterie deutlich länger halten als ständige Bereitschaft oder pollen im Minutentakt.
Ich habe eine LiFePO4-Zelle mit 280Ah am ESP32.
Wielange sie halten wird, kann ich noch nicht abschätzen.
Die Selbstentladung wird da wohl eher ein Problem werden.
Warum 3x AA? 2x 1.5V Primärzellen ohne LDO verbrauchen auch nichts wenn nichts verbraucht wird.
Persönlich nehme ich nur noch 3.2V LiFePo4 eine AA Zelle für solchen Sensor Kram. Brauch auch kein LDO und liefert von 3.3V bis 3.0V fast die gesamte Kapazität der Zelle.
Bei 2.9V wird komplett abgeschaltet um die Zelle zu schützen.
Ich hatte in meiner initialen Frage mehr an „was geht“ als „was muss“ gedacht um die Vielfalt der Vorschläge nicht auf einen spezifischen Fall einzugrenzen. Allerdings verstehe ich, dass konkrete Antworten auf undetaillierte Fragen sich nicht in Einklang bringen lassen. Bitte an dieser Stelle um Absolution. :)
Eine einlötbare AA Lithiumzelle braucht nur 1/3 vom Platz.
Super! Die Dinger hatte ich gar nicht auf dem Schirm Footprint, Spannung und Kapazität scheinen vielversprechend. Allerdings verunsichert mich folgende Anmerkungen im Datenblatt: "Max.continuous current 50mA Max.Pulse Capability 100mA".
Ist eine nicht genannte Pulsbelastung jetzt die nächste Salamischeibe?
Ganz richtig, da wären wir wieder bei den Salamischeiben. Ich fasse, um den Diskurs zu vereinfachen also nochmal zusätzliche Spezifikationen für das aktuelle Projekt zusammen:
Empfohlene Betriebsspannung des/der Module (dem angehängten Bild zu
entnehmen): Min. 3.0, Typ. 3.3, Max. 3.6
Erfahrungsgemäßer Energiebedarf zur Laufzeit: Min. 50µA, Typ. 80mA, Max. 250mA
Langzeitbetrieb >2 Jahre geplant bedeutet eine geringe Selbstentladung der Zellen und ein niedriger Ruhestrom sind ein Muss.
Falls die Last nicht direkt mit 3,6V klar kommt, dazu einen 1µA LDO für
33ct der mit 20mV auskommt, fertig sind die stabilen 3,3V/51µA für 5
Jahre, falls die nächste Salamischeibe nichts anderes fordert.
Damit sind, wir denke ich bereits kurz vor dem Ziel. Allerdings bleiben ein paar kleine Punkte offen. Im Idealfall sollte der LDO im Äußersten mehr als 250 mA liefern können gleiches gilt für die Zellen. Zusätzlich wäre auch der Spannungsabfall bei den Zellen in Korrelation mit der Dropout-Spannung des Reglers zu bedenken.
Das kannst du so was von vergessen. Selbst mit einem Autoakku nicht.
Falsche Technik.
Ok, eine Erklärung warum dem so ist, wäre hilfreich damit ich AA-Batterien vielleicht dauerhaft ausschließen kann? Wenn nicht mit Batterien welche Technik ist dann für einen ausdauernden Betrieb geeignet?
Wie kommt ein ESP32 mit aktiviertem WLAN auf 50uA ? 80-170mA sind
üblich.
Bei den 50uA geht es um den Ruhezustand (Deep Sleep)
Eben. Also das was richtige uC mit <1uA schaffen.
So bald WLAN an ist, schläft er nicht mehr.
Michael B. schrieb:
Das kannst du so was von vergessen. Selbst mit einem Autoakku nicht.
Falsche Technik.
Ok, eine Erklärung warum dem so ist, wäre hilfreich damit ich
AA-Batterien vielleicht dauerhaft ausschließen kann? Wenn nicht mit
Batterien welche Technik ist dann für einen ausdauernden Betrieb
geeignet?
Ein WLAN-Gerät ist überhaupt nicht für Batteriebetrieb geeignet.
Entweder Netzversirgung, oder kein WLAN. Eventuell BLE aka BlueTooth low energy aber auch das hält nicht Jahre. Funk auf Empfang ist nun mal ein Stromfresser.
Nehmen wir also für weitere rein theoretische Überlegungen an, das Gerät
wacht nur einmal im Monat auf.
Dann die Stromaufname und Zeit messen und hier angeben. Notfalls mit Shunt und Speicheroszi.
Wunschbetriebszeit 2 Jahre. Bitte Details. Gehen Akkus und Solarzellen?
Gutes Preis/Leistungsverhältnis haben Alkali Monozellen mit 20Ah. Norma 1,89€/3?
Wunschbetriebszeit 2 Jahre. Bitte Details. Gehen Akkus und Solarzellen?
Gutes Preis/Leistungsverhältnis haben Alkali Monozellen mit 20Ah. Norma
1,89€/3?
Der Preis für die Komponenten ist nur peripher von Interesse, ob LDO, Tantals oder andere kostspielige Bauteile spielt erstmal keine Rolle.
Alles nach dem Motto „kleiner Formfaktor möglichst lange Laufzeit“.
Wenn ich richtig gerechnet habe, brauchst Du bei einem mittleren Verbrauch von 50 mA in zwei Jahren knapp 900 Ah. Bist Du sicher, dass Du das WLAN alle 20 Sekunden anschmeißen musst? Wie bereits mehrere geschrieben haben, ist das ziemlich sicher Dein Problem.
Wenn ich richtig gerechnet habe, brauchst Du bei einem mittleren
Verbrauch von 50 mA in zwei Jahren knapp 900 Ah. Bist Du sicher, dass Du
das WLAN alle 20 Sekunden anschmeißen musst? Wie bereits mehrere
geschrieben haben, ist das ziemlich sicher Dein Problem.
In der Messung habe ich zwei Zyklen manuell angestoßen. Das Display wacht nie alle 20 Sekunden auf, sondern ein mal im Monat.
Ich behalte den Gedanken mit den Caps im Hinterkopf. Meine Reaktion auf den ersten Vorschlag mit Li Primärzellen war ein bisschen zu recherchieren, dabei bin ich auf folgendes Modell gestoßen:
Zwei dieser Zellen im parallelen Betrieb sollten meine Anforderungen doch erfüllen können? Jetzt fehlt nur ein passender LDO, welcher die 3.6 V herunterregelt. Dafür könnte ich noch einen Vorschlag gebrauchen.
Zwei dieser Zellen im parallelen Betrieb sollten meine Anforderungen
doch erfüllen können? Jetzt fehlt nur ein passender LDO, welcher die 3.6
V herunterregelt. Dafür könnte ich noch einen Vorschlag gebrauchen.
Zwei der genannten parallel senken den Ri auf 1R5. Hoffentlich bleibt das über die Jahre.
Einen low ESR mit einigen mF würde ich auf jeden Fall einbauen.
Zwei dieser Zellen im parallelen Betrieb sollten meine Anforderungen
doch erfüllen können? Jetzt fehlt nur ein passender LDO, welcher die 3.6
V herunterregelt. Dafür könnte ich noch einen Vorschlag gebrauchen.
Im Datenblatt steht bei „IOUT = 250mA“ ist die Dropout-Spannung „Typ. 400 mV Max. 600 mV“. Vielleicht verstehe ich etwas falsch, aber damit gerate ich unter die Versorgungsspannung von 3.3 V, oder?
Wie bereits oben beschrieben ist eine
der Anforderungen, dass der LDO mindestens 250 mA liefern kann.
Ich empfehle wie Espressif, den Spannungsregler für mindestens 500 mA auszulegen. Es läuft sonst nicht langzeit-stabil.
Vielleicht verstehe ich etwas falsch, aber damit
gerate ich unter die Versorgungsspannung von 3.3 V, oder?
Ja ist so. Wobei der Chip auch mit etwas weniger Spannung stabil läuft. Der verwendete Flash Speicher ist da der begrenzende Faktor. Meine ESP8266 Module laufen mit 2,8 Volt stabil, darunter nicht mehr.
Ich dachte eher an eine Modellbezeichnung für einen LDO.
XC6220B331 oder HT7833
Ich finde den HT7833 eine traumhafte Wahl. Danke dafür! Jetzt muss ich nur noch eine Lib für KiCAD oder Eagle finden. :D Ist bekannt wo Footprint, 3D Model usw. auffindbar sind? Habe mir aufgrund der niedrigen Bestände mal 1000 Stk. bei LCSC gesichert.
Der Dropout ist aber ziemlich hoch bei diesem LDO.
Im aktuellsten Datenblatt vom Hersteller steht das der HT7833 lediglich 360 mV (typ.) braucht. Ist das denn besonders hoch? Wichtig ist mir in erster Linie der Ruhestrom (4 µA) und das eine Spannung am Eingang größer 7.2 V toleriert wird.
Im aktuellsten Datenblatt vom Hersteller steht das der HT7833 lediglich
360 mV (typ.) braucht. Ist das denn besonders hoch?
Du siehst ja selbst, dass der CX6220 deutlich weniger drop-out Spannung hat, aber nur maximal 6V verträgt. Für 4xAA Batteriehalter ist mir das zu knapp.
ich sehe das Problem in der verwendeten MCU. Ein vernünftiges batteriebetriebenes System auf Laufzeit hat eine Schaltung, die ohne Spannungsanpassungen über den gesamten Spannungsverlauf der Versorgung bestromt werden kann.
Dazu ist der ESP nicht in der Lage. Gleichzeitig ist WLAN nicht energiesparend, selbst der ESP unterstützt BLE.
Zusammenfassend sollst du einen anderen Chip nehmen, und je nach Auswahl dann auf BLE setzen, oder 433MHz o.Ä., oder LoRa. Entsprechend muss dann auch ein zentrales Brückengerät eingesetzt werden.
So ist auch ein Ruhestrom von <1µA möglich und die Sendezeiten verwenden weniger Strom und sind deutlich kürzer.
Allgemein empfehle ich auch die Einlesung in Budgetierung batteriebetriebener Geräte. Kurzum, was nützt dir x Ruhestrom, wenn du 1% der Zeit das 1000-fache des Ruhestromes verbrauchst?
Ich entwickle Software mit Golang, C++ und diversen Webstacks. Ein MCU muss in meinem Fall eine Softwareumgebung bieten, in die sich schnell eingearbeitet ist. Meine Augen und Ohren sind offen für Vorschläge!
Was ich schon mal eingesetzt habe war der Timer TPL5110 bzw. TPL5111.
Mit diesem Timer konnte ich die gesamte Schaltung ausschalten. Nach einer einstellbaren Zeit (max. 2 Std.) hat dann dieser Timer die Schaltung wieder aktiviert.
Während der Aus-Zeit hing nur der Timer mit einigen 10nA an der Batterie.
Hallo,
ich sehe das Problem in der verwendeten MCU.
Ich entwickle Software mit Golang, C++ und diversen Webstacks. Ein MCU
muss in meinem Fall eine Softwareumgebung bieten, in die sich schnell
eingearbeitet ist. Meine Augen und Ohren sind offen für Vorschläge!
Beste Grüße
Simon Lukas
Deine Umgebung ist weniger entscheidend, als was du machen möchtest.
Über Funk irgendwelche Bilder (Datengröße?) zu bekommen und zu einem ePaper Controller zu senden kann so ziemlich jede MCU über I2C oder SPI.
Da musst du deine Anforderungen schon genauer beschreiben als deine Entwicklungsumgebungspräferenz.
Bei so grober Beschreibung kann ich spontan empfehlen dich in den Portfolios von STM, Nordic, und WCH umzuschauen.
Es ist auch nicht aufgeschlüsselt worden, woraus sich der Ruhestrom zusammensetzt.
Der Dropout ist aber ziemlich hoch bei diesem LDO.
Im aktuellsten Datenblatt vom Hersteller steht das der HT7833 lediglich
360 mV (typ.) braucht. Ist das denn besonders hoch? Wichtig ist mir in
erster Linie der Ruhestrom (4 µA) und das eine Spannung am Eingang
größer 7.2 V toleriert wird.
Wo kommen denn jetzt die 7.2 V plötzlich her? Ist das eine neue Salamischeibe, oder ein Stück Leberkäse. In meinen Augen Käse, weil dann über die Hälfte der Batteriekapazität im LDO verheizt wird.
Ich stimme Keks zu, daß der ESP32 nicht die beste Wahl für eine Batterieanwendung ist. Aber in deinem Fall trotzdem machbar, nachdem du es ja geschafft hast denn Standby-Verbrauch auf 50 µA zu bringen, und jedes Aufwachen des Displays (1x pro Monat) nur etwa 200 mC (= 0,055 mAh) benötigt.
Also: 440 mAh Standby + 12 * 0,055 mAh = 441 mAh pro Jahr
Mit zwei 1,5 V AA Lithium-Primärbatterien in Reihe, ohne einen LDO, hast du ausreichend Reserven für mehr als 2 Jahre. Diese Zellen können höhere Ströme liefern, haben eine geringe Selbstentladung, und liegen lange Zeit über 1,6 V (= 3,2 V für den ESP, siehe angehängtes Datenblatt).
...es kann sein, dass mein Thema zu dieser Diskussion nicht ganz passt...
Beim Lesen kam bei mir die Frage auf, ob ESP-NOW (https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/api-reference/network/esp_now.html) den Energie-Verbrauch eines ESP verringern würde. Ich denke da nicht an den eigentlichen Stromverbrauch des ESP, sondern an das Laufzeitverhalten bei bestimmten notwendigen Schritten. Bei WLAN wäre das u.a. Anmelden am AP, IP-Konfiguration/Ermittlung (DNS, DHCP) von Sender/Empfänger etc..
Frage ist also, können diese 2s mit ESP-NOW als Datenübertragungsmedium weiter minimiert werden. Klar ist natürlich, dass sich das MQTT-Zeugs auf die Empfängerseite verlagert, was aber nicht den großen Einfluß an der Laufzeit hat. In dem Bild https://github.com/boerge42/weatherstations/blob/master/esp8266/images/serial2plot.png ist es das Gewackel ganz rechts in der Kurve...
Und wo werden die 0,25A gebraucht? Die Messung zeigt nur knapp über
0,1A.
Dann hast du Mist gemessen oder irgendwelche größeren Puffer dazwischen
gehabt.
Nein, kein Mist und kein Puffer. Der ESP braucht nicht mehr Energie, um sich mit dem WiFi zu verbinden und über die TCP API ein Bild für das E-Paper Display abzuholen.
