Jak mierzyć małe, kolczaste ilości prądu?

Załóżmy, że mam mikrokontroler z pewną liczbą urządzeń peryferyjnych i chciałbym móc rozsądnie oszacować żywotność baterii. Ponieważ mogę czasami spać, a różne urządzenia peryferyjne byłyby w różnych stanach, mój pobór prądu może się różnić między uA (w trybie uśpienia) a około 10s mA (po przebudzeniu).

Teraz mógłbym podłączyć baterię i pozwolić jej się wyczerpać i zmierzyć czas, ale to sprawia, że ​​zarówno porównywanie różnych podejść, zarówno w oprogramowaniu sprzętowym, jak i sprzętowym, jest zarówno czasochłonne, jak i trudne (i być może drogie).

Mógłbym umieścić multimetr w szeregu, ale nawet jeśli ma rejestrowanie danych, to jest w pewnym przedziale i musiałbym interpolować, i mógłbym całkowicie pominąć zmiany mniejsze niż interwał. (Plus napięcie obciążenia i tak dalej.)

Jeśli moje urządzenie śpi wystarczająco , prąd czuwania staje się nieco pomijalny, ale może to wymagać stosunku czasu uśpienia 1000: 1 do czasu czuwania, więc nie jest to prawdopodobne we wszystkich projektach.

Czy jest jakieś urządzenie, które integruje prąd w czasie w bardzo małych ilościach (np. Nie miernik wyjściowy Kill-a-wat)? Zasadniczo chcę wiedzieć, że „w ciągu ostatniej godziny zużyto 20 mAh”. Punkty bonusowe, jeśli mogę uzyskać precyzyjne pomiary prądu w danym momencie, aby porównać pobór prądu przez czuwanie i sen.

Cóż, z pewnością istnieją określone układy scalone wykrywające prąd. W twoim przypadku „po prostu” wybrałbym coś takiego:

• Użyj małego rezystora szeregowego (np. 0,5 Ω) między akumulatorem a elektroniką.
• Zwiększ napięcie na tym oporniku za pomocą wzmacniacza oprzyrządowania
• Zapisz to napięcie, np. Za pomocą ADC

Problemy:

1. niskie prądy · niska rezystancja = niskie napięcie: dokładność pomiaru będzie zła z powodu hałasu
2. ponieważ mikrokontrolery budzą się bardzo szybko i śpią równie szybko, częstotliwość próbkowania ADC z konieczności musi być bardzo wysoka.

Ale z zasady to działa i na pewno jest wykonalne (chociaż zaprojektowanie stabilnego, niskoszumowego wzmacniacza instrumentacyjnego o wysokim wzmocnieniu może nie być łatwe; ale: istnieją układy scalone instr.amp, które znacznie to ułatwiają).

Na szczęście twój problem jest dość powszechny. Tak więc: wiele, w tym Texas Instruments, ma portfolio wzmacniaczy z wykrywaniem prądu, z których niektóre zawierają zarówno wspomniany opornik bocznikowy ORAZ interfejs cyfrowy. Zobacz listę produktów TI .

W rzeczywistości te układy scalone są w stanie jednocześnie mierzyć prąd i napięcie zasilania - i to wspaniale mierzyć pobór mocy, który jest o wiele bardziej odpowiedni dla żywotności baterii niż nieprzetworzony prąd pobierany, jeśli występują elementy nieliniowe (to znaczy na przykład , MCU).

Na przykład INA233 może być podłączony do zewnętrznego bocznika (powiedzmy 0,3 Ω) i ma rozdzielczość 2,5 µV na krok ADC. Oznacza to, że pojedynczy stopień ADC wynosi I = U / R = 2,5 µV / 0,3 Ω = 8,333 µA w prądzie.

Myślę, że to urządzenie ma również tryb automatycznego próbkowania i uśredniania, dzięki czemu można łatwo uzyskać dobre przybliżenia nawet przy szybko zmieniającym się obciążeniu.

Ponadto, jak właśnie się dowiedziałem: przedmiot ma poziom „alarmu”, dzięki czemu możesz obudzić swój system pomiarowy, gdy prąd wzrośnie powyżej konfigurowalnego progu. Ładny! W ten sposób musisz tylko próbkować od czasu do czasu.

Czy jest jakieś urządzenie, które integruje prąd w czasie w bardzo małych ilościach?

Tak, jest ich kilka; najstarszym jest ogniwo galwaniczne (masa galwanizowanego metalu reprezentuje amperogodziny) patent Edisona , a ogniwa elektrolityczne (akumulacja gazu w rurce kapilarnej) zostały ostatnio zastosowane. Odpowiadają one dokładnie analizie akumulatora po długim okresie użytkowania.

W dzisiejszych czasach używaj digitalizacji.

Jeśli oczekujesz fluktuacji szybciej niż częstotliwość próbkowania cyfrowego, można to naprawić. Można ustawić dwukierunkową ścieżkę prądową z przewodnictwem wysokiej częstotliwości (kondensator), który omija czujnik prądu, oraz równoległym przewodnictwem niskiej częstotliwości (cewka indukcyjna i czujnik prądu).

Jeśli oczekujesz niewielkiego prądu długotrwałego (który niweluje ziarnistość próbkowania cyfrowego), to również można to naprawić. Dodaj małe źródło szumu DC plus biały szum do sygnału prądu stałego, a ułamek bitowy prądu spowoduje (statystycznie) poprawną akumulację cyfrową przez długi czas. ADC z ditherem rys. 5a Część DC dodanego sygnału należy jednak skalibrować. Źródła hałasu pseudolosowego są przydatne w tego rodzaju „ditheringu”.

Digitalizacja i akumulacja w rejestrze (podobnie jak w przypadku Kill-a-wat) może działać z łatwo dostępnymi komponentami, a niektóre sztuczki oswajają jego potencjał do niewłaściwego pomiaru.

Szybko i brudno: SUPERCAPACITORS! (Szukaj także ultrakondensatora.) Zasilą twój system i wyświetlą zintegrowany prąd jako spadek napięcia z czasem.

Jakie Vdd procesora i / lub napięcie akumulatora rozważałeś? Kondensator naturalnie integruje prąd, a jeśli użyjesz superkondensatora kilku farad zamiast zasilania bateryjnego, możesz zmierzyć spadające napięcie w czasie i precyzyjnie określić długoterminowe średnie mikroampery.

Jeśli twój projekt wymaga stałej wartości Vdd, wybierz wartość supercap wystarczająco dużą, aby napięcie spadło tylko o 20 procent podczas trwania testu. W zależności od średniego prądu możesz być w stanie uciec z kondensatorem o wartości kilku dolarów. Na przykład 4,7 farady przy kilku woltach jest powszechną superkapą w katalogach nadwyżek. (Sparkfun ma około dziesięciu farad, a maksymalny rozmiar to 3000-farad capc Electronic Goldmine przy 2,7 ​​V.) Ustaw je szeregowo, aby uzyskać wyższy limit napięcia.

Jeśli oczekujesz dużego zakresu dynamicznego, opcją może być użycie lustra prądu przepływającego przez logarytmiczny wzmacniacz trans-impedancji, taki jak LOG114 . Można uzyskać ponad 6 dekad zasięgu dzięki dobrze dostrojonemu obwodowi. Integracja może być regulowana za pomocą kondensatora za lustrem prądu.

Jest to bardziej złożone rozwiązanie, a rozdzielczość przy wysokim prądzie, gdy ładunek akumulatora ulega znacznej zmianie, jest niższa. Dokładność vs proste, proporcjonalne wykrywanie będzie zależeć od ułamka czasu spędzanego przy niskim prądzie.

Możesz też użyć brutalnej siły z rozdzielczością ADC. 24-bitowe lub 32-bitowe mogą bez problemu pokryć 4 dekady.

Dla swoich przybliżonych pomiarów (może +/- 10% lub 20%).

Wystarczy umieścić rezystor szeregowo z mocą i równolegle z kondensatorem, aby uzyskać wystarczająco dużą stałą czasową, aby częstotliwość próbkowania nie pominęła istotnych danych. Na przykład, jeśli próbujesz przy 100 Hz, możesz wybrać stałą czasową 0,2 sekundy. Prawdopodobnie będzie to kondensator elektrolityczny i najlepszy będzie typ o niskiej impedancji, i można równolegle z ceramiką 1uF-10uF, jeśli impulsy są krótsze niż około 10us. Wartość nie jest krytyczna, po prostu musi być wystarczająco wysoka. Wybierz rezystor, aby nie spadł za dużo napięcia, aby wpłynąć na działanie, a jednocześnie zapewnić wystarczający sygnał, aby uzyskać rozsądny pomiar.

Nie trzeba analizować czasów narastania i opadania wzmacniaczy ani żadnych innych elementów - rezystor i kondensator wykonają zadanie.

Należy pamiętać, że działanie, które zależy od tego, czy akumulator jest źródłem o niskiej impedancji dla „kolczastych” impulsów, zakończy się niepowodzeniem, zanim akumulator faktycznie się wyczerpie - równoległe połączenie akumulatora z kondensatorem może (czasami znacznie) przedłużyć żywotność - wewnętrzny opór akumulatora wzrasta, gdy się wyczerpuje.

To, co proponuję, to prawdopodobnie przesada ... Ale jeśli okaże się, że standardowe / tanie rozwiązania po prostu nie mają wystarczającego zakresu dynamicznego lub jeśli wykonujesz tego rodzaju pomiary regularnie, możesz spojrzeć na to bardzo schludne urządzenie: RocketLogger .

Został opracowany i otwarty przez ETH Zurich. Nazywają to „Precyzyjnym rejestratorem danych o mieszanym sygnale do pomiarów przenośnych”. Jest to przenośny rejestrator prądu i napięcia o bardzo wysokim zakresie dynamiki prądu, oparty na SBC firmy Beaglebone.

• 2 × kanały prądowe o wysokim zakresie dynamicznym od 4 nA do ± 500 mA
• 4 × kanały napięciowe o napięciu od 13 uV do ± 5,5 V.
• itp...

Oświadczenie: Nie jestem powiązany z twórcami urządzenia.

Zliczanie kulombów można wykonać przez pomiar zmiany przechowywanego ładunku przez spadek napięcia od znanego ładunku Q = CV w mierzonym przedziale co najmniej 1 powtarzalnego cyklu.

Po pierwsze, żywotność baterii należy zdefiniować w kategoriach minimum w watosekundach lub dżulach, aby można było wybrać całkowitą potrzebną energię żywotności ładunku.

Po drugie, metoda zliczania kulombowskich musi być wystarczająco dokładna za pomocą niektórych metod testowych w krótkich odstępach czasu, takich jak około 1 godzina, jeśli może to uśredniać powtarzające się cykle snu i aktywności pulsacyjnej, aby wydajność oprogramowania mogła być zoptymalizowana pod kątem energii.

Okres przechowywania baterii może być lub może być na przykład; 1 rok podstawowy lub 1 dzień wtórny między opłatami, ale należy to określić.

Po trzecie , czy moglibyśmy użyć limitu niskiego wycieku, aby szybciej liczyć Coulomby? Tak jak za 1 godzinę?
Jeśli oczekiwano, że odpływ będzie wynosił 20 mA na godzinę i spadnie tylko 0,1 V, jaka wartość C jest potrzebna? C = Ic * dt / dV = 20mA * 3600s / 0,1V = 700 Farad

Jeśli to możliwe, wybierz część o tym zakresie pojemności, taką jak bateria CR123A 3 V, a następnie sprawdź metodę zliczania kulombów i monitoruj napięcie.

Alternatywnie wykrywaj prąd i używaj bieżącej zawartości do dokładnego liczenia kulombów niezależnie od projektu.

Część godzinna pytania sprawia, że ​​jest to trochę trudne - ale może nie jest to potrzebne, jeśli urządzenie robi coś cyklicznego (jak robi to większość osadzonych rzeczy).

Przejdźmy więc do przesady, aby pokazać, co możesz kupić. Keysight CX3300 będzie można skosztować aktualnych przebiegów z maksymalnie 200 MHz pasmo analogowe i 1 GSa / s. W połączeniu z 256 MSa pamięci możesz uzyskać przyzwoitą częstotliwość próbkowania nawet przez godzinę. Cena jest oczywiście nieco wysoka, zaczynając od 33 000 $, a sondy od 4,800 $.

Trochę tańsza droga, którą zwykle jadę, polega na użyciu mojego oscyloskopu z sondą prądową, taką jak N2820A - spowoduje to cofnięcie się o około 4200 $ i nie uzyskasz całkiem analogowej szerokości pasma (do 3 MHz), ale uważam, że to naprawdę użyteczny. To da ci kanał z pomiarem niskiego prądu i kanał z pomiarem wysokiego prądu, więc analiza wymaga trochę ręcznego obliczenia.

Jestem pewien, że istnieją podobne oferty różnych producentów dotyczące czegoś takiego jak wyżej wymienione produkty Keysight.

Ponieważ mój oscyloskop nie ma dużej ilości pamięci, zwykle robię pomiar jednego cyklu aktywności i obliczam stamtąd - nasze urządzenia nie mają długich cykli, więc działa całkiem dobrze.

Jeśli muszę wykonać długi pomiar z automatycznym obliczeniem Wh, używam mojej sprawdzonej energii Gossen Metrahit Energy , która świetnie sobie radzi nawet przy niskich prądach. Ale rejestrowanie danych nie jest odpowiednie dla bardzo zmiennych prądów, ponieważ częstotliwość próbkowania nie jest tak duża.

Proszę, nie zrozumcie źle tej odpowiedzi, ponieważ chwalę się jakimś drogim sprzętem, jest to wskazówka, że ​​istnieje profesjonalny sprzęt testowy, który może sprostać wymaganiom - ponieważ większość innych odpowiedzi skupia się na robieniu tego samodzielnie (co może powodować problemy jeśli nie wykonujesz tylko własnych testów).

Nie jestem w żaden sposób powiązany z Keysight ani Gossen, jestem tylko zadowolonym użytkownikiem ich produktów.

Weź doskonałą odpowiedź @ marcusmuller i wprowadź dane wyjściowe do integratora. wyzeruj czapkę przed rozpoczęciem i zmierz zakumulowane mAh lub uAh jako napięcie stałe.

Być może będziesz musiał poeksperymentować z wyborem kondensatora integratora; niektóre konstrukcje kondensatorów źle wpływają na nasiąkanie lub mają wewnętrzny opór, który uniemożliwia prawidłowe zerowanie.

Mógłbym umieścić multimetr w szeregu, ale nawet jeśli ma rejestrowanie danych, to jest w pewnym przedziale i musiałbym interpolować, i mógłbym całkowicie pominąć zmiany mniejsze niż interwał.

Możesz więc umieścić filtr dolnoprzepustowy w swoim łańcuchu pomiarowym, aby rejestrować wartość średnią z rozsądnie niskiej częstotliwości:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

W przypadku krótszych czasów (sekund) można użyć urządzenia takiego jak μCurrent podłączonego do oscyloskopu.

Jeśli twój prąd szczytowy jest względnie nieistotny (na przykład dlatego, że jest bardzo krótki lub ponieważ jest zdominowany przez mniej więcej ustaloną i znaną wartość, taką jak prąd szczytowy twojego mikrokontrolera), możesz użyć rezystora bocznikowego z diodą równolegle, aby ograniczyć spadek napięcia. Z bocznikiem 100Ω i diodą SI równolegle można zmierzyć do ~ 7mA i osiągnąć dokładność w dziesiątkach μA.

Myślę, że twój pomysł na użycie baterii może być najlepszym podejściem, ale nie jestem pewien, dlaczego uważasz, że jest to trudne lub drogie? Jestem pewien, że istnieją mierniki A-Hr, które można kupić, ale mogą one nie mierzyć dokładnie krótkich przedziałów prądu, którymi jesteś zainteresowany. Innym podejściem może być sonda prądowa podłączona do oscyloskopu. Byłby to prawdopodobnie najdokładniejszy sposób scharakteryzowania prądu pod względem amplitudy i czasu, ale nie dałby A-Hrs, chyba że przebieg prądu jest okresowy.

Dawno temu musiałem rozwiązać ten problem z bateriami litowymi. Urządzenie budziło się przez bardzo krótki czas, raz na minutę. Mógłbym próbować napięcie na baterii. Problem z bateriami litowymi w tej sytuacji polega na tym, że mają bardzo nagłe „kolano” w cyklu rozładowania, a kiedy osiągną ten punkt, masz już za mało czasu i jest to niewielki zakres wartości.

Wziąłem analizator logiczno / analogowy (Saleae Logic 8) i podłączyłem go do µCurrent Gold i zmierzyłem cały bieżący wykres i napięcie akumulatora od pełnego naładowania aż do rozładowania. Możesz po prostu uruchomić skrypt Pythona, który łączy się z interfejsem programistycznym w celu odpytywania i przechowywania wartości. To tworzy TONĘ danych i często nie da się łatwo nimi manipulować w programie Excel, ale możesz przynajmniej otworzyć kawałek czasu, aby zobaczyć, jaki był chwilowy prąd w danym momencie.

Oto zrzut ekranu z sprawdzania żywotności baterii, który robiłem, który wygląda podobnie do tego, czego szukasz:

Żółty sygnał to prąd (V przekłada się na A). Możesz zobaczyć reakcję baterii (w tym przypadku bateria była wyższa niż 5 V Logic 8). Co najważniejsze, możesz zobaczyć, jak szyny zasilania się włączają, a następnie wyłączają na czas pomiarów (właściwie wysyłałem dane przez CAT -M do naszych serwerów w chmurze). W twoim przypadku prawdopodobnie nie zobaczysz tyle ekscytujących rzeczy, ponieważ twój cykl pracy jest znacznie krótszy (robiłem tutaj przyspieszone testy baterii, dlatego było tak częste)

Jeśli chcesz zobaczyć, jak wyglądała moja konfiguracja, niedawno napisałem artykuł na temat wykonywania pomiarów za pomocą sprzętu, który miałem powyżej.

Prawdopodobnie możesz zrobić coś podobnego z oscyliscopem kontrolowanym przez GPIB lub rejestratorem danych innej marki. Właśnie zdarzyło mi się użyć tego, co miałem pod ręką.

W przypadku przechwytywania rozszerzonego możesz także zapoznać się z odniesieniem do programowania Saleae dla ich analizatorów logicznych. Stworzyłem także streszczenie kodu, którego użyłem do utworzenia tego przechwytywania.

Wszystkie te odpowiedzi i tylko @wbeaty wspominały oczywistą. Urządzenie, które integruje prąd z czasem? Co z I = C dV / dt?

Jeśli pobór prądu jest wystarczająco niski, kilka kondensatorów może być więcej niż wystarczających, ale super kondensator byłby potrzebny do wyższych prądów. Dostosowanie kondensatorów w celu uzyskania rozsądnego spadku w rozsądnym czasie. Obwód taki jak ten poniżej załatwi sprawę.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Dzielnik pojemnościowy ma na celu uniknięcie usuwania prądu z węzła. Może być wstępnie naładowany do zasilania uC za pomocą peryferyjnego pinu w celu ustalenia stanu początkowego, a następnie okresowo mierzony w celu odczytania szybkości rozładowania. Jednym problemem z tym obwodem jest to, że napięcie wyjściowe będzie się zmieniać, co może oznaczać zmienne obciążenie.

Aby uniknąć tego problemu oraz w przypadku regulowanego obwodu uniwersalnego z komponentami o rozsądnych rozmiarach, zamiast tego można zastosować aktywny multiplikator pojemności, jak na schemacie koncepcyjnym poniżej. Trochę kalibracji ze znanymi obciążeniami, a masz niestandardowy licznik zużycia.

^{zasymuluj ten obwód}