Wie misst man kleine, stachelige Strommengen?

Nehmen wir an, ich habe einen Mikrocontroller mit einigen angeschlossenen Peripheriegeräten und möchte in der Lage sein, eine vernünftige Schätzung der Batterielebensdauer vorzunehmen. Mein Stromverbrauch kann zwischen uA (im Ruhemodus) und einigen 10 mA (im Wachzustand) variieren, da ich ihn manchmal in den Ruhemodus versetzen kann und verschiedene Peripheriegeräte sich in unterschiedlichen Zuständen befinden.

Jetzt könnte ich einen Akku anschließen und ihn entladen lassen und die Zeit messen, aber das macht es sowohl zeitaufwendig als auch schwierig (und möglicherweise teuer), verschiedene Ansätze zu vergleichen, sowohl in der Firmware als auch in der Hardware.

Ich könnte ein Multimeter in Reihe schalten, aber selbst wenn es Datenprotokollierung hat, ist das in einem gewissen Intervall und ich müsste interpolieren, und es könnten Variationen, die kleiner als das Intervall sind, gänzlich fehlen. (Plus Bürdenspannung und so weiter.)

Wenn mein Gerät ausreichend schläft , wird der Wachstrom vernachlässigbar. Dies erfordert jedoch möglicherweise ein Verhältnis von Ruhezeit zu Wachzeit von 1000: 1, sodass dies nicht bei allen Designs wahrscheinlich ist.

Gibt es ein Gerät, das den Strom über die Zeit in sehr kleinen Mengen integriert (z. B. nicht das Kill-a-Watt-Auslassmessgerät)? Grundsätzlich interessiert mich, dass "in der letzten Stunde 20mAh verbraucht wurden". Bonuspunkte, wenn ich zu einem bestimmten Zeitpunkt präzise Strommessungen durchführen kann, um den Stromverbrauch im Wach- und Schlafmodus zu vergleichen.

Nun, es gibt sicherlich spezielle Stromerfassungs-ICs. In Ihrem Fall würde ich "einfach" mit etwas gehen:

• Verwenden Sie einen kleinen Vorwiderstand (z. B. 0,5 Ω) zwischen der Batterie und Ihrer Elektronik.
• Verstärken Sie die Spannung an diesem Widerstand mit einem Instrumentenverstärker
• Erfassen Sie diese Spannung, z. B. mit einem ADC

Probleme:

1. niedrige Ströme · niedriger Widerstand = niedrige Spannung: Ihre Messgenauigkeit wird durch Rauschen beeinträchtigt
2. Da Mikrocontroller sehr schnell aufwachen und gleich schnell schlafen gehen, muss Ihre ADC-Abtastrate unbedingt sehr hoch sein.

Aber im Prinzip funktioniert das und ist auf jeden Fall realisierbar (obwohl die Entwicklung eines stabilen, rauscharmen Instrumentenverstärkers mit hoher Verstärkung nicht trivial sein mag; aber: Es gibt bereits Instr.amp-ICs, die dies erheblich vereinfachen).

Zum Glück ist Ihr Problem eher verbreitet. Also: Viele, einschließlich Texas Instruments, verfügen über ein Portfolio von Stromerfassungsverstärkern, von denen einige sowohl den oben genannten Shunt-Widerstand als auch eine digitale Schnittstelle integrieren. Siehe TIs Produktliste .

Tatsächlich sind diese ICs in der Lage, Strom und Versorgungsspannung gleichzeitig zu messen - und das ist großartig, um tatsächlich die entnommene Leistung zu messen, ein Maß, das für die Batterielebensdauer weitaus relevanter ist als der entnommene Rohstrom, wenn es nichtlineare Elemente gibt (das heißt zum Beispiel) , MCUs).

Der INA233 kann zum Beispiel an einen externen Shunt (zum Beispiel 0,3 Ω) angeschlossen werden und hat eine Auflösung von 2,5 µV pro ADC-Schritt. Das heißt, ein einzelner ADC-Schritt hat einen Strom von I = U / R = 2,5 µV / 0,3 Ω = 8,333 µA.

Ich denke, dass das Gerät auch über einen automatischen Abtast- und Mittelungsmodus verfügt, sodass Sie auch bei sich schnell ändernder Last problemlos gute Näherungswerte erhalten.

Außerdem, wie ich gerade herausgefunden habe: Das Ding hat einen "Alarm" -Pegel, so dass Sie Ihr Messsystem aufwecken können, wenn der Strom einen konfigurierbaren Schwellenwert überschreitet. Nett! Auf diese Weise müssen Sie nur gelegentlich probieren.

Gibt es ein Gerät, das Strom über die Zeit in sehr kleinen Mengen integriert

Ja, es gibt mehrere; Das älteste ist eine galvanische Zelle (die Masse des plattierten Metalls entspricht den Amperestunden). Patent von Edison und Elektrolysezellen (Gasansammlung in einem Kapillarröhrchen) wurden in jüngerer Zeit verwendet. Dies entspricht genau der Analyse der Batterie nach einer langen Nutzungsdauer.

Verwenden Sie heutzutage die Digitalisierung.

Wenn Sie Schwankungen erwarten, die schneller als eine digitale Abtastrate sind, ist dies behebbar. Es kann ein zweigeteilter Strompfad mit einer Hochfrequenzleitfähigkeit (ein Kondensator), der den Stromsensor umgeht, und einer parallelen Niederfrequenzleitfähigkeit (Induktivität und Stromerfassungselement) angeordnet werden.

Wenn Sie einen kleinen Strom von langer Dauer erwarten (der die Granularität der digitalen Abtastung zunichte macht), ist dies ebenfalls behebbar. Fügen Sie dem Gleichstromsignal eine kleine Gleichstromquelle mit weißem Rauschen hinzu, und ein Bruchteil des Stroms bewirkt (statistisch) eine korrekte digitale Akkumulation über große Zeiträume.ADC mit Dither Abb. 5a Der DC-Teil des hinzugefügten Signals muss jedoch abgeglichen werden. Pseudozufällige Rauschquellen sind für diese Art von "Zittern" nützlich.

Die Digitalisierung und Akkumulation in einem Register (genau wie das Kill-a-Watt) kann mit leicht verfügbaren Komponenten funktionieren, und einige Tricks zähmen das Potenzial für Fehlmessungen.

Schnell und dreckig: SUPERCAPACITORS! (Suchen Sie auch nach Ultrakondensatoren.) Sie versorgen Ihr System mit Strom und zeigen den integrierten Strom als Spannungsabfall mit der Zeit an.

Welche Prozessor-Vdd und / oder Batteriespannung haben Sie in Betracht gezogen? Natürlich integriert ein Kondensator den Strom, und wenn Sie anstelle einer Batterieversorgung einen Superkondensator mit wenigen Farad verwenden, können Sie den Spannungsabfall über die Zeit messen und den langjährigen Mittelwert der Mikroampere genau bestimmen.

Wenn Ihr Design eine konstante Vdd benötigt, wählen Sie einen Supercap-Wert, der so groß ist, dass die Spannung während des Tests nur um XX Prozent nachgibt. Abhängig von der durchschnittlichen Stromstärke könnten Sie mit einem Kondensator von ein paar Dollar davonkommen. Zum Beispiel sind 4,7 Farad bei einigen Volt eine übliche Obergrenze in überzähligen Katalogen. (Sparkfun hat ungefähr zehn Farad, und die maximale Größe ist Electronic Goldmines 3000-Farad-Boostcaps bei 2,7 V.) Stapeln Sie sie in Reihe, um eine höhere Spannungsgrenze zu erhalten.

Wenn Sie einen großen Dynamikbereich erwarten, könnte eine Option die Verwendung eines Stromspiegels sein, der von einem logarithmischen Transimpedanzverstärker wie dem LOG114 fließt . Mit einer gut abgestimmten Schaltung erreichen Sie eine Reichweite von mehr als 6 Jahrzehnten. Die Integration kann mit einem Kondensator nach dem Stromspiegel eingestellt werden.

Dies ist eine komplexere Lösung, und die Auflösung bei hohem Strom, wenn die Batterieladung erheblich geändert wird, ist geringer. Die Genauigkeit im Vergleich zur geraden, proportionalen Abtastung hängt von dem Zeitanteil ab, den Sie bei niedriger Stromstärke verbringen.

Außerdem können Sie mit der ADC-Auflösung ganz einfach mit Gewalt vorgehen. 24bit oder 32bit könnten 4 Jahrzehnte ohne Probleme abdecken.

Für Ihre groben Messungen (vielleicht +/- 10% oder 20%).

Schalten Sie einfach einen Widerstand in Reihe mit der Leistung und parallel mit einem Kondensator, um eine ausreichend große Zeitkonstante zu erzielen, bei der Ihre Abtastrate keine signifikanten Daten übersieht. Wenn Sie beispielsweise mit 100 Hz abtasten, wählen Sie möglicherweise eine Zeitkonstante von 0,2 Sekunden. Wahrscheinlich handelt es sich um einen Elektrolytkondensator, am besten um einen niederohmigen Kondensator. Wenn die Impulse kürzer als etwa 10 us sind, können Sie ihn mit 1uF-10uF Keramik parallel schalten. Der Wert ist nicht kritisch, er muss nur hoch genug sein. Wählen Sie den Widerstand so, dass nicht zu viel Spannung abfällt, um den Betrieb zu beeinträchtigen, und geben Sie dennoch genügend Signal ab, damit Sie eine vernünftige Messung erhalten.

Es ist nicht notwendig, die Anstiegs- und Abfallzeiten von Verstärkern oder Ähnlichem zu analysieren - der Widerstand und der Kondensator werden die Arbeit erledigen.

Denken Sie daran, dass der Betrieb, der davon abhängt, dass die Batterie eine niederohmige Quelle für Ihre "spitzen" Impulse ist, fehlschlägt, bevor die Batterie tatsächlich erschöpft ist. Parallelschaltung der Batterie mit einem Kondensator kann die Lebensdauer des Batterieinnenwiderstands (manchmal stark) verlängern nimmt zu, wenn es erschöpft ist.

Was ich vorschlage, ist wahrscheinlich übertrieben ... Aber wenn Sie feststellen, dass die Standard- / Billiglösungen nicht über einen ausreichenden Dynamikbereich verfügen, oder wenn Sie diese Art von Messungen regelmäßig durchführen, sollten Sie sich dieses sehr nette Gerät ansehen: RocketLogger .

Es ist von der ETH Zürich entwickelt und Open-Sourcing. Sie nennen es einen "Präzisions-Mixed-Signal-Datenlogger für tragbare Messungen". Es ist ein tragbarer Strom- und Spannungslogger mit einem sehr hohen dynamischen Strombereich, basierend auf einem Beaglebone SBC.

• 2 × Stromkanäle mit hohem Dynamikbereich von 4 nA bis ± 500 mA
• 4 × Spannungskanäle von 13 uV bis ± 5,5 V
• etc...

Haftungsausschluss: Ich bin nicht mit den Erstellern des Geräts verbunden.

Das Coulomb-Zählen kann durchgeführt werden, indem die Änderung der gespeicherten Ladung durch Spannungsabfall von einer bekannten Ladung Q = CV über das gemessene Intervall von mindestens 1 Wiederholungszyklus gemessen wird.

Zunächst muss die Akkulaufzeit festgelegt werden als Minimum in Wattsekunden oder Joule definiert werden, damit die gesamte benötigte Ladungslebensdauer ausgewählt werden kann.

Zweitens muss die Coulomb-Zählmethode genau genug sein durch eine Testmethode in kurzen Intervallen, wie etwa 1 Stunde , wenn dies zu durchschnittlichen Wiederholungszyklen von Schlaf und gepulster Aktivität führen kann, damit die Softwareeffizienz für Energie optimiert werden kann.

Die Batterielebensdauer könnte oder könnte beispielsweise sein; 1 Jahr primär oder 1 Tag sekundär zwischen Gebühren , sollte aber spezifiziert werden.

Drittens : Könnten wir eine niedrige Leckagekappe verwenden, um Coulombs schneller zu zählen? Wie in 1 Stunde?
Wenn ein Drain von durchschnittlich 20 mA pro Stunde und ein Abfall von nur 0,1 V erwartet wurde, welcher Wert C wird benötigt? C = Ic · dt / dV = 20 mA · 3600 s / 0,1 V = 700 Farad

Wenn möglich, wählen Sie ein Teil mit diesem Kapazitätsbereich, z. B. eine 3-V-CR123A-Batterie. Überprüfen Sie dann die Coulomb-Zählmethode und überwachen Sie die Spannung.

Alternativ können Sie den aktuellen Wert abfragen und den aktuellen Inhalt verwenden, um Coulombs unabhängig vom Design genau zu zählen.

Der einstündige Teil Ihrer Frage macht dies ein bisschen schwierig - aber vielleicht brauchen Sie ihn nicht wirklich, wenn Ihr Gerät etwas Zyklisches tut (wie die meisten eingebetteten Dinge).

Lassen Sie uns also einen kompletten Overkill machen, um zu zeigen, was Sie kaufen können. Mit dem Keysight CX3300 können Sie aktuelle Wellenformen mit einer analogen Bandbreite von bis zu 200 MHz und 1 GSa / s abtasten. In Kombination mit 256 MSa Arbeitsspeicher erhalten Sie sogar über eine Stunde angemessene Abtastraten. Der Preis ist natürlich etwas hoch und beginnt bei 33.000 USD und die Sonden beginnen bei 4.800 USD.

Normalerweise benutze ich mein Oszilloskop mit einer Stromsonde wie dem N2820A was Sie um die 4.200 US-Dollar zurückbringt und Ihnen die analoge Bandbreite (bis zu 3 MHz) nicht ganz aber ich finde das wirklich brauchbar. Auf diese Weise erhalten Sie einen Kanal mit niedriger und einen mit hoher Strommessung. Die Analyse erfordert daher einige manuelle Berechnungen.

Ich bin sicher, es gibt ähnliche Angebote von verschiedenen Herstellern für so etwas wie die oben genannten Keysight-Produkte.

Da mein Oszilloskop nicht über einen riesigen Speicher verfügt, messe ich normalerweise einen Zyklus der Aktivität und berechne daraus - unsere Geräte haben keine langen Zyklen, das funktioniert also ganz gut.

Wenn ich eine Langzeitmessung mit automatischer Wh-Berechnung durchführen muss, verwende ich mein zuverlässiges Gossen Metrahit Energy , das auch bei geringen Strömen hervorragende Arbeit leistet. Die Datenaufzeichnung ist jedoch nicht für stark variable Ströme geeignet, da die Abtastrate nicht so groß ist.

Bitte verstehe diese Antwort nicht falsch, da ich mich mit teuren Geräten rühme. Dies ist ein Hinweis darauf, dass es professionelle Testgeräte gibt, die die Anforderungen erfüllen wenn Sie nicht nur gerne selbst Tests durchführen).

Ich bin in keiner Weise mit Keysight oder Gossen verbunden, ich bin nur ein zufriedener Benutzer ihrer Produkte.

Nehmen Sie die ausgezeichnete Antwort von @ marcusmuller und geben Sie die Ausgabe an einen Integrator weiter. Setzen Sie die Kappe auf Null, bevor Sie beginnen, und messen Sie den akkumulierten mAh oder uAh als Gleichspannung.

Möglicherweise müssen Sie mit der Auswahl des Integratorkondensators experimentieren. Einige Kondensatorkonstruktionen sind schlecht für die Durchnässung oder haben einen Innenwiderstand, der ein korrektes Nullstellen verhindert.

Ich könnte ein Multimeter in Reihe schalten, aber selbst wenn es Datenprotokollierung hat, ist das in einem gewissen Intervall und ich müsste interpolieren, und es könnten Variationen, die kleiner als das Intervall sind, gänzlich fehlen.

Sie können also einen Tiefpassfilter in Ihre Messkette einfügen, um den Mittelwert mit einer angemessen niedrigen Frequenz zu protokollieren:

^{simulieren Sie diese Schaltung - erstellt mit CircuitLab}

Für kürzere Zeiträume (Sekunden) können Sie ein Gerät wie den μCurrent verwenden , der an ein Oszilloskop angeschlossen ist.

Wenn Ihr Spitzenstrom relativ unwichtig ist (z. B. weil er sehr kurz ist oder weil er von einem mehr oder weniger festen und bekannten Wert wie dem Spitzenstrom Ihres Mikrocontrollers dominiert wird), können Sie einen Shunt-Widerstand mit einer Diode parallel verwenden, um den Spannungsabfall zu begrenzen. Mit einem 100Ω Shunt und einer SI-Diode parallel können Sie bis zu ~ 7mA messen und eine Genauigkeit von einigen zehn μA erreichen.

Ich denke, Ihre Idee, eine Batterie zu verwenden, ist vielleicht der beste Ansatz, aber ich bin mir nicht sicher, warum Sie sagen, dass es schwer oder teuer ist? Ich bin sicher, es gibt A-Hr-Messgeräte, die Sie kaufen können, aber sie messen möglicherweise nicht genau die kurzen Intervalle des Stroms, an denen Sie interessiert sind. Ein anderer Ansatz wäre eine Stromsonde, die an ein Oszilloskop angeschlossen ist. Dies wäre wahrscheinlich die genaueste Methode, um den Strom in Bezug auf Amplitude und Zeit zu charakterisieren, würde aber keine A-Stunden liefern, es sei denn, Ihre Stromwellenform ist periodisch.

Ich musste dieses Problem vor langer Zeit mit Lithiumbatterien lösen. Das Gerät wachte einmal pro Minute für eine sehr kurze Zeit auf. Ich könnte die Spannung über der Batterie abtasten. Das Problem bei Lithiumbatterien in dieser Situation ist, dass sie in ihrem Entladezyklus ein sehr plötzliches „Knie“ haben. Wenn sie diesen Punkt erreichen, ist die Zeit knapp und der Wertebereich gering.

Ich habe tatsächlich einen Logik- / Analoganalysator (Saleae Logic 8) mit einem µCurrent Gold verbunden und den gesamten Stromverlauf und die Batteriespannung vom vollständigen Aufladen bis zur Entladung gemessen. Sie können einfach ein Python-Skript ausführen, das eine Verbindung zur Entwicklungsoberfläche herstellt, um Werte abzufragen und zu speichern. Dies erzeugt eine TON von Daten und ist in Excel oft nicht einfach zu manipulieren. Sie können jedoch zumindest einen Teil der Zeit abrufen, um zu sehen, wie aktuell der jeweilige Zeitpunkt war.

Hier ist ein Screenshot von einer Überprüfung der Akkulaufzeit, die ich durchgeführt habe und die Ihrer Suche ähnelt:

Das gelbe Signal ist der Strom (V translate to A). Sie können die Batterieantwort sehen (in diesem Fall liegt die Batterie über den max. 5 V des Logic 8). Vor allem können Sie dann sehen, wie die Stromschienen für Messungen ein- und ausgeschaltet werden (ich habe tatsächlich Daten über CAT gesendet) -M zu unseren Cloud-Servern). In Ihrem Fall würden Sie wahrscheinlich nicht so viele aufregende Dinge sehen, da Ihr Arbeitszyklus viel kürzer ist (ich habe hier einige beschleunigte Batterietests durchgeführt, deshalb war es so häufig).

Wenn Sie sehen möchten, wie mein Setup aussah, ich einen Artikel geschrieben kürzlich darüber verfasst, wie Sie Messungen mit der Ausrüstung durchführen können, mit der ich die obige Aufnahme erstellt habe.

Sie können wahrscheinlich etwas Ähnliches mit einem GPIB-gesteuerten Oszilloskop oder einem Datenlogger einer anderen Marke tun. Ich war gerade glücklich, das zu benutzen, was ich zur Hand hatte.

Für erweiterte Erfassungen können Sie auch die Saleae- Programmierreferenz für ihre Logikanalysatoren lesen . Ich habe auch eine Zusammenfassung des Codes erstellt, mit dem ich dieses Capture erstellt habe.

Alle diese Antworten und nur @wbeaty erwähnte die offensichtliche. Ein Gerät, das Strom mit Zeit integriert? Was ist mit I = C dV / dt?

Wenn der Stromverbrauch niedrig genug ist, könnten einige Kondensatoren mehr als genug sein, aber für höhere Ströme wäre ein Superkondensator erforderlich. Einstellen der Kondensatoren, um in angemessener Zeit einen angemessenen Abfall zu erzielen. Eine Schaltung wie die folgende würde den Trick machen.

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

Der kapazitive Teiler soll verhindern, dass der Knoten stromlos wird. Es kann über den Peripheriestift vorgeladen werden, um den Anfangszustand herzustellen, und dann periodisch gemessen werden, um die Entladungsrate abzulesen. Ein Problem bei dieser Schaltung ist, dass sich die Ausgangsspannung ändert, was eine variable Last bedeuten könnte.

Um dieses Problem zu vermeiden und für eine einstellbare Allzweckschaltung mit Komponenten angemessener Größe, könnte stattdessen ein aktiver Kapazitätsvervielfacher verwendet werden, wie im nachstehenden Konzeptschema. Einige Kalibrierung mit bekannten Lasten, und Sie haben einen maßgeschneiderten Verbrauchsmesser.

^{simulieren Sie diese Schaltung}