HowTo: ESPEasy / Wemos D1 Mini - Adapt ADC to a different maximum voltage

Mithilfe des ADC auf dem ESP8266 könnt Ihr Spannungen messen. Dies ist praktisch um zum Beispiel eine Akkuspannung und damit den Ladezustand des Akkus oder mithilfe eines LDRs und einem Serienwiderstand eine Helligkeit zu erfassen.

Dabei ist der ADC des ESP8266 aber etwas speziell. Ohne weitere externe Beschaltung kann dieser leider nur Spannungen bis max. 1V bestimmen. Damit direkt die Spannung eines LiPo-Akkus zu ermitteln ist also nicht möglich, weil der Spannungsbereich eines gesunden LipOs von 3,2 bis 4,2V reicht.

Damit der ADC aber auch höhere Spannungen messen kann bedient man sich eines Tricks. Man verwendet einen Spannungsteiler um die zu messende Spannung auf den möglichen Spannungsbereich des ADCs runter zu skalieren.

Der ADC misst dann also Spannungen im Bereich von 0V bis 1V welche für einen höheren Wert an dem eigentlichen Spannungsteiler stehen. So ist zum Beispiel auch auf der Platine des Wemos D1 Mini ein Spannungsteiler verbaut um Spannungen bis 3,3V zu messen. Das ist schon mal praktisch, reicht aber leider nicht um zum Beispiel die Spannung eines LiPos messen zu können.

Wie Ihr diesen maximalen Spannungsbereich des ADCs erweitern könnt, ist im folgenden Artikel beschrieben.

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Requirements

Helpful articles:
Before you start with this article, you should have dealt with the basics of soldering. You can find information about this in the following article.
Elektronik – Mein Freund der Lötkolben

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Wie funktioniert ein Spannungsteiler

Ein einfacher Spannungsteiler besteht eigentlich immer aus mindestens zwei Widerständen. Im unten stehenden Schaltplan des Wemos D1 Mini könnt Ihr im Rot markierten Bereich einen Spannungsteiler erkennen.

Falls Euch die Funktion eines Spannungsteilers nicht interessiert, könnt Ihr diesen Absatz auch einfach überspringen. 🙂

Dort sind zwei Widerstände in Reihenschaltung verbaut. Der obere Anschluss „A0“ kommt dabei von dem Anschluss Pin „A0“ auf der Wemos D1 Mini Platine. An „A0“ wird also die zu messende Spannung (zum Beispiel Euer LiPo) angeschlossen.

Der Anschluss „ADC“ führt dann zu dem eigentlichen ADC des ESP8266.

Vorab: Als Formel würde das ganze so aussehen:

Formel 1:           

or

Formel 1.2:   

„U1“ and „U2“ are the voltages that drop across the resistor „R1“ and „R2“. „U“ is the same as U1 + U2 because in a series connection of (simple ohmic) resistors, the individual voltages add up to the total voltage.

Kurz, es gilt:

Ähnliches gilt auch für die Widerstände, denn auch der Gesamtwiderstand einer Reihenschaltung besteht aus der Summe der Einzelwiderstände.

Diese Formeln lassen sich nun ganz gut in Formel 1 einsetzen und man erhält folgendes:

„U1“ und „U2“ sind hierbei die Spannungen die an dem Widerstand „R1“ bzw. „R2“ abfallen. „U“ ist dabei das gleiche wie U1+U2 weil sich in einer Reihenschaltung aus (einfachen ohmschen) Widerständen die Einzelspannungen addieren um auf die Gesamtspannung zu kommen.

Dazu muss die Formel so umgestellt werden, dass sich aus den gegeben Werten die Gesamtspannung „U“ berechnen lässt. Die umgestellte Formel ergibt:

Formel 2: 

Wenn man hier nun die entsprechenden Werte einsetzt ergibt sich folgendes:

Mit den im Spannungsteiler verwendeten Widerstandswerten lassen sich also Spannungen bis 3,2V am ADC messen.

Das praktische: Wenn man diese Widerstandswerte ändert kann man mit dem ADC auch höhere Spannungen messen. Im folgenden zum Beispiel die Spannung eines LiPos.

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Spannungsteiler auf dem Wemos D1 Mini

So nun wisst Ihr in etwa wie ein Spannungsteiler funktioniert und wozu sich dieser unter anderem nutzen lässt. Mit diesem Wissen wollen wir nun Widerstandswerte für den Spannungsteiler finden um die Spannung eines LiPo-Akkus messen zu können. Dessen Ladeschlusspannung liegt bei maximal 4,2V. Damit wir diese obere Spannung auch sicher messen können ist es ratsam eine etwas höhere Spannung zu wählen. Sagen wir einfach mal 4,3V.

Für die üblichen Spannungswerte von 4.3V, 5V, 9V und 12V sind im nächsten Absatz auch schon Beispiele für die Widerstände R1 angegeben. So könnt Ihr Euch das rechnen sparen. 🙂

Umgestellt ergibt Formel 1 inkl. des gesammelten Wissens nun

Formel 3:

In dieser Formel kennen wir alle (grünen) Werte bis auf R1 (rot). Also versuchen wir die Formel nach R1 umzustellen und erhalten folgendes:

vereinfacht und umgestellt ergibt sich:

und das gleiche entsprechend eingefärbt:

In dieser Formel kennen wir nun alle grünen Werte und der gesuchte (rote) Wert steht brav auf der rechten Seite des Gleichheitszeichens. 🙂

Durch Einsetzen lässt sich nun der gesuchte Wert für R1 berechnen:

Es ergibt sich für R1 ein Wert von 330kOhm. Wenn wir also den auf der Platine des Wemos D1 Mini verbauten 220kOhm Widerstand gegen einen 330kOhm Widerstand ersetzen erweitert man den maximal messbaren Spannungsbereich von 3,3V auf 4,3V und kann somit auch den kompletten Spannungsbereich eines LiPo-Akkus messen. 🙂

Formel zur Berechnung:

• Dabei ist U2 immer 1V
• U ist die gewünschte maximal messbare Spannung z.b. 4,3V
• R2 solltet Ihr einfach festlegen. Am besten in einem bereich von 10kOhm bis 100kOhm um den Strom über den Spannungsteiler gering zu halten.

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Beispielwerte für Maximalspannungen und die dazugehörigen Widerstandswerte

Die folgenden Widerstandswerte könnt Ihr verwenden um die maximal messbare Spannung des ADCs auf die angegebene Spannung zu erweitern.

Maximal messbare Spannung: 4,3V
R1=330kOhm, R2=100kOhm

Maximal messbare Spannung: 5V:
R1=400kOhm, R2=100kOhm

Maximal messbare Spannung: 9V:
R1=200kOhm, R2=25kOhm

Maximal messbare Spannung: 12V:
R1=275kOhm, R2=25kOhm

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Configuration in ESPEasy

In ESPEasy lässt sich die Umrechnung des ADCs in eine Spannung sehr komfortabel erledigen.

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