Leistungsmessung bei sich dynamisch verändernder Stromaufnahme

Du hast leider sehr wenig Angaben gemacht. Deshalb kann man auch vermutlich keine spezifischen Angaben machen.

Maximale Spannung? AC oder DC? Maximaler Strom? Wie schnell musst du messen? Was ist der Dynamik Umfang?

Pauschal würde ich sagen nimm einen INA228 o.ä. und einen uC deiner Wahl. Der kann einiges messen/berechnen( Voltage, Current, Power, Energy, Charge, Temp). 20 Bit Delta Sigma bis 85V. Programmierbare Sampling Frequenz und Filterung. Auch nicht schlecht. Und nicht Mal sehr teuer... Kommt man vermutlich mit 50€ oder weniger hin.

Zur Ermittlung des Durchschnittsstromverbrauchs eines Geräts, dass µA und gelegentlich gepulst mA braucht, habe ich es mit einer neuen 2Ah Lithiumbatterie versorgt und die Batteriespannung am Anfang und danach alle 24h gemessen. Die Spannung einer vollen Lithiumbatterie fällt in den ersten paar Kapazitätsprozent schnell und stabilisiert sich erst nach einiger Zeit. Die Messung muss in dem schnell abfallenden Anfangsbereich erfolgen. Dann habe ich eine baugleiche Batterie mit Konstantstrom bis zur gleichen Meßendspannung entladen. Über die Zeit kann man den mittleren Gerätestrom ausrechnen.

Mit einem dicken Kondensator statt der Batterie hat man einen starken Leckstromfehler.

Johannes B. schrieb:

Letztendlich soll eine Aussage getroffen werden, wie lange die Batterie des Geräts hält.

Hallo Johannes, dazu bedarf einer Worst-Case-Analyse! Messtechnisch kannst du den maximalen Strom (plus Aufschlag) erfassen und mit dem maximal möglichen Duty-Cycle verrechnen. Den Ruhe- bzw. Standby-Strom kannst du getrennt davon messen und die Eigenentladung der Batterie aus dem Datenblatt entnehmen. Für typische Betriebsfälle wird die Batterie zwar länger durchhalten, aber garantieren kann man das nicht. Deshalb sind hier eigentlich nur die Grenzen anzugeben. Best Case könntest du zusätzlich rechnen, dann hättest du beide Werte.

Vielleicht könnte ich auch mit einer Math-Funktion des Oszis automatisch das Integral über die Zeit bilden?

Klar kannst du das.

Aber wie weit kann dieser Wert dann in die Vergangenheit reichen?

Haengt vom Oszi ab.

Und wie wird aus der Spannung an Kanal 2 dann ein Strom für die Berechnung?

Du brauchst einen Stromtastkopf der auch DC kann. Dazu gibt es hier diverse Threads zu wo auch auf die unterschiedlichen Loesungen eingegangen wird.

Da du leider keine spezifischen Angaben machst, (horizontale und vertikale Dynamik) lass mich mal mit einer Gegenfrage antworten:

Wie sieht dein Budget aus? 1, 2, 5, 10 kEuro? Es gibt zu allem etwas. :-D

Ich selber mache es mit einem selbstentwickelten Stromtastkopf. Allerdings muss ich Besitzer von R&S Scopes und vielleicht auch von einigen anderen (z.B Rigol) warnen wo der LMH6518 verbaut ist. Siehe hier: https://www.eevblog.com/forum/repair/repair-of-rs-rtb2004-with-offsetprobem-of-toasted-lmh6518/

Vanye

Vielleicht reicht ein Metrahit Energy für das Vorhaben aus.

Es gibt Tischmultimeter die direkt Leistungsmessungen machen können und auf einen USB-Stick speichern.

Ist immer eine Frage des Budgets und der erwünschten Auflösung.

Es gibt Tischmultimeter die direkt Leistungsmessungen machen können

Ja gibt es. Es gibt auch Netzteile die ein entsprechend genaues Multimeter eingebaut haben. Man muss dann aber checken ob einem die zeitliche Aufloesung reicht.

Aber man muss sich da immer fragen: Warum will ich sowas messen? Sollte die Antwort ein, ich will hinterher meine Schaltung verbessern wenn ich feststelle das sie noch nicht gut genug ist, enthalten dann will man ein grafisches Oszibild mit zeitlicher Aufloesung und noch ein paar Hilfskanaele damit man weiss in welchem Zustand der Schaltung die boese Leistung verbraten wird damit man da noch etwas aendern kann.

Vanye

Johannes B. schrieb:

Letztendlich soll eine Aussage getroffen werden, wie lange die Batterie des Geräts hält.

Für die Batterielebensdauer reicht es nicht, die entnommene Leistung zu kennen, weil es für die Entladung einen Unterschied bedeutet, wie hoch der Strom ist, d.h. es reicht nicht einmal, das Integral der entnommene Ladung zu kennen.

Johannes B. schrieb:

ich möchte die Leistung messen, die ein Gerät verbraucht.

Welche Spannung? AC oder DC? Welcher Strom min/max wird erwartet? Wie lange willst du messen? Interessiert dich am Ende nur der Mittelwert oder brauchst du den zeitlichen Verlauf (als graph)? Wie genau muss (nicht hätte gerne) die Messung sein? Falls es über eine grobe Schätzung hinaus geht: Wie hoch ist dein Budget? Auf welches vorhandene Equipment kannst du zugreifen?

ich möchte die Leistung messen, die ein Gerät verbraucht.

Grundlagen Physik... ;-)

N. M. schrieb:

Maximale Spannung? AC oder DC? Maximaler Strom? Wie schnell musst du messen? Was ist der Dynamik Umfang?

Leider kann ich noch keine Angaben dazu machen, da ich das Gerät selbst noch nicht kenne. Es ging mir erst mal nur darum, mir zu dem Thema grundsätzlich schon mal Gedanken zu machen. Das sind aber gute Punkte, die du nennst, die mir eine Vorstellung geben, auf was ich achten sollte. Vielen Dank!

N. M. schrieb:

Pauschal würde ich sagen nimm einen INA228 o.ä. und einen uC deiner Wahl. Der kann einiges messen/berechnen( Voltage, Current, Power, Energy, Charge, Temp). 20 Bit Delta Sigma bis 85V. Programmierbare Sampling Frequenz und Filterung. Auch nicht schlecht. Und nicht Mal sehr teuer...

Den werde ich mir merken. Vielleicht ist das eine Option.

Wolf17 schrieb:

Zur Ermittlung des Durchschnittsstromverbrauchs eines Geräts, dass µA und gelegentlich gepulst mA braucht, habe ich es mit einer neuen 2Ah Lithiumbatterie versorgt und die Batteriespannung am Anfang und danach alle 24h gemessen. Die Spannung einer vollen Lithiumbatterie fällt in den ersten paar Kapazitätsprozent schnell und stabilisiert sich erst nach einiger Zeit. Die Messung muss in dem schnell abfallenden Anfangsbereich erfolgen. Dann habe ich eine baugleiche Batterie mit Konstantstrom bis zur gleichen Meßendspannung entladen. Über die Zeit kann man den mittleren Gerätestrom ausrechnen.

Aber setzt es nicht voraus, dass die Spannung proportional zur verbrauchten Ladung ist? Letztendlich würde ich die Lebensdauer dann ja über Q = I * t bestimmen und nach t umstellen. Das funktioniert aber nur, wenn ΔU proportional ΔQ ist? Aber ist das der Fall?

Kay-Uwe R. schrieb:

dazu bedarf einer Worst-Case-Analyse! Messtechnisch kannst du den maximalen Strom (plus Aufschlag) erfassen und mit dem maximal möglichen Duty-Cycle verrechnen. Den Ruhe- bzw. Standby-Strom kannst du getrennt davon messen und die Eigenentladung der Batterie aus dem Datenblatt entnehmen. Für typische Betriebsfälle wird die Batterie zwar länger durchhalten, aber garantieren kann man das nicht. Deshalb sind hier eigentlich nur die Grenzen anzugeben. Best Case könntest du zusätzlich rechnen, dann hättest du beide Werte.

Also brauche ich den Maximalstrom I_max, den Duty-Cycle D und den Ruhestrom I_standby. Daraus ergibt sich: I_ges​ = I_max * D + I_standby​. Dann kann ich über Q_batterie = I_ges * t nach der Zeit umstellen.

Vanye R. schrieb:

Du brauchst einen Stromtastkopf der auch DC kann. Dazu gibt es hier diverse Threads zu wo auch auf die unterschiedlichen Loesungen eingegangen wird.

Solche Stromtastköpfe schaue ich mir mal an. Danke!

Rainer W. schrieb:

Für die Batterielebensdauer reicht es nicht, die entnommene Leistung zu kennen, weil es für die Entladung einen Unterschied bedeutet, wie hoch der Strom ist, d.h. es reicht nicht einmal, das Integral der entnommene Ladung zu kennen.

Du meinst, dass die Ladung Q der Batterie keine konstante Größe ist, sondern je nach Stromstärke schwankt? Es geht also um den Peukert-Effekt? Das heißt, je nach dem, was für eine Batterie ich habe, gilt Q = I * t nicht ideal, sondern ich muss die Peukert-Gleichung verwenden? Aber du hast recht, die Leistung sollte eigentlich für mich uninteressant sein. Ich brauche den Strom in Abhängigkeit von der Zeit. Und dann wahrscheinlich den Maximalstrom, um den Worst Case auszurechnen.

Nemopuk schrieb:

Welche Spannung? AC oder DC? Welcher Strom min/max wird erwartet? Wie lange willst du messen? Interessiert dich am Ende nur der Mittelwert oder brauchst du den zeitlichen Verlauf (als graph)? Wie genau muss (nicht hätte gerne) die Messung sein? Falls es über eine grobe Schätzung hinaus geht: Wie hoch ist dein Budget? Auf welches vorhandene Equipment kannst du zugreifen?

Tut mir Leid, dass ich keine genauen Angaben machen kann, aber ich werde mich hier zu einem späteren Zeitpunkt noch mal melden. Vielleicht werde ich hier dann schon meine Lösung vorstellen.

Es waren ein paar gute Anregungen dabei, die mir bei der Lösungsfindung weiterhelfen werden.

Viele Grüße Johannes

Johannes B. schrieb:

Aber setzt es nicht voraus, dass die Spannung proportional zur verbrauchten Ladung ist? Letztendlich würde ich die Lebensdauer dann ja über Q = I * t bestimmen und nach t umstellen. Das funktioniert aber nur, wenn ΔU proportional ΔQ ist? Aber ist das der Fall?

Wenn das Gerät ohne Spannungswandler arbeitet, wird bei etwas höherer Spannung mehr verbraucht, wie später im Einsatz. Dann korrigiert man halt bei meiner Methode das Ergebnis im Verhältnis der Spannungen. Mit 10% Fehler muss man rechnen, dafür ist die Methode schnell und billig.

Was ist denn das zu messende Gerät, warum wird das geheim gehalten?

Bei einer Abtastlösung muss man bedenken: Abtastrate: Man müsste die Hochstrompulsdauer kennen, um mehrfach schneller abzutasten. Meßdynamik: Wenn das Gerät lange nur 0,1µA aufnimmt und dann kurz 100mA, reichen 20bit ADU nicht. Strommessung: ein 1R Shunt hat bei einem 100mA Puls noch akzeptable 100mV Spannungsabfall. Bei 0,1µA gehen die 0,1µV aber in Thermospannung und Rauschen unter. Die Strommessung sollte man mit OP in Nullvolttechnik ausführen. Eine Messzange ist bei der Dynamik ungeeignet.

Alles kann man mit einem parallelem min.10µF Folienkondensator etwas entschärfen: Der Peak wird breiter und niedriger.

Abtastrate: Man müsste die Hochstrompulsdauer kennen, um mehrfach schneller abzutasten. Meßdynamik: Wenn das Gerät lange nur 0,1µA aufnimmt und dann kurz 100mA, reichen 20bit ADU nicht.

Das ist theoretisch zwar richtig, in der Praxis aber nicht relevant weil jemand der so eine Schaltung entwickelt eigentlich immer auch ein paar dickere Abblockkondensatoren auf der Schaltung hat. Das entschaeft die Sachlage deutlich.

Hier mal als Beispiel der Sendebetrieb eines SX1262. Da waren IMHO so 2x10uF direkt am SX dran. Deshalb reicht nach meiner Erfahrung eine Bandbreite von ein paar hundert Kiloherz aus. Mit 1Mhz ist man immer auf der sicheren Seite. Ausser man hat irgendeine krasse Anwendung die ich mir gerade nicht vorstellen kann. :-D

Vanye

Vanye R. schrieb:

Das ist theoretisch zwar richtig, in der Praxis aber nicht relevant weil jemand der so eine Schaltung entwickelt eigentlich immer auch ein paar dickere Abblockkondensatoren auf der Schaltung hat. Das entschaeft die Sachlage deutlich.

Der gezeigte 63mA Puls ist 36ms lang. Als ich schrieb, dass "min.10µF" die Sache entschärfen, dachte ich aber nur an µs Pulse. 63mA würden theoretisch 20µF nach 0,3ms um 1V entladen, so weit wird es aber gar nicht kommen. Die 20µF reduzieren bei den 63mA also nur die Anstiegsflanke im µs Bereich.