Hallo zusammen,
in meinem heutigen Beitrag möchte ich über die Energie-/Spannungsversorgung von Smart-Home-Geräten sprechen. Die meisten dieser Geräte benötigen intern eine Spannung von 3.3V oder 5V. Je nach Modell wird diese Spannung über ein integriertes Netzteil erzeugt oder extern als Niederspannung zugeführt. In letzterem Fall beträgt die zugeführte Spannung abhängig vom Einsatzzweck oft 5V oder 12V. Entsprechend muss die zugeführte Spannung auf die benötigte Versorgungsspannung heruntertransformiert werden.
Als Beispiel möchte ich einen meiner RGB-Controller aufführen. Dieser steuert ein 12V RGB-LED-Band, weswegen sich hier ein 12V-Netzteil anbietet. Die dadurch zur Verfügung gestellten 12V sollen gleichzeitig für die Versorgung des Controllers verwendet werden. Intern habe ich deswegen zwei Spannungsregler verbaut. Dabei handelt es sich um einen Linearregler vom Typ LM7805. Dieser erzeugt aus den gegebenen 12V zunächst 5V. Daran schließt sich ein Low-Dropout Linearregler vom Typ LM1117-3.3 an, welcher aus den 5V nun 3.3V erzeugt. Beide Spannungen werden intern für verschiedene Bauteile benötigt.
Bei beiden Spannungsreglern handelt es sich um lineare Längsregler. Diese haben den Nachteil, dass sie eine hohe Verlustleistung aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Ausgangsspannung dadurch erzeugt wird, indem sie die Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung in Wärme umwandeln. Dabei ergibt sich die entstehende Wärmeverlustleistung aus der Multiplikation der Spannungsdifferenz mit dem fließenden Strom. Dieser ist auf Eingangs- und Ausgangsseite nahezu identisch. Praktisch heist das daher, dass die Wärmeverluste sowohl linear mit der Spannungsdifferenz, als auch linear mit dem Strom skalieren.
Soll nun also ein ESP8266 über die genannte Konfiguration aus 12V versorgt werden, so ergibt sich bei einem angenommenen Strombedarf von 100mA eine Wärmeverlustleistung von (12V-3.3V) * 0.1A = 0.87W. Gleichzeitig liegt die tatsächlich benötigte Leistung des ESP bei grade einmal 3.3V * 0.1A = 0.33W. Es wird also mehr als das 2.5-fache an Leistung zur Versorgung als zum Betrieb benötigt. Für den Anwender ergeben sich daraus zwei Schlussfolgerungen: Erstens eine dauerhafte elektrische 0,87W-Heizung und zweitens jährliche (unnötige) Stromkosten von 2.30€ pro Jahr (30ct/kWh).
Glücklicherweise gibt es eine Alternative zu Linearreglern in Form von Schaltreglern (auch "DC/DC-Wandler" oder "Step-Down Converter"). Deren Wirkungsweise unterscheidet sich grundlegend, sodass sie wesentlich effizienter arbeiten. Anstatt die Spannungsdifferenz in Wärme umzuwandeln, schalten sie die Eingangsspannung mit einer hohen Frequenz ein und wieder aus. Abhängig von dem zeitlichen Verhältnis zwischen ein und aus ("Tastverhältnis") ergibt sich im Durchschnitt die benötigte Ausgangsspannung. Dieses Verfahren wird als PWM ("Pulsweitenmodulation") bezeichnet. Dies hat jedoch den Nachteil, das die Ausgangsspannung unsauber ist. Daher wird sie nach dem Schalten noch mit Hilfe von Spulen und Kondensatoren geglättet, um eine annähernd konstante Spannung zu erzeugen. Trotzdem ist dies ein Punkt der beachtet werden muss, da sich Schaltregler dadurch nicht zur Verwendung in frequenzkritischen Anwendungen, wie zum Beispiel in der Audiotechnik, eignen.
Allerdings sind auch Schaltregler nicht Verlustfrei, da Energie zur Versorgung des Reglers benötigt wird. Ich habe mich nun gefragt, wieviel Energie mit dem Ersatz von Linearreglern durch Schaltregler gespart werden kann. Deswegen habe ich mir online DC/DC-Wandler als Modul des Typs HW-613 besorgt. Leider konnte ich keine Angabe finden, welcher Reglerchip auf diesem verbaut ist, auf Grund der Aufschrift vermute ich jedoch das Modell MP2315. Die Module können bis zu 3A Strom zur Verfügung stellen. Dabei unterstützen sie einen Eingangsbereich von 4.5V-24V und können eine beliebige Spannung ab 0.8V bis zur Versorgungsspannung zur Verfügung stellen. Die Ausgangsspannung kann dabei über ein Potentiometer auf der Oberseite oder über Lötbrücken auf der Rückseite eingestellt werden.
Zum Vergleich der Regler habe ich die drei Regler LM7805, LM1117-3.3 und HW-613 in einem Versuch durchgemessen. Dafür habe ich jeden Regler mit einem einstellbaren Widerstand belastet und somit verschiedene Lastströme erzeugt. Dabei habe ich die Eingangs- und Ausgangsspannung, sowie den Eingangs- und Ausgangsstrom des Reglers gemessen. Die Messungen der beiden Linearregler musste ich bei 200mA abbrechen, da einerseits die Regler bereits beachtlich warm wurden, andererseits mein Messgerät bei der gewünschten Auflösung maximal 200mA messen kann. Dadurch ergeben sich folgende Diagramme für den Wirkungsgrad und die Verlustleistung.
Mit den ermittelten Werten wollte ich nun wissen, wieviel Verlustleistung und Geld damit nun theoretisch gespart werden kann. Dafür gehe ich wieder davon aus, dass 100mA bei 3.3V benötigt werden. Bei der Kombination der zwei Linearregler ergibt sich mit den gemessenen Werten eine Verlustleistung von 0.965W (2.53€/Jahr). Wird nun der LM7805 durch ein DC/DC-Wandler ersetzt, veringern sich die Verluste auf 0.287W (0.72€/Jahr). Wird nun auch der LM1117-3.3 ersetzt, so reduzieren sich die Verluste auf 0.096W (0.25€/Jahr). Die Verluste wurden dadurch also auf ein Zehntel des ursprünglichen Wertes verringert. Bei den Kosten von etwa 40ct pro DC/DC-Wandler rentiert sich der Ersatz daher bereits nach knapp zwei Monaten.
Dies sind jedoch nur theoretische Werte. Dabei ist beispielsweise nicht beinhaltet, dass das verwendete Netzteil auch noch Verluste aufweist. Deswegen habe ich den LM7805 meines RGB-Controllers ersetzt und die Stromaufnahme des Netzteils vorher und nachher gemessen. Dadurch ergeben sich die folgenden beiden Abbildungen.
Dazu muss gesagt werden, dass die Stromaufnahme Schwankungen unterliegt. Im Durchschnitt betrug die Aufnahme vorher 21mA und nachher 17.5mA. Das klingt zunächst nicht viel, macht aber bei 230V Netzspannung einen Leistungsunterschied zwischen 4.83W (12.69€/Jahr) und 4.025W (10.58€/Jahr) und damit einer Differenz von 0.805W (2.11€/Jahr). Der Unterschied ist also größer, als durch die theoretische Betrachtung vorhergesagt. Leider habe ich den LM1117-3.3 nicht auch gleich noch mit ausgetauscht, sodass ich keine Angabe machen kann, wieviel der Austausch des zweiten Reglers noch bringt. Dies möchte ich jedoch demnächst nachholen. Möglicherweise tritt jedoch keine massive Änderung auf, da die Hauptverluste durch das Netzteil verursacht werden.
Zum Abschluss stellt sich nun noch die Frage, für welche Geräte denn ein Umbau möglich ist. Dies hängt hauptsächlich davon ab, wie die Spannungsversorgung aufgebaut ist. Ein gutes Beispiel eine Gerätes (bzw. Modules), welches sich für den Umbau eignet ist der Arduino. Bei der Versorung über die Hohlsteckerbuchse wird die Eingangsspannung (12V-7V) über einen Linearregler (LM1117-5) geregelt. Diesen habe ich durch einen DC/DC-Wandler ersetzt. Der Arduino läuft dabei ohne Probleme, leider habe ich dazu aber keine Leistungsmessungen gemacht. Ich kann jedoch sagen, dass die gefühlte Temperatur in diesem Bereich drastisch abgenommen hat.
Damit verabschiede ich mich bis zum nächsten Beitrag.
in meinem heutigen Beitrag möchte ich über die Energie-/Spannungsversorgung von Smart-Home-Geräten sprechen. Die meisten dieser Geräte benötigen intern eine Spannung von 3.3V oder 5V. Je nach Modell wird diese Spannung über ein integriertes Netzteil erzeugt oder extern als Niederspannung zugeführt. In letzterem Fall beträgt die zugeführte Spannung abhängig vom Einsatzzweck oft 5V oder 12V. Entsprechend muss die zugeführte Spannung auf die benötigte Versorgungsspannung heruntertransformiert werden.
Als Beispiel möchte ich einen meiner RGB-Controller aufführen. Dieser steuert ein 12V RGB-LED-Band, weswegen sich hier ein 12V-Netzteil anbietet. Die dadurch zur Verfügung gestellten 12V sollen gleichzeitig für die Versorgung des Controllers verwendet werden. Intern habe ich deswegen zwei Spannungsregler verbaut. Dabei handelt es sich um einen Linearregler vom Typ LM7805. Dieser erzeugt aus den gegebenen 12V zunächst 5V. Daran schließt sich ein Low-Dropout Linearregler vom Typ LM1117-3.3 an, welcher aus den 5V nun 3.3V erzeugt. Beide Spannungen werden intern für verschiedene Bauteile benötigt.
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| Aufbau des RGB-Controllers. Rechts oben im Bild befinden sich die beiden Spannungsregler. |
Bei beiden Spannungsreglern handelt es sich um lineare Längsregler. Diese haben den Nachteil, dass sie eine hohe Verlustleistung aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Ausgangsspannung dadurch erzeugt wird, indem sie die Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung in Wärme umwandeln. Dabei ergibt sich die entstehende Wärmeverlustleistung aus der Multiplikation der Spannungsdifferenz mit dem fließenden Strom. Dieser ist auf Eingangs- und Ausgangsseite nahezu identisch. Praktisch heist das daher, dass die Wärmeverluste sowohl linear mit der Spannungsdifferenz, als auch linear mit dem Strom skalieren.
Soll nun also ein ESP8266 über die genannte Konfiguration aus 12V versorgt werden, so ergibt sich bei einem angenommenen Strombedarf von 100mA eine Wärmeverlustleistung von (12V-3.3V) * 0.1A = 0.87W. Gleichzeitig liegt die tatsächlich benötigte Leistung des ESP bei grade einmal 3.3V * 0.1A = 0.33W. Es wird also mehr als das 2.5-fache an Leistung zur Versorgung als zum Betrieb benötigt. Für den Anwender ergeben sich daraus zwei Schlussfolgerungen: Erstens eine dauerhafte elektrische 0,87W-Heizung und zweitens jährliche (unnötige) Stromkosten von 2.30€ pro Jahr (30ct/kWh).
Glücklicherweise gibt es eine Alternative zu Linearreglern in Form von Schaltreglern (auch "DC/DC-Wandler" oder "Step-Down Converter"). Deren Wirkungsweise unterscheidet sich grundlegend, sodass sie wesentlich effizienter arbeiten. Anstatt die Spannungsdifferenz in Wärme umzuwandeln, schalten sie die Eingangsspannung mit einer hohen Frequenz ein und wieder aus. Abhängig von dem zeitlichen Verhältnis zwischen ein und aus ("Tastverhältnis") ergibt sich im Durchschnitt die benötigte Ausgangsspannung. Dieses Verfahren wird als PWM ("Pulsweitenmodulation") bezeichnet. Dies hat jedoch den Nachteil, das die Ausgangsspannung unsauber ist. Daher wird sie nach dem Schalten noch mit Hilfe von Spulen und Kondensatoren geglättet, um eine annähernd konstante Spannung zu erzeugen. Trotzdem ist dies ein Punkt der beachtet werden muss, da sich Schaltregler dadurch nicht zur Verwendung in frequenzkritischen Anwendungen, wie zum Beispiel in der Audiotechnik, eignen.
Allerdings sind auch Schaltregler nicht Verlustfrei, da Energie zur Versorgung des Reglers benötigt wird. Ich habe mich nun gefragt, wieviel Energie mit dem Ersatz von Linearreglern durch Schaltregler gespart werden kann. Deswegen habe ich mir online DC/DC-Wandler als Modul des Typs HW-613 besorgt. Leider konnte ich keine Angabe finden, welcher Reglerchip auf diesem verbaut ist, auf Grund der Aufschrift vermute ich jedoch das Modell MP2315. Die Module können bis zu 3A Strom zur Verfügung stellen. Dabei unterstützen sie einen Eingangsbereich von 4.5V-24V und können eine beliebige Spannung ab 0.8V bis zur Versorgungsspannung zur Verfügung stellen. Die Ausgangsspannung kann dabei über ein Potentiometer auf der Oberseite oder über Lötbrücken auf der Rückseite eingestellt werden.
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| DC/DC-Wandlermodul HW-613. |
Zum Vergleich der Regler habe ich die drei Regler LM7805, LM1117-3.3 und HW-613 in einem Versuch durchgemessen. Dafür habe ich jeden Regler mit einem einstellbaren Widerstand belastet und somit verschiedene Lastströme erzeugt. Dabei habe ich die Eingangs- und Ausgangsspannung, sowie den Eingangs- und Ausgangsstrom des Reglers gemessen. Die Messungen der beiden Linearregler musste ich bei 200mA abbrechen, da einerseits die Regler bereits beachtlich warm wurden, andererseits mein Messgerät bei der gewünschten Auflösung maximal 200mA messen kann. Dadurch ergeben sich folgende Diagramme für den Wirkungsgrad und die Verlustleistung.
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| Verlustleistung der verschiedenen Regler in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom. |
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| Wirkungsgrad der verschiedenen Regler in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom. |
Mit den ermittelten Werten wollte ich nun wissen, wieviel Verlustleistung und Geld damit nun theoretisch gespart werden kann. Dafür gehe ich wieder davon aus, dass 100mA bei 3.3V benötigt werden. Bei der Kombination der zwei Linearregler ergibt sich mit den gemessenen Werten eine Verlustleistung von 0.965W (2.53€/Jahr). Wird nun der LM7805 durch ein DC/DC-Wandler ersetzt, veringern sich die Verluste auf 0.287W (0.72€/Jahr). Wird nun auch der LM1117-3.3 ersetzt, so reduzieren sich die Verluste auf 0.096W (0.25€/Jahr). Die Verluste wurden dadurch also auf ein Zehntel des ursprünglichen Wertes verringert. Bei den Kosten von etwa 40ct pro DC/DC-Wandler rentiert sich der Ersatz daher bereits nach knapp zwei Monaten.
Dies sind jedoch nur theoretische Werte. Dabei ist beispielsweise nicht beinhaltet, dass das verwendete Netzteil auch noch Verluste aufweist. Deswegen habe ich den LM7805 meines RGB-Controllers ersetzt und die Stromaufnahme des Netzteils vorher und nachher gemessen. Dadurch ergeben sich die folgenden beiden Abbildungen.
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| Stromaufnahme vor dem Umbau |
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| Stromaufnahme nach dem Umbau |
Dazu muss gesagt werden, dass die Stromaufnahme Schwankungen unterliegt. Im Durchschnitt betrug die Aufnahme vorher 21mA und nachher 17.5mA. Das klingt zunächst nicht viel, macht aber bei 230V Netzspannung einen Leistungsunterschied zwischen 4.83W (12.69€/Jahr) und 4.025W (10.58€/Jahr) und damit einer Differenz von 0.805W (2.11€/Jahr). Der Unterschied ist also größer, als durch die theoretische Betrachtung vorhergesagt. Leider habe ich den LM1117-3.3 nicht auch gleich noch mit ausgetauscht, sodass ich keine Angabe machen kann, wieviel der Austausch des zweiten Reglers noch bringt. Dies möchte ich jedoch demnächst nachholen. Möglicherweise tritt jedoch keine massive Änderung auf, da die Hauptverluste durch das Netzteil verursacht werden.
Zum Abschluss stellt sich nun noch die Frage, für welche Geräte denn ein Umbau möglich ist. Dies hängt hauptsächlich davon ab, wie die Spannungsversorgung aufgebaut ist. Ein gutes Beispiel eine Gerätes (bzw. Modules), welches sich für den Umbau eignet ist der Arduino. Bei der Versorung über die Hohlsteckerbuchse wird die Eingangsspannung (12V-7V) über einen Linearregler (LM1117-5) geregelt. Diesen habe ich durch einen DC/DC-Wandler ersetzt. Der Arduino läuft dabei ohne Probleme, leider habe ich dazu aber keine Leistungsmessungen gemacht. Ich kann jedoch sagen, dass die gefühlte Temperatur in diesem Bereich drastisch abgenommen hat.
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| Arduino mit ersetztem Spannungsregler |
