Ukur berbagai arus 800 μA - 1.5 A

Saya mengalami kesulitan mengukur arus ke perangkat IOT yang saya buat. Saya harus dapat mengumpulkan data tentang konsumsi daya dari waktu ke waktu, dan tentang mode tidur saat ini. Saya mencoba menggunakan resistor shunt untuk mengumpulkan data saat ini, tetapi saya menjalankan kepala pertama ke masalah dengan Georg Ohm, dan semua hukumnya.

Dalam mode tidur, perangkat saya harus menggunakan sekitar 800 μA saat ini, PSU saya tidak begitu akurat mengatakan bahwa itu menghasilkan sekitar 2 mA, jadi mungkin saya memiliki sedikit lebih banyak pengkodean untuk dilakukan. Namun selama mode tidur, pada interval yang tampaknya acak modem akan hidup kembali untuk sesaat dan mengirimkan, (perilaku modem tidur nyenyak standar). Semburan transmisi ini bisa mencapai sekitar 1,5 A.

Lagi pula, saya mengalami masalah menggunakan resistor shunt karena penurunan tegangan yang memungkinkan saya untuk melihat data yang berarti tentang arus tidur, menjatuhkan begitu banyak tegangan selama ledakan pengiriman sehingga perangkat saya restart.

Adakah yang bisa merekomendasikan cara untuk mengukur arus dengan rentang arus yang begitu besar?

Spesifikasi perangkat:

• Mode tidur saat ini: 600 μA - 3 mA
• Saat ini: 27-80 mA
• Transmit burst: hingga 1,5 A
• Tegangan: 2.6 V - 4.2 V
• Mengisi daya saat ini: 400 mA

Berapa akurasi yang Anda butuhkan? Jika Anda hanya membutuhkan perkiraan, maka dioda silikon seri akan memberi Anda lebih atau kurang indikasi logaritmik pada berbagai arus.

Masalah utama dengan dioda, variasi penurunan tegangan dengan suhu, dapat dikurangi secara signifikan dengan menjalankan dioda kedua pada suhu yang sama dengan arus referensi. Dua dioda dalam jembatan penyearah akan digabungkan secara termal dan ideal untuk ini, saya telah menandai koneksi pada skema, jembatan + ve tetap tidak digunakan. Karena beban Anda sangat rendah daya dan arus tinggi hanya pulsa pendek, bahkan dua dioda yang direkatkan bersama harus OK. A 1N540x misalnya baik untuk 3 A kontinu dan masih akan memiliki penurunan maju yang signifikan pada 100 μA.

Ini memiliki keuntungan bahwa tegangan beban berubah sangat sedikit, mungkin beberapa ratus mV antara 500 μA dan 1,5 A, jauh lebih sedikit dibandingkan dengan shunt resistif yang akan mengukur mA.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Mengganti R1 dengan sink saat ini akan membuat referensi saat ini lebih akurat, tetapi (tegangan catu daya - 0,7 V) / R1 mungkin memadai untuk sebagian besar tujuan. Idealnya, arus referensi akan berada di tengah rentang yang ingin Anda ukur terbaik. Di suatu tempat dalam kisaran 1 hingga 10 mA terasa enak.

Pembacaan voltmeter akan sebanding dengan log rasio beban terhadap arus referensi. Impedansi keluaran dari dioda sangat rendah, jadi memperkuat perbedaan dengan opamp, mungkin untuk skala itu atau untuk ground-referensi itu, akan mudah.

Anda perlu mengkalibrasi konversi pengukuran pada arus tinggi dan rendah untuk menetapkan hukum log, dan akan lebih baik untuk memeriksanya di beberapa titik di antaranya. Ingat bahwa kalibrasi pada arus tinggi akan memanaskan dioda beban, jadi Anda mungkin perlu menggunakan pulsa pendek, sesingkat pulsa transmisi Anda, untuk meminimalkan kesalahan penyimpangan termal.

Perpanjangan untuk jawaban Neil_UK, jika Anda membutuhkan akurasi yang baik pada arus tidur tetapi tidak peduli tentang pengukuran arus tinggi dengan sirkuit yang sama, adalah meletakkan dioda dan resistor secara paralel:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Dengan cara ini, ketika arus rendah, tegangan melintasi resistor akan proporsional dengan baik, dan itu akan cukup rendah sehingga dioda dimatikan secara efektif, sehingga tidak terlalu banyak arus yang menjauh dari resistor (meskipun periksa spesifikasi pada dioda Anda).

Ketika arus tinggi, dioda melakukan dan membatasi penurunan tegangan ke beberapa nilai wajar. Jika Anda ingin mengukur arus saat ini juga, Anda dapat menambahkan rangkaian shunt lain, seperti itu (ide milik @dim):

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Anda menggambarkan ini sebagai rentang yang luas. Sebenarnya tidak.

Maksimum 1,5A Anda adalah 1875 kali minimum Anda 800uA. ADC 16-bit memiliki kisaran 65535 bit. Jika Anda menetapkan batas maksimum 5A, dan memungkinkan arus menjadi positif atau negatif, itu memberi Anda resolusi 153uA per bit. Jika arus tidak berubah terlalu cepat, Anda dapat meningkatkan resolusi lebih jauh dengan oversampling - misalnya, 16 kali oversampling akan menurunkannya menjadi 38uA per bit. Jadi tidak ada masalah melakukan pengukuran.

Masalah Anda hanyalah penurunan tegangan pada shunt resistor. Tn. Ohm memiliki jawabannya - buat resistor shunt Anda lebih kecil! Anda dapat dengan mudah membeli resistor 0,1 ohm, dan bahkan 0,01 ohm. (Google "0R1" atau "0R01", yang merupakan cara standar untuk menunjukkan pecahan ohm.)

Masalahnya setelah itu adalah bagaimana mengukur tegangan melintasi shunt. Anda akan memerlukan penguat diferensial dengan impedansi input yang sangat tinggi, sehingga Anda dapat mengukur tegangan tanpa memengaruhinya. Anda kemudian ingin memberi sedikit keuntungan, sehingga Anda dapat menggerakkan ADC dengan voltase yang sesuai.

Tegangan rendah berarti lebih banyak masalah kebisingan, jadi perhatikan untuk melacak rute dan semua hal tata letak praktik terbaik lainnya. Anda juga perlu memperhatikan pasokan dan referensi pasokan listrik yang stabil. Regulator pengalih mode bukan teman Anda di sini. Bahkan regulator linier setelah mode-sakelar tidak harus memiliki cukup PSRR untuk mematikan riak dengan benar.

Tahap gain pasti akan memiliki beberapa offset DC pada mereka. Anda harus memasukkan langkah kalibrasi sendiri di mana Anda mengukur pembacaan ADC tanpa arus dan kemudian kurangi pembacaan nol itu saat Anda benar-benar melakukan pengukuran saat ini. Anda dapat melakukan ini secara otomatis pada saat startup (banyak "tanda" ketika mereka mulai, dan itu karena mereka beralih di antara referensi onboard untuk melakukan kalibrasi otomatis) atau Anda dapat melakukannya sekali lalu menyimpan hasilnya di NVM.

Ingatlah bahwa ini adalah jawaban singkat ! Saya harap ini memberi Anda beberapa petunjuk tentang cara mengatasi masalah.

Saya tahu ini pertanyaan lama, tetapi informasinya mungkin masih berguna.

Anda mungkin ingin memeriksa beberapa konsep desain uCurrent oleh Dave Jones di EEVBlog. Meskipun tidak memiliki rentang otomatis itu tidak mencakup pengukuran tingkat yang lebih rendah; Juga beberapa mod di luar sana mengurangi jumlah rentang sambil tetap cukup akurat.

Minimal saya akan membagi pengukuran menjadi di bawah 1A (sebenarnya di bawah 400mA) dan di atas 1A (alias 1,5A selama pengiriman) berkisar.

Tanpa informasi lebih lanjut (yang saya akui mungkin tidak mungkin sejauh ini menghilangkan pertanyaan asli) sulit untuk memberikan spesifik, tetapi saya akan melihat apa yang bisa saya lakukan.

Kecuali jika Anda menggunakan perangkat mcu / transceiver monolitik (nrf5x, STBlue, dll.) Saya akan memperlakukan jalur pasokan radio dengan cara yang sama dengan yang akan merutekan jalur arus digital untuk menghindari memengaruhi arus analog Anda. Jika Anda menggunakan perangkat monolitik daya tinggi, satu-satunya solusi nyata yang saya lihat adalah menggunakan resistor indera yang sangat kecil dikombinasikan dengan penguat / modul indera saat ini yang memiliki rentang input input yang sangat luas. Saya tahu ADI memiliki pasangan (sebenarnya saya hanya melihat penguat rasa / modul kemarin) yang mungkin bekerja. Dan jika saya harus menebak, TI juga memiliki perangkat yang akan berfungsi.

Sumber informasi lain adalah blog Jean-Claude Wippler di JEELabs . Selama bertahun-tahun (Sepertinya sekitar 10+) ia telah melakukan lebih dari satu percobaan pada penarikan arus papan sementara mencari masa pakai baterai yang lebih lama. Meskipun mungkin tidak langsung pada poin, itu dapat memberikan ide-ide OP ke arah mana harus pergi. Ini adalah artikel terbaru yang saya lihat pada pokok bahasan. Untuk melihat daftar panjang dan riwayat karyanya, saya menggunakan pencarian google sederhana

site:jeelabs.org current measurement

Saya baru saja menemukan CurrentRanger , yang membawa konsep uCurrent (pengukuran arus beban rendah) ke tingkat yang sama sekali baru. Rentang otomatis, keluaran serial dan tampilan OLED opsional hanyalah beberapa fitur baru. Skema dan firmware tersedia dan Felix memberikan detail yang cukup banyak pada desain.

Sunting: detail yang lebih baik dari apa yang saya pikirkan dengan menghubungkan halaman-halaman itu.

Edit Kedua: Tambahkan CurrentRanger. Salah satu keluhan dalam komentar adalah bahwa uCurrent tidak berkisar otomatis.

Saya memiliki masalah jangkauan dinamis saat menguji dropper tegangan sakelar mode otomotif. Untuk arus input yang diharapkan hingga 5 ampere, saya menggunakan shunt 100 miliohm.

Saat menguji apakah arus tanpa beban yang diambil dari 24 V kurang dari 7 mA, saya menggunakan shunt 10 with dengan dioda Schottky 10 A. Kombinasi shunt tetap di test jig saya. Saya mengganti DVM saya di antara dua pirau dengan sakelar geser DPDT .

Ini pada 1995 dan jumlahnya tidak besar. Saat ini Anda dapat beralih secara elektronik untuk memantau voltase shunt. Anda dapat memiliki lebih dari dua seri shunt yang terhubung jika diperlukan. Kunci untuk ini adalah untuk memotong hambatan tinggi shunt arus rendah rendah dengan dioda.

Salah satu trik yang saya gunakan di masa lalu adalah dengan memasukkan resistor indra ke dalam loop umpan balik op-amp. Hal ini memungkinkan tegangan suplai ke perangkat yang diuji dipertahankan cukup konstan sementara memungkinkan tegangan yang lebih tinggi untuk dikembangkan pada resistor shunt.

Dalam kasus saya, saya menggabungkan ini dengan beberapa amplifier instrumentasi dan ADC yang berjalan secara paralel untuk mendapatkan rentang dinamis yang lebih luas.

Saya menggambarkan sistem yang saya bangun di bab 5 dari tesis PHD saya . Sistem saya tidak akan langsung berlaku untuk aplikasi Anda, tetapi mungkin memberikan beberapa gagasan tentang tantangan yang harus dihadapi dengan sistem seperti ini.

Beberapa waktu setelah saya mengembangkan sistem DIY saya, saya menemukan bahwa Agilent (sekarang Keysight) telah mengembangkan sistem serupa . Tidak murah sekalipun.

Sebagai pendekatan alternatif, Anda dapat menggunakan shunt kecil yang sesuai dengan rentang 1,5 A dan memiliki dua sirkuit penguatan terpisah yang diumpankan ke dua ADC yang berbeda. Dengan perangkat lunak Anda kemudian dapat memilih mana yang akan digunakan berdasarkan bacaan mereka. Dengan arus yang lebih tinggi Anda akan mendapatkan ADC yang lebih tinggi jenuh, dan Anda akan tahu bahwa Anda harus menggunakan yang lain.

Masalahnya adalah tentang integritas sinyal dengan reduksi EMI.

1.5A / 0.75mA berarti SNR 66 dB dan akurasi pada ADC.

Kebisingan latar belakang harus dilindungi, ditekan, disaring dengan CMRR yang sangat baik dan dirata-rata untuk mencapai ini dengan ADC 16 bit yang baik.

Jika Anda tidak memiliki resolusi ini maka Anda dapat memiliki dua input yang berbeda dengan yang memiliki gain 40dB lebih tinggi. Daya shunt dan voltase pengaturan kesalahan yang diizinkan membatasi tahanan shunt dan biasanya dipilih 75 mV maks. Sensor arus IC dengan penguatan mungkin merupakan Moro emend.

Cara mencapai ini membutuhkan pengalaman. Dengan resolusi <-90 dB dan target desain SNR 80 dB mudah-mudahan, Anda dapat mencapai SNR 70 dB.