Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Entwicklung und Bau von Hardware aller Art, die im HM-Umfeld eingesetzt werden kann

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Asselhead
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Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von Asselhead » 21.10.2019, 13:20

Hallo zusammen,

nachdem ich heute zufällig gesehen habe, dass es bereits einen Thread zum Thema Batterielichterkette (basierend auf vorhandener Hardware & Powerbank) gibt, nehme ich das mal zum Anlass, mein kleines Projekt vorzustellen.

Das Projekt läuft bei mir unter dem Arbeitstitel "WAF-Extender", denn was gibt es besseres um den Woman Acceptance Factor für Homematic zu erhöhen, als einen Batterieaktor für die zahlreichen LED-Lichterketten (insbesondere in der Vorweihnachtszeit), bei dem man nicht alle paar Tage die Alkali-Batterien gegen neue tauschen - oder ständig die Eneloops entnehmen und laden muss. Hinzu kommt noch, dass sie sich automatisch einschalten und automatisch oder per Fernbedienung/App ausschalten lassen. Wenn der Li-Akku einmal leer ist, kann man dann auch einmal eine PowerBank daneben legen und ihn wieder aufladen.

Dazu habe ich eine Leiterplatte gemacht, an die man direkt eine Li-Ion Zelle mit U-Lötfahnen anlöten kann.
Die Schaltung ist so ausgelegt, dass man den Akku über einen kleinen Li-Laderegler mit bis zu 500mA auf 4.2V laden kann.
Das ganze natürlich über eine Micro USB Buchse.

Es sind keine Sicherheitsmaßnahmen gegen Unterspannung getroffen worden, man sollte also einfach bei schwächer werdender Lichterkette nachladen.
Bei einer typischen Li-Ion Entladeschlussspannung von 2,5V sind die meisten 3AA Lichterketten schon ziemlich dunkel, sollte also kein Problem darstellen - nach dem Motto "Keep it Simple".
Geplant ist der Einsatz an 3250mAh LiIon Akkus - womit ich bei typischen Lichterketten eine Leuchtdauer von ca. 50-60 Stunden erwarte.
Wer möchte kann natürlich auch zwei Zellen parallel schalten.

Leider bin ich kein großer Software Spezialist und weiß nicht in wiefern man die Akkuspannung per Homematic auslesen kann. Ging das nur mit HB oder auch mit HM Aktoren?
Ein Pin am AD-Wandler ist jedenfalls mit der Batteriespannung (über Spannungsteiler) belegt.

Die Leiterplatte beinhaltet hauptsächlich 0603er Bauteile und ist somit nicht für jeden Anfänger geeignet.
Da ich noch einige ATMEGA644PA-AU hatte und diesen ggf. für eine andere Aufgabe auf der Leiterplatte benötige, kam er zum Einsatz.
Orientiert habe ich mich am Bobuino Pinout.

Ich würde auch hier den HM-LC-SW1-BA-PCB Sketch verwenden wollen.

Eine Github Seite ist noch im Aufbau, dort werde ich dann alle Details ablegen und anschließend bei https://asksinpp.de/Projekte/ verlinken.

Hier schon mal ein Vorgeschmack:
ISO_BATT.png
TOP.png
Bot.png
Wie man auf den Bildern erkennen kann, ist es ebenfalls möglich Sensoren (BME280 usw.) über den I2C Bus anzuschließen.
Dazu kann eine 4er Headerleiste bestückt werden.
Die Bestückung eines Sensirion SHT31 Temp./Humi Sensor ist direkt möglich, so dass man auch einen Akku betriebenen Wetter Sensor bauen kann.
Ob es an der Stelle sinnvoll ist, einen "teuren" Li-Akku zu verwenden, muss jeder selbst entscheiden - oftmals hat man sowas ja noch von einem alten Notebook Akku. Ansonsten wäre bei "Akkuteile.de" die Artikelnummer 1006391 meine erste Wahl.
Der Eigenverbrauch des LDO (MCP1703) ist mit 2µA gering genug für solche Zwecke.

Erste Muster der Leiterplatte sollten diese Woche noch bei mir eintreffen.
Ein Gehäuse entsteht gerade (ca. 69*22*26 mm) und wird noch bei Thingiverse hinterlegt.
Bin kein CAD Konstrukteur und einige Feinheiten werden sich vermutlich noch ändern, aber so stelle ich mir gerade das Gehäuse vor.
Geh_Top_Bot.png
Links der Auslass für die Antenne, rechts zwei Öffnungen für die Lichterkette, nach vorne die Micro-USB Buchse.
An den beiden Bohrungen liegen die Status und die Charge LEDs, sollten somit durch helles Material durchscheinen.
Wenn die Leiterplatten laufen, würde ich bei Bedarf eine größere Menge nachbestellen.
Es ist ein 4 Lagen Layout, somit etwas teurer als die üblichen 2 Lagen Layouts.
Zuletzt geändert von Asselhead am 21.10.2019, 13:46, insgesamt 1-mal geändert.
Viele Grüße

Stefan

pafra
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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von pafra » 21.10.2019, 13:44

Hallo Stefan,

coole Sache.
Bin mal gespannt wenn Du die ersten Muster in Betrieb genommen hast.

Gruß
Franz

deltaac
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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von deltaac » 21.10.2019, 13:59

Hi,

Ja da bin ich auch gespannt, wenn das alles brauchbar ist, würde ich vermutlich 10 Stück abnehmen. Mal Abwarten, was du so berichtest...

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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von dondaik » 21.10.2019, 17:27

ich auch :-) wenn es das als fertigplatine geben sollte inkl sendeeinheit und der preis ok ist hätte ich auch bedarf !
-------
wer schreibfehler findet darf sie behalten.

TomMajor
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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von TomMajor » 21.10.2019, 22:50

Cooles Design, Respekt. 8)
Die Bestückung wird in Handarbeit für Ungeübte nicht ganz einfach sein, deswegen wäre eine fertig bestückte Platine auch nicht schlecht.

Batt.spanungsmessung an eigenem Eingang ist kein Ding, ob du dass dann in der Zentrale aber siehst hängt davon ab ob das nachgebaute HM Gerät das im Original unterstützt, falls nicht bekommst du das imho nur über HB/eigenes AddOn rein.
Viele Grüße,
Tom

Asselhead
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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von Asselhead » 23.10.2019, 14:55

Hier mal ein kleines Update zum Projekt!

Die Leiterplatten (von Aisler) sind gestern eingetroffen. Qualität ist sehr gut.
Leider hat man auf die Leiterplattendicke keinen Einfluss, so dass es nun 1,6er geworden sind.

Den Programmieradapter hatte ich vorher schon fertig:
Prog_Adapter.JPG
ICT_Nadeln.JPG
Die Nadeln sind gefederte ICT Nadeln, die ich hier noch rumfliegen hatte.

Heute in der Mittagspause habe ich die Leiterplatte bestückt.
Bin in 40 Minuten (mit Butterbrot essen) mit der Basis-Batt-Aktor Bestückung fertig geworden.
ASS_TOP.JPG
Das CC1101 Modul habe ich noch nicht aufgelötet, da ich diese immer erst zu Hause in der Homematic Umgebung einem Funktions-/Frequenztest unterziehe und ggf. die Frequenzwerte im Sketch anpasse (Stichwort: FreqTest.ino).

Anschließend den Mightycore Bootloader mit 8MHz internem Takt geladen:
Prog_ISP.JPG
Danach mit Atmel Studio noch mal die Fuses überprüft und testweise das CKOUT Bit gesetzt um den internen Takt zu checken:
Int_CLK.PNG
Int_CLK.PNG (10.8 KiB) 554 mal betrachtet
Der interne Takt läuft mit 8,084MHz, damit hat er eine Abweichung von 1,05% vom Sollwert. Sollte passen.
SerialMonitor.png
SerialMonitor.png (8.48 KiB) 554 mal betrachtet
Passt auch! Nach dem testweisen Flashen des HM-LC-SW1-BA-PCB.ino Sketch bekomme ich diese Ausgabe im Seriellen Monitor.
Wenn dann heute Abend das CC1101 Modul drauf ist, sollte die Ausgabe noch etwas hübscher aussehen :D

Leider sind mir die LDOs ausgegangen, so dass ich noch bis mindestens morgen (Reichelt beeilt euch :!: ) nur per Programmieradapter testen kann.

Bzgl. Ladestrom, Erwärmung des Ladereglers usw. werde ich im Laufe der Woche noch ein Update machen.
Viele Grüße

Stefan

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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von stan23 » 23.10.2019, 15:33

Asselhead hat geschrieben:
23.10.2019, 14:55
Die Nadeln sind gefederte ICT Nadeln, die ich hier noch rumfliegen hatte.

Heute in der Mittagspause habe ich die Leiterplatte bestückt.
Tolle Umsetzung mit den Nadeln und der Halterung!
Aber Löten und Essen passt doch nicht zusammen?
Das CC1101 Modul habe ich noch nicht aufgelötet, da ich diese immer erst zu Hause in der Homematic Umgebung einem Funktions-/Frequenztest unterziehe und ggf. die Frequenzwerte im Sketch anpasse (Stichwort: FreqTest.ino).
Ich mache den FreqTest immer auf der fertigen Platine, dabei wird gleich die Verbindung zum CC1101 getestet und ich bilde mir ein dass eventuelle Frequenzabweichungen durch die Antenne mit weg-kalibriert werden :D

Nicht dass ich davon Ahnung hätte, HF ist schließlich schwarze Magie :wink:
Viele Grüße
Marco

RaspberryMatic
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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von Asselhead » 23.10.2019, 16:05

stan23 hat geschrieben:
23.10.2019, 15:33
Asselhead hat geschrieben:
23.10.2019, 14:55
Die Nadeln sind gefederte ICT Nadeln, die ich hier noch rumfliegen hatte.

Heute in der Mittagspause habe ich die Leiterplatte bestückt.
Tolle Umsetzung mit den Nadeln und der Halterung!
Aber Löten und Essen passt doch nicht zusammen?
Das CC1101 Modul habe ich noch nicht aufgelötet, da ich diese immer erst zu Hause in der Homematic Umgebung einem Funktions-/Frequenztest unterziehe und ggf. die Frequenzwerte im Sketch anpasse (Stichwort: FreqTest.ino).
Ich mache den FreqTest immer auf der fertigen Platine, dabei wird gleich die Verbindung zum CC1101 getestet und ich bilde mir ein dass eventuelle Frequenzabweichungen durch die Antenne mit weg-kalibriert werden :D

Nicht dass ich davon Ahnung hätte, HF ist schließlich schwarze Magie :wink:

Hallo Marco,

hab mir mit den gleichen Testnadeln und Alex Reinert´s HB-UNI-644 einen Prüfadapter für CC1101 Module gebaut, um vor dem verlöten mit der FreqTest.ino die grundsätzliche Funktion (ohne Antenne) zu testen. Ist mir lieber, als ein CC-Modul wieder runter löten zu müssen.
Bei meiner Leiterplatte wird die Antenne ja auch direkt am CC Modul angelötet - das sollte mit 83mm dann ganz gut passen.

Werde mir demnächst mal Spaßeshalber den Spektrumanalysator mit nach Hause nehmen und mal gucken wieviel Elektrosmog ich dort auf 868,3 MHz produziere :lol:

Vielen Dank übrigens für die Gosund Leiterplatten - funktionieren einwandfrei!
Viele Grüße

Stefan

Freddy9410
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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von Freddy9410 » 28.10.2019, 09:00

Hallo Stefan,

verfolge gespannt hier den Fortschritt deines Projektes. Wie ist der aktuelle Stand? Läufts? :-)

Asselhead
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Re: Vorstellung LiIon Batterieaktor für Lichterketten

Beitrag von Asselhead » 28.10.2019, 12:48

Hallo Freddy,

ja, die LDOs sind am Freitag noch angekommen, so dass ich die HM-LC-SW1-Li :wink: am Wochenende in Betrieb nehmen konnte.
Ich hatte mir den Vorschlag von Marco zu Herzen genommen und die FreqTest.ino im montierten Zustand noch einmal laufen lassen.
Das Ergebnis sind Super RSSI Werte in der CCU2 (ca. -40dBm).

Einen kleinen BUG habe ich noch in der Schaltung gehabt, der sich mit einem kleinen grünen Draht (siehe Foto) beheben ließ.
Den Bug habe ich bereits in Schaltung und Layout behoben.
Darüber hinaus habe ich die PADs des CC1101 Modul etwas verkleinert und die ISP und Seriell Pads auf der BOT Seite etwas von Leiterplattenrand weg verschoben. Das verringert die Gefahr, dass womöglich die Lötfahnen des Li-Ion Akku dort einen Kurzschluss verursachen. Das nach dem Programmieren die BOT Seite der Leiterplatte mit Kapton oder einem anderen Isolierband abgeklebt werden muss, versteht sich von selbst.

So sieht das ganze jetzt aus:
IMG_20191027_105656.jpg
Als Akku verwende ich aktuell einen Panasonic mit ca. 3250mAh.
Den hatte ich zunächst einmal komplett leer gemacht, um ihn dann mit dem Onboard MCP73831 aufzuladen.
Den Ladestrom habe ich auf 450mA eingestellt. 500mA sind Maximum.
Bei diesem Ladestrom erwärmt sich der Laderegler schon deutlich:
MCP73831_450mA_Temp.png
Werde versuchen, die Kupferanbindung im Layout noch zu optimieren um die Wärme noch etwas besser weg zu bekommen.
Den Laderegler stört die Temperatur aber nicht so sehr - sonst hätte er selbsttätig den Ladestrom reduziert, was er aber nicht gemacht hat.

Den Akku habe ich anschließend noch einmal abgeklemmt um zu überprüfen, wie voll er tatsächlich vom MCP 73831 geladen wurde.

Hier das Ergebnis bei einer Entladung mit 1/4C (850mA):
IMG_20191025_141737.jpg
Knapp 3250mAh kann sich sehen lassen.


Ob es eine fertig bestückte Leiterplatte geben wird, kann ich noch nicht sagen. Noch ist das Interesse nicht groß genug, das sich das lohnen würde.
Habe zwar in der Firma eine Leiterplattenbestückung, die ist aber so tief in SAP verwurzelt, dass es kompliziert ist hier so einen Auftrag fertigen zu lassen. Bei einem lokalen Lohnbestücker, der unsere Spitzen abfängt, werde ich mal nachfragen. Kennt jemand einen günstigen Asiaten, der sowas anbietet?
JLCPCB macht das ja neuerdings auch, dort werde ich auch mal anfragen.

Alle die Interesse haben, aber noch auf Detail-Infos wie Schaltung usw. warten - Sorry, bin dran alles bei Github reinzustellen - spätestens am Wochenende!

Danach würde ich dann auch kurzfristig Leiterplatten bestellen wollen, damit am 1. Advent jeder seine Lichterkette per Homematic einschalten kann :mrgreen:

Falls sich jemand fragt, wie viel so eine nackte 4Lagen Leiterplatte wohl kosten würde. Im schlimmsten Fall (geringe Stückzahl, DHL Express 3Tages Service, Einfuhrumsatzsteuer, DHL Handlingpauschale) liegen wir bei ca. 1,8€ pro Leiterplatte zzgl. Briefport. Im Idealfall eher 1€/Leiterplatte.
Viele Grüße

Stefan

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