Batteriebetriebene Zigbee Lichterkette

Eine konventionelle Lichterkette von Dauer/Timerbetrieb auf Zigbee-Steuerung via Home Assistant Z2MQTT (Z2M) umrüsten. Hierbei möchte ich sowohl die Hardware als auch die Firmware selbst designen und umsetzen. Warum das Ganze? Ganz ehrlich: weil es mir Spaß macht und ich immer die Herausforderung suche! Wirtschaftlich ist das auf keinen Fall

• Sicherheitsabschaltung der LED bei Akkuspannung unter 3,0 V
• Sicherheitsabschaltung ESP bei Akkuspannung unter 2,5 V

Im Zigbee-Netzwerk soll der ESP später folgende Funktionen erfüllen können:

• Identify ⇒ Die Lichterkette soll bei einer Identify-Anforderung einige Sekunden lang blinken um sie eindeutig identifizieren zu können. Der Zigbee-Standard sieht hier eine Blinkfrequenz von 1 Hz vor, die Dauer ist nicht definiert bzw. kann von „EIN“ über „EIN für x Sekunden“ bis „AUS“ erfolgen. Diese möchte ich unterstützen.
• Metadaten
  • Typ und Hersteller ⇒ Relevant wird das um eine Unterstützung für HA zu entwickeln die dann bei diesem Typ angewandt wird
  • Stromversorgungsart „Batterie“
• Batteriestatus
  • Aktuelle Batteriespannung (mV) ⇒ rein informativ
  • Restkapazität (%) ⇒ Um rechtzeitig nach einer neuen Batterie zu verlangen und noch Zeit zum laden zu haben

Mir war es wichtig ein ortsunabhängiges und damit batteriebetriebenes System zu entwickeln. Lichterketten werden üblicherweise mit 2x oder 3x 1,5 Volt Mignon-Batterien (Typ AA) versorgt. Einweg Alkaline-Batterien haben typischerweise eine Kapazität von 2.000 - 3.000 mAh. Die tatsächliche Kapazität und damit im Endeffekt die Brenndauer der Lichterkette, hängt auch von ihrer Umgebungstemperatur ab. Hier könnte man in zwei Kategorien einteilen: Innen und außen.

Der Stromverbrauch und damit die Leuchtdauer hängt in erster Linie von den LEDs der Lichterkette ab. Mein Ziel war es wiederaufladbare Batterien zu verwenden, also geht es auch darum wo man die Lichterkette einsetzt, wie lange die Batterien halten und wie man diese später wieder auflädt.

Meine Wahl viel auf einen Lithium-Ionen Akku in der 18650er Bauweise mit 3.300 mAh. Dieser Akkutyp hat eine typische Spannung von 3,7 V. Nach dem laden kann diese bis 4,2 V betragen (mehr würde dem Akku schaden) und nach dem entladen kann er bis auf 2,5 V sinken (unter 3,0 V sollte man aufpassen, auch das kann dem Akku schaden). Ganz wichtig hierbei: Li-Ion Akkus sollten nicht bei Temperaturen und 0° C geladen werden, das schaded enorm ihrer Lebensdauer. Entladen ist aber in einem Temperaturbereich von -20° bis +60° C problemlos möglich. Daher eignet sich der Akkutyp auch für den Außenbereich.

Ich habe in meinem Schaltungsdesign bewusst auf ein Ladesystem verzichtet. Zum einen macht es das Endgerät teurer und aufwändiger, zum anderen bedingt es das man die „Box“ von der Lichterkette trennen können muss um es an ein Ladegerät anschließen zu können. Ich fand es sinnvoller das Gehäuse einfach öffnen und die Batterie gegen eine frisch geladene austauschen zu können.

Ein Li-Ion Akku ist über die Entladezeit relativ Spannungsstabil. Anders als bei Ni-MH oder Alkaline kann man die Restkapazität nicht so gut über die Spannung ermitteln. Nun sollte so ein Akku ja möglichst lange halten, ist ja nicht billig, daher muss man ein paar Kompromisse bezüglich der effektiven Leuchtdauer eingehen. Der Li-Ion Akku lebt am längsten wenn er nicht unter 20% entladen bzw. nicht über 80% geladen wird. Schlimmer noch als eine zu hohe Beladung wäre eine Tiefentladung, die gilt es in jedem Fall zu vermeiden. Diesen Zustand kann man ganz gut über die Batteriespannung erkennen. Unterhalb von 3,0 V wird es kritisch und alles unter 2,5 V beschädigt den Akku dauerhaft. Ideal ist also zwischen 3,5 V (20%) und 4,1 V (80%). Bei den niedrigen Strömen einer LED-Lichterkette ist der Entladestrom nicht weiter relevant.

Batteriebetriebene Lichterketten ohne Spezialeffekte bestehen meist aus parallel geschalteten LEDs. Eine Weiße LED hat eine typische Durchlassspannung von ca. 3,0 V, eine Reihenschaltung verbietet sich bei Verwendung von 3x AA (=4,5 V) ohnehin. LEDs werden über den Stromfluß betrieben, d.h. die LEDs erhalten einen Strom der zu ihrem Arbeitspunkt passt und sie perfekt leuchten lässt. Diesen sollte man vorher mit einem in Reihe zur Original-Energiequelle geschaltetem Amperemeter ermitteln. Damit kann man dann die geeignete KSQ (Konstant-Stromquelle) ermitteln. In meinem Fall waren es knapp 100 mA (das stand sogar auf der Batteriebox). Ich habe mich für einen solchen KSQ mit einstellbarem Strom entschieden, aber es ist unterm Strich egal:

<FOTO_KSQ_GEREGELT>

Wichtig ist nur das die KSQ über einen Schalteingang verfügt der flink genug ist eine PWM von mehreren kHz zur vertragen, weil man die Helligkeit später darüber einstellen kann.

Die Batterie muss auch den ESP32 betreiben. Die Shields werden oft über den USB-Stecker mit Strom versorgt. Hier liegt eine Spannung von 5 V an, die ESP32 Serie arbeitet aber auf 3,3 V Betriebsspannung. Zur Anpassung ist ein LDO aufgelötet. Dieser ist oft von keiner besonderen Güte und hat eine hohe Verlustleistung. Mein Ziel war es diese Stromfresser vom Shield zu entfernen und das ESP32 Modul direkt mit 3,3 V zu betreiben. Der ESP32 verträgt hier keine hohe Toleranz, 3,0 V bis 3,6 V ist der Arbeitsbereich. Alles oberhalb zerstört den ESP, alles darunter führt zu einem Brown-Out (Selbstabschaltung).

Der ESP wird ebenfalls aus dem Akku betrieben, dessen Spannung ja bekanntlich zwischen 2,5 und 4,7 V betragen kann. Vermeidet man 0% und 100% Ladezustände liegt man eher bei 3,0 bis 4,1 V. In jedem Fall ist es nicht möglich den ESP direkt, ohne Spannungsregler an die Batterie zu klemmen. Der Spannungsregler muss dabei Spannungen unter 3,3 V (Nenn-Betriebsspannung des ESP) hochwandeln (Boost) als auch höhere Spannungen über 3,3 V runterregeln (Buck). Diese Regler nennt man „Buck-Boost Converter“ oder „Step-Down/Step-Up Converter“. Richtig gute Vertreter dieser Art haben sogar noch einen Bypass-Modus um Energie zu sparen. Dabei wird innerhalb einer gewissen Toleranz (z.B. 3,1 bis 3,5 V) die für den ESP ungefährlich ist, die Eingangsspannung direkt mit dem Ausgang verbunden. So reduziert sich der Eigenverbrauch des Reglers weiter. Leider sind diese speziellen Wandler vergleichsweise teuer und manchmal als fertige Baugruppe (Shield) schwer zu beschaffen. Daher habe ich mich für dieses Modell entschieden:

<FOTO_BUCK_BOOST_TPS63020>

In der Gesamtkomposition muss vermieden werden das die LEDs den Akku so weit leersaugen das der ESP nicht mehr arbeiten kann. Daher schalte ich die LED aus, wenn die Batteriespannung einen kritischen Wert erreicht.

• Hardware:
  • ESP32-H2 Mini (Waveshare, oder ähnliches)
  • 2 Stk. Lithium-Ionen Akkus vom Gehäusetyp 18650 (3,7 V) mit einer Kapazität >= 3000 mAh
  • 2 Batteriehalter für Typ 18650 Akkus
  • Step-Up/Step-Down (Buck-Boost) Spannungsregler
  • Leergehäuse (ca. 110 x 50 x 25 mm)
  • Leitungen, Steckverbinder
• Software/Tools (für Windows 11):
  • Entwicklungsumgebung: Microsoft Visual Studio Code
  • Zigbee-Stack: Espressif-IDF SDK

• Firmnware für ESP32-H2 ⇒ https://github.com/igittigitt/zigbee_xmas_battery_lightstrip