Hallo zusammen,
ich möchte gerne einen kleinen Messverstärker bauen, der es ermöglich,
Ruheströme von Mikrocontrollern im Sleep-Mode zu erfassen. Der
Arbeitsbereich des ausgesuchten Differenzverstärkers beträgt +-100mV.
Der Shunt-Widerstand ist weitestgehend frei wählbar. Für 7µA würde ich
etwas in der Region 10kOhm verwenden, je nach Toleranz des Messwertes.
Nun ergibt sich die Schwierigkeit, dass die Mikrcontroller regelmäßig
aufwachen und kurzzeitig deutlich höhere Ströme ziehen. In dieser Zeit
muss der Betriebsstrom "um den Shunt herum" fließen, damit die
Versorgungsspannung nicht einbricht und kein Brown-out passiert. Die
Firmware soll ja weiterwerkeln. Mit einer parallelen Diode liese sich
das "theoretisch" bewerkstelligen. Steigt der Spannungsabfall am Shunt
über die Vorwärtsspannung der Diode, übernimmt diese den Strom.
Problem: Bereits unter 100mV fließen nicht zu vernachlässigende Ströme
bis hin zu mehreren Mikroampere durch die Diode, die der Shunt dann
nicht erfasst. Ich bräuchte also eine Diode, die unter 100mV bis 200mV
nur einen ganz niedrigen Vorwärtsstrom, höchstens ein paar Nanoampere
durchlässt. Wünschenswert wäre dennoch dauerhaft ca. 1A Vorwärtsstrom.
Halt dann bei ca. 1V Vorwärtsspannung.
1) Gibt es solche Dioden?
2) Gibt es Ersatzschaltungen aus 1-3 Transistoren, die das leisten?
3) Oder muss ich mit einem OpAmp ran?
Über gute Ratschläge würde ich mich sehr freuen.
Dank + Gruß
Daniel
Daniel schrieb:> Über gute Ratschläge würde ich mich sehr freuen.
Betreibe den µC im Sleep-Mode aus einem Kondensatur und guck dir den
Spannungsverlauf mit und ohne µC an. Die Differenz ist die Ladung, die
in deinen µC fließt.
Oder betreibe ihn über einen TIA. Dann brauchst du keinen Shunt.
Ich mache das anders:
Und zwar schreibe ich ein Programm, dass alles schön initialisiert und
dann für immer in den Deep-Sleep Modus wechselt. Mein Shunt ist bis
dahin durch ein Kabel überbrückt, das entferne ich nun. Dann kann ich
den Strom anhand des Spannungsabfalls messen. Aufwachen geht dann
natürlich nicht mehr.
Die Stromaufnahme in normalen Betrieb kann ich ohne größere Hürden ganz
normal mit einem niederohmigen Shunt messen.
Um die langfristige Stromaufnahme von Schaltungen zu messen, die
überwiegend schlafen, benutze ich einen Kondensator als Spannungsquelle.
Der Spannungsabfall ist dann ein Indiz für die mittlere Stromaufnahme.
Dennoch kann der Kondensator kurzzeitig hohe Ströme liefern. Er mus nur
groß genug sein.
Danach mache ich noch eine Vergleichsmessung ganz ohne Last, damit ich
die Selbst-Entladung des Kondensators subtrahieren kann.
Daniel schrieb:> Gibt es solche Dioden
Nein.
Eine Diode, egal ob Silizium oder Germanium, verhält sich nach der
Shockley-Gleichung. Es ist also physikalisch vorgegeben, wieviel Strom
bei welcher Spannung fliesst.
Insgesamt ist deine Messmethode auch Quark. Das Problem kommt hier im
Moment fast wöchentlich, lies einfach mal, wie andere Leute das machen.
Wolfgang (Gast) schrieb:
>Oder betreibe ihn über einen TIA. Dann brauchst du keinen Shunt.
Der TIA m+üsste dann aber schon von recht kräftiger Statur sein, wenn
der die erwähnten 1A auch abkönnen soll. Aber sonst ist die Idee
sicherlich nicht verkehrt ...
Ich habe für diesen Zweck das Multimeter VC870 im 40mA Strombereich
direkt in die Stromversorgungsleitung eingebaut. Das Messobjekt wurde
mit einen großen Kondensator überbrückt. Der Kondensator sollte
möglichst einen kleinen Leckstrom ausweisen.
Der Kondensator verhindert, dass die Versorgungsspannung zu stark
einbricht.
Der Strom wird gemittelt.
Das VC870 verfügt über die Funktion Messwerte am PC aufzuzeichnen und
grafisch darzustellen. Ergebnis siehe beigefügtes Diagramm.
Das Diagramm zeigt den Strom, der in den Kondensator hinein fließt
(Ladestrom) + den Grundverbrauch des Messobjektes. Die Spitzen zeigen
das stündliche Aufwecken des Mikrocontrollers. Diese Spitzen wären ohne
die Mittelung durch den Kondensator über 100mA hoch und würde das
Messgerät übersteuern.
Der Ruhestrom ist in der Verlängerung der Entladekurve zu sehen. Er
liegt unter dem Minimalwert.
Jens G. schrieb:> Der TIA m+üsste dann aber schon von recht kräftiger Statur sein, wenn> der die erwähnten 1A auch abkönnen soll.
Abgesehen davon, dass es Leistungs-OPs gibt, hilft in solchen Fällen
eine Diode, die die Last übernimmt, wenn der OP an seine Grenzen stößt.
@Wolfgang: Mittelwertbildung über einen Kondensator ist leider keine
Option. Die Schaltung muss mit Bandbreite laufen (paar kHz sollten es
sein). Der TIA ist öfters genannt worden, da werde ich mich morgen
einarbeiten. Aus dem Stegreif sagt mir das nicht viel.
@Stefan: Klingt alles nach sinnvollen Mitteln bei der
Schaltungsentwicklung. Ist für mich leider nicht umsetzbar.
@Diot ohne I: Entschuldige die Unterstellung, aber wenn ich mir die von
dir vorgeschlagene Diode ansehe, dann behaupte ich, dass du nicht aus
Erfahrung sprichst? Eine schnell von mir herausgegoogelte BAS116 ist
mindestens um Faktor 10 "besser" und aktuell erhältlich. Kennst du dich
wirklich aus? Verstehe ich etwas falsch? Oder hast du schlecht
gegoogelt?
@MaWin: Danke für den Klugschiss. Hier bin ich mir sicher: Inhalt gleich
null.
@Jens: Danke für deinen Beitrag. Ein TIA scheint eine ernstzunehmende
Lösung zu sein. Werde mich einlesen.
@Gerald: Wie bereits gesagt, Mittelung ist keine Option. Aber Danke für
deinen Beitrag.
Wolfgang (Gast) schrieb:
>Jens G. schrieb:>> Der TIA m+üsste dann aber schon von recht kräftiger Statur sein, wenn>> der die erwähnten 1A auch abkönnen soll.>Abgesehen davon, dass es Leistungs-OPs gibt, hilft in solchen Fällen>eine Diode, die die Last übernimmt, wenn der OP an seine Grenzen stößt.
Jo, die Diode braucht er sowieso über den Rf, denn der Rf ist ja nur für
den µA-Bereich ausgelegt, und die Diode übernimmt dann den Überstrom
(der Diode könnte man sogar noch einen kleineren R in Reihe schalten,
und könnte damit den Hochstrombereich zusätzlich und separat messen. Nur
der Übergangsbereich von Niedrig- zu Hochstrom ist etwas krumm ...
Diot ohne I schrieb im Beitrag #6345781:
> Ge-Diode
Diot ohne I schrieb im Beitrag #6345781:
> Schottky
Kumpel, du hast das Problem noch nicht mal verstanden, aber machst die
Leute an...
Der TO sucht einfach nur eine Si-Diode mit niedrigem Leckstrom unterhalb
der Flussspannung. Und das ist absolut kein Problem, selbst für die
Ausschließlich-1N4007-BC547-LM324-Bastel-Fraktion. Man muss eigentlich
nur Bauteile ergreifen und messen, denn solch ein Wert dürfte selbst das
detaillierteste Datenblatt der Welt verschweigen...
Daniel schrieb:> Bereits unter 100mV fließen nicht zu vernachlässigende Ströme> bis hin zu mehreren Mikroampere durch die Diode
Das muss aber dann schon eine 100A-Diode im verschmutzten Gehäuse
sein...;-)
Habe eben mal mit 1N4148/1N4007/UF4007 getestet, alle liegen selbst bei
200mV deutlich unter 1µA, meist unter 0,2µA.
Falls dir das zu viel ist, ginge auch die BE-Strecke eines
Leistungstransistors. Der erste zufällig gewählte Typ, BUF654, liegt bei
200mV unter 10nA! Genauer kann ich auf die Schnelle nicht messen. Und er
darf sogar 6A Basisstrom ab.
Seine BC-Strecke ist übrigens erheblich schlechter, liegt im Bereich
normaler SI-Dioden.
Ich bin mir sicher, daß es Transistoren/Mosfets gibt, die 1A und mehr
könnten, aber bei nur 200mV unter 1nA liegen.
In dem Falle kombiniere doch einfach die Diode mit einem
Schalttransistor oder Mosfet in Reihe. Bei 0.11V wird der Mosfet
durchgeschaltet. Bei 0.10V wird dieser wieder ausgeschaltet. Die Diode
brauchst Du, damit Du einen Spannungsabfall messen kannst für die
Funktion des Bypassabschaltkriteriums.
Uwe S. schrieb:> du hast das Problem noch nicht mal verstanden, aber machst die Leute> an...> Der TO sucht einfach nur eine Si-Diode mit niedrigem Leckstrom unterhalb> der Flussspannung.
Autsch.
Wer redet hier von Problem nicht verstanden ?
Flussspannung einer Diode, aus welchem Kindergarten ist das ?
https://de.m.wikipedia.org/wiki/Shockley-Gleichung
Aber der TO stammt offenbar aus demselben Kindergarten.
MaWin schrieb:> Wer redet hier von Problem nicht verstanden ?>> Flussspannung einer Diode, aus welchem Kindergarten ist das ?
Aka.
"Du VerWEndeSt eINeN aNdEREn AbstRaHiERuNGsgrAD alS Ich UnD DEsHalB bIST
dU BlÖd!!!1!!"
Für die Versorgung eines OPs reicht ein TIA meist schon aus. Ggf. kann
man dem OP einen Transistor als Stromverstärkung spendieren.
Der µC wird aber so oder so einen lokalen Abblock-kondensator benötigen.
D.h. so schnell ändert sich der externe Strom ggf. nicht. Der TIA wird
auch einen Widerstand oder Ähnliches am Eingang benötigen.
Daniel schrieb:> Diot ohne I: Entschuldige die Unterstellung, aber wenn ich mir die von> dir vorgeschlagene Diode ansehe, dann behaupte ich, dass du nicht aus> Erfahrung sprichst? Eine schnell von mir herausgegoogelte BAS116 ist> mindestens um Faktor 10 "besser" und aktuell erhältlich. Kennst du dich> wirklich aus? Verstehe ich etwas falsch? Oder hast du schlecht> gegoogelt?>> @MaWin: Danke für den Klugschiss. Hier bin ich mir sicher: Inhalt gleich> null.
Gockel mal schön weiter.
Oder besser, lass das mit der Elektronik.
Geh lieber Bäume fällen.
P.S.:
MaWin ist mir manchmal suspekt.
Aber dem kannst du nicht mal mit 1% das Wasser reichen.
Geh lieber in dich!
Du könntest das anders dimensionieren, aka einen kleineren Shunt nehmen.
Dein Messbereich wird dann z.B. bis 50mV gehen, der Fehler ist dann
kleiner, ist ja eine e-Funktion. Beispielsweise 50mV am Shunt bei vollem
Messbereich sollte das gehen.
Wie alles im Leben ist das halt ein Kompromiss, und die Fehler müssen
gegeneinander aufgewogen werden.
Den bei so kleinen Spannungen merklichen Offset des Verstärkers kann man
automatisch abgleichen, solange man die Last schalten kann. Man braucht
dann einen Verstärker mit kleiner Offsetdrift. Nimm einen Verstärker dem
man ein Bias geben kann (z.B. INA170), den kannst du bei 0mA einen
positiven Offset von 50mV geben, dann ist er auch linear.
Wenn die Daten des INA170 deine Anforderungen nicht erfüllen, solltest
du mal bei Analog kucken.
Das Gemecker kann ich nicht nachvollziehen:
Die Sache mit der Diode ist schon Standard. Schon deshalb, weil eine
Strommesschaltung bei einem Kurzschluss nicht in Rauch aufgehen soll.
@Uwe S.: Danke für deine Messungen. Das macht Mut. Im Endeffekt hast du
mir die Lösung vorgelegt, aber ich werde das wohl selber nochmal im
Labor evaluieren.
@Dieter D.: Gute Idee! Etwas mehr Schaltungsaufwand, aber das werde ich
mal durchrechnen, ob sich der Aufwand lohnt.
@MaWin: Der echte MaWin hat die Shockley-Gleichung schon durchgerechnet
und festgestellt, dass Is(T) ein bauteilspezifischer Parameter. Somit
ist auch Id(Uf) (also der Durchlassstrom in Abhängigkeit der Spannung)
bauteilspezifisch. Soweit zumindest meine Erinnerung an den
Physikunterricht im „Kindergarten“. Ich kann aus deiner Antwort einfach
keinen sinnvollen Beitrag ableiten.
@wer: Wenn ihr mir wirklich helfen möchtet, dann bitte auf einem
„AbstRaHiERuNGsgrAD“ und Niveau, die ich verstehen kann. So macht man
das mit Leuten, die bedauerlicherweise weniger begabt sind, als man
selbst.
@jens: Danke für den Vorschlag. Klingt gut!
@michael_: Selbiges wie für „wer“
@Blumpf: Richtiger Einwand. Mache ich den Shunt kleiner, wiegen die
Messfehler des Differenzverstärkers und der Messkarte wieder mehr. Aber
ein guter Arbeitspunkt wird sich schon finden lassen. Offsetabgleich
wird auf jeden Fall gemacht. Bin noch nicht sicher, in welcher
Regelmäßigkeit („1 Jahr“ bis „vor jeder Messung“). Aber das führt zum
momentanen Entwicklungsstand noch zu weit.
Wenn Du noch eine zweite (höhere) Hilfsspannung zur Verfügung hättest,
könntest Du einen Kompensationsstrom regeln um die Differenz auf 0V zu
halten. In dem Falle hättest Du nur noch die Diode und keinen Widerstand
mehr davor.
Am Operationsverstärker kannst Du eine deutlich größere
Spannungsdifferenz als deine 0,1V für die Meßauswertung abgreifen.
