Zmierz szeroki zakres prądu 800 µA - 1,5 A.

Mam trudności z pomiarem prądu w wytwarzanym przeze mnie urządzeniu IoT. Muszę być w stanie zebrać dane o zużyciu energii w czasie oraz o aktualnym trybie uśpienia. Próbowałem użyć rezystora bocznikowego do zebrania bieżących danych, ale najpierw mam problem z Georgem Ohmem i wszystkimi jego prawami.

W trybie uśpienia moje urządzenie powinno zużywać około 800 µA prądu, mój niezbyt dokładny zasilacz mówi, że generuje około 2 mA, więc może mam trochę więcej kodu do zrobienia. Jednak w trybie uśpienia w pozornie przypadkowych odstępach modem ponownie się na chwilę włączy i nada (standardowe zachowanie modemu głębokiego uśpienia). Ta seria transmisji może wynosić do około 1,5 A.

W każdym razie mam problem z użyciem rezystora bocznikowego, ponieważ spadek napięcia, który pozwala mi zobaczyć jakiekolwiek znaczące dane dotyczące prądu snu, spada tak dużo napięcia podczas impulsu transmisyjnego, że moje urządzenie uruchamia się ponownie.

Czy ktoś mógłby polecić sposób pomiaru prądu o tak dużym zakresie prądu?

Specyfikacja urządzenia:

• Prąd w trybie uśpienia: 600 µA - 3 mA
• Natężenie prądu: 27-80 mA
• Przesyłanie impulsów: do 1,5 A.
• Napięcie: 2,6 V - 4,2 V.
• Prąd ładowania: 400 mA

Jakiej dokładności potrzebujesz? Jeśli potrzebujesz tylko oszacowania, wówczas szeregowa dioda krzemowa da ci mniej więcej logarytmiczne wskazanie w szerokim zakresie prądów.

Główny problem z diodą, zmiany spadku napięcia w zależności od temperatury, można znacznie złagodzić, uruchamiając drugą diodę w tej samej temperaturze z prądem odniesienia. Dwie diody w mostku prostowniczym byłyby połączone termicznie i idealnie do tego celu, zaznaczyłem połączenia na schemacie, most + ve pozostaje nieużywany. Ponieważ twoje obciążenie ma bardzo małą moc, a wysokie prądy są tylko krótkimi impulsami, nawet dwie pojedyncze diody połączone razem powinny być w porządku. Na przykład 1N540x jest dobry dla ciągłego 3 A i nadal będzie wykazywał znaczący spadek do przodu przy 100 µA.

Ma tę zaletę, że napięcie obciążenia zmienia się bardzo niewiele, być może kilkaset mV między 500 µA a 1,5 A, znacznie mniej niż przy boczniku rezystancyjnym, który mierzy mA.

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

Zastąpienie R1 odbiornikiem prądu sprawiłoby, że prąd odniesienia byłby dokładniejszy, ale (napięcie zasilania - 0,7 V) / R1 jest prawdopodobnie wystarczające do większości celów. Idealnie byłoby, gdyby prąd odniesienia był w środku zakresu, który chcesz najlepiej zmierzyć. Gdzieś w zakresie od 1 do 10 mA jest dobrze.

Odczyt woltomierza będzie proporcjonalny do logarytmu stosunku obciążenia do prądu odniesienia. Impedancja wyjściowa z diod jest bardzo niska, więc zwiększenie różnicy za pomocą opampa, być może w celu skalowania lub odniesienia do masy, będzie proste.

Będziesz musiał skalibrować konwersję pomiaru dla wysokich i niskich prądów, aby ustalić prawo logarytmiczne i dobrze byłoby sprawdzić to w kilku punktach pomiędzy nimi. Pamiętaj, że kalibracja przy wysokim prądzie rozgrzeje diodę obciążenia, więc może być konieczne użycie krótkich impulsów, tak krótkich jak impulsy transmisyjne, aby zminimalizować błędy dryfu termicznego.

Rozszerzeniem odpowiedzi Neil_UK, jeśli potrzebujesz przyzwoitej dokładności prądu spania, ale nie zależy ci na pomiarze wysokiego prądu tym samym obwodem, jest równoległe ustawienie diody i rezystora:

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

W ten sposób, gdy prąd jest niski, napięcie na rezystorze będzie ładnie proporcjonalne i będzie na tyle niskie, że dioda będzie skutecznie wyłączona, więc nie będzie zbytnio odprowadzać prądu z rezystora (choć sprawdź specyfikacje twojej diody).

Gdy prąd jest wysoki, dioda przewodzi i ogranicza spadek napięcia do pewnej rozsądnej wartości. Jeśli chcesz również zmierzyć prąd w tym momencie, możesz dodać kolejny bocznik w szeregu, tak (pomysł dzięki uprzejmości @dim):

^{zasymuluj ten obwód}

Opisujesz to jako szeroki zakres. To naprawdę nie jest.

Twoje maksimum 1,5A to 1875 razy więcej niż minimum 800uA. 16-bitowy ADC ma zakres 65535 bitów. Jeśli ustawisz maksymalny limit 5A i pozwolisz, aby prąd był dodatni lub ujemny, daje to rozdzielczość 153uA na bit. Jeśli prąd nie zmienia się zbyt szybko, możesz jeszcze bardziej poprawić rozdzielczość dzięki oversamplingowi - na przykład 16-krotny oversampling obniżyłby to do 38uA na bit. Więc nie ma problemów z wykonaniem pomiaru.

Twoim problemem jest po prostu spadek napięcia na rezystorze bocznikowym. Pan Ohm ma na to odpowiedź - zmniejsz rezystor bocznikowy! Możesz łatwo kupić rezystor 0,1 oma, a nawet 0,01 oma. (Google „0R1” lub „0R01”, które są standardowymi sposobami oznaczania ułamków omu).

Problem po tym polega na tym, jak zmierzyć napięcie na boczniku. Będziesz potrzebował wzmacniacza różnicowego o bardzo wysokiej impedancji wejściowej, aby móc mierzyć napięcie bez wpływu na to. Następnie chcesz na tym zyskać, aby móc zasilać ADC odpowiednim napięciem.

Niskie napięcia oznaczają więcej problemów z hałasem, dlatego należy zwracać uwagę na trasy tras i wszystkie inne elementy dotyczące najlepszych praktyk. Musisz również zwrócić należytą uwagę na stabilne zasilacze i referencje. Regulatory trybu przełączania nie są tutaj twoim przyjacielem. Nawet liniowy regulator po przełączeniu niekoniecznie ma wystarczającą PSRR, aby właściwie zabić tętnienie.

Etapy wzmocnienia nieuchronnie będą miały pewne przesunięcie DC. Musisz uwzględnić krok samokalibracji, w którym mierzysz odczyt ADC bez prądu, a następnie odejmujesz ten odczyt zerowy, kiedy faktycznie wykonujesz bieżące pomiary. Możesz to zrobić automatycznie podczas uruchamiania (wiele metrów „tyka” podczas uruchamiania, a to dlatego, że przełączają się między referencjami na pokładzie, aby wykonać tę autokalibrację) lub możesz to zrobić raz, a następnie zapisać wyniki w NVM.

Pamiętaj, że to krótka odpowiedź! Mam nadzieję, że daje to kilka wskazówek, jak rozwiązać ten problem.

Wiem, że to stare pytanie, ale informacje mogą być nadal przydatne.

Być może zechcesz sprawdzić niektóre koncepcje projektowe uCurrent autorstwa Dave'a Jonesa na EEVBlog. Chociaż nie ma automatycznego zakresu, obejmuje pomiary niższego poziomu; Również niektóre z modów na rynku zmniejszają liczbę zakresów, a jednocześnie pozostają dość dokładne.

Przy absolutnym minimum rozbijałem pomiary do zakresów poniżej 1A (faktycznie poniżej 400mA) i powyżej 1A (czyli 1,5A podczas nadawania).

Bez większej ilości informacji (co, jak przyznam, może być niemożliwe przy tak dalekim usunięciu pierwotnego pytania) trudno jest podać szczegóły, ale zobaczę, co da się zrobić.

O ile nie używasz monolitycznego urządzenia mcu / urządzenia nadawczo-odbiorczego (nrf5x, STBlue itp.), Traktowałbym ścieżkę zasilania radiowego w taki sam sposób, jak trasowałby się cyfrowe ścieżki prądu, aby uniknąć wpływu na prąd analogowy. Jeśli używasz monolitycznego urządzenia dużej mocy, jedynym prawdziwym rozwiązaniem, jakie widzę, jest użycie bardzo małego rezystora sensownego w połączeniu ze wzmacniaczem / modułem prądowym o bardzo szerokim zakresie wejściowym. Wiem, że ADI ma parę (właściwie wczoraj tylko patrzyłem na obecne wzmacniacze / moduły sensowne), które mogą działać. A gdybym musiał zgadywać, TI ma również urządzenia, które by działały.

Innym źródłem informacji byłby blog Jean-Claude'a Wipplera na JEELabs . Przez lata (Wygląda na to, że około 10+) przeprowadził więcej niż jeden eksperyment na bieżącym losowaniu, szukając dłuższej żywotności baterii. Chociaż może nie być bezpośrednio w punkcie, może dać OP pomysły, w którym kierunku pójść. To jest najnowszy artykuł na ten temat. Aby zobaczyć długą listę i historię jego pracy, skorzystałem z prostego wyszukiwania w Google

site:jeelabs.org current measurement

Właśnie odkryłem CurrentRanger , który przenosi koncepcję uCurrent (pomiary prądu o niskim obciążeniu) na zupełnie nowy poziom. Automatyczne ustawianie odległości, wyjście szeregowe i opcjonalny wyświetlacz OLED to tylko kilka nowych funkcji. Schemat i oprogramowanie układowe są dostępne, a Felix szczegółowo opisuje projekt.

Edycja: lepsze szczegóły tego, co myślałem, łącząc te strony.

Druga edycja: dodaj CurrentRanger. Jednym z zarzutów w komentarzach było to, że uCurrent nie był automatyczny.

Miałem problem z zakresem dynamicznym podczas testowania samochodowych przełączników napięcia. Dla oczekiwanych prądów wejściowych do 5 amperów zastosowałem bocznik 100 miliohmów.

Podczas testowania, czy prąd bez obciążenia pobierany z 24 V był mniejszy niż 7 mA, zastosowałem bocznik 10 Ω z diodą Schottky'ego 10 A. Kombinacja boczników pozostała w moim przyrządzie testowym. Przełączałem DVM między dwoma bocznikami za pomocą przełącznika suwakowego DPDT .

Było to w 1995 roku i liczby nie były duże. W dzisiejszych czasach można elektronicznie przełączać się w celu monitorowania napięć bocznikowych. W razie potrzeby możesz mieć więcej niż dwie połączone szeregowo boczniki. Kluczem do tego jest obejście bocznika wysokoprądowego o niskiej rezystancji za pomocą diody.

Jedną sztuczką, którą stosowałem w przeszłości, jest umieszczenie rezystora czujnikowego w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Pozwala to na utrzymanie stałego napięcia zasilania badanego urządzenia, jednocześnie umożliwiając wytworzenie wyższego napięcia na rezystorze bocznikowym.

W moim przypadku połączyłem to z kilkoma równoległymi wzmacniaczami instrumentalnymi i przetwornikami ADC, aby uzyskać szerszy zakres dynamiki.

Opisałem system, który zbudowałem w rozdziale 5 mojej pracy doktorskiej . Mój system nie będzie miał bezpośredniego zastosowania do twojej aplikacji, ale może dać pewne wyobrażenia o wyzwaniach, przed którymi stoi ten system.

Jakiś czas po opracowaniu mojego systemu do majsterkowania odkryłem, że Agilent (obecnie Keysight) opracował podobny system . Ale nie tanie.

Jako alternatywne podejście można zastosować mały bocznik, który pasuje do zakresu 1,5 A i ma dwa oddzielne obwody wzmocnienia zasilane do dwóch różnych ADC. Za pomocą oprogramowania możesz następnie wybrać, którego użyć na podstawie ich odczytu. Przy wyższym prądzie będziesz miał wyższy zysk ADC nasycony i będziesz wiedział, że musisz użyć drugiego.

Problemem jest integralność sygnału z redukcją EMI.

1,5 A / 0,75 mA oznacza 66 dB SNR i dokładność na ADC.

Szum tła musi być ekranowany, tłumiony, filtrowany z doskonałą CMRR i uśredniany, aby osiągnąć to przy dobrym 16-bitowym ADC.

Jeśli nie masz tej rozdzielczości, możesz mieć dwa różne wejścia z jednym o wyższym wzmocnieniu 40dB. Moc bocznika i dopuszczalne napięcie błędu regulacji obciążenia ogranicza rezystancję bocznika i zwykle wybiera się maks. 75 mV. Czujnik prądu IC ze wzmocnieniem może być emisją Moro.

Jak to osiągnąć, wymaga doświadczenia. Mamy nadzieję, że dzięki rozdzielczości <-90 dB i docelowej wartości docelowej SNR wynoszącej 80 dB, można osiągnąć SNR 70 dB.