วัดช่วงกว้างของกระแส 800 µA - 1.5 A

ฉันมีปัญหาในการวัดกระแสเป็นอุปกรณ์ IoT ที่ฉันทำ ฉันต้องสามารถรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับการใช้พลังงานเมื่อเวลาผ่านไปและเกี่ยวกับโหมดสลีปปัจจุบัน ฉันพยายามใช้ตัวต้านทาน shunt เพื่อรวบรวมข้อมูลปัจจุบัน แต่ฉันกำลังมุ่งหน้าเป็นปัญหาแรกกับ Georg Ohm และกฎหมายทั้งหมดของเขา

ในโหมดสลีปอุปกรณ์ของฉันควรใช้กระแสประมาณ 800 ,A PSU ของฉันไม่ถูกต้องนักกำลังบอกว่ามันกำลังส่งออกประมาณ 2 mA ดังนั้นฉันอาจมีการเข้ารหัสอีกเล็กน้อย อย่างไรก็ตามในโหมดสลีปในช่วงเวลาที่สุ่มดูเหมือนว่าโมเด็มจะเปิดอีกครั้งในช่วงเวลาสั้น ๆ และส่งสัญญาณ (พฤติกรรมของโมเด็มสลีปลึกแบบมาตรฐาน) การระเบิดของการส่งผ่านนี้อาจสูงถึงประมาณ 1.5 A

อย่างไรก็ตามฉันมีปัญหาในการใช้ตัวต้านทาน shunt เพราะแรงดันไฟฟ้าตกที่ทำให้ฉันเห็นข้อมูลที่มีความหมายเกี่ยวกับกระแสการนอนหลับลดแรงดันไฟฟ้าลงมากในระหว่างการส่งสัญญาณที่อุปกรณ์ของฉันรีสตาร์ท

ใครช่วยแนะนำวิธีการวัดกระแสเช่นช่วงกระแสขนาดใหญ่?

ข้อกำหนดอุปกรณ์:

• โหมด Sleep ปัจจุบัน: 600 µA - 3 mA
• ในปัจจุบัน: 27-80 mA
• ส่งการระเบิด: สูงสุด 1.5 A
• แรงดันไฟฟ้า: 2.6 V - 4.2 V
• กระแสไฟชาร์จ: 400 mA

คุณต้องการความแม่นยำเท่าใด หากคุณต้องการเพียงการประมาณจากนั้นไดโอดซิลิคอนซีรีย์จะให้การบ่งชี้ลอการิทึมมากกว่าหรือน้อยกว่าในช่วงกว้างของกระแส

ปัญหาหลักของไดโอดคือการลดลงของแรงดันไฟฟ้าที่มีอุณหภูมิสามารถลดลงอย่างมีนัยสำคัญโดยการใช้ไดโอดที่สองที่อุณหภูมิเดียวกันกับการอ้างอิงปัจจุบัน ไดโอดสองตัวภายในบริดจ์ตัวเรียงกระแสจะทำงานร่วมกับความร้อนและเหมาะสำหรับสิ่งนี้ฉันได้ทำเครื่องหมายการเชื่อมต่อบนแผนผังบริดจ์และไม่ได้ใช้งาน เนื่องจากโหลดของคุณใช้พลังงานต่ำมากและกระแสสูงเป็นเพียงพัลส์สั้น ๆ แม้กระทั่งไดโอดสองตัวที่ติดกันควรจะโอเค อินสแตนซ์ 1N540x นั้นดีสำหรับ 3 A ต่อเนื่องและจะยังคงมีการส่งต่อที่สำคัญที่ 100 µA

มันมีข้อได้เปรียบที่โหลดแรงดันไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงน้อยมากอาจจะเป็นไม่กี่ร้อย mV ระหว่าง 500 µA และ 1.5 A ซึ่งน้อยกว่าด้วย shunt ตัวต้านทานที่จะวัด mA

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

การแทนที่ R1 ด้วย sink ปัจจุบันจะทำให้การอ้างอิงปัจจุบันมีความแม่นยำมากขึ้น แต่ (แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย - 0.7 V) / R1 นั้นน่าจะเพียงพอสำหรับวัตถุประสงค์ส่วนใหญ่ ตามหลักการแล้วกระแสอ้างอิงจะอยู่ในช่วงที่คุณต้องการวัดที่ดีที่สุด ที่ไหนสักแห่งในช่วง 1 ถึง 10 mA รู้สึกดี

การอ่านโวลต์มิเตอร์จะเป็นสัดส่วนกับบันทึกของอัตราส่วนของโหลดต่อการอ้างอิงปัจจุบัน เอาต์พุตอิมพิแดนซ์จากไดโอดนั้นต่ำมากดังนั้นการขยายความแตกต่างด้วย opamp อาจจะขยายหรืออ้างอิงพื้นมันจะตรงไปตรงมา

คุณจะต้องทำการสอบเทียบเครื่องมือวัดการแปลงที่กระแสสูงและต่ำเพื่อกำหนดกฎการบันทึกและควรตรวจสอบที่จุดสองสามจุดระหว่างนั้น โปรดจำไว้ว่าการสอบเทียบที่กระแสสูงจะทำให้โหลดไดโอดร้อนดังนั้นคุณอาจจำเป็นต้องใช้พัลส์แบบสั้นเช่นเดียวกับพัลส์ส่งของคุณเพื่อลดข้อผิดพลาดในการระบายความร้อน

ส่วนขยายของคำตอบของ Neil_UK หากคุณต้องการความแม่นยำที่เหมาะสมในการนอนปัจจุบัน แต่ไม่สนใจเกี่ยวกับการวัดกระแสสูงด้วยวงจรเดียวกันนั่นคือการใส่ไดโอดและตัวต้านทานแบบขนาน:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

วิธีนี้เมื่อกระแสไฟฟ้าต่ำแรงดันข้ามตัวต้านทานจะเป็นสัดส่วนอย่างดีและมันจะต่ำพอที่ไดโอดปิดได้อย่างมีประสิทธิภาพดังนั้นจึงไม่แยกกระแสไฟฟ้าออกจากตัวต้านทานมากเกินไป (แม้ว่าตรวจสอบ รายละเอียดเกี่ยวกับไดโอดของคุณ)

เมื่อกระแสสูงไดโอดจะทำการและ จำกัด แรงดันตกที่ค่าที่เหมาะสม หากคุณต้องการวัดกระแสในเวลานี้เช่นกันคุณสามารถเพิ่มการแบ่งประเภทอื่น ๆ ในซีรีย์ได้เช่นกัน (ความเห็นชอบจาก @dim):

^{จำลองวงจรนี้}

คุณอธิบายสิ่งนี้ว่าเป็นช่วงกว้าง มันไม่จริง

1.5A สูงสุดของคุณคือ 1875 เท่าของคุณขั้นต่ำที่ 800uA ADC แบบ 16 บิตมีช่วงของ 65535 บิต หากคุณตั้งค่าขีด จำกัด สูงสุด 5A และอนุญาตให้กระแสเป็นบวกหรือลบนั่นจะให้ความละเอียด 153uA ต่อบิต หากกระแสไม่เปลี่ยนแปลงเร็วเกินไปคุณสามารถปรับปรุงความละเอียดของคุณให้ดียิ่งขึ้นด้วยการดูตัวอย่าง - ตัวอย่างเช่นการสุ่มตัวอย่างมากกว่า 16 ครั้งจะลดลงเหลือ 38uA ต่อบิต ดังนั้นจึงไม่มีปัญหาในการวัด

ปัญหาของคุณคือแรงดันตกที่ตัวต้านทาน shunt Mr Ohm มีคำตอบอยู่ตรงนั้น - ทำให้ตัวต้านทาน shunt ของคุณเล็กลง! คุณสามารถซื้อตัวต้านทาน 0.1 โอห์มได้อย่างง่ายดายและแม้กระทั่ง 0.01 โอห์ม (Google "0R1" หรือ "0R01" ซึ่งเป็นวิธีมาตรฐานในการแสดงเศษส่วนของโอห์ม)

ปัญหาที่เกิดขึ้นหลังจากนั้นเป็นวิธีการวัดแรงดันไฟฟ้าข้ามปัด คุณจะต้องใช้แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีความต้านทานอินพุตสูงมากเพื่อให้คุณสามารถวัดแรงดันได้โดยไม่กระทบกับมัน จากนั้นคุณต้องการเพิ่มอัตราขยายบางส่วนเพื่อให้คุณสามารถขับเคลื่อน ADC ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม

แรงดันไฟฟ้าต่ำหมายถึงปัญหาเรื่องเสียงรบกวนมากกว่าดังนั้นควรใส่ใจกับการติดตามเส้นทางและสิ่งอื่น ๆ ที่เป็นแนวปฏิบัติที่ดีที่สุด คุณจะต้องให้ความสนใจที่เหมาะสมกับแหล่งจ่ายไฟและการอ้างอิงที่เสถียร ผู้ควบคุมสวิตช์โหมดไม่ใช่เพื่อนของคุณที่นี่ แม้แต่ตัวควบคุมเชิงเส้นหลังจากโหมดสวิตช์ไม่จำเป็นต้องมี PSRR เพียงพอที่จะฆ่าระลอกคลื่นได้อย่างเหมาะสม

ขั้นตอนการรับจะมี DC ตรงข้ามกับพวกเขาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ คุณจะต้องรวมขั้นตอนการสอบเทียบด้วยตนเองที่คุณวัดการอ่าน ADC โดยไม่มีกระแสไฟฟ้าแล้วจึงลบการอ่านนั้นออกเป็นศูนย์เมื่อคุณทำการวัดจริงในปัจจุบัน คุณสามารถทำสิ่งนี้ได้โดยอัตโนมัติเมื่อเริ่มต้น (ทำเครื่องหมาย "ติ๊ก" หลายเมตรเมื่อพวกเขาเริ่มต้นและเป็นเพราะพวกเขาสลับไปมาระหว่างการอ้างอิงแบบออนบอร์ดเป็นการสอบเทียบอัตโนมัติ) หรือคุณสามารถทำได้เพียงครั้งเดียวแล้วเก็บผลลัพธ์ไว้ใน NVM

จำไว้ว่านี่เป็นคำตอบสั้น ๆ ! ฉันหวังว่านี่จะช่วยให้คุณรู้วิธีรับมือกับปัญหา

ฉันรู้ว่ามันเป็นคำถามเก่า แต่ข้อมูลอาจยังมีประโยชน์

คุณอาจต้องการตรวจสอบแนวคิดการออกแบบบางส่วนของuCurrentโดย Dave Jones ที่ EEVBlog ในขณะที่มันไม่มี auto ตั้งแต่มันจะครอบคลุมการวัดระดับล่าง นอกจากนี้ตัวดัดแปลงบางตัวยังช่วยลดจำนวนช่วงในขณะที่ยังคงความถูกต้องอยู่พอสมควร

อย่างน้อยที่สุดฉันจะแบ่งการวัดออกเป็นต่ำกว่า 1A (จริงต่ำกว่า 400mA) และสูงกว่า 1A (aka 1.5A ในระหว่างการส่งสัญญาณ)

หากไม่มีข้อมูลเพิ่มเติม (ซึ่งฉันยอมรับอาจไม่สามารถลบคำถามเดิมได้) มันยากที่จะให้รายละเอียดเฉพาะ แต่ฉันจะเห็นสิ่งที่ฉันสามารถทำได้

เว้นแต่คุณจะใช้อุปกรณ์ mcu / transceiver เสาหิน (nrf5x, STBlue ฯลฯ ) ฉันจะรักษาเส้นทางวิทยุในลักษณะเดียวกับที่จะใช้กับเส้นทางดิจิตอลในปัจจุบันเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากกระแสอนาล็อกของคุณ หากคุณกำลังใช้อุปกรณ์เสาหินพลังงานสูงทางออกเดียวที่ฉันเห็นคือการใช้ตัวต้านทานความรู้สึกขนาดเล็กมากรวมกับเครื่องขยาย / โมดูลความรู้สึกปัจจุบันที่มีช่วงอินพุตที่กว้างมาก ฉันรู้ว่า ADI มีคู่อยู่ (อันที่จริงฉันเพิ่งดูที่แอมพลิฟายเออร์ / โมดูลความรู้สึกในปัจจุบัน) และถ้าฉันต้องเดาก็มีอุปกรณ์ที่ใช้งานได้

แหล่งที่มาของข้อมูลอีกก็จะบล็อกของ Jean-Claude Wippler มากกว่าที่JEELabs ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา (ดูเหมือนว่าจะมีประมาณ 10+) เขาได้ทำการทดลองมากกว่าหนึ่งครั้งบนกระดานวาดปัจจุบันขณะค้นหาแบตเตอรี่ที่ยาวนาน แม้ว่ามันอาจจะไม่ตรงจุด แต่มันก็อาจให้ความคิดของ OP เกี่ยวกับทิศทางที่จะไป นี่คือบทความล่าสุดที่ฉันเห็นในเรื่อง เพื่อดูรายการที่ยาวนานและประวัติการทำงานของเขาฉันใช้การค้นหาโดย Google แบบง่าย ๆ

site:jeelabs.org current measurement

ฉันเพิ่งค้นพบCurrentRangerซึ่งนำแนวคิด uCurrent (การวัดกระแสภาระต่ำ) ไปสู่ระดับใหม่ทั้งหมด เอาต์พุตแบบอนุกรมและจอแสดงผล OLED ที่เป็นอุปกรณ์เสริมเป็นเพียงคุณสมบัติใหม่สองสามอย่างเท่านั้น มีแผนผังและเฟิร์มแวร์และเฟลิกซ์ให้รายละเอียดในการออกแบบ

แก้ไข: รายละเอียดที่ดีกว่าของสิ่งที่ฉันคิดโดยการเชื่อมโยงหน้าเหล่านั้น

แก้ไขที่สอง: เพิ่ม CurrentRanger หนึ่งในข้อร้องเรียนในความคิดเห็นคือ uCurrent นั้นไม่ได้ทำงานโดยอัตโนมัติ

ฉันมีปัญหาเกี่ยวกับช่วงไดนามิกเมื่อทดสอบแรงดันไฟฟ้าในโหมดสวิตช์รถยนต์ สำหรับกระแสอินพุตที่คาดหวังสูงถึง 5 แอมแปร์ฉันใช้ตัวปัด 100 มิลลิวินาที

เมื่อทำการทดสอบว่ากระแสที่โหลดไม่ออกจาก 24 V นั้นน้อยกว่า 7 mA หรือไม่ฉันใช้ 10 Ω shunt กับ 10 A Schottky diode ข้ามมัน การรวมกันปัดอยู่ในจิ๊กทดสอบของฉัน ฉันสลับ DVM ของฉันระหว่างสองสับเปลี่ยนกันด้วยสวิตช์เลื่อนDPDT

นี่คือในปี 1995 และตัวเลขไม่ใหญ่ วันนี้คุณสามารถสลับด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าปัด คุณอาจมีการเชื่อมต่อมากกว่าสองซีรี่ส์ที่สับเปลี่ยนหากจำเป็น กุญแจสำคัญในการนี้คือการบายพาสกระแสต้านทานต่ำความต้านทานสูงด้วยไดโอด

หนึ่งในเคล็ดลับที่ฉันเคยใช้ในอดีตคือการใส่ตัวต้านทานความรู้สึกเข้าไปในลูปข้อเสนอแนะของ op-amp สิ่งนี้ทำให้แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอุปกรณ์ภายใต้การทดสอบนั้นค่อนข้างคงที่ในขณะที่อนุญาตให้มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเพื่อพัฒนาบนตัวต้านทาน shunt

ในกรณีของฉันฉันรวมสิ่งนี้กับแอมพลิฟายเออร์การวัดและ ADC หลายตัวทำงานแบบขนานเพื่อให้ได้ช่วงไดนามิกที่กว้างขึ้น

ฉันอธิบายระบบที่ฉันสร้างขึ้นในบทที่ 5 ของวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของฉันวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของฉันระบบของฉันจะไม่สามารถใช้งานได้โดยตรงกับแอปพลิเคชันของคุณ แต่อาจให้แนวคิดบางอย่างเกี่ยวกับความท้าทายที่ต้องเผชิญกับระบบเช่นนี้

บางครั้งหลังจากที่ผมได้พัฒนาระบบการ DIY ของฉันฉันค้นพบว่าAgilent (ตอนนี้ Keysight) ได้พัฒนาระบบที่คล้ายกัน ไม่ถูกว่า

เป็นวิธีทางเลือกคุณสามารถใช้ shunt ขนาดเล็กที่เหมาะกับช่วง 1.5 A และมีวงจรขยายสองแยกที่ป้อนเข้ากับ ADC สองตัว จากซอฟต์แวร์คุณสามารถเลือกได้ว่าจะใช้อันไหนตามการอ่านของพวกเขา ด้วยกระแสที่สูงขึ้นคุณจะได้รับ ADC อิ่มตัวสูงขึ้นและคุณจะรู้ว่าคุณต้องใช้อีกตัวหนึ่ง

ปัญหาคือความสมบูรณ์ของสัญญาณเกี่ยวกับการลด EMI

1.5A / 0.75mA หมายถึง SNR 66 dB และความแม่นยำของ ADC

เสียงรบกวนจากพื้นหลังจะต้องได้รับการป้องกัน, ปราบปราม, กรองด้วย CMRR ที่ดีเยี่ยมและค่าเฉลี่ยเพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ด้วย ADC 16 บิตที่ดี

หากคุณไม่มีความละเอียดนี้คุณสามารถมีอินพุตสองแบบที่ต่างกันโดยที่อินพุตที่ได้รับสูงกว่า 40dB กำลังของระบบปัดและแรงดันข้อผิดพลาดในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตนั้น จำกัด ความต้านทาน shunt และโดยทั่วไปแล้วจะเลือกสูงสุด 75 mV เซ็นเซอร์กระแส IC ที่มีอัตราขยายอาจเป็นชุดโมโร่

วิธีการบรรลุสิ่งนี้ต้องใช้ประสบการณ์ ด้วยความละเอียด <-90 dB และเป้าหมายการออกแบบที่ 80 dB SNR หวังว่าคุณจะสามารถบรรลุ 70 dB SNR