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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Energieaufnahme - µC mit Batterie


Autor: Achim (Gast)
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Hallo,

welche Möglichkeiten gibt es die Energieaufnahme einer Schaltung zu 
messen?

Ich habe ein batteriebetriebenes Gerät mit µC, der sich die meiste Zeit 
im Sleepmode befindet und nur ungefähr alle paar Sekunden aufwacht 
(genaue Zeiten sind nicht bestimmbar, da diese von äußeren Faktoren 
abhängen). Ich möchte jetzt abschätzen, wie lange die Schaltung mit 
einer gegebenen bzw. noch zu wählenden Batterie durchhält.

Eine einfache Ruhestrommessung ist vermutlich zu ungenau und 
berücksichtigt nicht die aktive Zeit. Am liebsten würde ich das Gerät 
z.B. 1h laufen lassen und dabei die Energieaufnahme aufzeichnen. Am Ende 
will ich dann sehen: Gerät hat in 1Stunde z.B. 100µAh verbraucht.
1.) Wie könnte man das angehen?

2.) Wie wird bei kommerziellen/professionellen Geräten GEMESSEN, wie 
lange die Batterie voraussichtlich halten wird?!?

Danke.

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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Mach doch einen RC Tiefpass mit ganz kleiner Eckfrequenz vor Deine 
Schaltung.

Autor: Dirk W. (Gast)
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> 2.) Wie wird bei kommerziellen/professionellen Geräten GEMESSEN, wie
> lange die Batterie voraussichtlich halten wird?!?

Es gibt spezielle ICs dafür ("Battery Gauge"), die den Lade- bzw. 
Entladestrom messen und kumulieren können, z.B. von Maxim. Guckst Du 
hier: http://para.maxim-ic.com/cache/en/results/4669.html

Autor: Bensch (Gast)
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> Ich möchte jetzt abschätzen, wie lange die Schaltung mit
einer gegebenen bzw. noch zu wählenden Batterie durchhält.

Dann nimm eine Batterie bekannter Kapazität und schau wie lange das Teil 
läuft.

Autor: Achim (Gast)
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@Dirk W.:
Gute Idee! Habe mal willkürlich den DS2740 betrachtet: 
http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3801

Dieser hat eine (kummulierte) StromAuflösung von 1.5625µV/Rsns. D.h. 
wenn da ein Rsns=20mOhm angeschlossen ist (siehe Seite 6), entspricht 
das einer aufgenommenen Energie von 312.5µAh. Ich erwarte im Sleepmode 
einen Ruhestrom von <10µA.
Läßt sich mein Ruhestrom mit diesem IC messen? Oder summiert sich da ein 
gewaltiger Fehler auf, bzw. der Ruhestrom wird als 0 gemessen?!?

@ Philipp Co:
Welche messbare Größe gibt mir dann Auskunft über die entnommene 
Energiemenge?

@Bensch:
Das ist machbar, wenn die Batterielaufzeit kleiner ist als die Geduld. 
:-)
Ich erhoffe mir aber Laufzeiten von 3 bis 24 Monate.

Autor: holger (Gast)
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>Ich erwarte im Sleepmode
>einen Ruhestrom von <10µA.

Wie hoch ist denn der Arbeitsstrom ? Und wie lange
bleibt die Schaltung wach bevor sie wieder schlafen geht.

Oft kann man den Stromverbrauch im Sleepmode ignorieren.

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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Ich meinte den RC Tiefpass hinter dein Messgerät, so dass bei einem 
sprunghaftem Stromanstieg der vielleicht nur einige µs bis ms lang ist 
Dein Amperemeter trotzdem alles mitbekommt, weil es sehr stark geglättet 
wird.

Autor: Dirk W. (Gast)
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> Läßt sich mein Ruhestrom mit diesem IC messen? Oder summiert sich da ein
> gewaltiger Fehler auf, bzw. der Ruhestrom wird als 0 gemessen?!?

Der ADC in dem IC würde einen so kleinen Strom wohl als 0 ausmessen, 
jedenfalls mit einem 20mOhm-Widerstand. Wenn Deine Schaltung nur Ströme 
im mA-Bereich zieht, könntest Du ggf. den Widerstand vergrößern, um eine 
höhere Auflösung im µA-Bereich zu bekommen.

Autor: Achim (Gast)
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@holger:
> Wie hoch ist denn der Arbeitsstrom ? Und wie lange
> bleibt die Schaltung wach bevor sie wieder schlafen geht.
Arbeitsstrom: 50..80mA für 100ms (ungefähr alle 5s)

> Oft kann man den Stromverbrauch im Sleepmode ignorieren.
Das glaube ich inzwischen auch fast. Habe mal den Verbrauch überschlagen 
und komme in meinem Szenario auf gerademal 2% Anteil des 
Gesamtverbrauchs.

Rechnung:
50mA @100ms  -> 5mAs (=50mA*100ms)
20µA @4900ms -> 98µAs
Summe: 5.098µAs (für 5s).
hochgerechnet auf 1h => 5.098µAs/5s * 3600s = 3670mAs = 1.02mAh
eine MignonZelle mit 2000mAh würde demnach grob nach 1500..2000h 
verbraucht sein (2..3Monate).

Stimmt meine Rechnung soweit?

Falls ja, dann erübrigt sich die genaue Messung des Ruhestroms - der ist 
dann ja nicht so relevant.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Mit einem Oszi lässt sich das recht einfach messen (Spannung über 
Widerstand).

Du kannst auch beide Phasen getrennt messen. Schick ihn dauerhaft 
schlafen und du kannst mühelos den Ruhestrom messen. Lass ich nicht 
schlafen und du hast einen Anhaltspunkt für den Arbeitsstrom. Wenn du 
dann noch weisst, wie lange er arbeitet und wie lange er schläft, hast 
du das Ergebnis.

Die Bilanz Ruhe- vs Arbeitsstrom kann auch andersrum ausgehen: Ein 
Mega88 der jede Sekunde aufwacht, die Uhrzeit weiterzählt, die Spannung 
nachmisst und sich dann wieder schlafen legt. Die Rechnung sah dafür 
nämlich so aus:
 Ruhestrom Mega88 mit BOD:    32µA (8µA ohne BOD)
 Arbeitsstrom, 240µs Dauer: ~1,5mA entspricht im Mittel 0,36µA

Autor: AVRFan (Gast)
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Wie wäre es, einen großen Elko bekannter Kapazität, z. B. 2200 µF, als 
Spannungsquelle für Deine Schaltung zu verwenden?

Dann gilt wegen Q = C U und I = Q' (Strich = zeitliche Ableitung)

I = C U'

Es gilt also, die Abnahmerate U' der Kondensatorspannung über einen 
gewissen Zeitraum (wegen der Mittelung) zu messen.  Mit einem als 
Spannungsfolger geschalteten OpAmp mit JFET-Eingängen (LF356) kann das 
leistungslos geschehen.  An den Ausgang ein gewöhnliches Multimeter und 
dann die Stoppuhr betätigen.  Alternativ die U(t)-Daten loggen und die 
Kurve am PC auswerten.

Rechenbeispiel:

Bei C = 2200 µF nimmt die Spannung in einer Minute um 0.6 V ab.

==> U' = 0.6V / (60 s) = 0.01 V/s

==> I = 2200 µF * 0.01 V/s = 2.2 * 10^-5 A = 22 µA.

Sinkt die Spannung zu schnell oder zu langsam, nimmt man einfach einen 
passenden größeren oder kleineren Kondensator.

Der Vorteil dieser Methode sind, dass (unter der Voraussetzung eines 
hinreichend langen Messzeitraums) die Mittelung stattfindet.

Autor: Andreas K. (a-k)
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AVRFan wrote:

> Wie wäre es, einen großen Elko bekannter Kapazität, z. B. 2200 µF, als
> Spannungsquelle für Deine Schaltung zu verwenden?

Wenn man dafür kein Messgerät hat, ist Elko zunächst eher eine 
unbekannte Kapazität, der grossen Toleranz wegen.

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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Außerdem denke ich das der Elko Leckstrom zu groß ist um vernünftige 
Aussagen zu treffen.
Ich würde da lieber den Strom in die Schaltung mit RC dazwischen 
integrieren. (ok, das hebelt mein Leckstromargument etwas aus ;) )

Autor: holger (Gast)
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>hochgerechnet auf 1h => 5.098µAs/5s * 3600s = 3670mAs = 1.02mAh
>eine MignonZelle mit 2000mAh würde demnach grob nach 1500..2000h
>verbraucht sein (2..3Monate).

Sieht gut aus. Wenn du dann noch bedenkst das die Kapazität
für Entladung z.B. mit C/100 (20mAh) angegeben ist, wirst
du mit 1mAh noch etwas größere Zeiten hinbekommen.

Autor: AVRFan (Gast)
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>Wenn man dafür kein Messgerät hat, ist Elko zunächst eher eine
>unbekannte Kapazität, der grossen Toleranz wegen.

Stimmt, zu dem Punkt wollte ich noch schreiben, dass man die Kapazität C 
des Kondensators wegen den großen Fabrikationstoleranzen vorher messen 
sollte - mit derselben Methode.  Für einen 2200 µF-Kondensator wäre ein 
Widerstand von 1 MOhm geeignet.

>Außerdem denke ich das der Elko Leckstrom zu groß ist um vernünftige
>Aussagen zu treffen.

Den kann man herausrechnen:

    I + I_leck = C U'       mit I = Strom durch das Meßobjekt

    ==> I = C U' - I_leck

    ==> I = C U' - C U'_leck

    ==> I = C (U' - U'_leck)

Darin ist U'_leck die Spannungsabnahmerate, wenn am Kondensator nichts 
außer dem JFET-Spannungsfolger angeschlossen ist.

Autor: Gast (Gast)
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Einfach und Simple: True RMS Multimeter mit RS232 Interface.

Autor: AVRFan (Gast)
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Hab einen Elko-Selbstentladungstest gemacht.

Testobjekt: Elko "FUHYIN" 2200 µF, 35 V.

Aufgeladen mit 9 V und dann abgeklemmt.  Die Spannung habe ich mit einem 
als Spannungsfolger geschalteten LM324 gemessen (Minuseingang mit 
Ausgang verbunden).  Dreimalige Spannungsmessung im 20 min-Abstand; 
Kondensator immer nur kurz zum Messen angeklemmt.

Die Spannung fiel innerhalb der 40 min von 7.00 V auf 6.80 V.  Das macht 
eine Abnahmerate U' von

    U' = 0.2 V / (2400 s) = 8.33 * 10^-5 V/s,

wozu der Selbstentladestrom zu

    I_Selbstentladung = 2200 µF * 8.33 * 10^-5 V/s = 0.18 µA

resultiert.  Atmel gibt für einen ATmega48V im Power-Down-Mode bei 1,8V 
einen Strom von 0.1 µA an.  Fällt also gerade so mit der Grenze der 
Elko-Messmethode zusammen.

>Einfach und Simple: True RMS Multimeter mit RS232 Interface.

Haha, guter Scherz. In einem TrueRMS Multimeter steckt ein µC, der das 
Signal sampelt.  Nur wird das Signal hier aber von einem anderen µC 
"verursacht" und kann problemlos z. B. so aussehen: 5 ms lang 20 µA und 
anschließend 8 µs lang 6 mA, periodisch fortgesetzt.  Na Du, wie groß 
ist der zeitliche Mittelwert?  Und was zeigt Dein True RMS Multimeter 
an, wenn es z. B. wegen zu geringer Samplingfrequenz mit dem nur 8 µs 
langen 6 mA-Peak überfordert ist?  Der knifflige Punkt bei diesem 
Problem hier ist eben die Mittelung.

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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Wegen der Mittellung ja immernoch RC ;) Und dann kannst auch mit dem RMS 
Multimeter loggen lassen

Autor: 6642 (Gast)
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>Aufgeladen mit 9 V und dann abgeklemmt.  Die Spannung habe ich mit einem
>als Spannungsfolger geschalteten LM324 gemessen (Minuseingang mit
>Ausgang verbunden).  Dreimalige Spannungsmessung im 20 min-Abstand;
>Kondensator immer nur kurz zum Messen angeklemmt.

Ein 324 ist natuerlich nicht das Gelbe vom Ei wenn's um den 
Eingangswiderstand geht. Besser einen FetOpAmp das naechste Mal. Die 
Wertte schaun aber gut aus. Jetzt nochmals bei erhoehter Temperatur. 45 
Grad ...

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