Hi, ich habe hier verschiedene Funkmodule und Temperatursensoren, mit denen ich zusammen eine Funkübertragung bewerkstelligen will, die einen sehr niedrigen Energieverbrauch hat, da sie lange auf Akkubetrieb laufen soll. Ist ein Uni-Projekt, habe dazu mehrere Wochen Zeit und auch ein bisschen Budget. Um die besten Komponenten und die beste Übertragungsmethode herauszufinden möchte ich den Stromverbrauch der Komponenten in allen Betriebzuständen genau messen. Das ist natürlich nicht ganz unproblematisch. Zum einen Verbrauchen Funkmodul und Mikrocontroller beim Messen/Senden immer mal wieder für wenige Millisekunden bis zu 20mA, im Schlafmodus dann wieder für eine lange Zeit nur wenige µA. Noch dazu ist die Stromaufnahme auch während der Sendezeit nicht konstant sondern variiert u.U. mit hoher Geschwindigkeit. D.h. im Stromverbrauch habe ich noch sehr hohe Frequenzanteile. Wenn ich nun mit einem ADC einfach die Spannung an einem Shuntwiderstand abtaste bekomme ich einerseits das Problem, dass ich mit einer sehr hohen Frequenz abtasten müsste (wenn ich mir die Shuntspannung eines meiner Funkmodule auf dem Oszi so anschaue bräuchte ich wohl um die 100kHz Abtastrate, besser noch 1MHz für alle Fälle) und andererseits bräuchte ich dazu noch eine ausreichend hohe Auflösung, da zwischen dem Stromverbrauch von Betriebs- und Schlafmodus mal mindestens ein Faktor von 10000 liegt. Mit ein bisschen Headroom sind das dann mindestens 16 Bit. Klar, das ist alles machbar aber ich möchte ja nicht unbedingt Wochen in die Entwicklung einer genauen Strommessmethode investieren, obwohl ich mir vorstellen könnte, dass 100kHz Abtastrate für einen flotten µC noch problemlos handlebar sind und ich mir lediglich einen geeigneten ADC raussuchen und eine Platine dazu entwerfen müsste. Ist das die geeignetste Messmethode? Gibt es preiwerte Alternativen? Lieber ein Ansatz auf Basis eine Coulomb-Counters? lg, Paul
Ich habe hier mal von folgendem Ansatz gelesen: Man lädt einen Kondensator mit einer bekannten Kapazität auf und verwendet diesen zur Stromversorgung. Dann misst man während der Benutzung den Spannungsabfall. Anhand der Geschwindigkeit des Spannungsabfalls kann man die durchschnittliche Stromaufnahme errechnen. Probiert habe ich das noch nicht, aber es klingt plausibel.
Das müsste dann aber ein Doppelschichtkondensator oder eben ein sehr großer Elko sein. Wenn der Stromverbrauch dann u.U. sehr gering ist hätte ich wohl mit der Selbstentladung zu kämpfen (beim Supercap zumindest), oder? Zudem sollte die Ausgangsspannung bei konstanten 3,3V liegen, weshalb ich noch einen Spannungsregler benötige, der auch noch mal Strom verbraucht (ob der immer konstant dem Wert im Datenblatt entpsricht?). Ganz so praktikabel stell ich mir das gerade nicht vor, müsste aber noch mal drüberrechnen.
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Paul H. schrieb: > Noch dazu ist die Stromaufnahme auch während der Sendezeit nicht konstant > sondern variiert u.U. mit hoher Geschwindigkeit. D.h. im Stromverbrauch > habe ich noch sehr hohe Frequenzanteile. Da holt dich natürlich sofort das Abtasttheorem ein. Aber in Wirklichkeit interessieren dich die hohen Frequenzanteile gar nicht. Du möchtest höchstwahrscheinlich die Energie pro Aussendung wissen, d.h. wenn du hinter deinem Strommessverstärker einen Tiefpass schaltest und dessen Ausgangssignal abtastest, verlierst du auch bei gemütlicher Abtastung nichts, weil du sowieso hinterher in der Auswertung über den Sende-Burst integrieren musst. Die Dynamik ist auch kein so ernstes Problem, weil du unabhängig Messungen machen kannst: Standby Stromaufnahme, Energie pro Messung, Energie pro Aussendung. Den Rest kannst du anhand der Mess- und Sendehäufigkeit mit dem Taschenrechner ausrechnen
Falls die "Kondensatormethode" machbar ist, sollte man hier wohl am besten einen (vielleicht auch mehrere) hochwertigen, normalen Kondensator verwenden. Später, bei normaler Anwendung, könnte ein Doppelwopper sinnvoller sein.
Wolfgang schrieb: > Da holt dich natürlich sofort das Abtasttheorem ein. Aber in > Wirklichkeit interessieren dich die hohen Frequenzanteile gar nicht. Du > möchtest höchstwahrscheinlich die Energie pro Aussendung wissen, d.h. > wenn du hinter deinem Strommessverstärker einen Tiefpass schaltest und > dessen Ausgangssignal abtastest, verlierst du auch bei gemütlicher > Abtastung nichts, weil du sowieso hinterher in der Auswertung über den > Sende-Burst integrieren musst. Ja richtig, das Abtasttheorem ist das Problem, der genaue Stromverlauf interessiert mich nicht wirklich. Aber besteht bei Zwischenschaltung nicht das Problem, dass der Tiefpass die hohen Frequenzanteile einfach komplett ausblendet und somit deren Energieanteile komplett wegfallen? D.h. ich verfälsche damit letztendlich mein Messergebnis.
Paul H. schrieb: > (wenn ich mir die Shuntspannung eines meiner Funkmodule auf dem > Oszi so anschaue bräuchte ich wohl um die 100kHz Abtastrate, besser noch > 1MHz für alle Fälle) Haben diese Module keine Blockkondensatoren? Wird Energie aus dem Akku wirklich so hochfrequent gesaugt?
Paul H. schrieb: > Aber besteht bei Zwischenschaltung > nicht das Problem, dass der Tiefpass die hohen Frequenzanteile einfach > komplett ausblendet und somit deren Energieanteile komplett wegfallen? Da solltest du dich nochmal mit den Grundlagen beschäftigen. Du betreibst deine Schaltung mit konstanter Spannung, d.h. die Leistung ist proportional zum Strom(linearer Zusammenhang). Damit wird alles einfach, weil du im Integral dann nur noch den mittleren Strom brauchst.
> Haben diese Module keine Blockkondensatoren? Wird Energie aus dem > Akku wirklich so hochfrequent gesaugt? Zumindest bei den ESP8266 Modulen schwankt die Stromaufnahme im Betrieb zwischen ca 80mA und etwa mehr als 300mA. Das sind sehr kurze aber hohe Peaks.
Man könnte die Stromaufnahme über einen Shunt messen, und dessen Ausgangsspannung vor der Messung durch einen Tiefpass leiten. Damit ist aber noch nicht das Problem der extremen Differenz zwischen Ruhestromaufnahme und Normalbetrieb gelöst.
Stefan U. schrieb: > Das sind sehr kurze aber hohe Peaks. Sooh sehr kurz nun auch nicht - immerhin einige Millisekunden
Ja das ist selbstverständlich. Aber ich betrachte das gerade aus signalverarbeitungstechnischer Sicht. Klar bekomme ich die Gesamtenergie des Signals wenn ich über das gesamte abgetastete Signal integriere. Aber wenn ich einfach das Spektrum nach oben hin mit einem Tiefpass abschneide (oder zumindest dämpfe) dann fehlt mir diese Energie doch nach der Integration später im Ergebnis, denn nach Parseval entspricht die Energie im Frequenzbereich auch der Energie im Zeitbereich. D.h. wenn ich da filtere dann bekomme ich nicht einfach die mittlere Leistung sondern einen etwas geringeren Wert. Wo ist der Denkfehler?
> D.h. wenn ich da filtere dann bekomme ich nicht einfach die mittlere Leistung > sondern einen etwas geringeren Wert. Verstehe ich nicht. Ein Tiefpass hinter dem Shunt (hat im Idealfall) keinen Einfluss auf den Spannungsabfall am Shunt. Ein Tiefpass liefert an seinem Ausgang den Mittelwert der Spannung, also ein Indiz für den Mittelwert des Stromverbrauchs. Wenn man den Mittelwert des Stromverbrauchs mit der als konstant angenommenen Versorgungsspannung multipliziert, erhält man die mittlere Leistungsaufnahme. Oder etwa nicht? Jetzt hast du mich aber verunsichert!
Paul H. schrieb: > D.h. wenn ich da filtere dann bekomme ich nicht einfach die mittlere > Leistung sondern einen etwas geringeren Wert. Wieso? Der höherfrequente Anteil mittelt sich doch über die Zeit sowieso weg, egal ob die Mittelung im TP oder im Integral passiert.
Aber warum sollte sich Leistung wegmitteln? Das Signal wird im Integral doch quadriert. Da mittelt sich doch nichts weg.
Hallo, es gibt auch 16-Bit oder 24-Bit (DEWETRON) Oszilloskope. z.B. hier eine Messung mit einem 16-Bit Scope: https://www.mikrocontroller.net/articles/Batteriew%C3%A4chter#Nachtrag2:_Strommessung_mit_dem_Oszi Batteriewächter Gruß Anja
Wird eine Prüfschaltung bestehend aus einem Reihenwiderstand und einem Parallelkondensator vorgeschaltet, so sollte sich ein vernünftiges Ergebnis, auch mit einer "normalen" Abtastfrequenz erreichen lassen. Egal wie die Stromaufnahme aussieht, der Strom muss durch den Widerstand. Da lässt er sich auch messen. Der Kondensator sollte dafür sorgen, das die "extremen" Spitzen geglättet werden. Ein gutes elektrisches Verhalten vorausgesetzt gibt es in diesem Bild keine Löcher. Die Spannung am Kondensator macht das Andere. Für die tatsächliche Messung sollte man sich aber den Kondensator selber basteln. Also ein paar µF mit geringem ESR und zur moralischen Unterstützung was hochwertiges, keramisches parallel. Aber wie bereits gesagt: Wenn es keinen Hinterausgang gibt, muss der Strom durch den Widerstand und der Kondensator hält die Spitzen im Zaum. Zwei Sachen sollten aber im Auge behalten werden. Kann eine exakte Prüfmethode nicht garantiert werden, so müssen Strom und Spannung gleichzeitig gemessen werden. Im Rahmen der maximal auftretenden Spitzen bzw. deren noch vorhandenen Frequenz. Ist bei Sendemodulen nicht immer zu gewährleisten. Auch wenn zur Prüfung immer die selben Daten auf die Reise geschickt werden.
Paul H. schrieb: > Aber warum sollte sich Leistung wegmitteln? Das Signal wird im Integral > doch quadriert. Da mittelt sich doch nichts weg. Doch, lies hier noch mal: Wolfgang schrieb:
Paul H. schrieb: > Zum einen Verbrauchen Funkmodul und Mikrocontroller > beim Messen/Senden immer mal wieder für wenige Millisekunden bis zu > 20mA, im Schlafmodus dann wieder für eine lange Zeit nur wenige µA. Genau für solche Messungen verwende ich hier ein Silabs EFM32WG STK. Das kann Ströme von <1µA bis ca. 50 mA bei 3.3V Versorgung messen - mittels AEM: https://www.silabs.com/community/mcu/32-bit/knowledge-base.entry.html/2014/05/21/using_aem_to_measure-BdWl Das ist zwar eigentlich für den aufgelöteten Prozessor gedacht- den kann man aber mit dem Energy Mode Demoprogramm in einem Sparmodus (EM4) im nA Bereich quasi totlegen. Abtasttheorem kann man bei Spannungsversorgung mittels Kondensator (so einige 10 µF) am Testgerät begegnen - das bügelt die Stromaufnahme "glatt", was man bei kleinen Batterien sowieso machen muss wegen Innenwiderstand. Normalerweise will man ja die mittlere Energieaufnahme wissen.
Da gibts doch einen patentierten Trick: Man baut (oder käuft) sich einen Schaltregler, der pro Schalttakt eine konstante bekannte Ladung überträgt und zählt dann einfach die Takte oder Frequenz, die er braucht, um die Ausgangsspannung zu halten.
So, ich habe die Sache noch mal weiter untersucht :-) Zum einen habe ich mir noch mal aufgemalt, wie die Energie überhaupt berechnet wird. Ihr habt vollkommen recht, die Energie ist proportional zum Integral der Spannung über dem Messshunt, hier wird nix quadriert. Somit mitteln sich alle höheren Frequenzen wirklich einfach raus, für die Integration zählen nur die 0Hz. Um das mal experimentell zu untersuchen habe ich mir in Matlab ein Skript geschrieben, welches ein Beispielsignal abtastet und zunächst direkt aufsummiert um die Energie zu berechnen und dann das ganze noch mal, nur dass nun das Signal durch einen Tiefpassfilter 1. Ordnung geschickt wird(was in der Realität ein RC-Tiefpass wäre). Im Ergebnis ist die Energie dann genau gleich. D.h. ich kann für eine Leistungs- oder Energiemessung problemlos das Eingangssignal problemlos mit einem RC-Glied glätten und dann abtasten und halte somit immer schön das Abtasttheorem ein :-)
Für den nRF51822 hat sich hier einer Gedanken darüber gemacht: https://www.youtube.com/watch?v=F7RI6CTpj64
Angehängte Dateien:
-
Platine6.jpg
180 KB -
Stromverbrauch05.gif
24 KB
Also ich hab mir ja einfach einen Stromtastkopf auf Basis eines MAX4080 gebaut. (siehe Bild) Den Maximalstrom stellt man sich ueber Widerstaende ein. Ich hab zwei Typen, einmal 10mA und einmal 100mA. Bandbreite ist 250khz. Ich hab auch noch eine Luxusversion die man an Labornetzteilen dazwischenstecken kann und da hab ich noch einen Filter drauf das man auf verschiedene Grenzfrequenzen umschalten kann. Das Bild zeigte eine Messung an einem nRF51822 bei laufender Datenuebertragung. Ziemlich cool oder? Jedenfalls im vergleich zu einen ordentlichen Haufen Geld nach Agilent zu tragen. :-) Olaf
> Ziemlich cool oder?
Sicher. Es müssen nicht immer hoch universelle Messgeräte sein.
Ich baue mir auch oft Hilfsmittel, die nur eingeschränkt nutzbar sind
aber für mich ihren Zweck erfüllen.
Das coole in dem Fall ist das Wissen um die Existenz des MAX4080. Der nimmt einen fast die gesamte Arbeit ab, hat 250khz Bandbreite und kommt mit 70V am Eingang klar. Das ist schon praktisch. Olaf
Wie messen eigentlich Multimeter? Filten die auch über ein RC-glied und tasten dann einfach ab? Wieso gibt es überhaupt Coulomb-Counter IC, die intern analog integrieren anstatt direkt mit einem ADC abzutasten? Wegen der großen Dynamik zu niedrigem Preis?
Paul H. schrieb: > Wie messen eigentlich Multimeter? Filten die auch über ein > RC-glied und > tasten dann einfach ab? Meist Dual-Slope Verfahren, ein integrierendes Prinzip.
> Wieso gibt es überhaupt Coulomb-Counter IC, die intern analog > integrieren anstatt direkt mit einem ADC abzutasten? Wegen der großen > Dynamik zu niedrigem Preis? Vermutlich eher wegen dem Stromverbrauch. Olaf
Harald schrieb: > Meist Dual-Slope Verfahren, ein integrierendes Prinzip. Wobei der Wandler die meiste Zeit "blind" ist. Es wird nur in der Integrationsphase gemessen. Während der De-Integration und während dem Null-Abgleich ist der Eingang nicht aktiv. Bei höherwertigen Instrumenten mit Multi-Slope Wandler wird schon während der Integrationsphase teilweise wieder De-Integriert. Die finale De-Integrationsphase ist dadurch kürzer. Aber auch hier bleibt der Null-Abgleich ohne Eingangssignal. Man müßte schon einen Delta-Sigma-Wandler mit kontinuierlicher Wandelung verwenden und alle Ergebnisse aufsummieren. Aber ohne Selbstabgleich ist natürlich die Offset- und Gain-Drift höher. Gruß Anja
Wie wäre es mit sowas hier: https://www.dorkbotpdx.org/blog/paul/measuring_microamps_milliamps_at_3_mhz_bandwidth
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