Bagaimana mengukur jumlah arus yang kecil dan runcing?

Mari kita asumsikan saya memiliki mikrokontroler dengan sejumlah periferal yang terpasang dan ingin dapat membuat perkiraan yang wajar tentang usia baterai. Karena saya mungkin tidur kadang-kadang, dan berbagai periferal akan berada dalam keadaan yang berbeda, konsumsi saya saat ini mungkin bervariasi antara uA (dalam mode tidur) dan sekitar 10-an mA (ketika bangun).

Sekarang, saya bisa memasang baterai dan membiarkannya turun dan mengukur waktu, tetapi ini membuatnya menghabiskan waktu dan sulit (dan mungkin mahal) untuk membandingkan berbagai pendekatan, baik dalam firmware dan perangkat keras.

Saya dapat menempatkan multimeter dalam rangkaian, tetapi bahkan jika ia memiliki data logging, yaitu pada beberapa interval dan saya harus interpolasi, dan sepenuhnya bisa kehilangan variasi yang lebih kecil daripada interval. (Ditambah tegangan beban dan semua itu.)

Jika perangkat saya tidur cukup , arus terjaga menjadi agak diabaikan, tetapi itu mungkin memerlukan rasio waktu tidur 1000: 1 untuk waktu bangun, jadi itu tidak mungkin pada semua desain.

Apakah ada beberapa perangkat yang mengintegrasikan arus dari waktu ke waktu dalam jumlah yang sangat kecil (misalnya, bukan meteran keluaran Kill-a-watt)? Pada dasarnya saya tertarik untuk mengetahui bahwa "selama satu jam terakhir, 20mAh dikonsumsi". Poin bonus jika saya bisa mendapatkan pengukuran arus presisi pada waktu tertentu, untuk membandingkan konsumsi saat bangun dan tidur.

Yah, pasti ada IC penginderaan saat ini. Dalam kasus Anda, saya "akan" pergi dengan sesuatu seperti:

• Gunakan resistor seri kecil (misalnya 0,5 Ω) antara baterai dan elektronik Anda.
• Perkuat tegangan pada resistor itu dengan amplifier instrumentasi
• Catat tegangan itu, misalnya menggunakan ADC

Masalah:

1. arus rendah · resistansi rendah = tegangan rendah: Akurasi pengukuran Anda akan buruk karena kebisingan
2. karena mikrokontroler bangun sangat cepat dan tidur dengan cepat, kecepatan pengambilan sampel ADC Anda harus sangat tinggi.

Tetapi sebagai prinsip, itu bekerja, dan tentu saja layak (walaupun mendesain penguat instrumentasi yang stabil, rendah noise, amplifikasi tinggi mungkin nontrivial; tetapi: ada IC instr.amp yang ada yang membuat itu jauh lebih mudah).

Untungnya, masalah Anda agak umum. Jadi: Banyak, termasuk Texas Instruments, memiliki portofolio amplifier penginderaan saat ini, beberapa di antaranya mengintegrasikan kedua resistor shunt DAN antarmuka digital. Lihat daftar produk TI .

Faktanya, IC ini mampu mengukur tegangan arus dan suplai pada saat yang sama - dan itu bagus untuk benar-benar mengukur daya yang ditarik, ukuran yang jauh lebih relevan dengan usia baterai daripada arus yang ditarik mentah, jika ada elemen nonlinear (yaitu, misalnya, , MCU).

INA233, misalnya, dapat dihubungkan ke shunt eksternal (katakanlah, 0,3 Ω) dan memiliki resolusi 2,5 μV per langkah ADC. Itu berarti, langkah ADC tunggal adalah I = U / R = 2.5 μV / 0.3 Ω = 8.333 μA saat ini.

Saya pikir perangkat itu juga memiliki mode pengambilan sampel & rata-rata otomatis, sehingga Anda dapat dengan mudah mendapatkan perkiraan yang baik bahkan di bawah beban yang berubah dengan cepat.

Juga, seperti yang baru saja saya ketahui: benda itu memiliki tingkat "peringatan", sehingga Anda dapat membangunkan sistem pengukuran Anda setiap kali arus naik di atas ambang batas yang dapat dikonfigurasi. Bagus! Dengan begitu, Anda hanya perlu mengambil sampel sesekali.

Apakah ada beberapa perangkat yang mengintegrasikan arus dari waktu ke waktu dalam jumlah yang sangat kecil

Ya, ada beberapa; yang tertua adalah sel elektroplating (massa logam berlapis mewakili amp-jam) paten Edison , dan sel elektrolisis (akumulasi gas ke dalam tabung kapiler) telah digunakan baru-baru ini. Ini persis sama dengan menganalisis baterai setelah lama digunakan.

Saat ini, gunakan digitalisasi.

Jika Anda mengharapkan fluktuasi lebih cepat daripada laju sampling digital, itu bisa diperbaiki. Jalur arus dua cabang dapat diatur, dengan konduktansi frekuensi tinggi (kapasitor) yang memintas sensor arus, dan konduktansi paralel frekuensi rendah paralel (induktor dan elemen indera arus).

Jika Anda mengharapkan arus kecil berdurasi panjang (yang mengalahkan granularitas pengambilan sampel digital), itu juga dapat diperbaiki. Tambahkan sumber DC-plus-white-noise kecil ke sinyal arus DC, dan jumlah arus pecahan-bit akan menyebabkan (secara statistik) akumulasi digital yang benar pada waktu yang besar. ADC dengan gentar ara. 5a Namun, bagian DC dari sinyal yang ditambahkan harus dikalibrasi. Sumber kebisingan pseudorandom berguna untuk jenis 'dither'.

Digitalisasi dan akumulasi ke dalam register (seperti Kill-a-watt) dapat bekerja dengan komponen yang mudah didapat, dan beberapa tipu daya menjinakkan potensinya untuk pengukuran misme.

Cepat dan kotor: SUPERCAPACITORS! (Juga cari ultracapacitor.) Mereka akan memberi daya pada sistem Anda, dan menampilkan arus terintegrasi sebagai pelemahan tegangan seiring waktu.

Apa prosesor Vdd, dan / atau voltase baterai yang Anda renungkan? Kapasitor secara alami mengintegrasikan arus tentu saja, dan jika Anda menggunakan super-farad supercapacitor alih-alih pasokan baterai, Anda dapat mengukur jatuh tegangan dari waktu ke waktu, dan secara tepat menentukan rata-rata microamps jangka panjang.

Jika desain Anda membutuhkan Vdd konstan, pilih nilai supercap yang cukup besar sehingga voltase hanya turun XX persen saat pengujian Anda berjalan. Tergantung pada rata-rata arus, Anda mungkin dapat pergi dengan kapasitor beberapa dolar. Sebagai contoh, 4,7 farad pada beberapa volt adalah supercap umum dalam katalog surplus. (Sparkfun memiliki sekitar sepuluh farad, dan ukuran maksimum adalah boostcaps 3000-farad Electronic Goldmine di 2.7V.) Stack 'em in series untuk mendapatkan batas tegangan yang lebih tinggi.

Jika Anda mengharapkan rentang dinamis yang besar, sebuah opsi dapat menggunakan cermin arus yang dialirkan oleh amplifier trans-impedansi logaritmik seperti LOG114 . Anda dapat memperoleh jangkauan lebih dari 6 dekade dengan sirkuit yang baik. Integrasi dapat disesuaikan dengan kapasitor setelah cermin saat ini.

Ini adalah solusi yang lebih kompleks, dan resolusi pada arus tinggi, ketika muatan baterai berubah secara signifikan, lebih rendah. Akurasi vs lurus, penginderaan proporsional akan tergantung pada sebagian kecil dari waktu yang Anda habiskan pada arus rendah.

Juga, Anda bisa menggunakan brute-force dengan resolusi ADC. 24bit atau 32bit dapat mencakup 4 dekade tanpa masalah.

Untuk pengukuran kasar Anda (mungkin +/- 10% atau 20%).

Masukkan resistor secara seri dengan daya dan sejajarkan dengan kapasitor untuk menghasilkan konstanta waktu yang cukup besar sehingga laju sampel Anda tidak ketinggalan data signifikan. Misalnya, jika Anda mengambil sampel pada 100Hz, Anda dapat memilih konstanta waktu 0,2 detik. Mungkin itu akan menjadi kapasitor elektrolitik dan jenis impedansi rendah yang terbaik, dan Anda dapat memparalelkannya dengan keramik 1uF-10uF jika pulsa lebih pendek dari sekitar 10us. Nilainya tidak kritis, hanya saja harus cukup tinggi. Pilih resistor sehingga tidak menjatuhkan tegangan terlalu banyak sehingga mempengaruhi operasi namun menghasilkan sinyal yang cukup sehingga Anda bisa mendapatkan pengukuran yang masuk akal.

Tidak perlu menganalisis naik turunnya waktu amplifier atau hal-hal itu - resistor dan kapasitor akan melakukan pekerjaan.

Perlu diingat bahwa operasi yang tergantung pada baterai sebagai sumber impedans rendah untuk pulsa "spikey" Anda akan gagal sebelum baterai benar-benar habis - sejajar dengan baterai dengan kapasitor dapat (kadang-kadang sangat) memperpanjang umur - ketahanan internal baterai meningkat saat menjadi habis.

Apa yang saya usulkan mungkin berlebihan ... Tetapi jika Anda menemukan bahwa solusi standar / murah tidak memiliki rentang dinamis yang memadai, atau jika Anda melakukan pengukuran semacam ini secara teratur, Anda mungkin ingin melihat perangkat yang sangat rapi ini: RocketLogger .

Ini dikembangkan dan bersumber terbuka oleh ETH Zurich. Mereka menyebutnya "Pencatat Data Sinyal Campuran Presisi untuk Pengukuran Portabel". Ini adalah logger arus dan tegangan portabel dengan rentang arus dinamis yang sangat tinggi, berdasarkan Beaglebone SBC.

• 2 × Saluran Saat Ini dengan rentang dinamis tinggi dari 4 nA hingga ± 500 mA
• 4 × Tegangan Saluran berukuran dari 13 uV hingga ± 5,5 V
• dll ...

Penafian: Saya tidak terkait dengan pencipta perangkat.

Penghitungan Coulomb dapat dilakukan dengan mengukur perubahan dalam muatan yang disimpan oleh penurunan tegangan dari muatan yang diketahui Q = CV selama interval yang diukur setidaknya 1 siklus berulang.

Pertama pakai baterai harus ditentukan dalam hal minimum dalam satuan watt-detik atau Joule sehingga total energi masa pakai yang dibutuhkan dapat dipilih.

Kedua, metode penghitungan Coulomb harus cukup akurat dengan beberapa metode pengujian dalam interval pendek seperti 1 jam atau lebih jika ini dapat secara rata-rata mengulangi siklus tidur dan aktivitas berdenyut sehingga efisiensi perangkat lunak dapat dioptimalkan untuk energi.

Masa penyimpanan baterai mungkin atau bisa jadi misalnya; 1 tahun primer atau sekunder 1 hari di antara biaya tetapi harus ditentukan.

Ketiga , Bisakah kita menggunakan tutup kebocoran rendah untuk menghitung Coulomb lebih cepat? Seperti dalam 1 jam?
Jika saluran diharapkan 20mA per jam rata-rata dan turun hanya 0,1V nilai C apa yang dibutuhkan? C = Ic * dt / dV = 20mA * 3600s / 0.1V = 700 Farads

Jika mungkin pilih bagian dengan kisaran kapasitansi ini seperti baterai 3V CR123A kemudian verifikasi metode penghitungan coulomb dan monitor tegangan.

Sebagai alternatif, rasakan arus dan gunakan konten saat ini untuk menghitung Coulomb yang akurat secara terpisah dari desain.

Bagian satu jam dari pertanyaan Anda membuat ini sedikit sulit - tetapi mungkin Anda tidak benar-benar membutuhkannya jika perangkat Anda melakukan sesuatu yang bersifat siklik (seperti kebanyakan hal yang disematkan).

Jadi mari kita lakukan overkill sepenuhnya hanya untuk menunjukkan apa yang bisa kamu beli. The Keysight CX3300 akan memungkinkan Anda untuk sampel bentuk gelombang arus sampai dengan 200 MHz analog bandwidth dan 1 GSA / s. Dikombinasikan dengan 256 MSa memori, Anda bisa mendapatkan laju sampel yang layak bahkan lebih dari satu jam. Harga tentu saja agak tinggi mulai dari $ 33.000 dan probe mulai dari $ 4.800.

Sedikit jalan yang lebih murah yang biasanya saya gunakan menggunakan osiloskop saya dengan probe saat ini seperti N2820A - ini akan membuat Anda kembali sekitar $ 4.200 dan Anda tidak mendapatkan cukup bandwidth analog (hingga 3 MHz) tapi saya menemukan ini benar-benar dapat digunakan. Ini akan memberi Anda saluran dengan pengukuran arus rendah dan saluran dengan pengukuran arus tinggi, sehingga analisisnya memerlukan sedikit perhitungan manual.

Saya yakin ada penawaran serupa dari produsen yang berbeda untuk sesuatu seperti produk Keysight yang disebutkan di atas.

Karena osiloskop saya tidak disertai dengan sejumlah besar memori yang biasa saya lakukan adalah mengukur satu siklus kegiatan dan menghitung dari sana - perangkat kami tidak memiliki siklus yang panjang, sehingga berfungsi dengan cukup baik.

Jika saya perlu melakukan pengukuran waktu yang lama dengan perhitungan Wh otomatis, saya menggunakan Gossen Metrahit Energy saya yang tepercaya , yang melakukan pekerjaan besar bahkan dengan arus rendah. Tetapi datalogging tidak cocok untuk arus yang sangat bervariasi karena laju sampel tidak terlalu bagus.

Tolong jangan salah paham jawaban ini karena saya membual tentang beberapa peralatan mahal, itu adalah petunjuk bahwa ada peralatan pengujian profesional di luar sana yang dapat menangani persyaratan - karena sebagian besar jawaban lain fokus melakukannya sendiri (yang dapat menyebabkan masalah jika Anda tidak hanya melakukan tes bahagia untuk Anda sendiri).

Saya tidak berafiliasi dengan Keysight atau Gossen dengan cara apa pun, saya hanya pengguna yang senang dengan produk mereka.

Ambil jawaban luar biasa @ marcusmuller dan masukkan hasilnya ke integrator. kosongkan tutupnya sebelum Anda mulai, dan ukur akumulasi mAh atau uAh sebagai tegangan DC.

Anda mungkin harus bereksperimen dengan pemilihan kapasitor integrator Anda; beberapa desain kapasitor buruk untuk rendam atau memiliki resistansi internal yang mencegah mereka dari zeroing dengan benar.

Saya dapat menempatkan multimeter dalam rangkaian, tetapi bahkan jika ia memiliki data logging, yaitu pada beberapa interval dan saya harus interpolasi, dan sepenuhnya bisa kehilangan variasi yang lebih kecil daripada interval.

Jadi, Anda dapat menempatkan filter low-pass dalam rantai pengukuran Anda untuk mencatat nilai rata-rata pada frekuensi yang cukup rendah:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Untuk durasi yang lebih singkat (detik) Anda dapat menggunakan perangkat seperti μCurrent yang terhubung ke osiloskop.

Jika arus puncak Anda relatif tidak penting (misalnya karena sangat pendek atau karena didominasi oleh nilai yang lebih atau kurang tetap dan dikenal seperti arus puncak mikrokontroler Anda), Anda dapat menggunakan resistor shunt dengan dioda secara paralel untuk membatasi penurunan tegangan. Dengan shunt 100Ω dan SI-diode secara paralel, Anda dapat mengukur hingga ~ 7mA dan mencapai akurasi dalam puluhan μA.

Saya pikir ide Anda menggunakan baterai mungkin merupakan pendekatan terbaik, tetapi saya tidak yakin mengapa Anda mengatakan itu sulit atau mahal? Saya yakin ada meter A-Hr yang dapat Anda beli tetapi mereka mungkin tidak mengukur secara akurat interval pendek dari arus yang Anda minati. Pendekatan lain adalah penyelidikan arus yang terhubung ke osiloskop. Ini mungkin akan menjadi cara yang paling akurat untuk mengkarakterisasi arus dalam hal amplitudo dan waktu tetapi tidak akan memberikan A-Hrs kecuali bentuk gelombang Anda saat ini adalah periodik.

Saya harus mengatasi masalah ini sejak lama dengan baterai lithium. Perangkat terbangun untuk waktu yang sangat kecil, sekali per menit. Saya bisa mencicipi tegangan di baterai. Masalah dengan baterai lithium dalam situasi ini adalah bahwa mereka memiliki 'lutut' yang sangat tiba-tiba dalam siklus debit mereka dan ketika mereka mencapai titik itu, Anda hampir kehabisan waktu, dan itu kisaran nilai yang kecil.

Saya benar-benar telah mengambil penganalisis logika / analog (Saleae Logic 8) dan menghubungkannya ke µCurrent Gold dan mengukur seluruh plot arus dan tegangan baterai dari yang terisi penuh hingga habis. Anda cukup menjalankan skrip python yang terhubung ke antarmuka pengembangan untuk mengumpulkan dan menyimpan nilai. Ini memang membuat TON data dan seringkali tidak dapat dengan mudah dimanipulasi dalam Excel tetapi Anda setidaknya bisa membuka sepotong waktu untuk melihat arus seketika apa pada waktu tertentu.

Berikut screenshot dari validasi masa pakai baterai yang saya lakukan yang mirip dengan yang Anda cari:

Sinyal kuning adalah arus (V menerjemahkan ke A). Anda dapat melihat respons baterai (baterai berada di atas maks 5V dari Logic 8 dalam kasus ini) Kemudian, yang paling penting, Anda dapat melihat rel daya menyala dan kemudian mati untuk pengukuran (saya sebenarnya mengirim data melalui CAT -Saya ke server cloud kami). Untuk kasus Anda, Anda mungkin tidak akan melihat hal-hal yang menarik karena fakta bahwa siklus tugas Anda jauh lebih kecil (saya melakukan beberapa pengujian baterai dipercepat di sini karena itu sangat sering terjadi)

Jika Anda ingin melihat seperti apa setup saya, saya menulis sebuah artikel baru-baru ini tentang bagaimana melakukan pengukuran dengan gear yang saya miliki yang menghasilkan tangkapan di atas.

Anda mungkin dapat melakukan sesuatu yang mirip dengan osiloskop terkontrol GPIB atau datalogger merek yang berbeda. Saya hanya senang menggunakan apa yang ada di tangan saya.

Untuk tangkapan lebih lama, Anda juga dapat memeriksa referensi pemrograman Saleae untuk penganalisis logikanya. Saya juga membuat inti dari kode yang saya gunakan untuk membuat tangkapan juga di sini.

Semua jawaban ini dan hanya @wbeaty yang menyebutkan yang jelas. Perangkat yang mengintegrasikan arus dengan waktu? Bagaimana dengan I = C dV / dt?

Jika konsumsi saat ini cukup rendah, beberapa kapasitor mungkin lebih dari cukup tetapi kapasitor super akan diperlukan untuk arus yang lebih tinggi. Menyesuaikan kapasitor untuk mendapatkan penurunan yang wajar dalam jumlah waktu yang wajar. Sirkuit seperti di bawah ini akan melakukan trik.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Pembagi kapasitif ada untuk menghindari menghilangkan arus dari node. Hal ini dapat diisi ulang ke suplai UC melalui pin periferal untuk menetapkan kondisi awal, dan kemudian secara berkala diukur untuk membaca tingkat debit. Satu masalah dengan rangkaian ini adalah bahwa tegangan keluaran akan berubah, yang bisa berarti beban variabel.

Untuk menghindari masalah ini, dan untuk rangkaian serbaguna yang dapat disesuaikan dengan komponen ukuran yang masuk akal, pengganda kapasitansi aktif dapat digunakan sebagai gantinya, seperti skema konseptual di bawah ini. Beberapa kalibrasi dengan muatan yang diketahui, dan Anda memiliki pengukur konsumsi khusus.

^{mensimulasikan rangkaian ini}