WiFi-Zeitschaltung für Hernhuter Sternchen

Einführung

In der Adventszeit erleuchten vielerorts Schwibbögen und Adventssterne die Fenster, vor allem im Erzgebirge. Dank LEDs ist der Stromverbrauch viel geringer als früher, allerdings verbrauchen die meisten Zeitschaltuhren mehr Energie als die Sternchen selbst. Außerdem muss man jede Zeitschaltuhr einzeln programmieren.

Das folgende Projekt werden die Sternchen und Lichterketten über ein Handynetzteil versorgt. Über einen ESP-Mikrocontroller und die Tasmota-Software bekommt die Steuerung einen flexiblen Timer, außerdem lassen sich die Sternchen über WLAN vom Handy steuern. Statt eines Relais dient ein Feldeffekt-Transistor als elektronischer Schalter. Der verbraucht sehr viel weniger Energie als ein Relais und man kann das Licht und sogar dimmen.

Bauteile und Werkzeuge

Bauteile

  • Handynetzteil 5V mit USB-Kabel
  • ESP8266 Mikrocontroller, z.B. Wemos D1 mini
  • Transistor (MOSFET) IRLZ 24N
  • MT3608 DC-DC Step up Regler
  • Schaltdraht
  • Lochraster-Leiterplatte
  • Deko-Box als Gehäuse

und für den Steckbrett-Aufbau zusätzlich:

  • Steckbrett (klein)
  • LED für Testaufbau
  • Widerstand 220 Ohm

Statt des etwas überdimensionierten IRLZ 24N kann auch ein anderer “logic level” MOSFET verwendet werden. So ist z.B. ein 2N7000 viel kleiner, hat aber auch eine andere Pin-belegung, eine höhere eigene Verlustleistung wegen des höheren Innenwiderstands und nur wenig Reserven, falls man etwas größere Abnehmer anschließen möchte, z.B. mehrere Sternchen.

Werkzeuge

  • Lötkolben, Lötzinn
  • Voltmeter zur Einstellung der Ausgangsspannung des Step up Reglers.

Software

Schaltungsaufbau

Mikrocontroller und Step-Up Reggler

Der D1 mini wird im Regelfall unverlötet geliefert, deshalb müssen zunächst die Pin-Leisten angelötet werden. Da das Netzteil 5V liefert, die Hernhuter Sternchen jedoch 6V, wird die 5V-Spannung mit einem Step-Up Regler etwas angehoben. Das hat auch den Vorteil, dass man damit prinzipiell auch Verbraucher mit 12V oder 24V versorgen kann, z.B. LED-Streifen. Grundsätzlich funktioniert die Schaltung auch ohne den Step-Up Regler, dann sind die Sternchen minimal dunkler.

Eine solche Schaltung mit einem bereits verlötet erhältlichem Mikrocontroller und ohne Step-Up-Regler findet sich hier.

Tasmota

Die Tasmota-Software kann mit Hilfe eines Web-Installers direkt auf dem Board installiert werden. Voraussetzung ist ein dafür geeigneter Webbrowser (z.B. Microsoft Edge) und der passende CH 340 USB-Treiber auf dem PC.

Anschließend wird der D1 mini mit dem WLAN verbunden und konfiguriert. Für den beschriebenen Aufbau wurden folgende Einstellungen gewählt:

  • Module type: Generic (0)
  • D6 GPIO12 PWM 1

Die Einstellung “PWM” (Pulsweitenmodulation) ermöglicht es, die Sternchen zu dimmen.

Steckbrett-Aufbau

Zunächst empfiehlt es sich, den Aufbau auf einem Steckbrett zu testen. Als Beleuchtung dient eine LED mit Vorwiderstand. Prinzipiell könnte man den Adventsstern oder eine LED-Ketter auch direkt mit dem Steckbrett verbinden. Zur Stromversorgung dient ein Mini-USB-Kabel direkt vom Handynetzteil. Der im Controller-Board eingebaute Spannnungsregler liefert daraus die 3.3V Versorgungsspannung. Den Step-Up Regler verbinden wir jedoch direkt mit der 5V-Leitung. Für größere Stromverbraucher empfiehlt es sich, die Versorgungsspannung für den Step up Regler direkt bereitzustellen und nicht aus dem 5V-Pin des Mikrocontrollers abzuleiten. Im Versuchsaufbau wurde der MOSFET direkt mit dem D6-Pin des Mikrocontrollers verbunden. Noch besser ist es, dafür einen Widerstand (100 Ohm) zu verwenden und außerdem das Gate des MOSFETs mit einem 10kOhm pull-down Widerstand mit der Masse zu verbinden. Im vorliegenden Fall wurde im Interesse der Vereinfachung auf die beiden Widerstände verzichtet, da der IRLZ 24N sehr robust und de-facto überdimensioniert ist.

Steckbrett-Aufbau

Gelötete Schaltung

Die gelötete Schaltung kommt mit sehr wenigen Lötpunkten aus. Beim unten stehenden Beispiel wurde im Interesse eines einfachen Nachbaus ein “Lötbares Breadboard” verwendet. Es hat zum Steckbrett kompatible elektrische Verbindungen, so dass man die Schaltung 1:1 vom Steckbrett übertragen kann und keine zusätzlichen Verbindungen und Leiterbahnen anlegen muss. Mit einer Lochrasterplatte oder einer richtigen Leiterplatte gelingt ein noch kompakterer Aufbau.

Am Mikrocontroller sind lediglich drei Lötstellen erforderlich, der 5V-Ausgang, G (Ground, Masse) und der digitale Pin D6. Aus Gründen der Stabilität verlötet man zum Schluss alle Pins, oder zumindest die 4 an den Ecken.

Am Transistor ist die Reihenfolge:

  • links: Steuerleitung vom Mikrocontroller (D6)
  • mitte: Ausgang über den Vorwiderstand zur LED
  • rechts: Masse (G)

Zum Abschluss des Adventssterns wurde eine zweiadrige Leitung mit Mini-Bananensteckern direkt an die Leiterplatte gelötet. Daran lässt sich der Adventsstern direkt anstecken.

Schaltung auf einem “lötbaren Steckbrett” ## Gehäuse

Als Gehäuse kann ein handelsübliches Elektronikgehäuse aus ABS-Kunststoff verwendet werden. Diese sind robust und hitzebeständig.

Im vorliegenden Fall wurde jedoch eine kleine Geschenkebox aus dem Weihnachtsdeko-Angebot verwendet. Sie fügt sich dekorativ in die Umgebung ein und bietet Platz für überschüssige Kabel. Achtung: Da Pappe leicht entflammbar ist, gilt diese Gehäusewahl ausschließlich für die hocheffiziente 6V-Version der Schaltung. Außerdem sollte die Gesamtlast auf maximal drei Sternchen mit LED-Licht (nicht Glühlampe) begrenzt bleiben.

Aufgrund des sehr geringen Stromverbrauchs erwärmt sich die Schaltung bei dieser Last kaum. Dennoch sind im Inneren Abstandshalter aus Kunststoff zwingend erforderlich, um direkten Kontakt zwischen der Leiterplatte und der Pappe zu vermeiden und die minimal entstehende Wärme abzuführen.

Geschenkebox als Gehäuse

Energieeffizienz

Der größte Stromverbraucher des D1 mini ist das WLAN. Bei einem Gerät, das hauptsächlich über interne Timer gesteuert wird, kann man die Schlafperiode des Mikrocontrollers maximieren, indem man den Sleep-Parameter auf 200ms setzt (Sleep 200). Der Wert (200 Millisekunden) ist ein Kompromiss zwischen Stromersparnis und guter Reaktionsfähigkeit des Controllers. Erfahrungen zeigen, dass höhere Werte (z.B. Sleep 250) zu einer merklichen Trägheit beim Aufruf des Web-Interface und zu Problemen bei Over-the-Air-Updates (OTA) führen können.

Auch bei den Sternchen kann man Strom sparen, indem man sie nur so hell einstellt wie nötig.

Ausblick

An Stelle von Tasmota kann mit Hilfe der Arduino-Umgebung auch ein eigenes Zeitschaltprogramm geschrieben werden. In einem solchen Programm müsste man die Zeit nur gelegentlich aus dem WLAN abrufen und könnte das WLAN anschließend komplett abschalten (WiFi.disconnect()), um den Stromverbrauch noch weiter zu senken als mit Tasmotas Light Sleep Mode.

Die Tasmota-Software hat jedoch noch weitere Vorteile, so kann man z.B. auch mehrere LEDs schalten oder Sensoren hinzufügen, z.B. für die Raumtemperatur. Auch kann man mit Tasmota bestimmte Schaltsteckdosen steuern, z.B. für den Schwibbogen.

Hat man mehrere Sternchen und Lichterketten, kann man sie mit TasmoAdmin auf einem Raspberry Pi über eine gemeinsame Weboberfläche steuern und programmieren.

Viel Spaß!