Küçük, dikenli akım miktarları nasıl ölçülür?

Bir miktar çevre birimine sahip bir mikro denetleyicim olduğunu ve akü ömrünün makul bir tahminini yapabilmek istediğimizi varsayalım. Bazen uyuyabileceğim ve çeşitli çevre birimleri farklı durumlarda olacağı için, mevcut tüketimim uA (uyku modunda) ve bazı 10s mA (uyanıkken) arasında değişebilir.

Şimdi, bir pil takabilir ve bitmesine izin verebilir ve zamanı ölçebilirim, ancak bu, hem yazılım hem de donanımdaki farklı yaklaşımları karşılaştırmayı hem zaman alıcı hem de zor (ve muhtemelen pahalı) hale getirir.

Bir multimetreyi seri olarak yerleştirebilirim, ancak veri kaydı olsa bile, bu belirli bir aralıktadır ve enterpolasyon yapmak zorunda kaldım ve aralıktan daha küçük varyasyonları tamamen kaçırabilirdim. (Artı yük gerilimi ve hepsi.)

Cihazım yeterince uyuyorsa , uyanık akım biraz ihmal edilebilir hale gelir, ancak bu uyku süresi ile uyanıklık süresi arasında 1000: 1 oranını gerektirebilir, bu nedenle tüm tasarımlarda bu olası değildir.

Zaman içinde akımı çok küçük miktarlarda entegre eden bazı cihazlar var mı (örneğin, Wat-Kill çıkış ölçeri değil)? Temel olarak "son bir saat içinde 20mAh tüketildiğini" bilmek istiyorum. Uyanık ve uykuda akım tüketimini karşılaştırmak için herhangi bir zamanda hassas akım ölçümleri alabilirsem bonus puanları.

Kesinlikle belirli akım algılayıcı IC'ler var. Sizin durumunuzda, "basitçe" şöyle bir şeyle giderdim:

• Pil ve elektronik aksamınız arasında küçük (örn. 0,5 Ω) seri direnç kullanın.
• Enstrümantasyon amplifikatörü ile bu direnç üzerindeki voltajı yükseltin
• Bu gerilimi kaydedin, örneğin bir ADC kullanarak

sorunlar:

1. düşük akımlar · düşük direnç = düşük voltaj: Ölçüm doğruluğunuz gürültü nedeniyle kötü olacaktır
2. mikrodenetleyiciler çok hızlı uyanır ve eşit derecede hızlı uyurlar, ADC örnekleme oranınızın mutlaka çok yüksek olması gerekir.

Ancak, prensip olarak, bu çalışır ve kesinlikle uygulanabilirdir (istikrarlı, düşük gürültülü, yüksek amplifikasyonlu bir enstrümantasyon amplifikatörü tasarlamak önemsiz olabilir; ancak: bunu çok daha kolaylaştıran mevcut araç içi IC'ler var).

Neyse ki, sorununuz oldukça yaygın. Yani: Texas Instruments da dahil olmak üzere birçoğu, hem yukarıda bahsedilen şönt direnci hem de dijital bir arayüzü entegre eden bir akım algılama amplifikatörü portföyüne sahiptir. TI'nın ürün listesine bakın .

Aslında, bu IC'ler akım ve besleme voltajını aynı anda ölçebilir - ve bu, doğrusal olmayan elemanlar (örneğin, örneğin , MCU'lar).

Örneğin INA233, harici bir şant (örneğin 0.3 0.3) bağlanabilir ve ADC adımı başına 2.5 uV çözünürlüğe sahiptir. Bu, tek bir ADC aşamasının akımda I = U / R = 2.5 uV / 0.3 Ω = 8.333 uA olduğu anlamına gelir.

Cihazın aynı zamanda otomatik bir örnekleme ve ortalama alma moduna sahip olduğunu düşünüyorum, böylece hızla değişen yük altında bile kolayca iyi yaklaşımlar elde edebilirsiniz.

Ayrıca, az önce öğrendiğim gibi: "uyarı" seviyesi vardır, böylece akım yapılandırılabilir bir eşiğin üzerine çıktığında ölçüm sisteminizi uyandırabilirsiniz. Güzel! Bu şekilde, yalnızca ara sıra örnekleme yapmanız gerekir.

Zaman içinde akımı çok küçük miktarlarda entegre eden bazı cihazlar var mı?

Evet, birkaç tane var; en eskisi bir elektrokaplama hücresidir (kaplanmış metal kütlesi amper-saati temsil eder) Edison patenti ve elektroliz hücreleri (kılcal tüp içine gaz birikimi) daha yakın zamanda kullanılmıştır. Bunlar, uzun bir kullanım süresinden sonra pilin analizine tam olarak eşdeğerdir.

Günümüzde sayısallaştırma kullanın.

Dalgalanmaların dijital örnekleme hızından daha hızlı olmasını beklerseniz, bu düzeltilebilir. Akım sensörünü atlayan yüksek frekanslı iletkenliğe (kapasitör) ve paralel düşük frekanslı iletkenliğe (indüktör ve akım algılama elemanı) sahip iki dallı bir akım yolu düzenlenebilir.

Uzun süreli küçük akım bekliyorsanız (dijital örnekleme ayrıntı düzeyini bozar), bu da düzeltilebilir. DC akım sinyaline küçük bir DC-artı-beyaz-gürültü kaynağı ekleyin, kesirli-bit akım miktarı (istatistiksel olarak) büyük zamanlarda doğru dijital birikime neden olur. Renk taklidi olan ADC şek. 5a Eklenen sinyalin DC kısmı kalibre edilmelidir. Yalancı gürültü kaynakları bu tür “renk taklidi” için kullanışlıdır.

Bir kayıtta sayısallaştırma ve birikim (tıpkı Kill-a-watt gibi) kolayca bulunabilen bileşenlerle çalışabilir ve bazı hileler yanlış ölçüm potansiyelini geliştirir.

Çabuk ve kirli: SUPERCAPACITORS! (Ayrıca ultrakapasitörde arama yapın.) Sisteminize güç verecekler ve entegre akımı zamanla voltaj düşmesi olarak göstereceklerdir.

Hangi işlemci Vdd ve / veya akü voltajını düşünüyordunuz? Bir kapasitör doğal olarak akımı entegre eder ve bir pil kaynağı yerine birkaç farads süper kapasitör kullanırsanız, zaman içinde düşen voltajı ölçebilir ve uzun vadeli ortalama mikroamperleri kesin olarak belirleyebilirsiniz.

Tasarımınızın sabit bir Vdd'ye ihtiyacı varsa, testiniz devam ederken voltajın yalnızca yüzde XX düşmesine yetecek kadar büyük bir üst sınır değeri seçin. Ortalama akıma bağlı olarak, birkaç dolarlık kapasitörle kurtulabilirsiniz. Örneğin, birkaç voltta 4.7 farad, artı kataloglarda ortak bir üst sınırdır. (Sparkfun'da on kadar farad vardır ve maksimum boyutu Electronic Goldmine'ın 2.7V'de 3000 farad boostcaps'tır.) Daha yüksek voltaj limiti elde etmek için seri halinde istifleyin.

Geniş bir dinamik aralık bekliyorsanız, bir seçenek LOG114 gibi logaritmik bir trans-empedans amplifikatörü tarafından akan bir akım aynası kullanıyor olabilir . İyi ayarlanmış bir devre ile 6 yıldan fazla aralık elde edebilirsiniz. Entegrasyon mevcut aynadan sonra bir kondansatör ile ayarlanabilir.

Bu daha karmaşık bir çözümdür ve pil şarjı önemli ölçüde değiştiğinde yüksek akımdaki çözünürlük daha düşüktür. Doğruluk ve düz orantılı algılama karşılaştırması, düşük akımda harcadığınız zamanın kısma bağlı olacaktır.

Ayrıca, ADC çözünürlüğü ile sadece kaba kuvvet uygulayabilirsiniz. 24 bit veya 32 bit, 4 yıl boyunca sorunsuzca kapsayabilir.

Kaba ölçümleriniz için (belki +/-% 10 veya% 20).

Sadece bir direnç gücü ile seri olarak koyun ve bir kondansatör ile paralel olarak örnekleme hızınızın önemli verileri kaçırmaması için yeterince büyük zaman sabiti elde edin. Örneğin, 100Hz'de örnekleme yapıyorsanız, 0,2 saniyelik bir zaman sabiti seçebilirsiniz. Muhtemelen bir elektrolitik kondansatör olacaktır ve düşük empedanslı bir tip en iyisidir ve darbeler yaklaşık 10us'tan kısaysa 1uF-10uF seramik ile paralel hale getirebilirsiniz. Değer kritik değildir, sadece yeterince yüksek olmalıdır. Direnci, çalışmayı etkileyecek kadar çok voltaj düşmeyecek, ancak makul bir ölçüm alabileceğiniz kadar sinyal verecek şekilde seçin.

Amplifikatörlerin yükselme ve düşme zamanlarını veya bunlardan herhangi birini analiz etmeye gerek yoktur - direnç ve kapasitör işi yapar.

Akünün "sivri uçlu" darbeleriniz için düşük empedanslı bir kaynağa bağlı olan işlemin, akü gerçekten bitmeden önce başarısız olacağını aküye dikkat edin - aküyü bir kondansatör ile paralel hale getirmek (bazen büyük ölçüde) ömrünü uzatabilir - akü iç direnci tükendikçe artar.

Önerdiğim şey muhtemelen aşırı derecede ... Ama standart / ucuz çözümlerin yeterli dinamik aralığa sahip olmadığını fark ederseniz veya bu tür ölçümleri düzenli olarak yaparsanız, bu çok düzgün cihaza bakmak isteyebilirsiniz: RocketLogger .

ETH Zürih tarafından geliştirilmiş ve açık kaynaklıdır. Buna "Taşınabilir Ölçümler için Hassas Karışık Sinyal Veri Kaydedici" diyorlar. Beaglebone SBC'ye dayanan çok yüksek dinamik akım aralığına sahip taşınabilir bir akım ve gerilim kaydedici.

• 2 × 4 ila 500 mA arasında yüksek dinamik aralığa sahip 2 × Akım Kanalları
• 13 uV ile ± 5.5 V arasında değişen 4 × Gerilim Kanalları
• vb...

Feragatname: Cihazın içerik oluşturucularıyla ilişkili değilim.

Coulomb sayımı, depolanmış yükteki değişimin, en az 1 tekrarlanan döngünün ölçülen aralığı boyunca bilinen bir yük Q = CV'den voltaj düşmesi ile ölçülmesi suretiyle yapılabilir.

İlk olarak pil ömrü , gerekli toplam şarj ömrü enerjisinin seçilebilmesi için watt-saniye veya Joule cinsinden minimum olarak tanımlanmalıdır .

İkincisi, Coulomb sayma yöntemi , 1 saat gibi kısa aralıklarla bazı test yöntemleriyle yeterince doğru olmalıdır, eğer bu, tekrarlanan uyku döngüleri ve darbeli aktivite ortalama olabilir, böylece yazılım verimliliği enerji için optimize edilebilir.

Pil depolama ömrü olabilir veya örneğin olabilir; Ücretler arasında 1 yıl birincil veya 1 gün ikincil ancak belirtilmelidir.

Üçüncüsü , Coulomb'ları daha hızlı saymak için düşük sızıntılı bir başlık kullanabilir miyiz? 1 saat gibi?
Drenajın saat başına 20mA olması ve sadece 0.1V düşmesi beklenirse hangi C değeri gerekir? C = Ic * dt / dV = 20mA * 3600s / 0.1V = 700 Farads

Mümkünse, 3V CR123A pil gibi bu kapasitans aralığına sahip bir parça seçin, ardından coulomb sayma yöntemini doğrulayın ve voltajı izleyin.

Alternatif olarak, akımı algılar ve tasarımdan ayrı olarak Coulomb'ları doğru saymak için mevcut içeriği kullanın.

Sorunuzun bir saatlik kısmı bunu biraz zorlaştırıyor - ancak cihazınız döngüsel bir şey yapıyorsa aslında buna ihtiyacınız yoktur (çoğu yerleşik öğenin yaptığı gibi).

Yani sadece ne satın alabileceğinizi göstermek için aşırıya kaçmaya gidelim. Keysight CX3300 200 MHz analog bant genişliği ve 1 GSa / s kadar olan akım dalga şekillerini örneklemek sağlayacaktır. 256 MSa bellek ile birleştiğinde, bir saatten uzun süre bile iyi örnekleme oranları elde edebilirsiniz. Fiyat elbette 33.000 $ 'dan başlayarak biraz yüksek ve problar 4.800 $' dan başlıyor.

Genellikle gittiğim biraz daha ucuz bir yol osiloskopumu N2820A gibi bir akım probuyla kullanıyor - bu sizi 4.200 dolara geri döndürecek ve oldukça analog bant genişliği (3 MHz'e kadar) alamıyorsunuz ama bunu buluyorum gerçekten kullanışlı. Bu size düşük akım ölçümü ve yüksek akım ölçümü olan bir kanal verecektir, bu nedenle analiz biraz manuel hesaplama gerektirir.

Yukarıda belirtilen Keysight ürünleri gibi bir şey için farklı üreticilerin benzer teklifleri olduğundan eminim.

Osiloskopum büyük miktarda bellekle gelmediğinden, genellikle yaptığım şey aktivitenin bir döngüsünü ölçmek ve oradan hesaplamaktır - cihazlarımızın uzun döngüleri yoktur, bu yüzden oldukça iyi çalışır.

Otomatik Wh hesaplamasıyla uzun süre ölçüm yapmam gerekirse , düşük akımlarda bile harika bir iş yapan güvenilir Gossen Metrahit Enerjimi kullanıyorum . Ancak veri kaydı çok değişken akımlar için uygun değildir, çünkü örnekleme hızı o kadar büyük değildir.

Bazı pahalı ekipmanlarla övünürken lütfen bu cevabı yanlış anlamayın, bu, gereksinimleri karşılayabilecek profesyonel test ekipmanlarının olduğunu gösteren bir işarettir - diğer cevapların çoğu kendi başınıza yapmaya odaklanır (bu da soruna neden olabilir) sadece kendiniz için mutlu testler yapmıyorsanız).

Hiçbir şekilde Keysight veya Gossen'e bağlı değilim, sadece ürünlerinin mutlu bir kullanıcısıyım.

@ Marcusmuller'ın mükemmel cevabını alın ve çıktıyı bir entegratör içine besleyin. Başlamadan önce kapağı sıfırlayın ve biriken mAh veya uAh'yi DC voltaj olarak ölçün.

Entegratör kondansatör seçiminizi denemeniz gerekebilir; bazı kapasitör tasarımları ıslatma için kötüdür veya doğru bir şekilde sıfırlanmasını önleyen iç dirence sahiptir.

Bir multimetreyi seri olarak yerleştirebilirim, ancak veri kaydı olsa bile, bu belirli bir aralıktadır ve enterpolasyon yapmak zorunda kaldım ve aralıktan daha küçük varyasyonları tamamen kaçırabilirdim.

Böylece, ortalama değeri makul bir düşük frekansta kaydetmek için ölçüm zincirinize düşük geçişli bir filtre koyabilirsiniz:

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

Daha kısa süreler (saniye) için, osiloskopa bağlı μCurrent gibi bir cihaz kullanabilirsiniz .

Tepe akımınız nispeten önemsizse (örneğin, çok kısa veya mikrokontrolörünüzün tepe akımı gibi az ya da çok sabit ve bilinen bir değerin baskın olması nedeniyle), voltaj düşüşünü sınırlamak için paralel diyotlu bir şönt direnci kullanabilirsiniz. 100Ω şönt ve paralel bir SI-diyot ile ~ 7mA'ya kadar ölçüm yapabilir ve onlarca μA'da doğruluk elde edebilirsiniz.

Bence pil kullanma fikriniz en iyi yaklaşım olabilir, ama bunun neden zor veya pahalı olduğunu söylemediğinizden emin değilim? Eminim, satın alabileceğiniz A-Hr metre vardır, ancak ilgilendiğiniz kısa akım aralıklarını doğru bir şekilde ölçmeyebilirler. Başka bir yaklaşım, bir osiloskopa bağlı bir akım probu olabilir. Bu muhtemelen akımı amplitüd ve zaman açısından karakterize etmenin en doğru yolu olacaktır, ancak mevcut dalga formunuz periyodik değilse A-Hrs vermeyecektir.

Bu sorunu uzun zaman önce lityum pillerle çalışmak zorunda kaldım. Cihaz dakikada bir kez çok az bir süre uyandı. Akü üzerindeki voltajı örnekleyebilirim. Bu durumda lityum pillerle ilgili sorun, deşarj döngülerinde çok ani bir 'diz' olması ve o noktaya geldiklerinde zamanınız doldu ve bu küçük bir değer aralığı.

Aslında bir mantık / analog analizörü (Saleae Logic 8) aldım ve bir µCurrent Gold'a bağladım ve tüm akım grafiğini ve akü voltajını tamamen şarjdan deşarj olana kadar ölçtüm. Değerleri yoklamak ve depolamak için geliştirme arayüzüne bağlanan bir python betiği çalıştırabilirsiniz. Bu bir TON veri oluşturur ve genellikle Excel'de kolayca manipüle edilemez, ancak en azından o anda hangi anlık akımın olduğunu görmek için en azından bir miktar zaman açabilirsiniz.

İşte yaptığım şeye benzeyen bazı pil ömrü doğrulamasından bir ekran görüntüsü:

Sarı sinyal akımdır (V, A'ya çevirir). Pil tepkisini görebilirsiniz (bu durumda pilin Mantık 8'in maksimum 5V değerinin üzerinde olduğu görülüyor) Sonra, en önemlisi, güç raylarının açıldığını ve sonra ölçümler için kapatıldığını görebilirsiniz (CAT üzerinden veri gönderiyordum) -M bulut sunucularımıza). Durumunuz için, görev döngünüzün çok daha küçük olması nedeniyle muhtemelen çok heyecan verici şeyler görmeyeceksiniz (burada hızlandırılmış pil testi yapıyordum, bu yüzden bu kadar sıktı)

Kurulumumun nasıl göründüğünü görmek istiyorsanız, yakın zamanda yukarıdaki yakalamayı üreten dişliyle nasıl ölçüm alacağımıza dair bir makale yazdım .

GPIB kontrollü osiloskop veya farklı marka datalogger ile benzer bir şey yapabilirsiniz. Sadece elimde olanı kullandım.

Genişletilmiş yakalamalar için, bunların mantık analizörleri için Saleae programlama referansına da bakabilirsiniz . Ayrıca bu yakalamayı burada oluşturmak için kullandığım kodun bir özetini de oluşturdum .

Tüm bu cevaplar ve sadece @wbeaty açık olandan bahsetti. Akımı zamanla bütünleştiren bir cihaz mı? I = C dV / dt ne olacak?

Akım tüketimi yeterince düşükse, birkaç kapasitör fazlasıyla yeterli olabilir, ancak daha yüksek akımlar için bir süper kapasitör gerekecektir. Kapasitörleri makul bir sürede makul bir düşüş elde etmek için ayarlamak. Aşağıdaki gibi bir devre hile yapar.

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

Kapasitif bölücü, düğümden akımın çıkmasını önlemek için oradadır. Başlangıç ​​koşulunu belirlemek için çevre pimi aracılığıyla uC beslemesine önceden şarj edilebilir ve daha sonra deşarj oranını okumak için periyodik olarak ölçülebilir. Bu devre ile ilgili bir problem, çıkış voltajının değişmesi ve değişken yük anlamına gelmesidir.

Bu problemden kaçınmak ve makul boyutta bileşenlere sahip ayarlanabilir çok amaçlı bir devre için, aşağıdaki kavramsal şema gibi aktif bir kapasitans çarpanı kullanılabilir. Bilinen yüklerle bazı kalibrasyonlar ve ısmarlama bir tüketim sayacınız var.

^{bu devreyi simüle et}