ESP8266 mit Temperaturmessung, PWM und SSR Ansteuerung

[Felipe (Gast)]

Hallo zusammen,

ich hab für mich ein Projekt ausgesucht, für das ich meine erste Platine 
erstellt habe und würde mich daher um eure Hilfe und prüfende Blicke 
freuen.
Ziel ist es mit der Platine einen Kafferöster zu steuern.

Das Projekt umfasst ein ESP8266, der über zwei ICs vier Thermoelement 
auslesen kann inkl. Kaltstellenkompensation per Software. Weiter kann 
ein SSR angesteuert werden, für einen Heizdraht mit 1,1 kW. Weiter ist 
ein PWM gesteuerter MOSFET vorgesehen, um 24V eines externen Netzteils 
für einen DC Motor zu schalten. Zukünftige Erweiterungen durch die 
beiden IO Ports, GND sowie die OLED Anbindung per I2C.

Den MOSFET Bereich habe ich versucht zu separieren, um den Einfluss auf 
den uC und ICs zu minimieren. Für den Motor-DC Kreis ist entweder eine 
Flyback Diode oder eine Zener Diode vorgesehen (siehe Schaltplan "Motor 
control"). Weiter sind die Cs bei den TC optional, wie auch der C9.

Anbei sind Schaltplan und PCB Layout. Über euer Feedback würde ich mich, 
wie gesagt, sehr freuen, um Fehler bei der ersten Platine zu vermeiden.

Liebe Grüße

[John Doe (Gast)]

Zur Platine sollen andere etwas schreiben, aber zum geplanten ESP8266:

Dir sollte klar sein, dass der PWM und I2C nur in Software macht mit den 
entsprechenden Nachteilen.
Ein ESP32-S2 (Single-Core-ESP32 mit "echter" PWM- sowie I2C-Hardware) 
als Wrover-Modul mit 2MB PSRAM kostet unter 2€.
Meiner Meinung nach die deutlich bessere Wahl für Dein Projekt.

[Andre (Gast)]

Das ESP Modul wird mitten auf der Platine sehr schlechten Empfang haben. 
Die Antenne muss frei liegen, oder du musst eine externe Antenne nutzen.

Die 230V Seite sieht etwas sparsam aus. Sicherung, Varistor, ... würden 
dem Netzteil gut tun. Siehe Appnotes.

Das Layout ist vermutlich vom Autorouter erzeugt? Das taugt leider 
nichts, die Leiterbahnbreiten passen nicht. Masse zumindest für das ESP 
Modul & Laststromkreise immer mit verlegen, nicht nur auf die 
Massefläche verlassen.

[Felipe (Gast)]

Hi,

erstmal vielen Dank für die Tips. Der ESP8266 ist per via auf GND 
gezogen. Sowie der 24V Bereich extra separiert, damit dort der Strom 
über vorgesehene 2mm traces verläuft. Ansonsten 0.254 mm als Standard 
von EasyPDA. Sollten das mehr sein? Der Strom ist je marginal bei 3.3V 
und den vorgesehenen Bauteilen - oder hat das andere Gründe?
Geroutet hatte ich selber - wie gesagt das erste mal. Kannst du ggfs. 
konkreter werden, was nicht passt.
Antenne und deren Platzierung verstehe ich natürlich.

Anbei ein anderes Bild, mit besseren Details

Auf 230V war ich noch recht sparsam, das ist korrekt. Ich bessere da mal 
nach!

Bzgl. der Kommentare zum ESP selbest. die Anforderungen sind recht 
gering. PWM wird mit recht geringer Frequenz laufen und bzgl I2C hatte 
ich bis dato nicht als Problem gesehen. Ich werde das aber auch weiter 
testen.

VG

[Andre (Gast)]

Felipe schrieb:
> Sollten das mehr sein?

Für die 3,3V definitiv. 0,254mm nehme ich eigentlich nur als 
Signalleitungen, für die Versorgung deutlich mehr. In einem kompakten 
Layout habe ich 0,6mm genommen, bei dir ist so viel Platz dass ich 
wahrscheinlich 0,8mm nutzen würde.
Problem beim ESP sind die Stromspitzen bis 400mA, die müssen irgendwie 
zum Chip kommen.
Die Kondensatoren würde ich auch immer mit einem Via an die GND-Fläche 
nageln, nicht erst bis zum nächsten Elko-Beinchen weiter zeichnen.

Bonuspunkte könntest du dir holen, wenn du auch alle internen Anschlüsse 
und Taster an den Rand setzt und zum Programmieren Rx, Tx, VCC, GND 
vorbereitest.

Hast du dich über die GPIO Boot Zustände am ESP informiert? Der erwartet 
an 2-3 Pins bestimmte Pegel (Pull-Up/Down), damit der korrekt los läuft.
Außerdem sind auch nur wenige GPIOs wirklich als Ausgang zu gebrauchen, 
weil der Bootloader an den anderen Pins herum wackelt und dann deine 
Motoren los laufen.

[Felipe (Gast)]

Hallo Andre,

erstmal vielen DANK für deine schnelle Hilfe. Ich verstehe - die Breite 
werde ich anpassen - macht Sinn!
Vias kommen ebenfalls direkt dazu.
RX/TX ist vorbereitet, ebenso GND. Ein Vcc Pin zu setzen macht natürlich 
Sinn. Ergänze ich.

Ansonsten sind die Rs für den ESP gesetzt, wie in vielen 
Standarddesigns.

Zu den Tastern und dem Layout. Mein Ansatz war, erst die "Gruppen" zu 
bilden, siehe Schaltplan und diese dann so anzuordnen, dass der MOSFET 
von den IC und dem ESP etwas separiert ist. Sowie die Leiterbahnen 
relativ kurz zu halten (Flash Schalter).

Würdest du den Aufbau generell anders gestalten?

VG

[Wolfgang (Gast)]

Felipe schrieb:
> PCB_PCB_Roast_Coffe_3.0_2021-03-19_coloured.PNG
> ...
> Der ESP8266 ist per via auf GND gezogen.

Wenn du WLAN oder andere Funkmöglichkeiten des ESP nutzen möchtest, ist 
eine Massefläche unter der Antenne immer noch ein noGo. (s. Andre)

Die Antenne muss frei in der Luft hängen, wenn die Funkanbimdung nicht 
nur über ein paar Dezimeter funktionieren soll.

[Wolfgang (Gast)]

Felipe schrieb:
> Sowie die Leiterbahnen relativ kurz zu halten (Flash Schalter).

Die Leiterbahnen, auf denen höhere Ströme und Impulslasten fließen, 
sollten nicht nur kurz sondern auch breit sein. Auch bei den anderen 
Leiterbahnen gibt es keinen Grund, die von der Breite auf die 
Mindestbreite des Herstellungprozesses auszulegen.
Für den ESP wird oft ein wesentlich größerer Elko über der Versorgung 
empfohlen und der sollte dann auch nicht über eine "kilometerlange", 
Feinstleitung angebunden sein.

Was ist mit C8?
Wenn der die Spannung des ESP bei Lastspitzen stützen soll, muss der 
direkt dort an dessen Versorgungspins sitzen.

Die Gnd-Verbindung von deinem 24V-Teil und dem 3.3V-Teil sieht mehr nach 
eine geätzten Feinsicherung als nach einer soliden Masseverbindung aus.

Warum gehst du an diversen Stellen (z.B. bei R11, C2, C3, C9, LED2) mit 
den Leiterbahnen grundlos so dicht an die Pad?
Kann man natürlich, muss aber nicht.

[Wolfgang (Gast)]

Felipe schrieb:
> Der Strom ist je marginal bei 3.3V ...

Na ja, der ESP8266 zieht um die 350mA.

[Felipe (Gast)]

Hallo zusammen,

ich versuche mit den Hinweisen mal einen neuen Versuch. Eine Frage dazu 
bsw. Vias. Die Vias sind aktuell mit via D 0.61 und via Drill D von 
0.305 vorgesehen. Kann ich das so lassen? Wirklich schlau bin ich aus 
anderen Beiträgen hier im Forum nicht geworden. In einem Artikel zum 
"Bohren" wurde 0.5-0.6mm angegeben, das würde ich ja einhalten. Weiter 
habe ich aber auch verstanden, dass die Bohrung nachher nur bedingt auf 
die Kupfeschicht im Via Auskunft gibt. Sprich - ist mein Vorgehen 
sinnvoll oder sollte ich diese auch noch anpassen?

Die Leiterbahn würde ich nun auf 0.6mm als Std. nehmnen. Für die ESP 
Zuleitung 0.8mm und den C entsprechend vergrößern (100 uF).
Für die 24V recchne ich mit 3-4 A und nehme 2 mm, nach Artikel hier im 
Forum. Leiterbahnabstände, nehme ich auch aus dem anderen Artikel 
(0.25mm als Std und 2 mm für 230V)

Den ESP versuche ich so zu platzieren, dass die Antenne freier ist bzw. 
diese keine Massefläche unter sich hat und die Cs direkt an dem 3.3V Pin 
liegen.

Ansonsten habe ich noch Sicherung und Varistor eingeplant. Da muss ich 
mich aber noch weiter mit beschäftigen. Das Forum scheint dazu auch 
geteilter Meinung zu sein. Falls ihr da einen Standard verwendet, freue 
ich mich über kommentare. Ansonten würde ich mich da frei auf das 
Datenblatt beziehen 
(https://datasheet.lcsc.com/szlcsc/1909111105_HI-LINK-HLK-PM12_C209905.pdf). 
Ist das ein Standard der auch in Handyladern etc verbaut ist? Ich bin 
über die Anzahl der Bauteile da etwas verwunder (mit Blick auf die 
Größe). Zu beachten ist, dass der Röster immer nur unter Aufsicht läuft, 
da durch das Rösten selbst einiges schief gehen kann (Brandgefahr).

VG

[Felipe (Gast)]

Hallo,

Layout und Schaltplan habe ich mal angepasst. Ggfs. habt ihr Kommentare 
zur neuen Anordnung der Bauteile. Wieder habe ich versucht die Mess-ICs 
von PWM (DC Kreis und SSR) zu trennen und die Antenne so zu platzieren, 
dass diese nachher recht einfach von der Masse ausgenommen werden kann.

Auf der 230V Seite bin ich noch nicht ganz durch, da hadere ich noch mit 
der richtigen Konfiguration, sihe vorheriger Beitrag.

VG
Felipe

[Andre (Gast)]

Der neue Ansatz sieht schon deutlich aufgeräumter aus!

Mit der Gruppen-Bildung hast du schon einen guten Weg, aber das ist 
keine absolute Pflicht.
Abblock-Kondensatoren natürlich direkt an die Last, Filter direkt an die 
Eingänge, Funktions-Blöcke trennen. Hast du soweit ich sehen kann schon 
gut beachtet.

Bei den Tastern und Stiftleisten bist du dagegen sehr frei. Das sind 
alles langsame Signale, selbst die UART kann einige cm Leiterbahn 
verkraften.
Daher lege ich solche Dinge immer an gut erreichbare Stellen, meistens 
die Platinen-Kante. Da kann man das schön beschriften und später bequem 
anschließen.

Kannst du bei deiner Software den Platinen-Umriss ändern? Dann würde ich 
unter dem ESP eine "Kerbe" fräsen, damit die Antenne wirklich komplett 
frei liegt. Selbst blankes FR4 hat einen Einfluss.

Vias mit 0,3mm Bohrung sind schon okay. Signalleitungen mit 0,3mm sind 
auch absolut in Ordnung, zu breit fängt wieder mehr Störungen ein.
Zum Vorgehen, würde ich jetzt die Abblock-Cs günstig an die ICs 
verteilen und anbinden, dann 3,3V und GND zu den ICs legen und jeden SMD 
Kondensator zur Massefläche durch kontaktieren. Danach die 
Signalleitungen verlegen. Hier zuerst kritische Dinge wie analoge 
Eingänge und I2C. Ganz zum Schluss kann man so Dinge wie Taster, 
Status-LEDs, notfalls mit paar Vias durch fädeln.
(Stichwort Status-LED, bekommt die Frontplatte gar keine Power-LED mit 
GPIO Steuerung?)

Felipe schrieb:
> [Abstand] 2 mm für 230V

Als Mindestmaß, ansonsten gerne so viel wie geht. Du hast viel Platz auf 
dem Board. Zur DC Seite mindestens 6mm.
Die Schutzschaltung auf der 230V Seite ist (mehr oder weniger) auch in 
Handynetzteilen drin. Sicherung immer, Varistor und Kondensator 
meistens, Spule muss bei besseren Netzteilen nicht unbedingt sein.

Wie verdrahtest du den Rest des Gerätes? Soweit ich verstanden habe, 
möchtest du noch ein 24V Netzteil verbauen. Da könntest du einen 230V 
Ausgang auf der Platine vorsehen (hinter dem Varistor abgreifen), dann 
bekommt das Netzteil auch gleich die gefilterte Spannung.

[Pete K. (pete77)]

Wie sollen denn Key1 und Key2 erreicht werden? Wo soll das ganze 
eingebaut werden? Bohrlöcher für Befestigung nicht vergessen.

Warum nimmst Du nicht die 3V3 aus den 24V der externen PSU? Dann kannst 
Du auf die 230V verzichten. Die Platine schrumpft damit auf 1/2.

[Felipe A. (felipea)]

Hallo,

zunächst einmal ein paar Antworten zu den Fragen von Andre:

- ESP eine "Kerbe" fräsen
--> wird umgesetzt. Kommt jedoch erst am Ende, wenn alles fest am "Platz 
ist".

- gar keine Power-LED mit GPIO Steuerung?
--> Power LED ist LED 2, der ESP selbst hat noch eine Status LED, mehr 
brauche ich nicht. LED 1 hingegen ist für ein optisches Feedback zum 
SSR, da ich die Heizung nicht hören kann. DC Motor, ist das akustische 
Feedback da ;)

- AC für 24 V Netzteil nach Varistor
--> Das Netzteil ist mit Sicherung etc. bereits ausgestattet.

- Als Mindestmaß, ansonsten gerne so viel wie geht. Du hast viel Platz 
auf
dem Board. Zur DC Seite mindestens 6mm.
--> 3.3V Teil zur 230V sieht deutlich mehr und hat die Fräsung 
zusätzlich. Die 230V Seite, werde ich nachher so festlegen, dass ich 
deutlich größer vom Abstand her sein werde und ggfs ergänze ich noch 
Fräsungen im 230V Teil - da wie gesagt bin ich noch nicht 100 % final.

- Wie verdrahtest du den Rest des Gerätes?
--> 230 V auf die Klemme P1 und parallel an das SSR sowie DC 24 V 
Netzteil Verkabelung mit Wagoklemmen im Gehäuse. Die TC and die P5-P8. 
SSR Signalausgang an P2. DC 24 V an P3 und den 24 VDC Motor and P4. Ist 
sonst im Schaltplan alles beschriftet - siehe nochmals anbei.
OLED ist aktuell optional.
Die IO14 und IO16 sind optionale GPIOs mit GND (H4). RX / TX auf H3, 
sofern ich die Software andern muss. Dafür auch noch J1 für externe 
3.3V. Kurzum - die Stiftleisten sind etwas verteilt, da sie vers. Zwecke 
erfüllen. Könnte man sicher auch kombinieren - Frage ist sicherlich ob 
das Not tut.

Nun zu den Fragen von Pete:

- Bohrlöcher:
--> Kämen noch, mir ging es in dem Schritt erstmal nur um das Layout der 
Bauteile, da ich mit meinem ersten Aufschlag zu viele Schritte auf 
einmal genommen habe. Habe ich aber direkt mit aufgenommen.

-Key1 und Key2 erreicht werden?
--> Sind nur für die Programmierung von nöten. Daher direkt auf der 
Platine. Sind RST (Key 1) und FLASH (Key 2)

- 24V DC statt 230V AC?
--> Ich hatte das auch schon überlegt. Dann brauche ich statt dem 
Netzteil einen Schaltregler 5 V oder gar 3.3 V und ggfs zudem LDO (5 V 
auf 3.3V), um eine saubere 3.3V zu erzeugen.
Der Vorteil so ist, dass ich die Platine und Messung unabhängig von 
Heizung und DC Motor verwenden kann und in den Zuleitungen jeweils einen 
Power Switch ergäzen könnte. Auch wird die DC 24V durch die PWM 
beeinflusst. Das kann man sicher wegfiltern - ich bin aber vorsichtig 
bzw. Einfluss auf die 3.3V. Ist das berechtigt und / oder übersehe ich 
da was?

Ich werde heute voraussichtlich nicht mehr zum Layout kommen. Vielleicht 
aber auch garnicht verkehrt mit Blick auf die Spannungsversorgung 24 V 
vs 230 V - und ggfs Ratschläge dazu von euch.

Nochmals gr. Dank für euren Support!

Edit: 24VDC Netzteil nach Varistor

[Felipe A. (felipea)]

Hallo,

Ein Update. Spannungsversorgung 230V vs 24 V DC bin ich noch nicht 
weiter und daher habe ich das aktuell erstmal gelassen.
Ansonsten habe ich versucht, nach den Vorgaben hier im Thread erneut zu 
routen.

Anbei die neue Version, einmal kombiniert und Vorder- bzw Rückansicht.

Trays bis C11 bszw C8 sind 0.8 mm für 3.3V
Allein unschön ist die 3.3V zum Q1 (MCP9800), die mit zwei Vias 
verläuft. Alternativ hab ich mit einen Weg durch U1 unter R8 und dann zu 
Q1 überlegt. Wäre das sinnvoller?

Noch zwei Fragen kamen auf, wobei ihr ggfs. weiterhelfen könntet.
- SDA und SCL Leitungen, siehe hervorgehoben in weiß im Anhang
- Sollen Pads immer an einer geraden Fläche verlassen werden oder geht 
das auch wie teil gemacht "über Ecken"?

VG

[Andre (Gast)]

Felipe A. schrieb:
> Anbei die neue Version

Die gefällt mir schon richtig gut! Da sehe ich jetzt spontan nichts 
mehr, wo ich sagen würde dass das ernsthafte Probleme machen kann. 
Solange die Schaltung stimmt ;)

> Allein unschön ist die 3.3V zum Q1

Das ist meiner Meinung nach total unkritisch. Q1 ist ein sehr kleiner 
Verbraucher, da stört das nicht. Wenn da noch mehr dran hängen würde, 
könntest du mehrere Vias parallel schalten.

Die Masse-Verbindung muss einen recht langen "Rückweg" um die I2C 
Leiterbahn auf der Unterseite nehmen, da könntest du auf der Oberseite 
noch eine Brücke setzen.

> Sollen Pads immer an einer geraden Fläche verlassen werden

Das geht natürlich auch "über Eck". Etwas aufpassen solltest du mit den 
spitzen Winkeln. Die kannst du aber ganz leicht entschärfen, siehe Bild 
im Anhang.

Bei ICs wie Q1 würde ich gerade von den Pads weg gehen und dann mit 45° 
Knicken auf die Breite des Kondensators springen. Durch die schräge 
Leiterbahn an Pin 2 machst du das Rastermaß unnötig schmal, das kann 
Lötbrücken begünstigen.

[Felipe A. (felipea)]

Andre schrieb:
> Die gefällt mir schon richtig gut! Da sehe ich jetzt spontan nichts
> mehr, wo ich sagen würde dass das ernsthafte Probleme machen kann.
> Solange die Schaltung stimmt ;)
>


Vielen Dank für deine Hilfe bis hierher. Ich werde die Platine mal 
erstellen lassen, nach ein paar kleinen Anpassungen, wie von dir 
angeregt. Die Kosten sind ja überschaubar :)