Low-Power-Challenge: Den ESP8266 unter 20µA im Schlaf bringen

Die Low-Power-Challenge: Den ESP8266 unter 20µA im Schlaf bringen klingt zunächst wie ein Sport für Perfektionisten – ist aber in der Praxis der Schlüssel zu IoT-Projekten, die wirklich monatelang (oder sogar jahrelang) mit Batterie laufen sollen. Viele Maker messen im Deep-Sleep-Modus überraschend hohe Werte: 1 mA, 5 mA oder mehr. Der Grund ist selten „der ESP8266 an sich“, sondern fast immer das Board-Ökosystem drumherum: Spannungsregler mit hohem Ruhestrom, Power-LEDs, USB-UART-Wandler, schlecht gesetzte Pull-ups, Sensoren, die im Schlaf weiterziehen, oder ein Messaufbau, der Peaks und Mittelwerte verwechselt. Unter 20 µA zu kommen ist erreichbar, aber nicht mit jedem Devboard und nicht ohne konsequentes Vorgehen. Sie brauchen einen klaren Plan: die richtige Hardwarebasis, eine saubere Stromversorgung, konsequentes Abschalten von Nebenverbrauchern, einen stabilen Deep-Sleep-Wake-Pfad und eine Messmethode, die Mikroampere überhaupt korrekt erfasst. Dieser Artikel führt Sie Schritt für Schritt durch die typischen Ursachen für hohe Schlafströme, zeigt praxisbewährte Modifikationen und erklärt, wie Sie am Ende reproduzierbar in den Bereich unter 20 µA kommen – ohne „Voodoo“, sondern mit systematischer Fehlersuche und nachvollziehbaren Maßnahmen.

Warum 20 µA anspruchsvoll sind: Der ESP8266 ist selten das Problem

Der ESP8266 kann im Deep Sleep sehr wenig Strom verbrauchen – aber nur, wenn er als Chip/Modul betrachtet wird und nicht als Komplett-Devboard mit Komfortelektronik. Auf NodeMCU-, Wemos- oder ähnlichen Boards hängen oft zusätzliche Bauteile permanent an 3,3 V: USB-UART-Wandler (z. B. CH340/CP2102), Spannungsregler mit relativ hohem Quiescent Current (Iq), Status-LEDs oder Auto-Reset-Schaltungen. Schon eine einzelne Power-LED kann den Schlafstrom um Größenordnungen erhöhen. Das heißt: Wer ernsthaft unter 20 µA will, startet entweder mit einem „nackten“ ESP-12F/ESP-12E-Modul auf einer eigenen Platine oder modifiziert ein Board radikal.

• Devboards: bequem, aber häufig 1–10 mA Sleep wegen Peripherie.
• ESP-12 Module: deutlich bessere Ausgangsbasis für echte Low-Power-Designs.
• Systemdenken: Ziel ist der Schlafstrom des gesamten Geräts, nicht nur des Chips.

Deep Sleep richtig verstehen: Was bleibt aktiv, was ist wirklich aus?

Im Deep Sleep wird die CPU abgeschaltet, RAM-Inhalte sind verloren, und der Chip startet beim Aufwachen wie nach einem Reset. Aktiv bleibt im Wesentlichen nur die Logik, die das zeitgesteuerte Aufwachen ermöglicht. Genau deshalb ist Deep Sleep so effizient – und genau deshalb müssen Sie neben dem ESP auch alles drumherum schlafen legen. Ein häufiger Denkfehler ist: „Der ESP schläft, also ist alles gut.“ In Wirklichkeit ziehen Sensoren, Pull-ups oder Regler weiter Strom, wenn sie nicht explizit darauf ausgelegt sind, im Sleep praktisch nichts zu verbrauchen.

• Deep Sleep: minimaler Chip-Verbrauch, kompletter Neustart beim Wake.
• Peripherie: bleibt ohne Gegenmaßnahmen aktiv und dominiert den Verbrauch.
• Wake-Pfad: muss hardwareseitig korrekt verdrahtet sein, sonst gibt es Reset-Loops.

Die wichtigsten Stromfresser in der Praxis

Wenn Sie nicht unter 20 µA kommen, liegt die Ursache meistens in einer dieser Kategorien. Der Trick ist, sie nicht zu erraten, sondern systematisch zu isolieren und zu eliminieren.

• Spannungsregler mit hohem Ruhestrom (Iq): Viele Standard-LDOs liegen im Bereich von 50–500 µA oder deutlich darüber.
• Power-LED / Status-LED: Oft 0,5–5 mA – das allein zerstört jedes µA-Ziel.
• USB-UART-Wandler: zieht häufig dauerhaft Strom, selbst wenn USB nicht verbunden ist.
• Sensoren/Module: I2C-Sensoren, Relaisboards, Pegelwandler, SD-Kartenmodule – viele sind nicht für Sleep optimiert.
• Pull-ups und Spannungsteiler: „kleine“ Widerstände können dauerhaft Strom verbraten.
• Leckströme durch Schutzschaltungen: je nach Aufbau, insbesondere bei Billig-Boostern oder Ladeplatinen.

Hardware-Basis: Mit welchem Aufbau sind < 20 µA realistisch?

Für die Low-Power-Challenge lohnt es sich, die Hardware von Anfang an passend zu wählen. Ein typisches „Batterie + TP4056 + Step-Up + NodeMCU“-Stack ist fast nie im µA-Bereich, weil mehrere Platinen jeweils eigenen Ruhestrom ziehen. Erfolgreiche Designs setzen stattdessen auf eine klare, schlanke Architektur: Akku → sehr sparsamer Regler (oder direkte Versorgung, wenn möglich) → ESP8266-Modul → Sensoren, die hart abgeschaltet werden können.

• Empfohlen: ESP-12F/ESP-12E auf eigener Platine, keine USB-UART-Hardware im Feldbetrieb.
• Bedingt geeignet: Wemos D1 mini mit entfernten LEDs und ggf. Regler-Modifikation – Ergebnisse variieren.
• Meist ungeeignet: NodeMCU/Amica-Boards „out of the box“ für echte µA-Ziele.

Der entscheidende Hebel: Ruhestrom des Spannungsreglers

Wenn Sie eine 18650-Zelle oder LiPo nutzen, brauchen Sie typischerweise 3,3 V. Hier entscheidet der Regler über Erfolg oder Misserfolg. Ein LDO mit 100 µA Iq macht das 20-µA-Ziel unmöglich, selbst wenn der ESP perfekt schläft. Für Ultra-Low-Power müssen Sie einen Regler wählen, dessen Ruhestrom im einstelligen µA-Bereich liegt – und der bei Ihrer Last und Eingangsspannung stabil arbeitet. Zusätzlich sollten Sie den Dropout, die Stabilitätsanforderungen (Kondensatoren!) und das Verhalten bei Lastspitzen (WLAN) prüfen.

• Wichtig: Iq (Quiescent Current) im Datenblatt, nicht nur „Efficiency“.
• Stabilität: richtige Ein-/Ausgangskondensatoren gemäß Datenblatt.
• WLAN-Peaks: Regler muss kurzzeitig mehr Strom liefern können, ohne einzubrechen.

Verlustleistung bei LDOs (MathML)

Ein LDO „verheizt“ die Spannungsdifferenz. Das ist im Active-Betrieb relevant, im Sleep dominiert aber der Ruhestrom. Dennoch hilft die Abschätzung:

$P_{\mathrm{loss}}=(V_{\mathrm{in}}–V_{\mathrm{out}})·I_{\mathrm{load}}$

LEDs und „Komfortschaltungen“ entfernen: Der harte, aber wirkungsvolle Schritt

Viele Boards haben mindestens eine Power-LED und oft eine weitere LED an einem GPIO. Für µA-Ziele müssen diese LEDs weg oder elektrisch getrennt werden. Das kann bedeuten: LED auslöten, Vorwiderstand entfernen oder Leiterbahn trennen. Dasselbe gilt für Auto-Reset-Schaltungen, Pegelwandler oder Pull-up-Netzwerke, die nicht zwingend notwendig sind. Die Devboard-Philosophie („immer bequem flashbar“) steht hier im Konflikt zur Batterielogik („nichts darf im Schlaf ziehen“).

• Power-LED: größte Low-Power-Bremse – zuerst eliminieren.
• GPIO-LED: kann im Sleep über Pull-ups Strom ziehen, je nach Beschaltung.
• USB-UART: wenn möglich komplett abtrennen (z. B. über Jumper oder eigene Programmierpads).

Pull-ups, Spannungsteiler und „unsichtbare“ Dauerlasten

Auch Widerstände sind Verbraucher, wenn sie dauerhaft an Spannung liegen. Ein klassisches Beispiel ist ein Spannungsteiler für Batterie-Messung, der ständig von Akku nach GND fließt. Ebenso ziehen I2C-Pull-ups dauerhaft, wenn sie zu klein gewählt sind. Für Low-Power gilt: Widerstandswerte und Messkonzepte müssen „Sleep-freundlich“ sein.

• Batteriemessung: Spannungsteiler per MOSFET/GPIO nur während Messung aktivieren.
• I2C-Pull-ups: so wählen, dass Kommunikation stabil bleibt, aber keine unnötige Dauerlast entsteht.
• Externe Module: häufig integrierte Pull-ups/Pull-downs – Schaltpläne prüfen.

Dauerstrom durch einen Widerstand (MathML)

Wenn ein Widerstand R dauerhaft an V hängt, gilt:

$I=\frac{V}{R}$

Schon bei 3,3 V und 100 kΩ fließen 33 µA – das sprengt das 20-µA-Ziel allein durch einen einzigen „harmlosen“ Widerstand.

Sensoren richtig schlafen legen: Power-Gating statt „Idle“

Viele Sensoren haben zwar einen Sleep-Modus, ziehen darin aber immer noch einige Mikroampere bis Milliamperes – und vor allem: Breakout-Boards haben oft zusätzliche Pull-ups, LEDs oder Regler. Für wirklich niedrige Schlafströme ist „Power-Gating“ oft der robusteste Ansatz: Sensorversorgung wird nur für die Messung eingeschaltet und danach hart abgeschaltet. Das kann über einen P-MOSFET als High-Side-Schalter oder einen geeigneten Load-Switch erfolgen. Ein GPIO des ESP schaltet die Sensorversorgung, der Sensor wird initialisiert, gemessen, wieder ausgeschaltet.

• Vorteil: Sensorverbrauch im Sleep nahezu Null.
• Nachteil: Initialisierung bei jedem Wake nötig, Messung dauert ggf. etwas länger.
• Wichtig: Rückspeisung vermeiden (z. B. über Datenleitungen), ggf. Serienwiderstände oder saubere Schaltung.

Deep-Sleep-Wake korrekt verdrahten: Kein Loop, keine Überraschungen

Für zeitgesteuertes Aufwachen muss der Wake-Pfad hardwareseitig passen. Je nach Board/Modul ist eine Verbindung nötig, damit das Wake-Signal den Reset auslösen kann. Wenn das falsch ist, entstehen Symptome wie: Gerät wacht einmal auf und nie wieder, oder es bootet in Schleifen. Zusätzlich sollten Sie Boot-Pin-Zustände respektieren, damit der ESP beim Aufwachen nicht versehentlich in einen Flash-/Programmiermodus gerät.

• Wake-Pfad: Board-spezifisch – prüfen, wie Deep Sleep Wake umgesetzt wird.
• Boot-Pins: definierte Pegel beim Start, keine Sensoren „an kritischen Pins“ ohne Planung.
• Reset-Design: sauber, entprellt, ohne schwebende Signale.

Messung im Mikroampere-Bereich: So messen Sie korrekt

Unter 20 µA zu messen ist nicht trivial. Viele Multimeter haben in µA-Bereichen einen höheren Burden Voltage (Spannungsabfall über dem Messgerät), der Ihr System beeinflussen kann. Außerdem hat ein ESP8266 beim Aufwachen sehr kurze, hohe Stromspitzen, die ein normales Multimeter nicht sauber abbildet. Sie brauchen deshalb zwei Perspektiven: (1) den echten Sleep-Strom im stabilen Zustand und (2) die Peaks beim Wake/WLAN, um sicherzustellen, dass Ihre Versorgung nicht kollabiert.

• Sleep-Strom: messen, wenn das System sicher im Deep Sleep ist (Wartezeit nach Sleep-Aufruf einplanen).
• Burden Voltage: beachten, sonst verfälscht das Messgerät die Versorgung.
• Peaks: mit Logger/Oszilloskop/Shunt oder geeignetem Power-Profiler prüfen.
• Serielles Logging: während Sleep-Messung deaktivieren (USB-UART zieht Strom und hält Teile aktiv).

Software-Strategie: Aktivzeit minimieren, Sleep konsequent erzwingen

Auch wenn das Ziel „unter 20 µA im Schlaf“ lautet: In der Praxis entscheidet der Energieverbrauch über den gesamten Zyklus. Ein System, das 15 µA schläft, aber 20 Sekunden lang im WLAN hängt, kann schlechter sein als eines mit 30 µA Sleep und extrem kurzer Aktivphase. Planen Sie daher die Firmware so, dass sie nach dem Aufwachen schnell arbeitet und zuverlässig wieder schläft. Setzen Sie klare Timeouts für WLAN/MQTT/HTTP und vermeiden Sie endlose Retries, die den Akku leersaugen, wenn der Router ausfällt.

• WLAN-Timeout: kurze Limits, dann schlafen und später erneut versuchen.
• Statisches Netzwerk: feste IP kann Zeit sparen (je nach Setup).
• Sensor-Workflow: messen, senden, Display aktualisieren (falls vorhanden), schlafen.
• Keine Delay-Orgie: unnötige Wartezeiten verlängern die Aktivphase.

Durchschnittsstrom über Duty Cycle (MathML)

Um die reale Batterielaufzeit zu bewerten, hilft die Mittelwertformel:

$I_{\mathrm{avg}}=\frac{I_{\mathrm{active}}·t_{\mathrm{active}}+I_{\mathrm{sleep}}·t_{\mathrm{sleep}}}{t_{\mathrm{active}}+t_{\mathrm{sleep}}}$

Ein systematischer Fahrplan zur < 20-µA-Lösung

Die schnellste Route ist nicht „alles auf einmal“, sondern schrittweises Isolieren. Starten Sie mit dem minimalen System und fügen Sie Komponenten erst hinzu, wenn der Schlafstrom stimmt. So finden Sie den Schuldigen eindeutig.

• Schritt 1: ESP8266-Modul ohne Sensoren, ohne LEDs, mit geeignetem Low-Iq-Regler aufbauen.
• Schritt 2: Deep Sleep implementieren und Sleep-Strom messen (stabiler Zustand).
• Schritt 3: Wake-Peaks prüfen (Versorgung stabil? kein Resetloop?).
• Schritt 4: Sensoren einzeln hinzufügen, jeweils Sleep-Strom erneut messen.
• Schritt 5: Bei Problemen Power-Gating einführen und Rückspeisung verhindern.
• Schritt 6: Batterie-Messung, Pull-ups, externe Module auf Dauerlast prüfen.

Häufige Stolperfallen, die Mikroampere „verschwinden lassen“

Wenn Sie nahe an 20 µA sind, zählen Details. Ein einzelner falsch platzierter Widerstand, eine LED, ein Regler-Iq oder ein Sensorboard kann das Ergebnis verdoppeln oder verzehnfachen. Typische „Aha“-Momente entstehen, wenn man konsequent trennt und misst.

• Spannungsteiler dauerhaft aktiv: oft der versteckte 30–200-µA-Verbraucher.
• USB-UART noch verbunden: selbst ohne Datenverkehr eine Dauerlast.
• Sensorboard mit eigener LED/Regler: Sleep-Optimierung des Sensors wird zunichte gemacht.
• GPIOs schweben: undefinierte Pegel können Mehrverbrauch verursachen; definierte Zustände setzen.
• Rückspeisung über Datenleitungen: Sensor „aus“, aber über SDA/SCL bekommt er Strom.

Outbound-Links zu relevanten Informationsquellen

• ESP8266 Arduino Core Dokumentation: Sleep-Modi, Deep Sleep und Systemverhalten
• Espressif ESP8266: Produktseite und technische Basisinformationen
• LDO-Regler: Grundlagen, Dropout und typische Eigenschaften
• Linearregler-Überblick: Datenblattbegriffe wie Ruhestrom (Iq) und Stabilität

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