Làm thế nào để đo lượng nhỏ, nhọn của dòng điện?

Giả sử tôi có một bộ vi điều khiển với một số lượng thiết bị ngoại vi kèm theo và muốn có thể ước tính thời lượng pin hợp lý. Bởi vì đôi khi tôi có thể ngủ và các thiết bị ngoại vi khác nhau sẽ ở các trạng thái khác nhau, mức tiêu thụ hiện tại của tôi có thể khác nhau giữa uA (ở chế độ ngủ) và khoảng 10 giây mA (khi thức).

Bây giờ, tôi có thể gắn pin và để pin cạn kiệt và đo thời gian, nhưng điều này làm cho nó vừa tốn thời gian vừa khó (và có thể tốn kém) để so sánh các phương pháp khác nhau, cả về phần sụn và phần cứng.

Tôi có thể đặt một vạn năng theo chuỗi, nhưng ngay cả khi nó có ghi dữ liệu, đó là một khoảng thời gian và tôi phải nội suy, và hoàn toàn có thể bỏ lỡ các biến thể nhỏ hơn khoảng. (Cộng với điện áp gánh nặng và tất cả những thứ đó.)

Nếu thiết bị của tôi ngủ đủ , dòng điện thức sẽ trở nên không đáng kể, nhưng điều đó có thể yêu cầu tỷ lệ 1000: 1 thời gian ngủ để thức thời gian, do đó không có khả năng trên tất cả các thiết kế.

Có một số thiết bị tích hợp dòng điện theo thời gian với số lượng rất nhỏ (ví dụ, không phải là đồng hồ đo ổ cắm Kill-a-watt)? Về cơ bản, tôi rất muốn biết rằng "trong hơn một giờ qua, 20mAh đã được tiêu thụ". Điểm thưởng nếu tôi có thể có được các phép đo hiện tại chính xác tại bất kỳ thời điểm nào, để so sánh mức tiêu thụ hiện tại của thức và ngủ.

Vâng, chắc chắn có IC cảm biến hiện tại cụ thể. Trong trường hợp của bạn, tôi "đơn giản" đi với một cái gì đó như:

• Sử dụng điện trở nối tiếp nhỏ (ví dụ 0,5) giữa pin và thiết bị điện tử của bạn.
• Khuếch đại điện áp trên điện trở đó bằng bộ khuếch đại thiết bị
• Đăng nhập điện áp đó, ví dụ sử dụng ADC

Các vấn đề:

1. dòng điện thấp · điện trở thấp = điện áp thấp: Độ chính xác đo của bạn sẽ kém do nhiễu
2. do vi điều khiển thức dậy rất nhanh và đi ngủ nhanh như nhau, tốc độ lấy mẫu ADC của bạn nhất thiết phải rất cao.

Nhưng theo nguyên tắc, nó hoạt động và chắc chắn là khả thi (mặc dù việc thiết kế một bộ khuếch đại thiết bị có độ khuếch đại cao, độ ồn thấp, ổn định có thể không cần thiết; nhưng: có IC IC.amp hiện có giúp việc đó dễ dàng hơn rất nhiều).

May mắn thay, vấn đề của bạn là khá phổ biến. Vì vậy: Nhiều người, bao gồm cả Texas Cụ, có một danh mục các bộ khuếch đại cảm biến hiện tại, một số trong đó tích hợp cả điện trở shunt nói trên VÀ giao diện kỹ thuật số. Xem danh sách sản phẩm của TI .

Trên thực tế, các IC này có khả năng đo dòng điện và cung cấp điện áp cùng một lúc - và thật tuyệt vời khi đo công suất rút ra, một biện pháp phù hợp hơn nhiều với tuổi thọ pin so với dòng điện thô, ví dụ như có các phần tử phi tuyến (ví dụ: , MCU).

Ví dụ, INA233 có thể được kết nối với một shunt bên ngoài (giả sử là 0,3) và có độ phân giải 2,5 LờiV trên mỗi bước ADC. Điều đó có nghĩa là, một bước ADC duy nhất là I = U / R = 2.5 PhaV / 0,3 = 8,3333A hiện tại.

Tôi nghĩ rằng thiết bị đó cũng có chế độ lấy mẫu & lấy trung bình tự động, do đó bạn có thể dễ dàng có được các xấp xỉ tốt ngay cả khi tải thay đổi nhanh chóng.

Ngoài ra, như tôi vừa phát hiện ra: vật này có mức "cảnh báo", để bạn có thể đánh thức hệ thống đo lường của mình bất cứ khi nào dòng điện tăng lên trên ngưỡng có thể định cấu hình. Đẹp! Bằng cách đó, bạn chỉ cần thỉnh thoảng lấy mẫu.

Có một số thiết bị tích hợp hiện tại theo thời gian với số lượng rất nhỏ

Vâng, có một số; lâu đời nhất là một tế bào mạ điện (khối kim loại mạ đại diện cho bằng sáng chế của Edison giờ và các tế bào điện phân (tích tụ khí vào ống mao dẫn) đã được sử dụng gần đây. Đây là chính xác tương đương với việc phân tích pin sau một thời gian dài sử dụng.

Ngày nay, sử dụng số hóa.

Nếu bạn mong đợi biến động nhanh hơn tốc độ lấy mẫu kỹ thuật số, điều đó có thể khắc phục được. Một đường dẫn dòng hai nhánh có thể được bố trí, với độ dẫn tần số cao (tụ điện) bỏ qua cảm biến hiện tại và độ dẫn tần số thấp song song (cuộn cảm và phần tử cảm giác hiện tại).

Nếu bạn mong đợi dòng điện nhỏ trong thời gian dài (đánh bại độ chi tiết lấy mẫu kỹ thuật số), thì điều đó cũng có thể sửa được. Thêm một nguồn nhiễu trắng cộng DC nhỏ vào tín hiệu dòng DC và một dòng điện phân đoạn sẽ tạo ra (theo thống kê) sự tích lũy kỹ thuật số chính xác trong thời gian lớn. ADC với hoà sắc. 5a Tuy nhiên, phần DC của tín hiệu được thêm phải được hiệu chỉnh đi. Các nguồn tiếng ồn giả ngẫu nhiên rất hữu ích cho loại 'hoà sắc' này.

Số hóa và tích lũy vào một thanh ghi (giống như Kill-a-watt) có thể hoạt động với các thành phần dễ dàng có sẵn, và một số mánh khóe đã chế ngự tiềm năng của nó đối với việc mua sắm sai.

Nhanh và bẩn: SIÊU NHÂN! (Cũng tìm kiếm ultracapacitor.) Họ sẽ cấp nguồn cho hệ thống của bạn và hiển thị dòng điện tích hợp dưới dạng điện áp theo thời gian.

Bộ vi xử lý Vdd, và / hoặc pin volt mà bạn đang dự tính? Tất nhiên, một tụ điện tích hợp dòng điện một cách tự nhiên và nếu bạn sử dụng một siêu tụ điện vài loại thay vì nguồn cung cấp pin, bạn có thể đo điện áp rơi theo thời gian và xác định chính xác các microamp trung bình dài hơn.

Nếu thiết kế của bạn cần Vdd không đổi, hãy chọn giá trị siêu tụ điện đủ lớn để điện áp chỉ giảm XX phần trăm trong khi thử nghiệm của bạn đang chạy. Tùy thuộc vào dòng điện trung bình, bạn có thể có thể đi xa với một tụ điện vài đô la. Ví dụ, 4,7 farads ở một vài volt là một siêu tụ phổ biến trong các danh mục dư thừa. .

Nếu bạn đang mong đợi một dải động lớn, một tùy chọn có thể được sử dụng một gương hiện tại được truyền bởi bộ khuếch đại trở kháng chuyển đổi logarit như LOG114 . Bạn có thể có được hơn 6 thập kỷ phạm vi với một mạch được điều chỉnh tốt. Tích hợp có thể được điều chỉnh với một tụ điện sau gương hiện tại.

Đây là một giải pháp phức tạp hơn và độ phân giải ở mức cao, khi sạc pin thay đổi đáng kể, thấp hơn. Độ chính xác so với cảm biến tỷ lệ thuận, thẳng sẽ phụ thuộc vào tỷ lệ thời gian bạn sử dụng ở mức thấp.

Ngoài ra, bạn chỉ có thể dùng vũ lực với độ phân giải ADC. 24 bit hoặc 32 bit có thể bao gồm 4 thập kỷ mà không có vấn đề.

Đối với các phép đo thô của bạn (có thể +/- 10% hoặc 20%).

Chỉ cần đặt một điện trở nối tiếp với nguồn điện và song song với một tụ điện để mang lại hằng số thời gian đủ lớn để tốc độ mẫu của bạn không bỏ lỡ dữ liệu quan trọng. Ví dụ: nếu bạn lấy mẫu ở tần số 100Hz, bạn có thể chọn hằng số thời gian là 0,2 giây. Có lẽ nó sẽ là một tụ điện điện phân và loại trở kháng thấp là tốt nhất, và bạn có thể song song nó với gốm 1uF-10uF nếu các xung ngắn hơn khoảng 10us. Giá trị là không quan trọng, nó chỉ cần đủ cao. Chọn điện trở để nó không giảm quá nhiều điện áp để ảnh hưởng đến hoạt động nhưng vẫn cung cấp đủ tín hiệu để bạn có thể có được phép đo hợp lý.

Không cần phải phân tích thời gian tăng và giảm của bộ khuếch đại hoặc bất kỳ thứ gì trong số đó - điện trở và tụ điện sẽ thực hiện công việc.

Hãy nhớ rằng hoạt động phụ thuộc vào pin là nguồn có trở kháng thấp đối với các xung "tăng đột biến" của bạn sẽ bị hỏng trước khi pin thực sự cạn kiệt - song song với pin với tụ điện (đôi khi rất lớn) kéo dài tuổi thọ của pin tăng khi nó trở nên cạn kiệt.

Những gì tôi đề xuất có lẽ là quá mức cần thiết ... Nhưng nếu bạn thấy rằng các giải pháp tiêu chuẩn / giá rẻ chỉ không có đủ dải động hoặc nếu bạn thực hiện các phép đo này thường xuyên, bạn có thể muốn xem thiết bị rất gọn gàng này: RocketLogger .

Nó được phát triển và có nguồn mở bởi ETH Zurich. Họ gọi nó là "Bộ ghi dữ liệu tín hiệu hỗn hợp chính xác cho các phép đo di động". Đó là một bộ ghi dòng điện và điện áp di động với dải dòng động rất cao, dựa trên SBC Beaglebone.

• 2 × Kênh hiện tại có dải động cao từ 4 nA đến ± 500 mA
• Kênh điện áp 4 × đo từ 13 uV đến ± 5,5 V
• Vân vân...

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Tôi không liên quan đến những người tạo ra thiết bị.

Việc đếm coulomb có thể được thực hiện bằng cách đo sự thay đổi của điện tích được lưu trữ bằng cách giảm điện áp từ một điện tích đã biết Q = CV trong khoảng thời gian đo của ít nhất 1 chu kỳ lặp lại.

Đầu tiên, tuổi thọ pin phải được xác định theo mức tối thiểu tính bằng đơn vị watt-giây hoặc Joules để có thể chọn tổng năng lượng tuổi thọ sạc cần thiết.

Thứ hai, phương pháp đếm Coulomb phải đủ chính xác bằng một số phương pháp thử nghiệm trong khoảng thời gian ngắn như 1 giờ hoặc lâu hơn nếu điều này có thể lặp lại trung bình các chu kỳ ngủ và hoạt động xung để hiệu quả phần mềm có thể được tối ưu hóa cho năng lượng.

Tuổi thọ pin có thể hoặc có thể là ví dụ; 1 năm chính hoặc 1 ngày phụ giữa các khoản phí nhưng phải được quy định cụ thể.

Thứ ba , chúng ta có thể sử dụng nắp rò rỉ thấp để đếm Coulomb nhanh hơn không? Chẳng hạn như trong 1 giờ?
Nếu cống được dự kiến ​​là 20mA mỗi h avg và chỉ giảm 0,1V thì giá trị C là cần thiết? C = Ic * dt / dV = 20mA * 3600s / 0.1V = 700 Farads

Nếu có thể, hãy chọn một bộ phận có dải điện dung này, chẳng hạn như pin CR123A 3V, sau đó xác minh phương pháp đếm coulomb và điện áp màn hình.

Hoặc cảm nhận hiện tại và sử dụng nội dung hiện tại để đếm chính xác Coulomb riêng biệt với thiết kế.

Phần một giờ trong câu hỏi của bạn làm cho điều này hơi khó khăn - nhưng có lẽ bạn không thực sự cần nó nếu thiết bị của bạn đang làm một cái gì đó theo chu kỳ (giống như hầu hết các công cụ nhúng).

Vì vậy, hãy đi quá mức cần thiết chỉ để hiển thị những gì bạn có thể mua. Các Keysight CX3300 sẽ cho phép bạn lấy mẫu dạng sóng hiện tại lên đến 200 MHz tương tự băng thông và 1 GSA / s. Kết hợp với 256 MSa bộ nhớ, bạn có thể nhận được tốc độ mẫu tốt thậm chí trong hơn một giờ. Giá tất nhiên là hơi cao bắt đầu từ 33.000 đô la và các đầu dò bắt đầu từ 4.800 đô la.

Một chút đường rẻ hơn tôi thường đi là sử dụng máy hiện sóng của mình với đầu dò hiện tại như N2820A - điều này sẽ đưa bạn trở lại khoảng 4.200 đô la và bạn không nhận được băng thông tương tự (lên đến 3 MHz) nhưng tôi thấy điều này thực sự có thể sử dụng Điều này sẽ cung cấp cho bạn một kênh có số đo dòng điện thấp và kênh có số đo dòng điện cao, vì vậy phân tích cần một chút tính toán thủ công.

Tôi chắc chắn có những dịch vụ tương tự từ các nhà sản xuất khác nhau cho những thứ như các sản phẩm Keysight đã đề cập ở trên.

Vì máy hiện sóng của tôi không đi kèm với một lượng lớn bộ nhớ mà tôi thường làm là đo một chu kỳ hoạt động và tính toán từ đó - các thiết bị của chúng tôi không có chu kỳ dài, do đó hoạt động khá tốt.

Nếu tôi cần thực hiện một phép đo thời gian dài với tính toán Wh tự động, tôi sử dụng Năng lượng Gossen Metrahit đáng tin cậy của tôi , công việc tuyệt vời ngay cả với dòng điện thấp. Nhưng việc ghi dữ liệu không phù hợp với các dòng biến đổi cao vì tốc độ mẫu không lớn.

Xin đừng hiểu nhầm câu trả lời này khi tôi khoe khoang về một số thiết bị đắt tiền, đó là một con trỏ có thiết bị kiểm tra chuyên nghiệp ngoài kia có thể xử lý các yêu cầu - vì hầu hết các câu trả lời khác tập trung vào việc tự làm (có thể gây rắc rối nếu bạn không chỉ thực hiện các bài kiểm tra hạnh phúc cho riêng mình).

Tôi không liên kết với Keysight hoặc Gossen dưới bất kỳ hình thức nào, tôi chỉ là người dùng hạnh phúc cho các sản phẩm của họ.

Đưa câu trả lời xuất sắc của @ marcusmuller và đưa đầu ra vào một bộ tích hợp. zero nắp trước khi bạn bắt đầu và đo mAh tích lũy hoặc uAH dưới dạng điện áp DC.

Bạn có thể phải thử nghiệm với lựa chọn tụ điện tích hợp của bạn; một số thiết kế tụ điện có hại cho việc ngâm hoặc có điện trở bên trong ngăn không cho chúng không chính xác.

Tôi có thể đặt một vạn năng theo chuỗi, nhưng ngay cả khi nó có ghi dữ liệu, đó là một khoảng thời gian và tôi phải nội suy, và hoàn toàn có thể bỏ lỡ các biến thể nhỏ hơn khoảng.

Vì vậy, bạn có thể đặt bộ lọc thông thấp trong chuỗi đo lường của mình để ghi lại giá trị trung bình ở tần số thấp hợp lý:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Đối với thời lượng ngắn hơn (giây), bạn có thể sử dụng một thiết bị như C Hiện tại được kết nối với máy hiện sóng.

Nếu dòng điện cực đại của bạn tương đối không quan trọng (ví dụ vì nó rất ngắn hoặc do nó bị chi phối bởi một giá trị cố định và ít được biết đến như dòng điện cực đại của vi điều khiển của bạn), bạn có thể sử dụng điện trở shunt song song với diode để hạn chế sụt áp. Với song song 100Ω và một diode SI, bạn có thể đo tới ~ 7mA và đạt được độ chính xác trong hàng chục μA.

Tôi nghĩ rằng ý tưởng của bạn về việc sử dụng pin có thể là cách tiếp cận tốt nhất, nhưng tôi không chắc tại sao bạn nói nó khó hay đắt? Tôi chắc chắn có những máy đo A-Hr bạn có thể mua nhưng chúng có thể không đo chính xác các khoảng thời gian ngắn mà bạn quan tâm. Một cách tiếp cận khác là đầu dò hiện tại được kết nối với máy hiện sóng. Đây có lẽ sẽ là cách chính xác nhất để mô tả dòng điện theo biên độ và thời gian nhưng sẽ không cung cấp cho A-Hrs trừ khi dạng sóng hiện tại của bạn là định kỳ.

Tôi đã phải giải quyết vấn đề này từ lâu với pin lithium. Thiết bị thức dậy trong một khoảng thời gian rất nhỏ, mỗi phút một lần. Tôi có thể lấy mẫu điện áp trên pin. Vấn đề với pin lithium trong tình huống này là chúng có 'đầu gối' rất đột ngột trong chu kỳ phóng điện và khi chúng đạt đến điểm đó, bạn sắp hết thời gian và đó là một phạm vi giá trị nhỏ.

Tôi thực sự đã lấy một bộ phân tích logic / tương tự (Saleae Logic 8) và nối nó với một VàngC Hiện tại và đo toàn bộ điện áp hiện tại và điện áp pin từ khi được sạc đầy cho đến khi xả hết. Bạn có thể chỉ cần chạy một kịch bản python kết nối với giao diện phát triển để thăm dò và lưu trữ các giá trị. Điều này không tạo ra một TON dữ liệu và thường không thể dễ dàng thao tác trong Excel nhưng ít nhất bạn có thể mở ra một đoạn thời gian để xem dòng điện tức thời là gì tại thời điểm cụ thể đó.

Đây là một ảnh chụp màn hình từ một số xác nhận tuổi thọ pin mà tôi đang thực hiện trông giống với những gì bạn đang tìm kiếm:

Tín hiệu màu vàng là dòng điện (V dịch sang A). Bạn có thể thấy phản hồi của pin (pin được tăng lên trên mức tối đa 5V của Logic 8 trong trường hợp này) Sau đó, quan trọng nhất, bạn có thể thấy các đường ray điện bật lên và sau đó tắt để đo (tôi thực sự đang gửi dữ liệu qua CAT -M đến các máy chủ đám mây của chúng tôi). Đối với trường hợp của bạn, bạn có thể sẽ không thấy nhiều thứ thú vị do thực tế là chu kỳ nhiệm vụ của bạn nhỏ hơn nhiều (tôi đã thực hiện một số thử nghiệm pin tăng tốc ở đây, đó là lý do tại sao nó rất thường xuyên)

Nếu bạn muốn xem thiết lập của tôi trông như thế nào, tôi đã viết một bài báo gần đây về cách thực hiện các phép đo với thiết bị tôi đã tạo ra bản chụp ở trên.

Bạn có thể có thể làm một cái gì đó tương tự với một osciliscope được kiểm soát GPIB hoặc bộ ghi dữ liệu thương hiệu khác nhau. Tôi chỉ vui vẻ sử dụng những gì tôi có trong tay.

Đối với các ảnh chụp mở rộng, bạn cũng có thể xem tài liệu tham khảo lập trình Saleae cho các máy phân tích logic của chúng. Tôi cũng đã tạo ra một ý chính của mã mà tôi đã sử dụng để tạo bản chụp đó ở đây.

Tất cả những câu trả lời và chỉ @wbeaty đề cập đến câu trả lời rõ ràng. Một thiết bị tích hợp hiện tại với thời gian? Còn tôi = C dV / dt thì sao?

Nếu mức tiêu thụ hiện tại đủ thấp, một vài tụ điện có thể là quá đủ nhưng một siêu tụ điện sẽ cần thiết cho dòng điện cao hơn. Điều chỉnh các tụ điện để có được mức giảm hợp lý trong một khoảng thời gian hợp lý. Một mạch như bên dưới sẽ thực hiện các mẹo.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Bộ chia điện dung ở đó để tránh loại bỏ dòng điện khỏi nút. Nó có thể được sạc trước cho việc cung cấp uC thông qua chân ngoại vi để thiết lập điều kiện ban đầu, sau đó đo định kỳ để đọc tốc độ xả. Một vấn đề với mạch này là điện áp đầu ra sẽ thay đổi, có nghĩa là tải thay đổi.

Để tránh vấn đề này và đối với một mạch đa năng có thể điều chỉnh với các thành phần kích thước hợp lý, một hệ số nhân điện dung hoạt động có thể được sử dụng thay thế, như sơ đồ khái niệm dưới đây. Một số hiệu chuẩn với tải đã biết và bạn có một máy đo mức tiêu thụ tùy chỉnh.

^{mô phỏng mạch này}