Im Jahr 2023 begannen wir das Projekt mit dem Ziel, einen zuverlässigen und benutzerfreundlichen Energiezähler auf der Basis eines ESP32-Mikrocontrollers zu entwickeln. In unserem letzten Artikel im Januarheft haben wir das Blockschaltbild, die detaillierte Schaltung, die Maßnahmen zur elektrischen Isolation, die Funktionen und die Projektstrategie besprochen. Rekapitulieren wir dies kurz, bevor wir mit dem nächsten Projekt-Update beginnen.
 
Das wichtigste Ziel bestand darin, einen präzisen und effizienten Energiezähler zu entwickeln, der die Fähigkeiten des ESP32-Mikrocontrollers von Espressif und des ATM90E32AS zur Energiemessung nutzt. Das Projekt sollte durch einen sorgfältigen Schaltungsentwurf nicht nur benutzerfreundlich und zuverlässig sein, sondern durch eine elektrische Trennung der verschiedenen Schaltungsteile in Form eines ADuM3151 eine sichere Kommunikation zwischen dem ESP32 und dem ATM90E32AS von Atmel (jetzt Microchip) gewährleisten. Der Schwerpunkt lag auf Sicherheit und Effizienz durch die Einbeziehung von Techniken zur Rausch- und Störunterdrückung, Verbesserung der Signalintegrität und Schutzmechanismen wie Sicherungen und Varistoren. Durch Einbeziehung zukunftssicherer Funktionen zur Integration von Fernüberwachungs- und Datenanalysetools sollte das Gerät ein verbessertes Energiemanagement ermöglichen und Einblicke in die Effizienz von elektrischen Verbrauchern gewähren.

In diesem Update wollen wir von den Hauptzielen nicht abrücken, aber es wurden zahlreiche Änderungen vorgenommen, um das Projekt sicherer zu machen, die Produktionskosten zu senken und letztendlich die Größe des Geräts zu reduzieren. Bislang sind wir von einer Prototyp-Platine mit den Abmessungen 100 mm × 100 mm ausgegangen. Nach den Tests wurden einige Bauteile entfernt und das Layout der Platine optimiert, so dass die Größe der neuen Version auf 79,5×79,5 mm reduziert werden konnte – und das sind etwa 20 % weniger. In Bild 1 ist das neue Gehäuse für die neue Platinenversion zu sehen.
Um den ESP32-Energiezähler sicherer zu machen, wird die Schaltung nicht mehr direkt aus der Netzspannung versorgt. Stattdessen reduziert ein Niederspannungstransformator die 230-V-Netzspannung  auf ein sicheres Maß von 12 V. Diese Spannung wird sowohl für die Spannungsabtastung als auch für Stromversorgung der Schaltung eingesetzt. Durch den Transformator hat man sich zwar einige Nachteile in Bezug auf die Phasenverzögerung eingehandelt, aber Sicherheit geht vor! Und da es nicht um die Messung von schnellen Spannungsspitzen oder Überspannungen geht, sondern um die Messung von Energie, sollte dies keinen Einfluss auf unsere Messung haben.

Der aktualisierte Schaltplan

Als erste Maßnahme haben wir den ESP32 durch einen ESP32-S3 ersetzt, der mehr Potenzial und erhebliche Verbesserungen für das Energiemeter bereitstellt. Der ESP32-S3 bietet gegenüber seinem Vorgänger ESP32 eine verbesserte Rechenleistung, KI- und Signalverarbeitungsfunktionen, mehr Speicher und bessere Sicherheitsfunktionen. Dazu wurden die Design-Richtlinien von Espressif und andere nützliche Internet-Ressourcen genutzt. In Bild 2 ist der modifizierte Schaltplan des Projekts zu sehen.

Auch das Platinenlayout wurde optimiert, um die Sicherheit, Benutzerfreundlichkeit und Effizienz des ESP32-S3 zu verbessern. Es wurden wesentliche Anpassungen vorgenommen, um die Platine zu verkleinern und dadurch eine kompaktere Grundfläche zu erhalten. Zu den Anpassungen gehört der Gebrauch eines Netztrafos für die Stromversorgung, um die Sicherheit zu erhöhen. Das Gerät ist jetzt für ein- und dreiphasige Messungen vorbereitet und damit viel vielseitiger. Die Verwendung des effizienteren Abwärtswandlers AP63203WU-7 anstelle von Hi-Link-Modulen sowie benutzerfreundlicher USB-C- und Qwiic-Erweiterungsanschlüsse trugen zur Weiterentwicklung des Projekts bei. Diese Verbesserungen bauen auf den Fähigkeiten des ESP32-S3 auf und konzentrieren sich auf die Bereitstellung einer praktischen, anpassungsfähigen und sicheren Lösung zur Energieüberwachung.

Verfeinerte Spannungs- und Stromabtastung

IC1 ist nach wie vor derselbe ATM90E32AS, aber die Änderung besteht darin, dass sich zwischen der gefährlichen Netzspannung und dem Energie-Monitoring-IC jetzt ein Netztransformator mit einer 12-V-Sekundärwicklung befindet. Durch diese Änderung kann das Projekt sicherer getestet und eingesetzt werden, da 12 V nicht nur ungefährlich sind, sondern der Trafo auch eine galvanische Trennung zur Netzspannung gewährleistet. Bei meinen Tests konnte ich keinen nennenswerten negativen Einfluss des Trafos ausmachen.
Für jeden der Spannungsabtastungseingänge von IC1 gibt es jetzt also nur noch einen 100-kΩ-Widerstand (R28 bis R30). Beim letzten Mal haben wir die Spannungen aller Außenleiter in einem Eingang zusammengefasst, aber viele Leser haben sich die Möglichkeit gewünscht, den Eingang bei Bedarf sowohl in einem dreiphasigen als auch mit einphasigen Netz zu verwenden. Wir haben darüber nachgedacht, und jetzt können wir die Schaltung mit beiden Fällen verwenden. Standardmäßig ist der dreiphasige Modus eingestellt, aber wenn man ihn einphasig machen möchte, muss der Jumper JP8 kurzgeschlossen werden. Bild 3 zeigt die prinzipielle Verdrahtung für ein dreiphasiges System. Die Spannungen auf den Außenleitern (gegen den blauen Neutralleiter) werden dabei von kleinen (Klingel-) Trafos auf 12 VAC herabgesetzt. Nicht, dass Sie auf dumme Gedanken kommen: Auch der Neutralleiter wird vom Trafo getrennt!

Für die Stromabtastung und -messung wird anstelle der Kopfhörerbuchse der Schraubklemmenblock K1 mit einem Raster von 5,08 mm verwendet. Dies trägt zur allgemeinen Robustheit des Energiemessgeräts bei. Als Stromwandler wurde der Typ SCT013 (100 A / 50 mA) von der Firma YHDC gewählt; die Widerstände R1...R12 an den drei Stromsensoreingängen setzen gemäß Datenblatt den Ausgangsstrom in eine entsprechende Spannung um.

Optimierung der Stromversorgung

Der Energiezähler wird jetzt vom Abwärtsschaltregler IC3, einem AP63203WU-7 von Diodes Incorporated versorgt. Die ursprünglichen Hi-Link-Module HLK5M05 haben sich als viel zu sperrig und viel zu teuer erwiesen. Der Abwärtswandler ist effizienter als die Hi-Link-Module, kostet weniger und ist viel kleiner. Zu Entwicklungs- und Testzwecken kann man den Schaltregler auch mit 12 VDC an K4 versorgen, während im Normalbetrieb die Betriebsspannung von L1 (UA an K4) stammt.

Interaktive und modulare Funktionen

An die Ausgänge CF1 bis CF4 (für Wirkleistung, Blindleistung, Grundwellenleistung und Harmonische Leistung) wurden LEDs angeschlossen. Für die Auswahl des Leistungsmodus von IC1 wurden die Jumper PM1 und PM2 hinzugefügt.
In dieser Version werden alle Ausgangspins des ATM90E32AS auf die Klemmen JP5 und JP6 der MCU zur Verfügung gestellt. Dadurch kann der Energiezähler auch als Modul mit einer anderen MCU verwendet werden, wenn der ESP32-S3 nicht zum Einsatz kommen soll.
Der ESP32-S3 besitzt USB-Funktionaltät, so dass es sehr bequem ist, die MCU auf diese Weise zu programmieren, weshalb wir den USB-C-Anschluss K2 hinzugefügt haben. Für die Fehlersuche wurde der Anschluss JP2 hinzugefügt. Die Status-LEDs LED1 und LED2, die vom ESP32-S3 gesteuert werden, und die Drucktasten S1 und S2, um mit dem OLED-Display zu interagieren, stellen die Benutzerschnittstelle dar. Aufgepasst, bei einigen I²C-OLED-Displays liegt auf Pin 1 Masse, bei anderen ist es die 3,3-V-Versorgung. Mit JP3 und JP4 ist das Energiemesssystem für beide Varianten gerüstet
Schließlich gibt es den Qwiic-Anschluss K3, über den sich die Funktionalität des Energiemessers erweitern lässt, falls man zusätzliche Sensoren oder Module zu diesem Projekt hinzufügen möchte.

Das Platinenlayout

Das Platinenlayout wurde sorgfältig auf Kompaktheit und einfaches Löten hin optimiert, wie in Bild 4 bewiesen wird. Auf der Oberseite sind die Anschlüsse für die Spannungs- und Strom-Sampling strategisch an einer Stelle positioniert, die eine Integration in ein DIN-Hutschienengehäuse zulässt. Auf der rechten Seite erleichtern Stiftleisten im Raster 2,54 mm den Anschluss eines externen Mikrocontroller-Boards, was einen modularen Aufbau des Messgeräts erleichtert. In der Mitte befindet sich der Anschluss für ein OLED-Display, flankiert von Drucktasten für eine intuitive Bedienung. Neben dem OLED-Display sorgen Stromversorgungs- und Status-LEDs für eine unmittelbare visuelle Rückmeldung, während die Energie-Impulsausgangs-LEDs zur direkten Überwachung bequem in der Nähe der MCU-Ausgangsklemmen angeordnet sind.
Der USB-C-Anschluss und das ESP32-S3-Modul sind von den Bereichen mit Wechselspannung weit entfernt, was der Sicherheit zugutekommt. Ein Keramikkondensator neben dem 3-V-Eingang des ESP32-S3 dient der Entkopplung und reduziert eventuelles Rauschen deutlich. Außerdem sind Elektrolytkondensatoren in den Entwurf aufgenommen, die die Stromversorgung weiter stabilisieren und die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Schaltung gewährleisten. Dieses Layout erleichtert den Montageprozess und verbessert die Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit durch eine klare und logische Anordnung der Bauteile. In Bild 5 sehen Sie das Rendering der bestückten Platine.

Achtung, in diesem Projekt haben Sie es mit gefährlicher Netzspannung zu tun! Personen, die keine Erfahrung mit Netzspannungen haben, sollten dieses Projekt nicht in Angriff nehmen oder jemanden mit Erfahrung fragen, der ihnen bei diesem Projekt helfen kann!

Nächste Schritte, weitere Aussichten

Nach der Prototypen-Phase mit dem ursprünglichen Schaltplan haben wir mehrere Verbesserungen vorgenommen, um die Zuverlässigkeit des ESP32-Energiemessers zu erhöhen. Derzeit konzentrieren wir uns auf die Weiterentwicklung der Firmware.
Das neueste Platinenlayout wurde zur Produktion verschickt, und wir erwarten es bald zurück, um umfangreiche Tests zur Zuverlässigkeit des Systems durchzuführen. Gleichzeitig wird die Softwareentwicklung vorangetrieben, um die Fähigkeiten des ESP32-S3-Moduls in unserem Energiezähler zur Gänze auszuschöpfen.
Für die Zukunft planen wir, den ESP32-Energiezähler in den Home Assistant einzugliedern, um die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen. Nichtsdestotrotz sind wir auch bestrebt, eine maßgeschneiderte Firmware zu entwickeln, um das Potenzial des Geräts voll auszuschöpfen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Projekt sowohl mit Hardware- als auch mit Softwareverbesserungen vorankommt. Unser Ziel bleibt es, eine zuverlässige und effiziente Lösung für die Energiemessung bereitzustellen. Dieses Projekt ist auch auf Elektor-Labs [9] zu finden, also zögern Sie nicht, dort Kommentare und Beiträge zu hinterlassen!

Dieser Artikel erschien ursprünglich in Elektor Mai/Juni 2024 (240093). Schauen Sie sich die ESP32-basierte Energiezählerserie an.