Hallo Leute,
ich schreibe gerade meine Bachelorarbeit und ein Teil dieser Arbeit ist
das Strom- bzw. Energieprofil eines GPS Trackers zu ermitteln.
Soll nacher mit Energy Harvesting versorgt oder gepuffert werden, je
nach Energiebedarf.
Mein Problem hierbei ist, das Ströme im Bereich uA (Schlafmodus) sowie
bis 400 mA (Sendemodus) auftreten. Der Sendemodus tritt sporadisch auf
und das ganze soll in einer Langzeitmessung, am besten mit Graph zum
Auslesen,aufgenommen werden.
Ich habe bereits die Beiträge Multimeter für Low-Power Strommessung im
Bereich 100 pA 100 mA?; µA und mA messen; sowie weitere ähnliche Themen
gelesen.
Allerdings sind die meisten Geräte für Ströme über 100 mA nicht nutzbar.
Die Batterie hat ca. 5V und es sollte eine Genauigkeit von 0,1 uA
erreicht werden. Umschaltgeschwindigkeit und Zeitpunkt sind mir
unbekannt.
Meine Idee war ein Shunt von 0,1 oder 1 Ohm damit nicht zu viel Spannung
abfällt und das Gerät noch einwandfrei arbeitet. An diesem Shunt würde
ich über zwei Spannungsmessungen mit passender Verstärkung für den
jeweiligen Bereich über einen MAX1300 (oder besseres, habe hier leider
gar keine Erfahrung)die Werte auslesen und so auswählen das jeweils das
richtige angezeigt wird. Ich habe auch gelesen das eine Offset, sowie
Temperaturkompensation notwending ist (im ua Bereich). Könnte mir jemand
erklären wie so etwas aufgebaut wird? Ist meine Idee praktikabel oder
gibt es bessere und/oder einfachere Lösungen?
Ich habe auch von der Idee mit zwei Shunts und umschalten durch einen
Mosfet gehört, allerdings weis ich weder wann das Gerät umschaltet noch
mit welcher Geschwindigkeit.
Eine weitere Frage noch: Brauche ich einen RC Filter vor dem Shunt oder
verfälscht dieser die Messung im uA Bereich nur unnötig?
Ich nehme an, dass für die Messungs des Energieprofils man nicht grade
auf Energie für die Messschaltung verzichten muss.
Ich würde daher mal mindestens zwei Messbereiche, ggf. via zwei Shunts,
vorsehen. Einen Messbereich für den Schlafmodus und einen für den
Sendemodus. Wann du umschalten musst weißt du: Wenn der Messbereich für
den Schlafmodus am oberen Anschlag ist weißt du, dass du im Sendemodus
sein musst ;)
>Ich nehme an, dass für die Messungs des Energieprofils man nicht grade>auf Energie für die Messschaltung verzichten muss.
Die Messschaltung würde ich durch eine eigene externe Energiequelle
versorgen und sollte in dieser Hinsicht die Messung nicht
beeinträchtigen.
Messen von uA bis 0,4 A schrieb:> im> Bereich 100 pA 100 mA?> Meine Idee war ein Shunt von 0,1 oder 1 Ohm
100pA an 1Ohm macht 100pV, das wird nicht schön bzw. mit einfachen
Mitteln eher unmöglich, schon die Thermospannung könnte da Probleme
bereiten.
schau dir eventuell mal das µCurernt Gold Projekt [1] an, vllt kannst ud
da Ideen klauen. Wenn dein Gerät einen kleinen Puffer Kondensator hat
kannst du vllt. mit einem schnellen Komparator eine kleinen Shunt
parallel zu einem im kOhm Bereich schalten sobald ein gewisser Strom
überschritten wird.
Messen von uA bis 0,4 A schrieb:> Ich habe auch von der Idee mit zwei Shunts und umschalten durch einen> Mosfet gehört, allerdings weis ich weder wann das Gerät umschaltet noch> mit welcher Geschwindigkeit.
so schnell wie es geht/nötig ist, hängt davon ab wie viel Strom das
Mosfet treibende Bauteil kann, und wie schnell der Komparator oder
Ähnliches ist, wenns sehr schnell wird auch vom Aufbau und parasitären
Kapazitäten/Induktivitäten. Wenn dich an Schaltreglern im MHz Bereich
orientierst (Layout usw.) kommst du unter µs. Je schneller du Schalten
willst desto besser muss der Aufbau sein und desto mehr EMV Probleme
kannst du damit erzeugen. Wenn du sowieso nen großen Stützkondensator am
Tracker hast musst du nicht in ns schalten, du hast ja auch nen Tiefpass
mit dem Shunt/Innenwiderstand der Quelle und dem Kondensator, das muss
halt alles halbwegs in Relation bleiben.
Messen von uA bis 0,4 A schrieb:> Eine weitere Frage noch: Brauche ich einen RC Filter vor dem Shunt oder> verfälscht dieser die Messung im uA Bereich nur unnötig?
Tiefpass kannst du im Verstärker integrieren oder danach wenn du den
wirklich benötigst, in den Stromkreis würde ich dass nicht legen, du
hast ja schon einen Tiefpass durch den Shunt und die Kondensatoren des
Trackers.
[1] https://www.eevblog.com/projects/ucurrent/
Messen von uA bis 0,4 A schrieb:> Ich habe auch gelesen das eine Offset, sowie> Temperaturkompensation notwending ist (im ua Bereich). Könnte mir jemand> erklären wie so etwas aufgebaut wird?
Es gibt Opamps mit extra Pins zur offset Kompensation, wenn du nicht
gerade von -40 bis 120°C messen willst reicht es Bauteile mit sehr wenig
Drift zu verwenden. alternativ kannst du sowohl drift als auch offset in
Software herausrechnen. sobald du eine erste Version von einem
Schaltplan hast kann bestimm jemand hier weiterhelfen, interessant wären
auch deine Anforderungen an Drift, Genauigkeit, Auflösung usw. über die
verschiedenen Messbereiche.
Hast du schon mal ein Stromprofil aufgenommen? Kann man ja mit einem
Multimeter erstmal beobachten um eine Vorstellung zu haben, wie die
Ströme aussehen werden. Speicherung der gemessenen Ströme ist ja auch
ein Thema, wenn du durch die Botanik läufst mit deinem Tracker.
> ich schreibe gerade meine Bachelorarbeit und ein Teil dieser Arbeit ist> das Strom- bzw. Energieprofil eines GPS Trackers zu ermitteln.
Deine Anforderungen befinden sich aber irgendwo zwischen unmoeglich und
eigener Doktorarbeit. :-)
Rechne doch mal aus was du fuer einen AD-Wandler brauchst und ueberleg
dir ob du das schaffst. .-)
Danach kannst du dich ja mal realistischeren Vorgaben zuwenden.
Wenn ich dir einen Tip geben kann, besorg dir einen MAX4080 und
dimensioniere ihn fuer deine 400mA. Damit wirst du erstmal auf dem Oszi
einen Ueberblick fuer das bekommen was du messen willst. (Bandbreite,
Aufloesung) Sehr wahrscheinlich bleibt es dann dabei. Wenn dir das nicht
reicht dann rechne mal damit das sich fuer jedes zusaetzliche Bit dein
Entwicklungsaufwand verdoppelt. Alleine wenn du nur das was der MAX4080
macht mit einem Operationsverstaerker selber machen willst wirst du
schon einiges ueber OverTheTop, Rail2Rail und Offsetspannungen lernen.
Das schadet natuerlich nicht, aber als TEIL einer Arbeit? Und du willst
dann ja auch noch digitalisieren. Da wirst du noch einiges ueber
AD-Wandler lernen.
Olaf
Vielen Dank schon mal für die schnellen Antworten und Ideen :)
Die Idee von the_yrr mit den beiden Shunts gefällt mir schon ganz gut
und ich habe hierzu mal einen Schaltplan erstellt. (siehe Anhang)
Ich würde hierbei mit zwei Komperatoren im jeweiligen Modus hin und her
schalten. Bestimmt hab ich ein paar Fehler gemacht bezüglich
aufschwingen, EMF Störung, Bauteilauswahl usw. Ich hoffe das mir jemand
mit etwas Erfahrung weiter helfen kann. Vmess würde ich dann mit einem
Multimeter, das über USB am Pc angeschlossen werden kann, aufzeichnen ?
Der Temperatur Bereich liegt bei -5 bis 50 °C da sollte es ja was gutes
geben mit wenig Drift.
Die Messung im uA Bereich wäre schön mit einer Genauigkeit von +- 0.1 uA
im mA Bereich mit +- 10uA.
Das µCurernt Gold Projekt hab ich mir schon einmal durchgelesen und ist
warscheinlich meine Notlösung, indem ich nur Sendemodus und nur
Ruhemodus messe und dann addiere.
>Hast du schon mal ein Stromprofil aufgenommen? Kann man ja mit einem>Multimeter erstmal beobachten um eine Vorstellung zu haben, wie die>Ströme aussehen werden. Speicherung der gemessenen Ströme ist ja auch>ein Thema, wenn du durch die Botanik läufst mit deinem Tracker.
Erste Annahmen des Stromprofils sind eben dies 400mA beim Senden und 1
uA in Ruhe und ich habe nicht vor irgendwo in der Botanik zu messen. Die
Messung wird sich auf ein Gebäude mit Keller Erdgeschoss Dach (für
verschiedene Signalstärken) und Ausenbereich mit Zugang zum Stromnetz
beschränken. Es ist wie gesagt nur ein Teil meiner Arbeit und soll daher
im Rahmen bleiben.
Zum Thema Max4080, wenn ich das Datenblatt richtig interpretiere fängt
dessen Messbereich erst bei 4.5V an, was dann etwas schwierig ist wenn
mir nur 5V zur Verfügung stehen oder hab ich da etwas falsch verstanden?
Messen von uA bis 0,4 A schrieb:> Mein Problem hierbei ist, das Ströme im Bereich uA (Schlafmodus) sowie> bis 400 mA (Sendemodus) auftreten.
Der übliche Weg, diese problematischen Daten zu messen, ist durch
Entladung eines Kondensators.
Man nimmt einen ausreichend grossen Kondensator, lädt ihn auf und misst
die Spannung.
Wenn die Schaltung nicht mit der sinkenden Kondensatorspannung uzrecht
kommt, schaltet man einen Linewarrgler mit geringem Eigenverbrauch
dazwischen (das sind meist CMOS-Regler die nicht emhr als 16V am Eingang
abkönnen, was die Kondensatorspannung nach oben begrenzt).
Zunächst mit man die sinkende Kondensatorspannung ohne Last über die
Zeit,
dann nochmal mit der angeschlossenen und arbeitenden Schaltung.
Daraus kann man ermitteln wie viel Strom intergiert über die Zeit die
Schaltung entnimmt.
Damit hat man sienne genauen Messwert.
Genau: Voraussetzung: Kein relevanter Kondensatorinnenwiderstand bei
Belastungsspitzen, Goldcaps sind also nicht immer passend.
Messen von uA bis 0,4 A schrieb:> Die Batterie hat ca. 5V und es sollte eine Genauigkeit von 0,1 uA> erreicht werden.
Völlig überzogene Forderung, wenn gleichzeitig Ströme in der
Größenordnung von 0,4A gemessen werden sollen.
Michael B. schrieb:> Genau: Voraussetzung: Kein relevanter Kondensatorinnenwiderstand bei> Belastungsspitzen, Goldcaps sind also nicht immer passend.
Mit Supercaps sollte bei 400mA der Spannungsabfall unter 100mV bleiben.
Das lässt sich meist verkraften.
Michael B. schrieb:> Damit hat man sienne genauen Messwert.
Bei kleinen Standby Strömen muss man den U und T abhängen Leckstrom der
Kondensatoren berücksichtigen..
Vorschlag:
2 Widerstände in Reihe, jeweils ein INA als Verstärker. Der kleinere R
für den großen Messbereich auslegen, der 2. hochohmiger für den kleinen
Bereich. Der 2.R wird mit einer Diode begrenzt. Jeweils beide Spannungen
messen und wenn über dem 1. R ein Grenzwert überschritten wird (bei dem
die Diode noch keinen zu großen Fehler macht), den 2.R Messwert
wegschmeißen. Wenn das Ganze dann noch von einen Linearspannungsregler
gefolgt wird (per FET), dann ist sogar die Spannung am Verbraucher
konstant bzw. einstellbar.
> Daraus kann man ermitteln wie viel Strom intergiert über die Zeit die> Schaltung entnimmt.
Keine dumme Idee, aber hilft einem in der Praxis meist nicht weiter. Man
moechte ja deshalb ein Profil haben damit man abschaetzen kann welcher
Teil der Software (oder Hardware die nur manchmal zugeschaltet wird)
wieviel Leistung benoetigt. Wenn du dann z.B siehst das eine bestimmte
Task immer 30% deiner Energie braucht dann kann du z.B ueberlegen wie
oft muss du laufen, was kann man verbessern. Es gibt Anwendungen da
machst du fuer 10uW mehr oder weniger ein Meeting um abzuklaeren ob das
sein muss.
Olaf
