#Aufbau und Funktion von Netzteilen

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Aufbau und Funktion von Netzteilen

Der Aufbau

Das Netzteil ist das zentraler Verteiler für Strom zu betrachten, der über einen Stecker mit Energie versorgt wird und diese anschließend transformiert. Notwendig wird dies, da die übliche Netzspannung des Stromnetzes von 220 Volt wesentlich zu hoch ist für die betreffenden Komponenten, sodass am Ende Spannungen von 12,5 sowie 3,3 Volt entstehen. Aufgrund des Gebrauchs entsteht eine hohe Abwärme, die ungekühlt einen Schaden verursachen würde, weshalb jedes Netzteil auch über einen Lüfter verfügt. Entgegen der irrtümlichen Annahme, die beim Betrieb eines Laptops auftretende Geräuschkulisse hätte etwas mit der Festplatte oder dem Prozessor zu tun, sorgt in Wahrheit der Lüfter für mehr oder minder starke Geräusche. Um zu verstehen, anhand welcher Merkmale sich Netzteile unterscheiden lassen, muss man die Leistungsfähigkeit näher betrachten. Diese wird in Watt aufgedrückt, wobei herkömmliche Modelle für Computer in etwa im Bereich von 60 bis 90 Watt liegen. Daraus erklärt sich auch, dass mit leistungsfähigeren Laptops aufgrund zusätzlicher Komponenten oder einfach stark beanspruchter Einzelteile ein Bedürfnis entsteht, stärkere Netzteile zu verwenden. Dabei ist zu beachten, dass die angegebene Leistung in Watt nicht darauf zurückzuführen ist, dass mehr Strom verbraucht beziehungsweise benötigt wird. Im Gegenteil, sorgt die oben bereits angesprochene technische Entwicklung doch dafür, dass starke Netzteile entsprechend des Energiebedarfs die Abgabe regulieren und damit auch stromsparend wirken. Der Wirkungsgrad eines Netzteils wird durch die bei der Transformation verloren gehende Energie negativ beeinflusst, was insofern von Bedeutung ist, dass mit leistungsfähigen beziehungsweise hochwertigen Netzteilen dieser natürliche Verlust wesentlich verringert wird. Günstige Netzteile mögen gemäß dieser Erläuterungen zwar ihren Zweck erfüllen, verursachen aber einen hohen Energieverbrauch und sind bereits nach einiger Zeit dermaßen beansprucht, dass von einer kurzen Lebensdauer auszugehen ist.

 Wichtige Bestandteile

Wie bereits angesprochen, werden unterschiedliche Bereiche mit jeweils individuellen Spannungen betrieben, sodass die Anzahl der jeweils eingebauten Kabel sich stark erhöht hat. Moderne Geräte weisen daher ein sogenanntes Kabelmanagement auf, wo tatsächlich nur die benötigten Kabel starr mit dem Netzteil verbunden sind und zusätzliche je nach Bedarf angeschlossen werden können. Der Vorteil liegt darin, dass im Computer beziehungsweise Laptop mehr Volumen frei bleibt, womit die Luftzirkulation erhöht wird und damit ein natürlicher Kühlungseffekt eintritt. Bastler setzen für diesen Zweck gerne sogenannte Wasserkühler ein, die eine höhere Effizienz aufweisen und zudem weniger hohe Geräusche verursachen. Maßgeblich für die erhöhte Nachfrage war, dass bei einem Übertakten des Prozessors wesentlich höhere Temperaturen entstehen, die von normalen Kühlsystemen nur unzureichend reguliert werden konnten. Zudem ist anzumerken, dass ein Wirkungsgrad von 100 Prozent nie erreicht werden kann, da jede verbaute Komponente naturgemäß Energie benötigt und aus diesem Grunde nicht vom Netzteil abgedeckt werden kann. Häufig verwandte Schaltnetzteile weisen heute zumeist Wirkungsgrade von über 80 Prozent auf, was auch für stärkere Nutzungen ausreichend ist. Durch die sogenannte Leistungsfaktorkorrektur, kurz PFC genannt, wird auf europäischer Ebene eine Methode angewandt, um die negative Eigenschaften des Stromzufuhr durch das Netz und die daraus entstehenden unsymmetrischen sowie nicht sinusförmigen Stromentnahmen einzudämmen.

 Die Funktionsweise

Im Rahmen der industriellen Produktion setzen Hersteller vermehrt auf eine Steigerung der Effizienz von Netzteilen, was sich seit Längeren im Form des so bezeichneten 80-Plus-Standards bemerkbar macht. Sie sorgen dafür, dass die jeweils benötigte Stromzufuhr einen optimalen Wert aufweist bei einem gleichzeitig hohem Wirkungsgrad, womit ein hoher Spareffekt hinsichtlich des Stromverbrauchs eintritt. Neue Modelle müssen zudem die vom Handel geforderte ErP-Kompatibilität erfüllen, was nichts anderes bedeutet, dass im Standby-Modus ein Verbrauch von unter einem Watt benötigt wird. Sieht man sich die jeweils maßgeblichen Verbrauchswerte eines Netzteils an, so beanspruchen vor allem moderne Varianten insbesondere die 12-Volt-Schiene. Aus diesem Grunde kann für einen Kauf die Empfehlung ausgesprochen werden, den sogenannten Versorgungsbedarf auf 12 Volt zu beachten, da hiermit auch die niedrigeren Verbrauchswerte gemäß der Herstellerangaben ausreichend dimensioniert sein dürften. Wenn ein Netzteil jetzt mit beispielsweise 600 Watt Leistung angepriesen wird, dem Höchstwert aller maßgeblichen Stränge jedoch ein wesentlich niedrigerer Wert zu entnehmen ist, dann kann man von Etikettenschwindel regen und sollte von einem Kauf Abstand nehmen – auch aus dem Grund, weil eine solche Belastung im Bereich von 3,3 beziehungsweise 5 Volt keinen Sinn ergibt, da das Hauptaugenmerk wie gesagt auf der 12-Volt-Schiene liegt.

 Schlussbemerkungen

In der Regel sind besonders preiswerte Modelle, ohne Sicherheitsmerkmale ausgestattet und bilden eine große Gefahr, da der Lüftung zu wenig Aufmerksamkeit zuteil wird und durchaus Brände entstehen können. Wichtige Angaben sind daher in Form von OVP und UVP angegeben, was jeweils den primär- sowie sekundärseitigen Überspannungs- und Unterspannungsschutz darstellt. Die Bezeichnung OTP steht für einen Überhitzungsschutz und NLO für einen lastfreien Betrieb, was die wesentlichen Bereiche abdecken dürfte. Achten Sie beim Kauf zusätzlich darauf, dass nur dem Verbrauch angemessen dimensionierte Netzteile eine hohe Energieeffizienz aufweisen, sodass Sie Ihren Gebrauch zugrunde legen und dann entscheiden, welche Leistung tatsächlich nötig ist. Der Angabe in Watt ist nicht immer zu trauen, viel eher sollten Sie einmal nachrechnen und feststellen, ob die angegebenen Leistungsgrenzen überhaupt erreichbar sind.

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[draegerit]

Arduino Lektion 58: ESP-01S Temperatur & Luftfeuchtigkeitssensor Shield

Das ESP-01S DHT11 Sensormodul ist in Verbindung mit einem ESP-01 (ESP8266) eine sehr kleine Lösung zum messen der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit.

DHT11 Shield für den ESP-01S Leider hat der DHT11 nicht die beste Genauigkeit, jedoch reicht diese für den "Hausgebrauch" völlig aus.

DHT11 Shield mit montiertem ESP-01S

Bezug

Das Modul kann über ebay.de oder amazon.de für ca. 3,5€ bezogen werden. Obwohl hier ebay.de die besseren Preise hat, ist die Versandzeit bei amazon.de deutlich kürzer. Daher muss man abwägen was einem besser passt.

Technische Daten des ESP-01S DHT11 Shields

Betriebsspannung 3,7V bis 12V Messbereich Luftfeuchtigkeit 20 % - 90 % Temperatur 0 °C bis 50 °C Messgenauigkeit Luftfeuchtigkeit ± 5 % Temperatur ± 2 °C

Montage des ESP-01 Moduls

Auf dem DHT11 Modul befindet sich ein kleiner, weißer Pfeil dieser gibt die Richtung an wie man das ESP-01S Modul aufsteckt.

Pfeil zur richtigen Montage des ESP-01S auf dem DHT11 Shield Wenn beide Module verbunden sind wird die Stromzufuhr angeschlossen. Ich wähle hier ein Universal Netzteil welches man für ca. 8€ auf ebay.de finden kann. Bei Netzteilen achte ich besonders darauf das diese aus Deutschland kommen, denn somit hat man die Gewissheit das diese den Mindestnormen für elektrische Geräte entsprechen. Da die Universalnetzteile jeweils über Steckeradapter verfügen muss man sich noch einen zusätzlichen Adapter besorgen damit man + & - vom Stecker bequem abgreifen kann.

Hohlstecker auf Schraubadapter Diesen Adapter kann man für ca. 4€ auf ebay.de erwerben.

Programmieren des ESP-01

Um den ESP-01 zu programmieren benötigt man einen Adapter, bedingt durch den Aufbau der Pins am ESP-01 kann man diesen nicht auf ein Steckbrett stecken und von dort mit Breadboardkabeln mit einem FTDI Modul verbinden. Adapter zum Programmieren Es gibt 2 verschiedene Adapter für den ESP-01 einmal zum zusammenlöten und für das Steckbrett (hier wird zusätzlich ein FTDI Modul benötigt) und einmal komplett & bequem als USB Adapter.

ESP-01 Adapter und Shields Der Adapter (oben im Bild) wird leider ohne die benötige Brücke ausgeliefert. Warum dieses ist, erschließt sich mir nicht, da diese Brücke für das Programmieren des ESP-01 benötigt wird. Erzeugen der Brücke  Also erzeugen wir uns zuerst die Brücke damit wir den ESP-01S programmieren können. Wir benötigen dazu: einen Lötkolben, Lötzinn, eine Zange, eine Pinzette zwei Lötstifte im Rastermaß 2,54mm einen Jumper Den Jumper habe ich mir von einem alten Motherboard genommen, hier lohnt es sich immer ein kleines Lager mit alten Geräten anzulegen.  Die Lötstifte werden an der Unterseite des USB Programmers wie im Bild zusehen angelötet.

Erzeugen einer Brücke am USB Programmer für den ESP01S Dabei muss man aufpassen das, man keine Brücke zu anderen Pins erzeugt. Wenn dieses erfolgt ist, brauchen wir nurnoch den Jumper auf die Lötstifte stecken und schon haben wir unseren USB Programmer fertig.

Jumper auf der Brücke Wenn wir den ESP01S einmal nur über USB betreiben möchten so entfernen wir den Jumper und wenn der ESP01S programmiert werden soll wird dieser wieder drauf gesteckt. Einrichten der Arduino IDE Soweit noch nicht geschehen muss die ESP Bibliothek der Arduino IDE hinzugefügt werden. Diese Bibliothek bringt verschiedene Features für die ESP8266 Microcontroller mit. Installieren der ESP Bibliothek Die ESP Bibliothek wird über den Boardverwalter installiert, um diesen zu öffnen navigieren wir über das Menü "Werkzeuge" > "Board: xyz" > "Boardverwalter...". Im nun geöffneten Dialog suchen wir nach dem Begriff "esp". Hier wählen wir den Eintrag "esp8266 by ESP826 Community" und wählen aus der Auswahlliste (1) die Version 2.4.1 (oder neuer) (2) danach nurnoch auf die Schaltfläche "Installieren" (3) klicken.

ESP8266 Bibliothek Nachdem die Bibliothek installiert wurde kann der Boardverwalter über die Schaltfläche "Schließen" geschlossen werden. Einstellungen für den ESP01S setzen Den ESP-01S gibt es in verschiedene Ausprägungen, d.h. ggf. muss du in den Einstellungen etwas anderes setzen, für den ESP-01S welchen ich über ebay.de bezogen habe muss ich folgende Werte setzen. Board  - Generic ESP8266 Module Flash Mode - QIO Flash Size - 1M (no SPIFFS) Debug port - Disabled Debug Level - Keine IwIP Variant - v2 Lower Memory Reset Method - ck Crystal Frequency - 26 MHz VTables - Flash Flash Frequency - 40 MHz CPU Frequency - 80 MHz Builtin Led - 2 Upload Speed - 115200 Erase Flash - Only Sketch Hier hat mich ein Arbeitskollege Florian W. unterstützt welchen ich für den Einsatz besonders danken möchte. Der Port muss individuell eingestellt werden, diesen siehst du erst wenn der ESP-01S über einen Programmer mit dem PC Verbunden ist.  Upload eines Sketches Wenn nun der ESP-01S mit einem Programmer am PC angeschlossen ist und die oben genannten Einstellungen gesetzt wurden dann kann ein erster Sketch hochgeladen werden. Da der serielle Port des EPS-01S belegt ist, entfällt das "Hello World!" und wir wollen einfach die "Buildin Led" zum blinken bringen. Bei meinem ESP-01S liegt die Buildin Led auf dem Port 2 hier gibt es Module welche einen anderen verwenden, wenn also nix blinken sollte, einfach mal einen anderen Wert für Buildin Led setzen. Quellcode #define LED LED_BUILTIN const int PAUSE = 125; void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(LED,HIGH); delay(PAUSE); digitalWrite(LED,LOW); delay(PAUSE); } Video DHT11 Shield ansteuern Nachdem wir also nun unseren ersten Sketch auf den ESP-01S hochgeladen und betrieben haben, wollen wir nun das DHT11 Shield verwenden. Es ist jedoch bauartbedingt nicht möglich die Daten des DHT11 auf die serielle Konsole auszugeben, daher erzeuge ich eine kleine Webseite auf welche die Daten abgelesen werden können. Wie man so eine Webseite erstellt habe ich bereits im Tutorial WEMOS D1 – WLAN Thermometer mit DHT11 Sensor beschrieben. Das Tutorial wurde zwar für einen WEMOS D1 entwickelt, jedoch ist dieses (fast) 1:1 auch für den ESP-01S verwendbar.  Es muss hier "nur" der Pin für den DHT11 Sensor Shield auf 2 eingestellt.  Die Zeilen für die Ausgabe von Daten auf der seriellen Schnittstelle können entfernt werden da man auf diese mit dem Shield nicht zugreifen kann. #include #include "DHT.h" const char* ssid = ""; //SSID aus dem Router const char* password = ""; //Passwort für den Zugang zum WLAN WiFiServer server(80); //Port auf welchem der Server laufen soll. #define DHT11PIN 2 #define DHT11TYPE DHT11 DHT dht11(DHT11PIN, DHT11TYPE); void setup() { delay(10); //10ms. Warten damit die Seriele Kommunikation aufgebaut wurde. pinMode(ledPin, OUTPUT); //Den LEDPin als ausgang setzen. digitalWrite(ledPin, ledStatus); //Die LED initial auf den Status "AUS" setzen. WiFi.begin(ssid, password); //Initialisieren der Wifi Verbindung. while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { //Warten bis die Verbindung aufgebaut wurde. delay(500); } dht11.begin(); server.begin(); // Starten des Servers. } /** * Die Funktion gibt den HTML Kopf auf dem Client aus. * Dieses wird für jeden Respond verwendet. **/ void writeResponse(WiFiClient client, float tempValue, float humidityValue){ client.println("HTTP/1.1 200 OK"); client.println("Content-Type: text/html"); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println(""); client.println("google.charts.load('current', {'packages':});"); client.println("google.charts.setOnLoadCallback(drawCharts);"); client.println("function drawCharts() {"); client.print("drawTempChart("); client.print(tempValue); client.print(");"); client.print("drawPressChart("); client.print(humidityValue); client.print(");"); client.println("}"); client.println(""); client.println(""); client.println(""); } void loop() { //Prüfen ob sich ein Client verbunden hat, wenn nicht die Loop "verlassen" WiFiClient client = server.available(); if (!client) { return; } // Wenn sich ein Client verbunden hat solange warten bis Daten gesendet werden. Serial.println("Neuer Client verbunden."); while(!client.available()){ delay(1); } String request = client.readStringUntil('\r'); client.flush(); float tempValue = dht11.readTemperature(); //Temperatur vom Sensor DHT11 lesen float humidityValue = dht11.readHumidity(); //relative Luftfeuchtigkeit vom Sensor DHT11 lesen if (isnan(tempValue) || isnan(humidityValue)) { Serial.println("DHT11 konnte nicht ausgelesen werden"); tempValue = 0; humidityValue = 0; } writeResponse(client, tempValue, humidityValue); delay(1); //1ms. Pause } Nachdem der Sketch hochgeladen wurde, muss man das ESP-01S Modul auf das DHT11 Sensor Shield stecken (hier ist auf den kleinen, weißen Pfeil zu achten). Das DHT11 Sensor Shield muss nun noch mit Spannung versorgt werden, dazu kann man eine Quelle von 3,7V bis 12 V wählen, ich nutze hier ein Modul welches auf ein Breadboard gesteckt wird, auf diesem kann man mit einem Jumper wählen welche Spannung anliegen soll. Betrieben wird dieses Modul über ein Universal Netzteil welches 9V liefern muss. 

ESP-01S mit DHT11 Sensor Shield, Spannungsversorgung über ein Breadboard Powersupply Um die Daten vom ESP-01S zu sehen müssen wir die IP-Adresse im Browser eingeben. Aber wie kommt man an diese wenn es keine Serielle Ausgabe gibt? Hier kann man im Router prüfen welche WLAN Geräte sich verbunden haben, bei mir wird das ESP-01S Shield als ESP-184B20 angezeigt. 

ESP-01S Eintrag in der Fritz!Box Nehmen wir also nun die IP-Adresse  "192.168.178.48" und geben diese in einem Browser ein und betätigen die Enter Taste. 

einfache Webseite mit den Werten Temperatur & Luftfeuchtigkeit Zum aktualisieren muss die Seite aktualisiert werden, hier bietet der Browser eine Schaltfläche oder man tippt in die Adressleiste und betätigt die Enter Taste.

Fazit

Als Fazit ziehe ich, das der ESP-01S nur bedingt einfach in der Handhabung ist. Wer es gewohnt ist einen Microcontroller einfach einzustecken und loszulegen der wird erstmal etwas Rumspielen und vorallem löten müssen. Aber wenn man sich nach dieser Anleitung richtet sollte das alles kein Problem sein. (Sollten trotzdem Probleme auftauchen, so bitte ich um eine Rückmeldung über das Kontaktformular.)   Read the full article