Die Weiterentwicklung der Espressif MCUs mit WiFi ist gewaltig: erst vom kleinen ESP8266 hin zum ESP32, und jetzt eine neue Serie mit nativer USB-Unterstützung sowie dem Wechsel von der XTensa CPU hin zur RISV-V CPU. Dennoch bleibt es ein ESP32 mit all seinen Vorteilen, der sich einfach in der Arduino-IDE programmieren lässt.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen MCUs: ESP32, ESP32-S2, ESP32-S3, ESP32-C3 mit ihren Unterschieden, der Leistung und der Peripherie. Es gibt noch zwar noch weitere Unterfamilien der ESP32-Serie, auf diese soll hier aber nicht eingegangen werden. Die MCUs ESP32, ESP32-S und ESP32-C3 habe ich intensiv getestet.

Nativer USB-Support

Endlich ist es soweit, die Modelle S2, S3 und C3 beinhalten USB-Unterstützung. Das bedeutet, ich kann per USB (D+ und D-Leitung) die MCU direkt programmieren. Auch die serielle Konsole (Arduino „Serial Monitor“) funktioniert per nativem USB, somit ist ein USB-zu-Serial-Interface, welches bisher immer verbaut war, nicht mehr notwendig.

USB mit ESP32-S2 Bockschaltbild

Einfacher geht es nicht: nur das ESP32-Modul (S2/S2/C3) mit Spannung versorgen, einen Boot-Taster anschließen, USB D+/D-/GND verbinden und fertig. Die MCU kann mit der Arduino IDE (ab V2.0.0) programmiert werden. Sobald die Programmierung abgeschlossen ist, einfach neu starten (vom Strom trennen, oder einen Reset auslösen) und ab dann läuft das neue Programm (Arduino Sketch). So etwas könnt Ihr auch!

Im Boot-Modus (gedrückte Boot-Taste) prüft die ESP32-MCU (S2/S3/C3) parallel im Boot-ROM, ob eine Programmierung per nativem USB oder per UART durchgeführt wird. Beides funktioniert.

Ich finde die USB-Unterstützung sensationell. Von Anfang an war ich an der USB-Unterstützung dran und konnte beim Arduino-SDK noch Feedback geben, sodass USB ab der Arduino-SDK-Version 2.0.0 richtig funktioniert.

Unterstützung für den USB „Virtual COM“-Port

Den Arduino „Serial Monitor“ kennen wir bereits. Dort werden Meldungen per Serial.print() ausgeben bzw. per Serial.read() gelesen. Das funktioniert inzwischen auch mit nativem USB, per „Virtuell COM“-Port mit dem „USB Communications Device Class“-Protokoll (USB CDC). In der Vergangenheit funktionierte dies schon mit dem Arduino Zero, und wir nutzen das auch bei unseren LoRa-Boards (Turtle und LongRa) zur Programmierung und für den „Serial Monitor“. Toll, dass dies auch mit den ESP32 (S2/S2/C3) MCUs funktioniert.

Auf dem Weg zum RISC-V-Prozessor

Der ehemalige US-Präsident Donald Trump hat mit seinen Sanktionen bewirkt, dass mehrere Hersteller auf den RISC-V-Prozessor gehen. Der RISC-V-Prozessor ist open source, wurde komplett neu definiert und hat somit keine Altlasten. Er wird von immer mehr Herstellern verwendet, auch bei Espressif ist davon auszugehen, dass RISC-V zukünftig in allen MCUs verwenden wird, aktuell bereits in der ESP32-C3-Serie. Ich habe den ESP32-C3 intensiv getestet und kann sagen, dass dieser bei identischer Taktrate nur ca. 10% langsamer als die XTensa-MCU im ESP32-S2 ist. Dieser geringe Unterschied wird sicherlich mit zukünftigen Versionen aufgeholt werden.

Der ESP32-C3 RISC-V bleibt ein ESP32

In allen ESP32-MCUs (ESP32, S2, S3, C3) bleibt die Peripherie trotz der Unterschiede im Prozessor identisch. Das bedeutet, nur der Prozessor wurde ausgetauscht oder aktualisiert, alles andere ist geblieben (WiFi, SPI, I²C, ADC, RMT, Timer usw.). Somit können auch umfangreiche ESP32-Programme mit einer S2- oder C3-MCU verwendet werden; die Peripherie ist schlichtweg kompatibel. Allerdings sind je nach MCU einige Peripherie-Bausteine kleiner ausgelegt (z. B. zwei zusätzliche Timer beim C3 anstelle der 4 zusätzlichen Timer beim ESP32, S2, S3). Das hat marketingtechnische Gründe und ist gängige Praxis bei allen Herstellern, kostet der C3 schließlich deutlich weniger als ein S2.

Unterschiede in der CPU-Geschwindigkeit (ESP32, S2, C3)

Ich habe einen kleinem CPU-Benchmark entwickelt, welcher in einer Kette eine Addition, eine Multiplikation, eine Subtraktion sowie eine Division durchführt, also vier mathematische Operationen. Hier wird gemessen, wie viele Millionen (Mega) dieser Operationsketten pro Sekunde durchlaufen werden. Das Ganze dann mit unterschiedlichen Datentypen:

(x2) Beim Dual Core ESP32 liefert die zweite CPU die identische Geschwindigkeit wie die erste, daher ist die Geschwindigkeit zweimal vorhanden.

Es ist wichtig zu wissen, dass die S2- und C3-MCUs keine „Floating-Point Unit“ haben, weshalb dort die Float-Performance ca. 8 mal langsamer ist. Double (64-bit Float) sowie 64-bit Integer beherrscht keine der MCUs, daher sind dort alle langsam. Fehlende CPU-Operationen wie für Float, Double und Int64 werden automatisch per Software in der C/C++ Runtime Bibliothek gerechnet, was auch einwandfrei funktioniert, aber halt langsamer ist. Zu beachten ist auch, dass der C3 nur mit 160 MHz läuft, der ESP32 sowie S2/S3 laufen mit 240 MHz.

Die ESP32-Serie braucht sich nicht zu verstecken und ist schneller als preislich vergleichbare ARM MCUs.

ESP32 Bluetooth-Unterstützung

Der ESP32-S3 sowie der ESP32-C3 verfügen über eine neue Bluetooth-Hardware sowie -Software. Das konnte ich leider noch nicht testen und behandle es hier daher auch nicht.

Technische Unterschiede beim ESP32, S2, S3, C3, H2

Hier eine kleine Auflistung der Unterschiede der verschiedenen MCUs aus der ESP32-Serie. Zur einfacheren Gestaltung erfolgt die Aufzählung der Abweichungen gegenüber dem genannten Referenzprozessor in Listenform:

ESP32

(Dual-Core XTensa, WiFi, 512 kB SRAM, etc.)

ESP32-S2 (Abweichung gegenüber ESP32)

• Single-Core XTensa LX7 MCU (statt Dual-Core)
• Keine Floating-Point Unit (Softwareimplementation ist 8x langsamer)
• Mehr Pins (56 GPIOs)
• Mehr Touch-Pins
• USB OTG (on-the-go) integriert
• Bluetooth 5.0
• ULP-RISC-V Co-Prozessor

ESP32-S3 (Abweichung gegenüber ESP32-S2)

• Dual-Core XTensa LX7 MCU
• Floating-Point Unit
• Bluetooth 5.2 (LE)

ESP32-C3 (Abweichung gegenüber ESP32)

• RISC-V CPU
• Bluetooth 5 (LE)
• 160 MHz statt 240 MHz
• 400 kB SRAM (statt 512 kB)
• Weniger Pins (32 GPIOs)
• 8 kB RTC-Speicher (statt 16 kB)
• Keine Floating-Point Unit (Softwareimplementation ist 8x langsamer)
• Keine Wake-up-Pins für „Deep Sleep“ (nur Timer)
• 56-bit statt 64-bit Timer-Register
• 2 statt 4 verfügbare Timer
• 4 statt 8 RMT-Kanäle
• USB integriert

ESP32-H2 (Abweichung gegenüber ESP32-C3)

• 256 kB SRAM (statt 400 kB)
• 96 MHz statt 160 MHz
• Bluetooth 5.2 (LE)
• Kein WiFi

Tückische Probleme bei der ESP32-Serie

Bei so viel Positivem gibt es Probleme, welche wir als Software und Hardware Entwickler kennen müssen.

a) Flash-Speicher
Der Flash-Speicher ist immer seriell über einen zusätzlichen Flash-Chip angebunden, auch wenn dieser bereits in der MCU integriert ist. Das bedeutet, dass der Programmcode blockweise vom Flash-Speicher ins RAM geladen werden muss und der Code erst danach ausgeführt wird. Auch ein ständiges Nachladen (Swapping) tritt bei großen Programmen auf. Dadurch geht einiges an verfügbarem SRAM verloren, da er für die Ausführung des Codes benötigt wird.

b) Interrupt-Routinen
Da Interrupt-Routinen nicht davon ausgehen können, dass ihre Zieladresse auch aktuell verfügbar ist (siehe a) Flash-Speicher), müssen alle Interrupt-Routinen per Compiler-Attribut IRAM_ATTR deklariert werden. Zusätzlich müssen alle Subroutinen, welche im Interrupt aufgerufen werden, z. B. SPI, GPIO-Subfunktionen oder 64-bit Runtime-Arithmetik, ebenfalls mit IRAM_ATTR deklariert werden, damit diese auch im SRAM verfügbar sind. Das ist sehr fehlerträchtig, da solche Probleme nur per Zufall auftreten.
Hölle, Hölle, Hölle …

c) Deep Sleep
Der ESP32 Deep Sleep benötigt zwar wenig Strom (<7 µA), allerdings wird die interne CPU und das SRAM dafür komplett abgeschaltet, nur der RTC-Speicher (8-16 kB) bleibt erhalten. Bei einem GPIO- oder Timer-Wake-up (nur ein Pin als Wake-up definierbar) aus dem Deep Sleep, bootet die MCU (ESP32, S2, S3, C3) komplett durch. Das dauert ca. 300 ms und man muss mühsam seinen Programmstatus aus dem RTC-Speicher rekonstruieren. Ein echter Deep Sleep ist das also nicht.
Bei MCUs von anderen Herstellern, zum Bespiel die STM32L4-Serie, bleiben Speicher sowie CPU-Status komplett erhalten und eine Interrupt-Routine wird im Deep Sleep innerhalb von ca. 5 µs aufgerufen und alle GPIOs sind auch im Deep Sleep aktiv. So funktioniert ein richtiger Deep Sleep! Daher verwenden wir bei RadioShuttle.de auch STM32L4 MCUs für die Turtle- und LoRa-Boards.

Trotz dieser Probleme und Beschränkungen überwiegen die Geschwindigkeitsvorteile der ESP32-Serie mit integriertem WiFi, sehr viel SRAM und großem Flash. Mit der neuen nativen USB-Unterstützung und dem kleinen C3 mit RISC-V ist wirklich ein großer Schritt getan. Ich bin begeistert!

Ich hoffe, dieser Überblick bringt ein wenig Licht in die ESP32-Serie. Weitere Fragen und Diskussionen gerne persönlich beim Arduino-Hannover-Treffen.

Viel Erfolg bei Euren ESP32 Projekten!

Links

• RISC-V
• Geschwindigkeit und Tücken gängiger MCUs
• Arduino ESP32 SDK
• LoRa Boards & MQTT Push App

Solaranlage selber bauen, Eigenstrom produzieren – senkt die Stromrechnung und macht glücklich.

In diesem Artikel wird erläutert, wie eine Kleinst-Solaranlage innerhalb von einer Stunde in Betrieb geht. So etwas lässt sich schon mit ca. 400,- € realisieren und kann zur großen PV-Anlage ausgebaut werden. Aus eigener Erfahrung zeige ich, wie es funktioniert unter Verwendung von Mikrowechselrichtern der Firma Enphase.

Das einfache Balkonkraftwerk

Einfach ein Solarmodul in den Garten stellen, die zwei MC4-Stecker vom Solarmodul mit dem Mikrowechselrichter verbinden, Stromkabel anstecken, fertig. Das Ganze kann beliebig ausgebaut werden. Beispiel: 10 Module mit Mikrowechselrichter (360 Watt pro Wechselrichter = 3,6 kW). Bei dieser Größe ist natürlich die Schukosteckdose nicht mehr ausreichend, die 230-V-Leitung muss fest angeschlossen werden. Ein fachkundiger Handwerker kann hier helfen.

Bringt ein Balkonkraftwerk überhaupt etwas?

Der in einem Haushalt verbrauchte Ruhestrom führt zu einem konstanten Verbrauch von ca. 200 Watt. Heizungspumpe, FritzBox sowie weitere Geräte, welche im Standby-Modus konstant Strom ziehen, führen über das Jahr gerechnet zu einem Verbrauch von 1.750 kWh (0,2kW * 24 Stunden * 365 Tage). 1.750 kWh kosten bei 40 Cent Strompreis 700,- € im Jahr, nur für den Ruhestrom.

Wenn ein 400-Watt-Modul ca. 328 kWh pro Jahr bringt, kann es während der Sonnenstunden sehr wohl zu einer deutlichen Reduzierung des Stromverbrauchs beitragen. Es wird trotzdem einige Jahre brauchen (vermutlich 7 Jahre) bis die Investition sich rechnet. So eine Solaranlage wird erfahrungsgemäß 25 Jahre und länger problemlos laufen.

Ja, eine Solaranlage lohnt sich, selbst ein kleines Balkonkraftwerk lohnt sich bereits!

Was brauche ich für ein Mini-Balkonkraftwerk?

• Solarmodul Meyer Burger Black 380 Watt (120 Halbzellen, Größe, 1,04 x 1,78 x 0,035m B/H/T), ca. 300,- €
  Alternativ: Trina Solar mit 395 Watt (120 Halbzellen, Größe 1,10 x 1,76 x 0,030 B/H/T) ca. 225,- €
• Enphase IQ7A Mikrowechselrichter IQ7A 360 Watt (ist kompatibel mit 120 Halbzellen-Modulen) ca. 185,- €
• Enphase Q-Kabel, Q-25-10-1, 1,3m lang (mal die Anzahl der Module) ca. 17,- €
• Enphase Stofpen für das Q-Kabel Q-TERM-R 14,50 €
  Alternativ: zum Q-Cable/Stecker: zum Selbstkonfektionieren, Enphase Steckverbinder Q-CONN-R-10M) ca. 13,- €

(Preise: Dezember 2022, bestellbar bei PV-Lieder www.pv-lieder.de?utm_source=rss&utm_medium=rss)

Da kommen Kosten von 425,- € mit dem in China hergestellten Modul oder 498,- € mit dem in Deutschland gefertigten Modul von Meyer Burger zusammen.

Wie funktioniert eigentlich so ein Wechselrichter?

Alle Wechselrichter wandeln die Gleichspannung (DC) vom Solarmodul in eine 230-V-Wechselspannung (AC) um. Damit der Strom dann auch ins Hausnetz fließen kann, produzieren Wechselrichter einfach eine etwas höhere Spannung (z. B. 234 V anstelle der 230-V-Netzspannung). Durch diesen kleinen Kniff fließt der produzierte Solarstrom in den direkten Hausverbrauch, der nicht verwendete Strom wird automatisch ins Netz eingespeist.

Hinweis zu den DC-Spannungen:

• Enphase Mikrowechselrichter (ca. 35 V) => ungefährlich
• Herkömmliche Wechselrichter (ca. 515 V, z. B. 15 Module in Reihe) => Hochvolt-Spannung = Lebensgefahr

Beim Mikrowechselrichter gibt es keine DC-Hochvolt-Spannung, das ist also deutlich sicherer. Beim Ausfall eines Solarmoduls oder Wechselrichters laufen die verbliebenen Geräte weiter.

Die vollwertige Solaranlage

Das Kommunikations-Gateway Enphase Envoy-S Standard wird einfach an die gleiche Phase wie die Mikrowechselrichter angeschlossen, zusätzlich erlaubt eine Verbindung ans Internet per WiFi oder Ethernet die Überwachung der Wechselrichter. Per Handy-App oder Webbrowser wird die aktuelle Solarproduktion angezeigt, darüber hinaus kann die historische Produktion (Tag/Monat/Jahr) übersichtlich angezeigt werden.

PS: Meine Empfehlung wäre das Enphase Envoy-S Standard zu überspringen und dafür ein Envoy-S Metered zu erwerben. Dies erlaubt genauere Messungen und zusätzlich wird eine Nulleinspeisung möglich. Auch der genaue Netzbezug kann mit Stromsensoren gemessen werden, die Enphase-Batterie (der Akku) benötigt ebenfalls das Enphase Envoy-S Metered.

Die große Solaranlage

Wenn es größer werden darf, eine Nulleinspeisung gewünscht ist oder eine Batterie (Akku) mit genutzt werden soll, muss das Enphase Envoy-S Metered mit Stromsensoren her. Ist eigentlich keine große Investition (ca. 400,- € mit Stromsensoren). Zum Anschluss der 3-Phasen hinter dem Hauptschalter in der Elektro-Hauptverteilung (Sicherungskasten) wird dann auf jedem Fall ein Elektriker benötigt. Wenn mehr als 10 Module verwendet werden, müssen die PV-Module auf drei Phasen aufgeteilt werden. Hierfür gibt es ein dreiphasiges Q-Kabel, welches beim Wechselrichter die Phase automatisch im Kabel wechselt:
Der erste Wechselrichter ist dann auf L1, der zweite auf L2, der dritte auf L3, der vierte dann wieder auf L1 usw.

Meyer Burger Solarmodule – in Deutschland produziert

Meyer Burger ist der einzige Hersteller in Europa, welcher Solarmodule komplett in Deutschland fertigt (Solarzellen sowie Module). Zusätzlich sind diese Module sehr effizient (120 Halbzellen) und bieten bei wenig Sonne und nicht optimaler Ausrichtung schon ausreichend Strom. Früher hat Meyer Burger (als Maschinenbauer) in China die dortigen Solar-Produktionsanlagen gebaut, jetzt bauen Sie nur noch eigene Werke für eine lokale Produktion von Solarmodulen. Das hat mich komplett überzeugt, und ich bin dafür bereit, den Preis für beste Qualität zu bezahlen.

Mikrowechselrichter (Enphase IQ7A)

In den USA ist Enphase Energy bereits Marktführer für PV-Anlagen, in Europa ist das Unternehmen noch nicht so bekannt. Das Konzept der Mikrowechselrichter hat mich komplett überzeugt. Der Geheimtipp ist, dass man bei Enphase sogar mit einem einzigen Solarmodul (Balkonkraftwerk) anfangen und mit beliebig vielen Modulen ausbauen kann. Mit der Enphase-Batterie kann diese Anlage schlüsselfertig als skalierbares AC-angeschlossenes Akkusystem verwendet werden. Nulleinspeisung ist auch kein Problem. Meiner Meinung nach bietet Enphase Energy ein sehr überzeugendes System, welches seinesgleichen sucht.

Die Steuerzentrale – Enphase IQ-Gateway (Envoy)

Für kleine Installationen (Balkonkraftwerk) wird kein IQ-Gateway (auch Envoy genannt) benötigt, da lohnt es sich nicht. Für richtige Solaranlagen ist es allerdings zu empfehlen. Das Gateway kommuniziert mit allen Enphase-Komponenten (IQ-Relay, IQ-Battery, IQ-Mikrowechselrichter) per Power Line Communication (PLC), so etwas wird auch bei der Ethernet-Netzwerkverlängerung über das Stromkabel verwendet. Das Gateway hat mehrere Funktionen:

• Parametrisierung der Mikrowechselrichter (das funktioniert über hinterlegte Profile-Einstellungen)
• Software-Update der Mikrowechselrichte, IQ-Relay, usw.
• Auslesen der PV-Leistung aller Mikrowechselrichter (alle 5 min)
• Regelmäßiger Daten-Upload zum Enphase Server (für die Handy- und Web-App-Ansicht)

Bei der IQ-Gateway (Envoy-S) Metered kommt noch folgendes hinzu:

• Stromsensoren zur Messung des Hausverbrauchs (auf 3 Phasen in Deutschland)
• Stromsensoren zur Messung der PV-Produktion (ein oder drei Phasen, je nach Größe)
• Steuerung aller Enphase-Batterien (per Funk, laden oder entladen, permanente Leistungsanpassung)
• Life/Energie-Ansicht vom Stromfluss per App (PV, Batterie, Verbrauch und Stromnetz)

Das kleine Envoy-Kerlchen kann eine ganze Menge. Das Coole ist aber: selbst, wenn das Enphase-Gateway mal nicht funktioniert, läuft die Solarproduktion einfach weiter, denn die Mikrowechselrichter haben ihre einmal erhaltenen Profile lokal gespeichert. Natürlich kann die Batterie dann nicht mehr gesteuert werden, wie auch ohne permanente Messdaten. Auch wenn das Internet mal weg ist, sammelt das Gateway eine gute Woche weiter Daten und verschickt diese, sobald das Internet (Ethernet oder WiFi) wieder verfügbar ist.

Physikalische Netztrennung per Q-Relay

Die Enphase Mikrowechselrichter schalten die Stromproduktion automatisch ab, sollte die Netzspannung ausfallen oder instabil werden. Das funktioniert perfekt innerhalb eines Sekundenbruchteils. Ich habe das selbst mal mit einem Oszilloskop gemessen, es wird zuverlässig abgeschaltet. So etwas ist auch wichtig, sollte mal der Strom ausfallen oder der Sicherungsautomat schaltet ab, dann darf die PV-Anlage natürlich keinen Strom mehr einspeisen.
In Deutschland gibt es allerdings von den Netzbetreibern die Anforderung, dass physikalisch eine Netztrennung vorgenommen werden muss. Hierfür wird das Enphase Q-Relay benötigt: bei einer Anlage mit einer Phase (Q-Relay 1P), bei größeren Anlagen die dreiphasige Version (Q-Relay 3P). Die Batterie benötigt ein eigenes Q-Relay, das ist in Deutschland ebenfalls Vorschrift.

Der Akku (Enphase-Batterie)

Im Englischen wird der Akku „Battery“ genannt bzw. „Rechargeable Battery“, bei Enphase heißt der Akku einfach IQ-Battery. Die Enphase-Batterie (AC-Batterie) wird einfach per 230-V-Wechselstrom angeschlossen. Die Batterie besteht aus drei Funktionseinheiten:

• LiFePO₄ Akku-Block mit BMS (Battery Management System)
• Enphase IQ8-BAT Mikrowechselrichtern (4 Stück parallel, welche das Aufladen & Einspeisen regeln)
• Steuerungseinheit (PLC-Kommunikation IQ8-BAT, ZigBee-Kommunikation mit der Envoy-Zentrale, Kommunikation mit dem BMS)

Beim Einspeisen vom Akku in das 230-V-Stromnetz verhält sich der IQ8-BAT Mikrowechselrichter wie ein Wechselrichter, welcher für die Solarmodule genutzt wird, er nimmt dem Gleichstrom (DC) aus dem Akku und wandelt diesen in 230-V-Wechselstrom um.
Beim Aufladen vom 230-V-Stromnetz (AC) in den Akku (DC) arbeitet der IQ8-BAT einfach umgekehrt und wandelt die 230 V in einen Gleichstrom zum Laden des Akkus um. In jeder Batterie befinden sich 4 IQ8-BAT Mikrowechselrichter, damit die Leistung größer ist. Außerdem bietet es eine Ausfallsicherheit: sollte ein IQ8-BAT mal nicht funktionieren, arbeiten die anderen drei ungehindert weiter.

Betrieb mit fremder Solaranlage. Die Enphase-Batterie mit Envoy kann auch für Fremdanlagen mit zentralem Wechelrichter genutzt werden.

Wenn eine 3T Batterie (3,5 kWh Akku) nicht ausreicht, können einfach bis zu 12 Batterien verwenden werden (42 kWh). Bei Enphase gibt es eine 3-fach Batterie (IQ-Batterie 10T), das wären dann 4 x 10T Batterien für die 42 kWh.

Die einzelnen Enphase-Akkus in der Enphase-Batterie werden übrigens nur mit 60 Volt Spannung betrieben, das ist um einiges sicherer als die Hochvolt-Batterien anderer Hersteller. Zusätzlich haben die LiFePO₄-Akkus den Vorteil, dass diese nicht brennen können (Selbstentzündung) wie die Lithium-Ionen-Akkus, welche häufig verwendet werden.

Das sehr modulare Konzept der Enphase-Batterien überzeugt. Sie sind ausfallsicher, skalierbar und laufen flexibel nutzbar und sehr sicher mit allen PV-Systemen. Die Batterie ist eine wichtige zentrale Komponente – basteln lohnt sich hier nicht.

PS: Ich dachte zunächst, so einen LiFePO₄-Akku kannst Du selbst bauen, dazu noch ein China-BMS, ein Gehäuse fertigen, dann noch einen Laderegler, der den Akku lädt und noch ein Wechselrichter, welcher den Akku-Gleichstrom in 230-V-Wechselstrom umwandeln kann. Wenn man dann noch in Bruchteilen von Sekunden die Ladeleistung zwischen wenigen Watt in Kilowatt regeln muss, zusätzlich umschalten auf Entladung bzw. Einspeisung (ebenfalls von wenigen Watt bis mehreren Kilowatt), prüfen, ob das Netz stabil ist, ansonsten sofortige Netztrennung usw., dann komme auch ich an meine Grenzen. Die Enphase Batterie-Lösung ist da einfach schlüsselfertig und empfehlenswert.

Stromkabel zu den Solarmodulen

Bei wenigen Modulen einfach ein 1,5 mm²-Gummikabel von den Solarmodulen bis zur Steckdose, bei mehreren Modulen ein 5×2,5 mm²-Gummikabel bis zur Dose an der Hauswand ziehen. Innerhalb vom Haus habe ich dann ein 5×4 mm²-NYM-Kabel verwendet.

Zum Verbinden mehrerer Module gibt es von Enphase die Q-Cable (einphasig mit 1,5 mm² oder dreiphasig mit 2.5 mm²). Mit 5 x Q-Cable kann ich also 5 Module einfach anstecken. Am Ende kann ein Abschlussstopfen aufgesetzt werden, damit alles Wasserdicht verschlossen ist. Am Anfang verwende ich eine Wasserdichte IP65-Dose, von dort aus geht es dann zum Stromanschluss mit dem Gummikabel.

Folgendes Material steht hier zur Verfügung (www.pv-lieder.de):?utm_source=rss&utm_medium=rss
Einphasig 1,5 mm²

• Module im Hochformat angebracht: Enphase Q-Kabel, Q-25-10-1, 1,3 m lang
• Module im Querformat angebracht: Enphase Q-Kabel Q-25-17-1, 2 m lang
• Q-TERM-R Stopfen am Ende

Dreiphasig 2,5 mm²

• Module im Hochformat angebracht: Enphase Q-Kabel Q-25-10-3P-1, 1,3 m lang
• Module im Querformat angebracht: Enphase Q-Kabel Q-25-17-1, 2 m lang
• Q-TERM-3P Stopfen am Ende

Zusätzlich nutze ich folgendes Material von www.elektroversand-schmidt.de?utm_source=rss&utm_medium=rss:

• Nr. 5SV1316-6KK16: Siemens FI/LS-Schalter, 1P+N, 6 kA, B-16A, 30 mA, 1TE Art
• Nr. 80240701: Spelsberg Abox 5×2,5mm² – 80 x 80 x 52 mm, IP 65

Die dafür notwendigen Kabelverschraubungen gibt es im Baumarkt. Zur Verbindung der Kabel sind Wago-Klemmen sehr praktisch.

Hinweis: die Abzweigdose muss wirklich wasserdicht sein, sonst ist da irgendwann die Feuchtigkeit drin und der Ärger beginnt. Soll ja 30 Jahre halten …

Notstromfähigkeit – Inselbetrieb – Autarkie

Aktuell ist Enphase in Deutschland mit Akku nicht notstromfähig, in den USA allerdings schon. Die hierfür notwendige automatische 3-phasige Netztrennung (Enphase IQ System Controller) gibt es für Deutschland noch nicht. In den USA gibt es schon einen neuen Wechselrichter der IQ8-Serie, welcher ohne Batterie bei Sonnenschein das Haus mit Strom versorgen kann (natürlich nur kleine Lasten wie Kühlschrank und Klimaanlage). Das Ganze ist etwas wackelig, weil bei Schatten der Strom sofort wieder ausfällt. Für eine zuverlässige Stromversorgung muss daher auch eine Batterie her.

Die komplette Notstromfähigkeit bzw. der Inselbetrieb kommt also erst in Zukunft sobald es einen Enphase IQ Systemcontroller für Europa gibt.

Wichtiger Hinweis: Kein notstromfähiges PV-System schaltet einfach sofort um, eine Stromunterbrechung ist immer vorhanden (1-5 Minuten), wenn das Netz wieder stabil zurück ist, gibt es eine weitere längere Unterbrechung vom Inselbetrieb zurück zum Netzbetrieb.

PS: Für mich ist die Notstromfähigkeit nicht ausschlaggebend, wenn der Strom mal ausfällt, nehme ich einfach Kerzen und Taschenlampen. Bei einem längeren Stromausfall über mehrere Tage gibt es ganz andere Probleme, denn dann läuft ja gar nichts mehr (Handy, Internet, Supermärkte, Verkehrssysteme, Feuerwehr, Erste Hilfe, Krankenhäuser usw.). Unser Zuhause wäre da das kleinste Problem.

Eines kann ich versichern: ein PV System mit Notstromfähigkeit kostet sehr viel Geld und wenn ich dann zwei Herdplatten anstelle, bricht es trotzdem zusammen. Da ist ein Campingkocher die bessere Alternative.

Nulleinspeisung – keinen Strom ins Netz einspeisen

Es gibt Gründe, warum Leute Solaranlagen ausschließlich für den eigenen Verbrauch nutzen wollen, ohne überschüssigen Strom an den Netzbetreiber zu verschenken bzw. bei Anmeldung zu verkaufen. Dieses funktioniert mit der „Envoy-S Metered“-Steuerzentrale und Stromsensoren am Netz. Per Envoy Netzprofile „Red 0%“ wird die Einspeisung auf 0% reduziert. In diesem Fall regelt der Envoy die Mikrowechselrichter regelmäßig herunter bzw. hoch, damit exakt soviel Strom produziert wird, wie für den Haushalt und ggf. Batterie benötigt wird, auf keinen Fall mehr, damit nichts eingespeist wird.

Die Nulleinspeisung kann bei Enphase mit einer kleinen Investition (Envoy-S Metered mit Stromsensoren, ca. 400,- €) zusammen mit IQ7-Wechselrichtern zuverlässig und günstig realisiert werden.

Technischer Hintergrund:

Bei der Nulleinspeisung muss am Stromanschluss (hinter dem Hauptschalter) ein Stromsensor installiert sein; drei Stromsensoren für den 3-phasigen Strom bei uns in Deutschland. Zusätzlich ist ein Stromsensor notwendig, welcher die PV-Leistung misst (bei 3-phasiger PV sind es drei weitere Stromsensoren). Bei Enphase macht das System all dies automatisch: Wechselrichter steuern (Stromsensoren messen den Eigenverbrauch und die PV-Produktion) sowie die Batterie laden und den Batteriestrom bei Bedarf ins Haus einspeisen.

Maximalleistung von Solarmodulen

Die Angabe kWp (kilowatt-peak), also die Maximalleistung von Solarmodulen, ist der Idealfall (z. B. bei einem 400-Watt-Modul, also 0,4 kWp, mal die Anzahl der Module). Diese Leistung ist in der Realität unerreichbar. Voraussetzung dafür ist natürlich perfekter Sonnenschein, welcher – wenn überhaupt – nur stundenweise im Jahr vorhanden ist. Dann kommt noch die optimale Ausrichtung der Module hinzu, welche ebenfalls nicht immer oder nur stundenweise gegeben ist. Weiterhin hat der Wechselrichter auch Verluste, je nach Arbeitspunkt 4-15%. Bei einem 400-Watt-Modul würde ich bei bestem Sonnenschein einfach mal nur von 250 Watt ausgehen, bei wenig Sonne vielleicht nur 30 Watt.

Die Angabe „ich habe eine 10kWp Anlage“ sagt wenig aus. Auch die genaue Ausrichtung, ggf. eine Nachführung, die Anzahl der Sonnenstunden pro Jahr und die Strahlungsintensität je nach Region in Deutschland sind wichtige Kennzahlen, um die Durchschnittsleistung zu berechnen.

Es gibt auch Situationen, in denen ein 400-Watt-Modul kurzfristig 15% mehr bringen kann, dann regelt der Wechselrichter einfach auf die maximal Leistung des Wechselrichters ab.

Für das 400-Watt-Modul gehen wir einfach mal von diesen Werten aus: 200 Watt * 4,5 Sonnenstunden * 365 Tage = 328 kWh bei guten Bedingungen.

Ausrichtung der Module

Ich verwende 380-Watt-Solarmodule von Meyer Burger mit einem 360-Watt-Mikrowechselrichter von Enphase (IQ7A), einfach mal flach auf die Terrasse gelegt und bei guter Sonne im Vergleich zum aufgeständerten Modul nur 20% weniger Leistung erhalten. Bei Sonnenschein im Schatten bringen die Module dann immerhin noch ca. 40 Watt.
Bei der Ausrichtung habe ich folgende Erfahrung gemacht:

• Module nach Osten ausgerichtet:
  gute Produktion morgens bis mittags, Nachmittags nur noch wenig
• Module nach Süden ausgerichtet:
  gute Produktion von Mittags bis in den Nachmittag hinein
• Module nach Westen ausgerichtet:
  gute Produktion ab frühen Nachmittag

Ich habe bei mir die Ausrichtung zuerst mit Ost/West angefangen, hier bekomme ich aber über das Jahr zu wenig, daher habe ich jetzt folgende Ausrichtung:

• 1/3 der Module Ost (optimal, um schon morgens die die Sonne einzufangen)
• 1/3 der Module Süd (mit 70° Aufständerung – optimiert für die tiefen Sonnenstand außerhalb vom Sommer)
• 1/3 der Module West (optimal für den Nachmittag bis zum Sonnenuntergang).

Ab Mittag, wenn die Sonne hoch steht, liefern alle Module (Ost/Süd/West) reichlich Strom, dann ist der Speicher zu Mittag voll, optimal, um auch noch das E-Auto über mehrere Stunden zu laden.

PV-Anlagengröße berechnen

Beispielhaushalt mit 4.000 kWh Verbrauch im Jahr

Kleiner Haushalt, ohne Wärmepumpe, ohne E-Auto:
Schaut Euch Eure Stromrechnung an, um zu sehen, wieviel Ihr wirklich verbraucht. Zunächst hören sich die 328 kWh Jahresleistung von nur einem Modul erst einmal viel an. Allerdings gilt es zu bedenken, dass diese Leistung nicht zum identischen Zeitpunkt wie der Verbrauch zur Verfügung steht.

Eine Daumenregel für die PV-Anlage (Stromverbrauch, Solaranlage kWp, Speicher) am Beispiel des 4.000-kWh-Haushalts:

• Stromverbrauch 4.000 kWh
• PV-Anlage 4kWp (mindestens, mehr ist besser)
  ohne Speicher ergibt ein Eigenverbrauch von ca. 25-40% (auch Autarkie oder Selbstversorgung genannt)
• Speicher 4 kWh erhöht den Eigenverbrauch auf ca. 50-75%

Die einfach Regel ist also: Stromverbrauch 4.000 kWh == PV 4 kWp == Speicher 4 kWh.
Bei einer 4-kWp-Anlage beträgt die PV-Stromproduktion ca. 4.000 kWh im Jahr.

Wie gesagt, das sind alles nur ungefähre Werte, welche von vielen Details abhängen.

E-Auto laden per PV – geht das?

Die grundsätzliche Antwort lautet „Ja“, aber es wird schon eine große Solaranlage von 10-15 kWp benötigt. Ein PKW lädt mit ca. 11 kW, so eine Solaranlage bringt aber nur ca. 6-8 kW an sonnigen Tagen. Man muss daher die PKW-Ladung drosseln z. B. mit einem kleineren 230-V-Ladeadapter, oder beim Tesla die Ladeleistung im PKW auf nur 4 kW einstellen. Somit kann an sonnigen Tagen das E-Auto überwiegend mit Solarstrom geladen werden, der Rest kommt aus dem Netz.

Eine zusätzliche Steuerung wäre wünschenswert. Die Wallbox sollte nur dann aktiviert werden, wenn ausreichend Solarstrom vorhanden ist. An so einer Lösung für die Enphase-Umgebung entwickle ich aktuell und werde darüber berichten, wenn es soweit ist.

(siehe auch Wallbox für E-Autos – Hintergründe und Bauanleitung)

Vorteile der Mikrowechselrichter

Bei herkömmlichen Wechselrichtern gibt es einen oder zwei Strings (String = Reihenschaltung von vielen Solarmodulen). Das hat eigentlich den Vorteil, dass es schön einfach ist, die Solarmodule nacheinander zu verkabeln. Das bedeutet aber auch, dass wenn ein Modul nicht einwandfrei läuft (Unterbrechung, Übergangswiderstand oder Verschattung), gleich der ganze String ausfällt. Die Reihenschaltung bringt den gefährlichen Nachteil mit sich, dass dort bis zu 1.000 V anliegen, welche sich aufgrund der Reihenschaltung in jedem Solarmodul befinden.

Für die Mikrowechselrichter gibt es insbesondere folgende Vorteile:

• Extrem einfacher Anschluss: Modul mit Mikrowechselrichter einfach in die Steckdose stecken
• Ausfallsicherheit: fällt einer aus, ist nur ein Modul betroffen
• 25 Jahre Garantie bei Enphase-Mikrowechselrichtern
  (Betriebsdauer von String-Wechselrichtern beträgt nur ca. 10 Jahre!)
• Ungefährlich: am Solarmodul liegen nur ca. 40 V an
• Es gibt eine galvanische Trennung vom DC- zum AC-Strom (Solarpanel sind potenzialfrei)
• Keine Probleme mit Verschattung oder bei unterschiedlichen Ausrichtungen
• Einfache & sichere Verkabelung (ein 230-V-Kabel parallel an den Modulen)
• Einfache Erweiterung mit weiteren Modulen, egal wo, egal welche Ausrichtung!

Die Mikrowechselrichter sind zwar ca. 20% teurer in der Anschaffung, aber bei 25 Jahren Betriebszeit (mit Garantie) gegenüber 10 Jahren beim String-Wechselrichter fährt man auf lange Sicht deutlich günstiger.

Besondere Eigenschaften der Stromzähler

Es gibt alte Zähler (Ferraris, wie hier links im Bild zu sehen), welche bei einer Stromeinspeisung rückwärts laufen. Im Falle eines alten Zählers bitte den Netzbetreiber schriftlich informieren, dass eine Balkonkraftwerkanlage geplant ist, und der Zähler schnellstmöglich aktualisiert werden soll. Das ist kostenfrei. Ein alter Zähler an einer Solaranlage wäre Betrug gegenüber der Allgemeinheit, die den Strom regulär bezahlen. Betrug auf Kosten anderer geht überhaupt nicht!

Saldierender Zähler:

Oft heißt es „Wenn ich auf der Stromphase L1 Strom einspeise, aber den Strom von einigen Geräten von Phase L2 verbrauche, verbrauche ich den falschen Strom“. Das ist überhaupt kein Problem, da alle Zähler in Deutschland saldierend rechnen.

Beispiel:
L1 = 400 Watt Verbrauch, L2 = 30 Watt Verbrauch, L3 = 250 Watt Solareinspeisung:
Gesamtstrom Zähler: 180 Watt (400 + 30 – 250)

Der saldierende Zähler ist für uns Solaranlagen-Betreiber eine super Angelegenheit, da der Netzbetreiber solche kleineren Phasen-Schieflagen für uns kostenlos ausgleicht. Somit spielt es bei einer kleinen Solaranlage keine Rolle, auf welcher Phase der Verbrauch und die Einspeisung ist. Die erlaubte Phasen-Schieflastgrenze liegt in Deutschland bei max. 4,6 kW. Bei größeren Solaranlagen ist eine Dreiphasige-Einspeisung allerdings Pflicht. Hierfür bietet Enphase das Q-Cable mit drei Phasen an. Auch der Akku 10T von Enphase kann über drei Phase angeschlossen werden.

Solarhalterung – Unterkonstruktion (Alu-Profile, Solarhalter usw.)

Als ich damit anfing, Solarmodule von Meyer Burger mit Enphase-Mikrowechselrichtern zu testen, habe ich diese einfach auf die Erde bzw. auf die Terrasse gelegt und noch ein kleines 5 cm Kantholz an einer Seite untergelegt, damit das Regenwasser abläuft. So funktionierte das über Monate hinweg im Testbetrieb echt gut. Was ich damit sagen möchte, man kann Module auch einfach auf die Erde legen oder an die Wand stellen, um erste Erfahrungen damit zu sammeln. Für den permanenten Betrieb ist natürlich eine feste Installation sinnvoll.

Grundsätzlich nutzt man für die Konstruktion Edelstahl-Schrauben (A2) und Alu-Profile, damit alles auch in 20 Jahren noch rostfrei ist.

Für die Halterungen gibt es unendliche viele Möglichkeiten oder Konstruktionen.
Hier einige Materialvorschläge dazu:

• Dachhaken Standard 30×5 Edelstahl
  Alternativ eine verstellbare Version, wenn das Dach nicht gerade ist. Die Dachhaken können auf jeden zweiten Dachsparren geschraubt werden (Abstand nicht größer als 1,5 m zwischen den Dachhaken). Kleinere Unebenheiten lassen sich per Unterlegscheibe zwischen Dachhaken und Alu-Profilen korrigieren.
• Tellerkopfschrauben A2
  Zum Verschrauben der Dachhaken in den Dachsparren
• Sechskantschraube M10x25
  Eine pro Dachhaken, die Schraube wird von unten in das Alu-Profil gesteckt, dann in den Dachhaken
• Sechskantmutter mit Sperrverzahnung M10
  Eine pro Dachhaken, zur Befestigung der Sechskantschraube
• Profilrohr, Montageschiene, ALU, 40×40
  Gibt es bis 6,6 m Länge. Es werden für eine Solarreihe immer zwei Aluprofile benötigt, eins unten und eins oben am Solarmodul. Als Abstand oben/unten ca. 30 cm. Sollte die Länge von 6,6 m nicht ausreichen, gibt es U-Profilverbinder für Montageschiene, Alu mit Bohrschraube
• Endkappe für Montageschiene 40×40 (schwarz bei „Meyer Burger Black“-Modulen)
  Pro Modulreihe 4 Endkappen (links/rechts, jeweils oben/unten)
• Nutenstein ALU/A2 für M8 (6 Stück pro Solarmodul)
  Der Nutenstein wird von oben in das Aluprofil gesteckt, für die Solarhalter (links/rechts oben/unten) sowie zwei Nutsteine für den IQ7A-Wechselchrichter
• Endklemme schwarz 35er (35 bei „Meyer Burger Black“-Modulen)
  Zwei Endklemmen oben/unten links in einer Modulreihe, zwei rechts in einer Modulreihe
• Mittelklemme schwarz 35er (35 bei „Meyer Burger Black“-Modulen)
  Zwischen den Solarmodulen jeweils zwei Mittelklemmen (oben und unten)
• Zylinderschraube mit Innensechskant A2 M8x40 (bei 35er Meyer Burger Modulen)
  Für jede Endklemme/Mittelklemme
• Sicherungsscheibe A2 8×40 (bei 35er „Meyer Burger Black“-Modulen)
  Für jede Endklemme/Mittelklemme
• Befestigungsschrauben für den Wechselrichter A2 M8x16
  Zwei pro Wechselrichter
• Unterlegscheiben für den Wechselrichter A2 M8 8,4 mm Innendurchmesser
  Zwei pro Wechselrichter

Alle erwähnten Teile gibt es bei PV-Lieder:
www.pv-lieder.de/shop/montagematerial/?utm_source=rss&utm_medium=rss

Das hört sich nach viel an, ist aber nicht so kompliziert. Einfach zwei Reihen Alu-Profile pro Modulreihe. Die Profile werden von unten auf den Dachhaken geschraubt. Oben auf das Profil wird der Wechselrichter in der Mitte vom Solarmodul geschraubt. Am Anfang und Ende der Modulreihe habe ich das Alu-Profil ca. 12 cm überstehen lassen, somit hat man einerseits etwas Spiel und andererseits auch eine Möglichkeit, sich mal festzuhalten. Meine Frau hat die Alu-Profile an den Enden (25 cm) mit Spiritus gereinigt und mit einer Spraydose mattschwarz lackiert. Somit passt es optisch zu den „Meyer Burger Black“-Modulen und den schwarzen Endkappen.

Danach bietet es sich an, alle Wechselrichter anzuschrauben und die Q-Cable anzustecken. Die Alu-Platte des Wechselrichters muss nach oben gerichtet sein, damit der Wechselrichter etwas vor der Wärme des Moduls geschützt ist. Vorher habe ich alle Wechselrichter mit einem Edding von #1 bis #xxx auf der Alufläche beschriftet sowie die Seriennummern aller Wechselrichter notiert. Somit habe ich eine Übersicht der Position aller Wechselrichter (#1 ist am Anfang usw.). Das Enphase-Portal zeigt dann die Solarproduktion pro Wechselrichter-/Solarmodul-Nr. an.

Im nächsten Schritt können die Solarmodule auf das Alu-Profil gestellt und anschlossen werden. Dann die Endhalter fixieren, die Mittelhalter vorbereiten und weiter geht es mit dem nächsten Solarmodul. Wenn es an die zweite Reihe von Modulen geht, habe ich einfach einen Anschluss vom Q-Cable freigelassen (dafür gibt es eine passende Kappe) und mit der nächsten Modulreihe weitergemacht. Die Kabel können mit UV-beständigen Kabelbindern am Alu-Profil befestigt werden.

Nach ca. 15 Modulen pro Q-Cable fängt man mit einem neuen Q-Cable an, damit die Strombelastung für das Q-Cable (2,5 mm²) nicht zu groß wird. Am Ende gehen die Q-Cable in eine Wasserdichte IP65-Dose. Von der Verteilerdose bin ich mit einem 5×4 mm²-Kabel zu einer kleinen Solar-Unterverteilung gegangen, in welcher sich ein LS- sowie ein FI-Schalter befinden.

Wichtig bei der Vorbereitung ist, dass alle benötigten Teile vorhanden sind, bei den Dachhaken kann ein Dachdecker helfen, diese anzubringen. Beim elektrischen Anschluss kann jeder Elektriker helfen. Die allermeisten Arbeiten kann man aber selber machen.

Zusammenfassung

Ich hoffe, diese kleine Anleitung gibt einen Überblick, wie das alles zusammen hängt. Ich bin überzeugt, dass jeder mit handwerklichem Geschick seine Solaranlage selber planen und installieren kann. Ob einfach ein/zwei Module als Balkonkraftwerk oder eine größere Solaranlage – all dies ist machbar und dieser Artikel hilft bestimmt. In der aktuellen Situation sind die Handwerker, insbesondere die Solarteure, nicht in der Lage, Aufträge anzunehmen. Deshalb ist Selbermachen angesagt, obendrein spart dies auch noch Geld.

Wenn dann der Eigenstrom produziert wird, und per Handy-App oder Strommessgerät die Solarproduktion zu sehen ist, kommt Freude auf! Die nächsten Schritte sind dann die Umstellung des Hausverbrauchs (Waschmaschine usw.) auf die Sonnenstunden.

Viel Freude mit der eigenen Solaranlage!

Auf Kleinanzeigen Portalen werden allerlei Dinge angeboten, so auch dieser Basketball Automat. Beim Test vor Ort war noch die Diagnose: funktioniert nicht. Vermutlich waren nur zwei, drei Kabel nicht angeschlossen, denn an sich sollte es laufen. Zusätzliche Schwierigkeit: US-Fabrikat mit 110V.

Einmal richtig verkabelt blinkte jedoch das Display auf, die Lautsprecher ertönten und irgendwas ruckelte. Also kein direktes Geldgrab, der Automat könnte laufen. Die Handbücher von 1994 sind angenehm ausführlich, zeigen den Verkabelungsplan, darin leider nicht überall welche Signale anliegen, sodass eine Wartung ebenso leicht fallen sollte, wie die initiale Inbetriebnahme.

Das Backboard, welches den Korb hält und hin und her fährt hat noch eine zusätzliche Funktion: an der Rückseite sind Gummifüße, die in der hintersten Position gegen ein gefedertes Gestänge drücken, welches wiederum eine beweglich gelagerte Bodenplatte auf dem Feld hochdrückt. Diese verhindert bei beendetem Spiel die Rückgabe der Bälle, damit nicht ohne zu Bezahlen weiter gespielt werden kann. Bestimmt hätte auch ein nahegelegener Spielplatz Basketballkörbe, die kostenlos nutzbar wären, aber das wäre ja nicht der gleiche Ansporn.

Die Taster und das Brett mit der abpellenden Schrift wurden ersetzt, am Ende sind vier unterschiedliche Modi zu viel für das Vorhaben, sodass zwei Taster reichen mussten. Das Gitter hätte eigentlich mit 1/4″ UNC Schrauben befestigt werden sollen. Die Reservierung jener Schrauben im nahegelegenen Baumarkt wurde jedoch storniert (Bestand 1, wahrscheinlich eher mal wieder 0). Also kurzerhand an den nicht tragenden Elementen auf M6 geschnitten und wo nötig mit metrischen Gewindenieten ersetzt. An sich wäre der Automat soweit einsatzbereit. Abgesehen von den farblichen Anpassungen und die Grundreinigung, weil die Rückseite gefühlt direkt hinter der Fritteuse stand und sich dort ein Fett-Staub-Film über die 25 Jahre gebildet hat. Eine Schmierung hatten die Führungen und Gewindestange jedoch mal wieder nötig.

Einziger größerer Kritikpunkt: der damalige US-Distributor hat seine Telefonnummer mit in die Anzeige einprogrammiert. Einerseits wird dieser nach der ganzen Zeit eventuell gar nicht mehr existieren, anderseits bringt es in Deutschland keinem etwas und führt am Aufstellungsort auch eher zu Verwirrung.

Das Display bietet 120x17px Platz, was genau angezeigt wird, ist auf einem EPROM gespeichert. Falls es klappen sollte, den Speicher sinnvoll zu dekodieren, habe ich schon einmal EEPROMs bestellt, um neue Nachrichten auszuprobieren. Mittels ein paar Zeilen Python kurzerhand ein Programm geschrieben, welches die Binärdaten eventuell in Grafiken/Sprites umwandelt. Gefunden wurde je ein kleines und ein großes Alphabet, bezogen auf die Schriftgröße, ebenso ein paar Bilder des Basketballs, welcher sich zwischen auf dem monochromen Display dreht.

Wie die Buchstaben und Zahlen jedoch zusammengesetzt werden, dafür hätte man den kryptischen restlichen Teil des EPROMs sinnvoll dekodieren müssen. Den Aufwand war es mir dann doch nicht wert. Aber da die Schaltung recht trivial ist und auch ein Schaltplan mitgeliefert war, konnte ich dort noch nicht aufgeben.

Grundsätzlich hätte es wohl gereicht den Korb in einer Position zu belassen und einfach nur die zwei Lichtschranken am Korb auszulesen, Punkte hochzählen und nach 60 Sekunden Stopp einzublenden. Für die Ansteuerung des Motors sind neben 12V und Masse nur vier weitere Leitungen verzeichnet, so komplex kann das also nicht sein.

Also kurzerhand das Oszilloskop eingepackt, für das ich irgendwann einmal glücklicherweise die überteuerte Schutzabdeckung für Transportzwecke gekauft hatte. Eine Leitung war dabei immer aktiv, während das Backboard sich bewegte, folglich wohl das Aktivierungssignal für den Motor. Ein anderes war nur richtungsgebunden an, also vermutlich die Steuerung, ob das Bord nach hinten oder vorne fahren soll. An der Motorkupplung hinten sind abwechselnd helle und dunkle Streifen, welche mit einem Reflexionssensor als Encoder genutzt werden. Auch dieses Signal wurde an das Mainboard durchgereicht. Das schnell wechselnde Signal konnte recht eindeutig dem Encoder zugewiesen werden. Wie viele Schritte es im Mittel sind, die die Reflexlichtschranke bei einer vollständigen Bewegung nach vorne oder hinten macht, lässt sich dank der Zählfunktion einfach direkt im Oszilloskop ablesen. Im regulären Betrieb konnte ich auf dem Oszilloskop auch das vierte und letzte Signal, die Endstopps sehen, im manuellen Betrieb bereiteten mir die Taster jedoch Kopfzerbrechen.

Die Technik für die Endstopps ist jedoch so trivial, wie auch gleichzeitig gut. Das Motorboard gibt je nach Verfahrrichtung nur den Schaltzustand des korrespondierenden Endstopps aus. Bedeutet wenn das Board nach vorne fährt, wird auch nur das Signal vom vorderen Taster auf den Bus gelegt. Somit ist das Signal immer eindeutig: wenn das Board nach hinten anfährt und noch am ersten Endstopp steht, wird dennoch „aus“ signalisiert und erst bei Betätigung des hinteren Tasters wieder „an“.

Die Lichtschranken für den Korb sind auf den vorderen Teil des Rings gerichtet, an dem wiederum ein kleiner reflektierender Streifen klebt. Eine Lichtschranke oben, eine unten, sodass man mit einer Statemachine herausfinden kann, ob der Ball gerade durchfällt oder irgendetwas die Optik stört:

• Beide Lichtschranken sind offen: kein Ball, Status = 0
• Nur obere Lichtschranke unterbrochen und Status ist 0 (oder 2): Ball am Ring, Status = 1
• Beide Lichtschranken unterbrochen und Status ist 1 (oder 3): Ball im Ring, Status = 2
• Nur noch untere Lichtschranke unterbrochen und Status ist 2: Ball fällt durch, Status = 3
• Wieder beide Lichtschranken freigegeben und Status = 3: Ball ist durch, Punkte vergeben und Status = 0 (s.o.)

Die Statemachine funktioniert vorwärts und bedingt rückwärts, falls der Ball zurückprallt. Alle undefinierten Übergänge führen zu einem Status = 0.

Das Motorboard anzusprechen war auch nicht die Problematik, sofern man die Optokoppler richtigherum anschließt (Endstopp auf positiver Seite/Anode, Encoder hingegen auf negativer/Kathode). Aber eigentliches Ziel war es ja eigentlich, das Display zu ersetzen.

Durch meine Erfahrungen aus den Videowand-Projekten und Spielereien mit Arduino und ESP lag es nahe, LED Matrizen zu nutzen. Das alte Display weist eine Breite von 70cm und eine Höhe von 11,5cm auf. Das bisherige Plexiglas soll grundsätzlich mit dem Display weichen, sodass die alten Maße aber nicht die Eckpunkte darstellen müssen. Knapp unter der Breite des Automaten sind entweder 4 P3 Panels oder 3 P4 Panels einsetzbar, jeweils als 64×32 Matrix resultierend in einer Breite von 76,8cm. Der Automat selbst ist an der Stelle 84cm breit, der Kasten, in dem bisher das Display haust jedoch nur 74cm. Die Matrizen werden daher in eine etwas dickere Holzplatte eingesetzt, in die zuvor der passende Ausschnitt mit der Stichsäge geschnitten wurde. Rückseitig mit gelasertem MDF (Löcher für die M3 Schrauben an den Matrizen) am Holz selbst festgeschraubt und davor gesetzt.

Da die Zuleitung zum Display durch den halben Rahmen läuft und gut 2 Meter überbrücken muss, ist es vorteilhaft, die vergleichsweise schwachen Signale des ESP32 mit 3.3V Pegel auf die eigentlich geforderten 5V zu bringen. Durch die Videowand hatte ich mal einen Schwung 74HC245 besorgt, die sich ideal für diesen Zweck eignen. Zur Sicherheit habe ich alle Signale einmal durch die Buffer geschickt.

Die bisherige Stromversorgung lief mit 110V und dann auf 12V/5V/-5V. Die -5V wurden nur für das Soundmodul benötigt, da das noch durch einen DFplayer ersetzt wird, ist das Potential nicht notwendig. Der verwendete Stecker findet in meinen Bauteilen kein Gegenstück, für ein anderes Projekt lagern hier hingegen die Verbinder für ATX Netzteile, von denen man irgendwo immer eins auftreiben kann. Über den ESP lässt sich dieses sogar aus-/anschalten, während der ESP selbst über die Standby-Leitung versorgt werden kann.

Die Software bindet sich per MQTT mit in Home Assistant ein, sodass man eine grobe Übersicht über die Prozesse bekommt und auch manuell eingreifen kann (Motorsteuerung, ATX an/aus). Damit realisiert werden auch Push-Benachrichtigungen bei neuen Highscores versandt. Ebenso ist OTA aktiviert, sodass ein Update ohne USB-Kabel erfolgen kann.

Die Lochrasterplatine hatte jedoch noch nicht den DFPlayer an Board, damit auch nicht die Funktion, MP3s abzuspielen. Theoretisch hätte man den ESP selbst dafür nehmen können, aber die Prozessorzeit reserviere ich dann doch lieber für das Display. Für die Installation beim Kunden ist es – auch wenn das alles in dem Kasten verschwindet – hübscher und zuverlässiger, eine vernünftige Platine zu haben.

Die Display-Ansteuerung ist mit ESP32-HUB75-MatrixPanel-DMA realisiert. Anstatt den doppelten Buffer zu nutzen habe ich mich entschieden, wo notwendig es auf eine partielle Aktualisierung zu reduzieren. Damit der Watchdog des ESP nicht den Prozessor zwischendurch zurücksetzt, sind keine delay() verwendet, stattdessen werden in Frames eingeteilte Sequenzen mit millis() getimed abgespielt. Da die Motorsteuerung mit der neuen Platine auf den Portexpander ausgelagert wurde, musste ich allerdings doch wieder eine Lektion (erneut) lernen. I2C Kommandos und besonders Software-Serial (für die MP3s) im Interrupt (Endstopps, Encoder, Korb-Lichtschranken) sind nicht die beste Idee und führen schnell zum Absturz.

Ansonsten ist das Programm vergleichsweise einfach:

So lange noch kein Taster gedrückt wurde, spielen diverse Banner durch – bestehend aus dem animierten Kundenlogo, einer kurzen Anleitung und der Highscore. Zur Auswahl stehen ein roter Taster, der die Continuous-Funktion des Originals repliziert, und ein blauer Taster für die Regular-Funktion.

Zunächst wird das Backboard etwas nach vorne gefahren, um die Bälle freizugeben, und angezeigt welches Team beginnt (gegeneinander in je einem Spiel nacheinander). Während des Countdowns fährt das Backboard nach ganz vorne, in diesem Bereich zählen die Körbe zwei Punkte. Nach Anpfiff werden auch die Lichtschranken scharf geschaltet, wer also schon vorher zu Werfen beginnt und zum Start direkt einen Korb wirft ist hier im Vorteil.

Für die einfache Version fährt der Korb nach 30 Sekunden nach hinten, aber nur so weit, dass die Ballausgabe nicht wieder gesperrt wird. Im hinteren Drittel sind Körbe drei Punkte wert, was auch durch eine separate Anzeige neben dem Korb signalisiert wird. Im Continuous-Modus fährt das Backboard hingegen ständig nach hinten und wieder nach vorne und erschwert somit das Treffen. Darüber hinaus bietet das Original noch die Modi Random und Pushback. Ersterer fährt in regelmäßigen Zeitabständen an unterschiedliche Positionen, während Pushback bei jedem Treffer die Position nach hinten (bzw. ganz hinten angekommen auch wieder nach vorne) verändert. Aufgrund der nur noch zwei vorhandenen Taster stehen diese aber nicht zur Verfügung.

Nach Ablauf von 60 Sekunden fährt das Backboard wieder nach ganz hinten und das andere Team ist dran. Das ganze Prozedere läuft also ein weiteres Mal ab, nur dass nun die Punkte auf der anderen Displayseite hochzählen (sofern getroffen wird). Sind beide Teams durch, wird angezeigt, wer gewonnen hat.

Da ich neben den Rätseln für die Escaperäume vor Ort auch diverse Quiz-Spiele mit in die Hausauomatisierung Home-Assistant eingebunden habe, durfte der Automat natürlich nicht fehlen. So werden diverse Daten live übertragen, wie Position, Punkte der Teams und die Highscore. Auch die Steuerung des Motors und ATX-Netzteils ist möglich. Zudem auch eine Reset-Funktion, die die Teams auffordert den Raum zu wechseln, da der Basketballautomat nur eines von 15 Minispielen ist.

Wer also den Automaten mal ausprobieren möchte, kann sich das ganze bei Schlag dein Team angucken.