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Dieser Beitrag widmet sich dem Schematic und PCB Layout zu dem Projekt Status Box.
240VAC -> 5VDC und 3V3
ACHTUNG Netzspannung, ACHTUNG Lebensgefahr!
Die gezeigten Schaltungen arbeiten mit 240VAC-Netzspannung. Arbeiten an diesen Schaltungen sind nur im stromlosen Zustand durchzuführen. Das Arbeiten an diesen Schaltungen ist für Personen ohne notwendiges Wissen im Umgang mit 240VAC-Netzspannung ungeeignet. Der Nachbau und Einsatz erfolgt stets auf eigenem Risiko!
Da die Status Box direkt an das 240V Hausnetz angeschlossen werden soll, habe ich mich für den ACDC Converter HiLink HLK-PM01 entschieden. Dieser liefert 5V DC am Ausgang und laut Angaben des Herstellers ist dieser Ausgang überlast- und kurzschlussfest.
Den Eingang des HiLink beschalte ich wie folgt:
- Schmelzsicherung F1 – 250V, 100mA: Diese löst bei zu hohem Stromfluss aus. z.B. im Falle eines Kurzschluss
- Varistor RV1 – MOV-07D431K: Netzseitige Spannungsspitzen werden abgefangen und sollen die Lebensdauer des HiLink erhöhen
- Thermalsicherung F2 – Auslösetemperatur 70°C: Diese löst aus, falls der HiLink oder der Varistor zu heiß wird. Die Anordnung am PCB Layout erfolgt im Sandwich. Somit wird im Fehlerfall vom HiLink oder vom Varistor diese Sicherung ausgelöst. Varistoren können über ihre Lebenszeit degradieren, was zu einem erhöhtem Stromfluss über diesen führt. Im schlimmsten Fall würde dieser abbrennen. Doch die Sicherung F2 sollte vorher auslösen, falls die thermische Verlustleistung des Varistors zu groß wird. Etwas Wärmeleitpaste zwischen den drei Komponenten könnte den Wärmeübergangswiderstand weiter senken und so die Auslösezeit verbessern.
Den Ausgang des HiLink beschalte ich wie folgt
- Um auf Nummer sicher zu gehen platziere ich am Ausgang eine weitere Schmelzsicherung F3. Diese hat ein Rating von 50V 500mA. Auch wenn der HiLink kurzschlussfest sein soll – doppelt hält besser!
- Die Ausgangsspannung von 5V mit der Bezeichnung 5V_unfiltered werden nochmals gefiltert. Eine Anordnung aus Widerstand R3, Ferritperle FB1 und Kapazität C3,C4 & C5 wird hier eingesetzt. Die 5V werden für die Versorgung des Display und der LEDs verwendet.
- Der ESP-12F läuft mit 3.3V. Der Linearregler AMS1117 hilft hierbei, um das richtige Spannungslevel zu erreichen. Die Diode D1 ist nicht unbedingt notwendig und laut Datenblatt nur, wenn hohe Spitzenströme zu erwarten sind (z.B. große Kondensatoren >1mF). Auch hier setzte ich wieder einen kleine Filter aus Kapazitäten C7, C8 & C9 und Ferritperle FB2 ein.
Beschaltung ESP-12F
Das Ai-Thinker-Modul ESP-12F benötigt nur wenige externe Komponenten um zu funktionieren. Wichtig in diesem Zusammenhang ist eine stabile Spannungsversorgung mit ausreichend Stützkapazität. In meinem Fall gibt es einen größeren Energielieferant, der Kondensator C8 mit 100uF.
Der Push Button SW4 ermöglicht es, das Modul in den Flash Mode zu bringen. Dabei wir der Pin 18/ GPIO0 auf Low gezogen, falls der Taster gedrückt wird. Zum Flashen des Mikrocontroller hab ich die Pins22/ TX und Pin21/RX gemeinsam mit der 3.3V Versorgung auf den Pin Header J2 ausgeführt. Mit einem beliebigen USB-TTL Adapter (ich verwende folgenden: Affiliate Link: AZDelivery FT232RL USB zu TTL Serial Adapter für 3,3V und 5V inklusive E-Book!
GPIO4 und GPIO5 werden für die I2C Schnittstelle genutzt. Hier kann zum Beispiel auch der Temperatursensor BME280 oder der Lichtstärkesensor BH1750 angeschlossen werden.
I/O Expander – PCF8574
Da das Modul ESP-12F nicht genügend Ein- oder Ausgänge besitzt, nutze ich den IC PCF8574. Dieser IC wird auch von ESP Easy unterstützt und kann daher schnell über die Weboberfläche eingebunden werden. Die Kommunikation erfolgt über die I2C Schnittstelle. Die Widerstände R6 und R7 sind Pull-Up Widerstände, um immer einen definierten Zustand der Signalleitung zu gewährleisten (Weiterführend Information: Link zu sparkfun.com)
P0 bis P6 werden zum Schalten der LEDs D2 bis D7 verwendet. Die Widerstände R8 bis R13 definieren den Stromfluss durch die LEDs. P0 bis P6 werden als Open Drain Ausgänge genutzt und schalten die LED auf GND.
Nextion Display – NX3224T024
Das Nextion Display NX3224T024 – 2.4″ (aliexpress.com: Link zum Kauf) wird über die Pins22/ TX und Pin21/RX angesteuert. Unter Letcontrolit.com spricht man hier von Soft Serial. Ich habe mich dazu entschieden, da diese Verbindungsart auch von FHEM unterstütz wird. (Wie die Ansteuerung und das Einrichten unter FHEM funktioniert zeige ich euch in einem weiterem Beitrag). Wichtig ist eine 5V Spannungsversorgung, welche auch 5V liefert und nicht 4.5V. Das Kapitel Inbetriebnahme/Stromversorgung von wiki.fhem.de beschriebt hier die Problematik genauer.
Weitere I2C Teilnehmer, BME680
Ich versuche in diesem Zusammenhang auch den Gas Sensor BME680 von Bosch zu testen. Weitere Infos folgen in einem separaten Beitrag. Für den Anschluss des Sensors habe ich wieder eine Stiftleiste vorgesehen. Natürlich können auch andere Sensoren wie der BME280 oder BH1750 angeschlossen werden.
Vorschau
Da das Projekt mit heutigem Tag noch in der Entstehung ist, aber ich dennoch schon einige Fortschritte gemacht habe, zeige ich hier ein paar Bilder dazu.
Gerber Files & BOM
Schematic und PCB Layout wurden mit KiCAD erzeugt. Gerber Files stehen hier zum Download bereit:
Für die korrekte Bestückung steht hier die Bill of Materials zum Download bereit:
