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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strommessung sehr kleiner Ströme


Autor: Mirko (Gast)
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Hallo,

ich möchte die Stromaufnahme von Sensoren im Bereich von typ. 40µA bis 
5mA, Spitze 20mA, prüfen. Versorgt werden diese Sensoren über eine LiIon 
Batterie mit 6V (reell 6,8V neu - 5,4V leer). Die Auflösung sollte 
5-10µA betragen. Da die Sensoren eine Unterspannungerkennung haben 
konnte ich mit der angehängten Schaltung keinen Blumentopf gewinnen, da 
der Ausgabestrom zu klein ist und die Spannung wegsackt.
Gibt es eurerseits Ideen oder Tips?

Danke

Mirko

Autor: was-willst-du (Gast)
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Ist ja ein geniales Schaltbild.

Wo befindet sich die Strommessug, dein Prüfling, wo die Spannungsquelle?

Fragen über Fragen.

Autor: Klaus (Gast)
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Shunt von 5 Ohm , ergibt bei 20 mA einen Spannungsabfall von
0,2 V, die sich mit einem vernünfigen Multimeter (4 Stellig)
auch in der gewünschten Auflösung messen lassen.

Das ist aber ein bisschen Orakelei! Denn Dein Text ist mit
Verlaub ein bisschen kauderwellschig!

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Bereich von typ. 40µA bis 5mA, Spitze 20mA, prüfen.

Einen Shunt in die Plusleitung, zB 2k5/200 oder 5Ohm.

Das ergibt etwa 100mV, das mit einem INA138 nach Verstärken und nach 
Masse bringen...

Autor: Mirko (Gast)
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Sorry,

hier nochmal die komplette Schaltung. Zwischen den beiden ersten OPVs 
ergibt sich eine Potentialdifferenz von 0V. Der Dritte OPV dient 
lediglich als Differenzverstärker. Die Spannung am Ausgang lautet Ua = 
2*R*I. Das Problem an der Schaltung ist eine Temperaturdrift im 
Dauerbetrieb (Ausgangsstrom bricht ein - Sensor führt Reset durch - 
Messung im unbrauchbar). Bei Einzelmessungen liefert diese Schaltunge 
hevorragende Ergebnisse. Ausgewertet wird alles über eine PCI Messkarte 
die ein Rauschen von ca. 10mV hat.

Autor: Jens G. (jensig)
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hmmm - da die beiden ersten OPV's überhaupt keinen Massebezug haben, 
dürften diese wohl recht schnell wegschwimmen - das ist wohl das, was Du 
mit Temp-Drift meinst. Die masse rechts spielt da keine Rolle ...

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Mirko wrote:
> Sorry,
>
> hier nochmal die komplette Schaltung. Zwischen den beiden ersten OPVs
> ergibt sich eine Potentialdifferenz von 0V. Der Dritte OPV dient
> lediglich als Differenzverstärker. Die Spannung am Ausgang lautet Ua =
> 2*R*I. Das Problem an der Schaltung ist eine Temperaturdrift im
> Dauerbetrieb (Ausgangsstrom bricht ein - Sensor führt Reset durch -
> Messung im unbrauchbar). Bei Einzelmessungen liefert diese Schaltunge
> hevorragende Ergebnisse. Ausgewertet wird alles über eine PCI Messkarte
> die ein Rauschen von ca. 10mV hat.

Die Schaltung ist glaube ich prinzipiell nicht in Ordnung:

An IC1a(+) müßte dieselbe Spannung anliegen wie am Minuspol der 
Batterie; das erkennst Du an den zwei virtuellen Kurzschlüssen an den 
OPV-Eingängen.

Dazu muß IC1b eine Ausgangsspannung mit einem Potential unterhalb der 
negativen Batterieklemme haben, so daß der "Betriebsstrom" des Prüflings 
über R1 dorthin fließen kann.

Doch wo soll diese noch negativere Spannung herkommen?
Und in welchem Bezug steht das GND-Zeichen mit den eingezeichneten 
Spannungsquellen.


Gruß,
  Michael

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Mirko wrote:
> ich möchte die Stromaufnahme von Sensoren im Bereich von typ. 40µA bis
> 5mA, Spitze 20mA, prüfen.

Ist das so was besonderes? Ich habe noch ein altes Multimeter mit 
Drehspulinstrument, das hat einen Meßbereich mit 30 µA Endausschlag.

Autor: Gast Posti (Gast)
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Die Schaltung habe ich hier vor nicht so langer Zeit schon gesehen.
War für eine potenzialfreie Strommessung (also nicht GND bezogen) 
gedacht.

... wenn ich mich jetzt nicht irre ...

Autor: Mirko (Gast)
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Richtig, die Schaltung ist zur Potentialfreien Strommessung gedacht.
Ein Multimeter kann ich nicht verwenden, da das ganze per LabView 
ausgewertet werden soll, um eine "Stromverlaufskurve" aufzuzeichen und 
da eine DAQ-Karte schon im Steuerungrechner steckt.
Gefunden habe ich die Schaltung im 
Tieze-Schenk:Halbleiterschaltungstechnik. Prinzipiell tut sie auch was 
sie soll, nur eben nicht über längere Zeit.

Autor: Jens G. (jensig)
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na was ist denn nun mit meinem Hinweis von vorgestern, daß da absolut 
kein Massebezug herrscht bei den beiden linken OPV's (wenn der Prüfling 
nicht irgendwie auf Masse hängt). Da laufen die doch mehr oder weniger 
schnell an den Rand - oder?

Autor: Mirko (Gast)
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@Jens G. Es war keine Absicht dich zu ignorieren.
Der +Eingang vom unteren OPV hängt an der Batteriemasse und liefert den 
-Ie vom +Eingang des oberen OPV´s.
Die Schaltung funktioniert ca. 30min zuverlässig. Danach geht die 
Spannung so weit in die Knie, daß der angeschlossene Sensor mein die 
Baterie sei leer.

Autor: Gerhard. (Gast)
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Fuer die Messung von sehr kleinen Stroemen im pa/ua Bereich verwende ich 
gerne eine Transimpedanzwandlerschaltung. Der OPV wandelt dann den 
Messtrom in eine proportionale Spannung.

Diese Methode hat auch den Vorteil dass kein Spannungsabfall beim 
Messobjekt in Kauf genommen werden muss.

http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/opitov/opitov.htm
http://electronicdesign.com/Articles/Index.cfm?Art...
http://www.national.com/nationaledge/files/nationa...


mfg,
Gerhard

Autor: yalu (Gast)
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> Richtig, die Schaltung ist zur Potentialfreien Strommessung gedacht.

... und damit nicht für deine Anwendung ;-)

Potentialfreie Strommmessung heißt, dass das Potential, auf dem die
Messleitungen liegen, nicht durch die Messschaltung, sondern durch die
zu messende Schaltung bestimmt wird und auch variabel sein darf.
Letztere besteht bei dir aus der Batterie und dem Sensor und hat
deswegen weder ein festes noch ein variables Potential bezogen auf die
Messschaltung, sondern überhaupt kein definiertes. Also sucht sich der
Messaufbau dieses Potential nach eigenem Gutdünken aus, und dieses
ändert sich eben mit der Zeit. Das ist das, was auch Jens G.schrieb.

Du könntest jetzt einfach den Minuspol der Batterie auf ein festes
Potential deiner Messschaltung legen. 0V geht aber nicht, da sonst der
untere IC1b eine negative Ausgangsspannung liefern müsste (s. Beitrag
von Michael Lenz). 24V geht aber auch nicht, sonst müsste IC1a eine
Ausgangsspannung >24V liefern. 12V, bspw. mittels eines Spannungsteilers
erzeugt, sollten gehen. Dann hast du aber insgesamt 3 OPVs und 10
Widerstände verbraucht.

Es geht aber viel einfacher: Bastel dir einen gewöhnlichen
Strom-Spannungs-Wandler aus 1 OPV und 1 Widerstand. +24V/GND als
Versorgung für den OPV, Pluspol der Batterie an GND, Minuspol über den
Sensor an den invertierenden Eingang des OPV, zwischen invertierenden
Eingang und Ausgang des OPV einen Widerstand von 1 kOhm und den
nichtinvertierenden Eingang an GND, fertig. Fließt durch den Prüfling
der Strom I, erscheint am Ausgang die Spannung I*R, also 1V pro mA
Eingangsstrom.

Da der LM324 einen relativ hohen Eingangsruhestrom hat (max. 250nA),
macht sich dieser bei Messungen im µA-Bereich evtl. störend bemerkbar.
Wenn die Messung nicht sonderlich präzise sein muss, ist das ok.
Ansonsten würde ich zu einem Singe-Supply-OPV mit FET-Eingängen greifen.
Von den Standardteilen fällt mir dazu der TLC272 ein, der allerdings
eine maximale Versorgungsspannung von 18V verträgt. Du könntest also 15V
nehmen und den Gegenkopplungswiderstand auf etwa 600 Ohm reduzieren.

Jetzt ist mir Gerhard zuvorgekommen, aber es freut mich, dass er und ich
einer Meinung sind :)

Autor: Jens G. (jensig)
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Aha - das sieht man aber wohl nicht im Plan - oder?
Welche Spannung geht in die Knie? V1, V2, oder der Ausgang?

Wenn diese Schaltung wirklich mit 24V SingleSupply betrieben wird, dann 
halte ich es so wie  Michael Lenz, der da sagte, daß der IC1b über R1 
gar nicht dem Prüfling paroli bieten kann, da er gar nicht negativer als 
Masse werden kann am Ausgang. Statt einmal 24V würde ich +/-12V 
vorsehen, und damit die 0V (Masse) als Bezug für den Eingang nehmen.

Achja - da Du was von max. 20mA sagtest: der LM324 kann zwar typ. 20mA 
bei Zimmertemp. Aber offiziell auch nur 8mA typ. über den gesamten 
Bereich. Und das min. garantierte ist noch ein ganzes Stückchen 
niedriger. Möglich, daß der OPV den Strom zum Gegenhalten nicht mehr 
halten kann, wenn er warm wird ???
Aber generell wundert es mich ein bißchen (lt. meinem Bauchgefühl), daß 
Du da überhaupt was sinnvolles zu messen scheinst, wenn die Masse (und 
der eine Eingang) bereits das niedrigste Potential der Schaltung 
darstellt.

Autor: Mirko (Gast)
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Danke für eure Antworten,

habe den Fehler erkannt. Im Versuchsaufbau hat auch der 
Transimpedanzverstärker soweit funktioniert. Der LM 324 ist keine gute 
Wahl, war aber gerade da - und für eine Lösung zwischen Tür und Angel 
die mal eben nix kosten darf.. naja Ihr kennts vielleicht selbst.
Messen konnte ich etwas, weil größtenteils der Strom unter 4mA im 
Einschaltbetrieb und bei ca. 40µA im Sleepmodus liegt und damit der 
Verstärker zurecht kommt. Der Sensor besitzt eine LED, die anzeigt wann 
die Batterie schlapp macht. Diese LED leuchtet einen Großteil der 
Initialisierungsphase durch(auf Batterie normalerweise nicht), so daß 
dieses gesamte System hart an der Grenze betrieben wird. Wenn dann noch 
eine Temperaturdrift dazu kommt, steigt über kurz oder lang der ganze 
Aufbau aus.
Nächste Woche kann ich wieder an den Messplatz und werde diese Schaltung 
modifizieren und auf +/- 12V umstellen. Soll ich dann meine Erfahrungen 
posten?
Im Anhang ist der Kurvenverlauf der Initialisierung des Sensors. Fällt 
die gemessene Spannung unter 1V fließen <60µA. Der mittlere Bereich 
zwischen 8s und 20s (7V-8V) entspricht 4mA.

Vielen Dank für eure Hilfe.

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