Wie misst man den Stromverbrauch an Geräten mit extrem geringem Stromverbrauch?

Dies mag in ein oder zwei halben Jahrzehnten eine alte Nachricht sein, aber mit den heutigen Mitteln beziehe ich mich auf elektronische Prototypen und Designs, die einen Strombereich von μA (uA) und sogar nA aufnehmen würden.

Einige neuere MCUs, wie z. B. SAMD21, die ich mit atm verwende, sind mit internen Uhren ausgestattet, z. B. internen 32-kHz-RC-Oszillatoren mit extrem geringem Stromverbrauch die nur 125 nA verbrauchen, und der gesamte Mikrocontroller kann im STANDBY-Modus nur 6,2 μA verbrauchen mit einer Live-RTC.

Bei dieser Art von Ruhestrom und Stromverbrauch können die kleinsten Einschränkungen in der internen Maschinerie von Tischmessgeräten wie Multimetern und Oszilloskopen der Gesamtmessung einiges an Fehlern hinzufügen oder in Situationen wie einer anderen sogar einen völlig falschen Wert messen Das Relais tritt ein, wenn Sie die Auflösung Ihres Multimeters von 6 auf 8 Dezimalstellen ändern.

Was ist die genaueste Methode zur Messung des gesamten Ruhestrom- / Stromverbrauchs für solche Anwendungen?

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Wie ich in einer der Antworten erwähnt habe, ist es schwierig, aber sehr gut möglich, niedrige Ströme zu messen. Ich habe jedoch eher daran gedacht, Schlussfolgerungen über die integrierte Menge des Stromverbrauchs zu ziehen, um Zahlen für den realistischen Gesamtstromverbrauch zu erhalten.

Ich bin auf einige Lösungen gestoßen, wie z. B. den Weitbereichsstrom-Frequenz-Wandler . Der Weitbereich in diesem Anwendungshinweis ist jedoch nur auf maximal 200 uA begrenzt. In meinem Fall kann mein maximaler Strom auf Milliampere ansteigen, wenn mein Funkgerät sendet und dies könnte fallen auf nur 3uA, wenn das gesamte System in den Ruhezustand wechselt.

Eine Lösung besteht darin, einen Instrumentenverstärker zu verwenden, um den Spannungsabfall an einem Nebenschlusswiderstand zu messen. Diese bieten eine extrem hohe Eingangsimpedanz für beide Eingänge des Verstärkers (über 1 Giga-Ohm) und ermöglichen es Ihnen, dieses Signal um relativ große Faktoren zu verstärken (1000x ist keine Seltenheit). Beachten Sie, dass die Tatsache, dass es eine wirklich hohe Eingangsimpedanz gibt, für diese spezielle Anwendung nicht allzu wichtig ist, jedoch der hohe Verstärkungsfaktor.

Das grundlegende Schema sieht folgendermaßen aus (ich verwende IAein in sich geschlossenes Paket für einen Instrumentenverstärker; oft haben diese einen externen Verstärkungswiderstand, sodass Sie wählen können, welche Verstärkung Sie möchten):

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Mit dem großen Verstärkungsfaktor können Sie einen relativ kleinen Messwiderstand verwenden, der einen großen Teil der Auswirkung der Lastspannung auf Ihren Prüfling abschwächt.

Wenn Sie nur eine Standardlösung kaufen möchten, die dies effektiv erledigt, können Sie sich mit so etwas wie dem uCurrent befassen . Es gibt wahrscheinlich auch spezielle ICs, die für diesen aktuellen Bereich entwickelt wurden.

Da die Ausgänge dieser Art von Stromsensoren nur eine relativ isolierte analoge Spannung sind, können Sie zur Messung des Stroms jedes Standardoszilloskop oder jeden Spannungsmesser verwenden.

Diese sehr einfachen Geräte sind gut genug für Dinge im Nano- und Mikroamperebereich und relativ einfach zu bedienen.

Für noch kleinere Ströme (Pico- oder Fempto-Ampere-Bereiche) gibt es speziell entwickelte Chips wie den LMP7721 sowie einige Seiten mit Anwendungshinweisen zum Niedrigstromdesign. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie so etwas zur Messung der Stromaufnahme benötigen. Diese werden in der Regel von der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Messung der Sensorausgänge (Fotodioden / andere Sensoren mit sehr geringem Strom) verwendet.

Der Microchip AN1416: Low Power Design Guide auf Seite 6 enthält eine sehr interessante und einfache Lösung zur Messung des statischen Stromverbrauchs bei sehr geringem Stromverbrauch unter Verwendung der sogenannten Kondensatormethode.

Eine bekannte Ladung wird auf einen bekannten Kondensator eingestellt. Diese Ladung wird dann verwendet, um das zu testende Gerät mit Strom zu versorgen. Nach einer bekannten Zeit trennen Sie den Kondensator vom Dut und messen dessen Restspannung. Mit diesem Delta und einer Formel aus demselben Dokument können Sie abschätzen, wie viel Strom Ihr Gerät über einen bestimmten Zeitraum verbraucht.

Das Dokument zeigt auch auf, welche Arten von Kondensatoren verwendet werden sollen und wie der Leckstrom des Kondensators zu berücksichtigen ist.

Unter dem Dokument von Microchip.

http://ww1.microchip.com/downloads/de/AppNotes/01416a.pdf#utm_source=Facebook&utm_medium=Social&utm_term=Post&utm_content=MCU8&utm_campaign=Low+Power+Design+Guide

Die professionelle Lösung besteht darin, ein ausreichend gutes Tischmultimeter zu verwenden.

Ich habe Leute getroffen, die im Rahmen ihrer Softwareentwicklungsroutine den durchschnittlichen Stromverbrauch (<10 µA) gemessen haben und so etwas wie einen Keysight 34465A mit der Option 50000 Messungen / s verwendet haben.

Eine Standardlösung ist ein uCurrent von CMicrotek , der den Preis wert ist. Ich habe leicht 1uA Ströme gemessen. Mit einem Bereich kann ich sehen, wann verschiedene Funktionen meiner Anwendung ausgeführt werden. Sie können es an ein Zielfernrohr oder ein Tischvoltmeter anschließen.

Ich entwickle jetzt seit über 10 Jahren batteriebetriebene IoT-Geräte und habe verschiedene Methoden gefunden, um dies zu tun, je nachdem, was ich erreichen möchte. Wenn ich nur versuche, den niedrigen Schlafstrom eines statischen Systems zu ermitteln, möchte ich meine Einrichtung relativ einfach halten und allgemeine Elemente verwenden, die in den meisten Labors zu finden sind, sowie grundlegende elektrische Konzepte verwenden. Wählen Sie anhand des folgenden Bildes einen Messwiderstandswert (R1), der ungefähr einige hundert Millivolt mit der erwarteten Stromaufnahme ergibt. Dies ermöglicht es einem Standard-DMM, eine relativ genaue Messung zu erhalten, während der Prüfling auch bei niedrigen Versorgungsspannungen eine ausreichende Spannung erhält. Mit dem Ohmschen Gesetz können Sie den Strom berechnen: I = V / R. Unter Verwendung des erwarteten Stromwerts vom ursprünglichen Pfosten von 6,2 uA wäre ein Erfassungswiderstandswert von 20 bis 30 k (0,1 bis 1%) ausreichend.

In einem Fall, in dem der Prüfling auf einen Niedrigleistungszustand initialisiert werden muss, könnte ein Kurzschlussbrücken über den Erfassungswiderstand R1 gelegt werden, bis der Niedrigleistungszustand beibehalten wird. Dies würde es dem Prüfling ermöglichen, so viel Strom zu ziehen, wie er benötigt, ohne einen übermäßigen Spannungsabfall zu verursachen. Sobald der Prüfling den erwarteten Niedrigleistungszustand erreicht hat, kann die Kurzschlussbrücke entfernt und die Leerlaufstrommessung durchgeführt werden.

Während das obige Verfahren unter statischen Bedingungen gut funktioniert, funktioniert es unter dynamischen Bedingungen nicht, insbesondere bei den Spitzenströmen, die typischerweise bei batteriebetriebenen Geräten aufgrund der hohen Impedanz auftreten, die das Messverfahren aufweist. Für diese realistischeren Betriebsbedingungen, wie Sie sie in Ihrem Update beschreiben, benötigen Sie ein Gerät, das den Strom über einen sehr weiten Dynamikbereich, möglicherweise bis zu 100.000: 1 (100 mA bis 1 uA), genau misst und aufzeichnet Geschwindigkeit, um die schnellen Ein- und Ausschaltübergänge zu erfassen und die Ergebnisse kontinuierlich zu integrieren.

Dies war etwas, das in meinen frühen Tagen immer viel Zeit und Mühe gekostet hat. So sehr, dass ich mich entschied, ein Gerät zu entwickeln, das speziell für mich entwickelt wurde. Überprüfen Sie den Link unten:

Besser eingebetteter technischer Batterieenergieschätzer 300