Geniş bir akım aralığı 800 µA - 1.5 A ölçün

Yaptığım bir IoT cihazında akımı ölçmekte güçlük çekiyorum. Zaman içinde güç tüketimi ve uyku modu akımı hakkında veri toplayabilmem gerekiyor. Mevcut verileri toplamak için bir şönt direnci kullanmaya çalışıyordum, ama önce Georg Ohm ve tüm yasalarıyla ilgili bir sorunla karşılaşıyorum.

Uyku modunda, cihazım yaklaşık 800 µA akım kullanmalıdır, o kadar doğru değilim PSU yaklaşık 2 mA çıkış yaptığını söylüyor, bu yüzden belki biraz daha kodlamam var. Ancak uyku modunda, rastgele görünen aralıklarla modem kısa bir süre için tekrar açılır ve iletir (standart derin uyku modem davranışı). Bu iletim patlaması yaklaşık 1.5 A olabilir.

Her neyse, şönt direnci kullanarak bir sorun yaşıyorum çünkü uyku akımı hakkında herhangi bir anlamlı veri görmeme izin veren bir voltaj düşüşü, bir iletim patlaması sırasında cihazımın yeniden başlaması için çok fazla voltaj düşürüyor.

Herkes böyle geniş bir akım aralığını ölçmek için bir yol önerebilir mi?

Cihaz özellikleri:

• Uyku modu akımı: 600 µA - 3 mA
• Akım üzerinde: 27-80 mA
• İletim patlaması: 1,5 A'ya kadar
• Gerilim: 2,6 V - 4,2 V
• Şarj akımı: 400 mA

Ne kadar isabetliliğe ihtiyacınız var? Sadece bir tahmine ihtiyacınız varsa, bir dizi silikon diyot geniş bir akım aralığında size daha fazla veya daha az logaritmik gösterge verecektir.

Bir diyotla ilgili ana sorun, sıcaklık ile voltaj düşüşündeki değişim, bir referans diyotu ile aynı sıcaklıkta ikinci bir diyot çalıştırılarak önemli ölçüde azaltılabilir. Doğrultucu köprü içindeki iki diyot termal olarak bağlanır ve bunun için idealdir, şematikteki bağlantıları işaretledim, köprü + ve kullanılmadan kalır. Yükünüz çok düşük güç ve yüksek akımlar sadece kısa darbeler olduğundan, birbirine bantlanmış iki ayrı diyot bile iyi olmalıdır. Örneğin bir 1N540x, 3 A için iyidir ve yine de 100 uA'da önemli bir ileri düşüşe sahiptir.

Yük voltajının, mA'yı ölçecek dirençli bir şanttan çok daha az, belki 500 uA ile 1.5 A arasında birkaç yüz mV, çok az değişmesi avantajına sahiptir.

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

R1'in mevcut bir lavabo ile değiştirilmesi referans akımını daha doğru hale getirecektir, ancak (güç kaynağı voltajı - 0,7 V) / R1 muhtemelen çoğu amaç için yeterlidir. İdeal olarak, referans akımı en iyi ölçmek istediğiniz aralığın ortasında olur. 1 ila 10 mA aralığında bir yerde iyi hissettirir.

Voltmetre okuması, yükün referans akıma oranının günlüğü ile orantılı olacaktır. Diyotlardan çıkış empedansı çok düşüktür, bu nedenle farkı bir opamp ile büyütmek, belki onu ölçeklemek veya yere referans vermek için basit olacaktır.

Kütük yasasını oluşturmak için yüksek ve düşük akımlarda ölçüm dönüşümünü kalibre etmeniz gerekir ve aradaki birkaç noktada kontrol etmek iyi olur. Yüksek akımda kalibrasyonun yük diyotunu ısıtacağını unutmayın, bu nedenle termal sürüklenme hatalarını en aza indirmek için iletim darbeleriniz kadar kısa kısa darbeler kullanmanız gerekebilir.

Uyku akımında iyi bir doğruluğa ihtiyacınız varsa, ancak aynı devrede yüksek akımı ölçmek istemiyorsanız, Neil_UK'ın cevabının bir uzantısı paralel olarak bir diyot ve direnç koymaktır:

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Bu şekilde, akım düşük olduğunda, direnç üzerindeki voltaj iyi orantılı olacaktır ve diyotun etkili bir şekilde kapalı olacağı kadar düşük olacaktır, bu nedenle akımdan çok fazla dirençten şönt yapmaz (yine de kontrol diyotunuzdaki özellikler).

Akım yüksek olduğunda, diyot voltaj düşüşünü makul bir değere iletir ve sınırlar. Akımı şu anda da ölçmek istiyorsanız, seri halinde başka bir şönt ekleyebilirsiniz, bu şekilde (@dim fikri nezaket):

^{bu devreyi simüle et}

Bunu geniş bir aralık olarak tanımlıyorsunuz. Gerçekten değil.

Maksimum 1.5A, minimum 800uA'nızın 1875 katıdır. 16 bitlik bir ADC'nin 65535 bit aralığı vardır. Maksimum 5A sınırı ayarlarsanız ve akımın pozitif veya negatif olmasına izin verirseniz, bit başına 153uA çözünürlük verir. Akım çok hızlı değişmezse, yüksek hızda örnekleme ile çözünürlüğünüzü daha da geliştirebilirsiniz - örneğin, 16 kat yüksek hızda örnekleme bunu bit başına 38 uA'ya düşürebilir. Bu yüzden ölçümü yaparken sorun yok.

Sorununuz şönt direncindeki voltaj düşüşüdür. Bay Ohm'un cevabı orada - şönt direncinizi küçültün! Kolayca 0.1 ohm direnç ve hatta 0.01 ohm satın alabilirsiniz. (Google "0R1" veya "0R01", bir ohm'un kesirlerini belirtmenin standart yollarıdır.)

Bundan sonraki problem şant boyunca voltajın nasıl ölçüleceğidir. Çok yüksek giriş empedansına sahip bir diferansiyel amplifikatöre ihtiyacınız olacak, böylece voltajı etkilemeden ölçebilirsiniz. Daha sonra üzerine biraz kazanç koymak istersiniz, böylece ADC'yi uygun bir voltajla sürdürebilirsiniz.

Düşük voltajlar daha fazla gürültü problemi anlamına gelir, bu nedenle yönlendirmeyi ve diğer en iyi uygulama düzeni öğelerini takip etmeye dikkat edin. Ayrıca, kararlı güç kaynaklarına ve referanslarına da dikkat etmeniz gerekir. Anahtar modu regülatörleri burada arkadaşınız değil. Bir anahtar modundan sonra doğrusal bir regülatör bile dalgalanmayı düzgün bir şekilde öldürmek için yeterli PSRR'ye sahip değildir.

Kazanç aşamaları kaçınılmaz olarak üzerlerinde bir miktar DC dengelemesi olacaktır. ADC okumasını akım olmadan ölçtüğünüz ve daha sonra gerçek ölçümleri yaparken sıfır okumayı çıkardığınız bir otomatik kalibrasyon adımı eklemeniz gerekir. Bunu başlangıçta otomatik olarak yapabilirsiniz (başlangıçta birçok metre "tıkır" ve bunun nedeni, otomatik kalibrasyon yapmak için yerleşik referanslar arasında geçiş yapmalarıdır) veya bir kez yapabilir ve sonuçları NVM'de saklayabilirsiniz.

Bunun kısa cevap olduğunu unutmayın ! Umarım bu, sorunun nasıl çözüleceğine dair bazı işaretler verir.

Bunun eski bir soru olduğunu biliyorum, ama bilgi yine de yararlı olabilir.

UCurrent'in tasarım konseptlerinden bazılarına göz atmak isteyebilirsinizDave Jones'un EEVBlog'da incelemek isteyebilirsiniz. Otomatik menzili olmasa da, daha düşük seviye ölçümlerini kapsar; Ayrıca, bazı modlar aralık sayısını azaltırken hala oldukça doğru kalıyor.

Çıplak minimumda ölçümleri 1A'nın altında (aslında 400mA'nın altında) ve 1A'nın üzerinde (iletim sırasında aka 1.5A) bölebilirim.

Daha fazla bilgi ile (ki itiraf ediyorum ki orijinal sorunun bu kadar kaldırılması mümkün olmayabilir), detay vermek zor, ama ne yapabileceğimi göreceğim.

Monolitik bir mcu / alıcı-verici cihazı (nrf5x, STBlue, vb.) Kullanmadığınız sürece, radyo akım yolunu, analog akımınızı etkilememek için dijital akım yollarını yönlendireceği şekilde ele alırım. Yüksek güçlü monolitik bir cihaz kullanıyorsanız, gördüğüm tek gerçek çözüm, çok geniş bir giriş giriş aralığına sahip bir akım algılama amplifikatörü / modülü ile birlikte çok küçük bir duyu direnci kullanmaktır. ADI'nin çift olduğunu biliyorum (aslında dün geçerli anlamda amplifikatörlere / modüllere bakıyordum). Tahmin etmek zorunda kalsaydım, TI'nin de çalışacak cihazları var.

Bir başka bilgi kaynağı Jean-Claude Wippler'ın JEELabs'taki blogu olacak . Yıllar boyunca (yaklaşık 10+ gibi görünüyor) daha uzun pil ömrü ararken akım çekişinde birden fazla deney yaptı. Doğrudan noktada olmasa da, OP'ye hangi yöne gidileceği konusunda fikir verebilir. Bu konuda en son gördüğüm makale. Çalışmalarının uzun listesini ve tarihini görmek için basit google aramasını kullandım.

site:jeelabs.org current measurement

UCurrent konseptini (düşük yük akım ölçümleri) tamamen yeni bir seviyeye taşıyan CurrentRanger'ı keşfettim . Otomatik aralık, seri çıkış ve isteğe bağlı OLED ekran yeni özelliklerden sadece birkaçı. Şematik ve bellenim mevcuttur ve Felix tasarım hakkında oldukça fazla ayrıntıya girer.

Düzenleme: Bu sayfaları bağlayarak ne düşündüğümü daha iyi detay.

İkinci Düzenleme: CurrentRanger'ı ekleyin. Yorumlardaki şikayetlerden biri, uCurrent'in otomatik aralıklı olmamasıydı.

Otomotiv anahtar modu voltaj düşürücülerini test ederken dinamik aralık sorunu yaşadım. 5 ampere kadar beklenen giriş akımları için 100 miliohm şant kullandım.

24 V'den çekilen yük akımının 7 mA'dan düşük olup olmadığını test ederken, karşısında 10 A Schottky diyotlu 10 şönt kullandım. Şant kombinasyonu test jigimde kaldı. DVM'mi DPDT sürgülü anahtar ile iki şönt arasında değiştirdim.

Bu 1995'teydi ve rakamlar büyük değildi. Bu günlerde şönt voltajlarını izlemek için elektronik olarak geçiş yapabilirsiniz. Gerekirse ikiden fazla seri bağlı şönt olabilir. Bunun anahtarı, yüksek dirençli düşük akım şöntünü bir diyotla atlamaktır.

Geçmişte kullandığım bir numara, sens direncini bir op-amp'in geri besleme döngüsüne koymaktır. Bu, test edilen cihaza giden besleme voltajının oldukça sabit tutulmasına izin verirken, şönt direnç üzerinde daha yüksek bir voltaj geliştirilmesine izin verir.

Benim durumumda, daha geniş bir dinamik aralık elde etmek için paralel çalışan birkaç enstrümantasyon amplifikatörü ve ADC ile birleştirdim.

Doktora tezimin 5. bölümünde oluşturduğum sistemi tanımlarım . Sistemim uygulamanız için doğrudan geçerli olmayacak, ancak böyle bir sistemle karşılaşmanız gereken zorluklarla ilgili bazı fikirler verebilir.

DIY sistemimi geliştirdikten bir süre sonra Agilent'in (şimdi Keysight) benzer bir sistem geliştirdiğini keşfettim . Ama ucuz değil.

Alternatif bir yaklaşım olarak, 1,5 A aralığına uyan ve iki farklı ADC'ye beslenen iki ayrı kazanç devresine sahip küçük bir şönt kullanabilirsiniz. Yazılım sayesinde, okumalarına göre hangisini kullanacağınızı seçebilirsiniz. Daha yüksek akım ile daha yüksek kazanç ADC doymuş olacak ve diğerini kullanmanız gerektiğini bileceksiniz.

Sorun tamamen EMI azaltımı ile sinyal bütünlüğü ile ilgilidir.

1.5A / 0.75mA, 66 dB SNR ve ADC'deki doğruluk anlamına gelir.

Arka plan gürültüsü, iyi bir 16 bit ADC ile bunu başarmak için korumalı, bastırılmış, mükemmel CMRR ile filtrelenmiş ve ortalaması alınmış olmalıdır.

Bu çözünürlüğe sahip değilseniz, biri 40dB daha yüksek kazanca sahip iki farklı girişiniz olabilir. Şönt gücü ve izin verilen yük düzenleme hata voltajı şönt direncini sınırlar ve tipik olarak maksimum 75 mV seçilir. Kazançlı bir IC akım sensörü bir Moro yayımı olabilir.

Bunu başarmak tecrübe gerektirir. <-90 dB çözünürlük ve 80 dB SNR tasarım hedefi ile 70 dB SNR elde edebilirsiniz.