Strömmätning

Ja, tja, jag har till och från jobbat med små batteridrivna prylar. En fråga jag alltid fått från chefen är “hur ofta behöver man byta batterier?” Det är rätt viktigt att veta en sån sak. Om en pryl kan klara sig på ett knappcellsbatteri i ett par år så är det jättebra, om man måste ha 4 AA-batterier som behöver bytas varannan månad så sabbar det lätt kundens upplevelse av produkten. Och det är en jättesvår fråga att svara på.

För en ficklampa är det inte så svårt, den drar ingenting när den är avstängd och om lysdioderna sen behöver 100mA när lampan är tänd så kan man rätt lätt räkna ut att man får ungefär 8 timmars batteritid med ett batteri på 800mAh. Eller så har man i varje fall en någorlunda enkel och jämn urladdningskurva som man kan räkna på.

En IoT-pryl brukar ha ett mycket mer dynamiskt beteende. Prylen är för det mesta i sleep mode och drar några microampere. Sen vaknar den till liv och då drar CPUn ett par milliampere. Sen drar igång radion för mottagning och då drar den ytterligare 10mA under 50 milllisekunder medans den sitter där och lyssnar. Om den behöver svara så måste den även sända och då går strömförbrukningen upp till 20mA under 3 millisekunder. Har prylen en lysdiod som blinkar till så kanske det drar 1mA under 100ms. Osv.

En pryl som uCurrent är nästan oanvändbar för sånt här, om man ställer in skalan på den så man kan mäta strömförbrukningen i sleep mode så kommer spänningsfallet över shuntresistorn (burden voltage) vara så högt vid 10mA att prylen dör på grund av för låg matningsspänning. Man kan försöka komma runt det här genom att sätta dioder över shuntresistorn. Då begränsar man spänningsfallet till ett par hundra millivolt, men om man t.ex. har en pryl som strömförsörjs direkt från ett 3V knappcellsbatteri så är ett par hundra millivolt rätt mycket. En fin dyr bänkmultimeter som kan mäta ner till microampere har ofta samma problem. Sen är en multimeter rätt dålig på att visa dynamiska förlopp, man kan bara mäta på strömmar som inte varierar för mycket.

Man kan komma med en rätt bra gissning ändå, om prylen har en testmode där man t.ex. kan säga åt den att slå på radion i mottagningsläge och sen hänga där. Då kan man mäta strömförbrukningen med en noggrann multimeter och sen titta på hur länge prylen är i respektive läge med ett oscilloskop. Sen är det bara att ta mätningarna för varje läge och räkna ut amperetimmar=ampere*sekunder/3600 och summera ihop dem. Det är jobbigt och tråkigt men det fungerar någorlunda bra. Fast med moderna IoT-prylar med bluetooth low energy som växlar mellan flera olika strömsparlägen och där man inte kommer åt testmoderna så blir det jobbigare och jobbigare att göra sånt här för hand.

I rätt många år har jag haft i bakhuvudet att det borde gå att göra något bättre. Hur svårt ska det vara att bygga något som både klarar av mäta höga strömmar på säg 100mA men som också kan mäta små strömmar ner till några mikroampere? Och som kan göra det utan för stort spänningsfall över mätaren? Och som kan logga strömförbrukningen med någon millisekunds upplösning så att man kan se strömförbrukningen över tid?

En modern multimeter som en Keithley DMM6500 för 10000 kronor kan logga mätningar över tid så den kanske skulle kunna göra allt det där, men det är rätt mycket pengar för ett mätinstrument. Jag vet inte heller om den klarar av att växla mellan mätområden snabbt nog.

Jag har i varje fall skissat och funderat på en sån här mätpryl till och från i flera år. Jag har läst på om hur en transimpedance amplifier (TIA) fungerar: de är väldigt bra på att mäta väldigt låga strömmar utan att burden voltage blir för stor. Jag har funderat på hur man kan utöka området som en sån förstärkare klarar av att driva hålla nere burden voltage, och på sätt att hålla nere burden voltage när förstärkaren ändå inte orkar längre. Jag har simulerat och byggt en massa testkretsar. Men sen har det kommit jobb eller andra saker emellan och så har projektet hamnat på hyllan igen.

För ett par veckor sen bestämde jag mig för att faktiskt få ändan ur och göra det här på riktigt. Jag tog de kretsar som fungerat bäst i simulering och ritade ett kretskort där jag stoppade in alltihop. Jag fick mönsterkorten förra fredagen och har suttit i verkstan och lött och mätt och provat saker på kvällarna efter jobbet.

Det jag byggt är en kombination av en vanlig ampere-meter med en 10mOhm shunt-resistor. Den klarar av att mäta ström upp till +/-3A och ner till +/-100µA innan signalen försvinner i bruset. Sen har jag en transimpedance amplifier i serie med den som kan mäta upp till +/-300µA och ner till +/-10nA eller så innan bruset tar över. Transimpedance amplifiern i sig har jag modifierat så att den klarar av att kompensera för spänningsfallet över mätkretsen ända upp till +/-200mA. För att burden voltage inte ska bli för stor vid strömmar över det så har jag en MOSFET som kortsluter ingången till transimpedance amplifiern när strömmen genom shunt-resistorn är över +/-100mA. Överlappet mellan mätområdena borde göra att jag kan mäta ström hela vägen från +/-10nA upp till +/-3A och MOSFETen borde göra så att kretsen beter sig som om den bara hade 10mOhm shunt-resistans (plus lite till för MOSFETen) hela vägen upp till 3A.

Och tamigtusan om det inte verkar fungera. Eller ja, det verkar fungera efter att ha fulpatchat en del misstag i min konstruktion, men sånt får man väl räkna med.

Om man börjar nerifrån. Så här ser det ut om jag sveper min strömkälla från -10nA till +10nA i steg om 1nA. Inte bra, man kan ju se en trend, men i början så var ju mätvärdena helt fel. Om jag skulle göra samma mätning en gång till så lär jag få en helt annan kurva för att det är så mycket brus och mätvärdena driver fram och tillbaka.

Svep från -100nA till +100nA i steg om 10nA. Mycket bättre. Det finns ett litet gain-fel, om man tittar på Y-axeln så rapporterar kretsen ett lite högre värde än 100nA för en ström in på 100nA. Gainen verkar vara några procent högre än vad den borde vara. (Eller så är det min strömkälla som levererar ett par procent högre ström än vad den borde.) Men utöver det så ser det ju jättebra ut.

I verkligheten så har utsignalen en DC-offset på ungefär 13uV som jag räknat bort innan jag översatt utspänningen i volt till ampere.

Svep från -1µA till +1µA i steg om 100nA. Rakt och fint och inget märkbart gain-fel. Den röda linjen är alltså från transimpedance-amplifiern som mäter små strömmar. Den gröna linjen är mätvärdet från shunt-resistorn, men det är bara bruset som syns vid så låga strömmar.

Svep från -10µA till +10µA i steg om 1µA. Inga konstigheter. Den röda linjen från transimpedance amplifiern ser bra ut. Den gröna linjen från shunt-resistorn börjar gå åt rätt håll, men den är fortfarande skräp.

Fonten som används i skalan är trasig, fyrkanten borde vara “µ”.

Svep från -100µA till +100µA. Nu kommer man till området där mätningarna från shunt-resistorn börjar bli användbara. Mätvärdena är fortfarande brusiga och det finns en offset men det är nästan användbart. Mätningarna från transimpedance amplifiern ser fortfarande bra ut.

Svep från -1mA till +1mA. Här tog transimpedance-amplifierns mätområde slut. Den förstärker med 10000V/A och utspänningen kan variera mellan ungefär +/-3.5V vilket gör att den bara är linjär upp till ungefär +/-300µA. Men här börjar ju mätningnarna från shunt-resistorn vara bra nog att ta över.

Svep från -10mA till +10mA. Inga konstigheter här heller. Mätvärdet från transimpedance amplifiern är oanvändbart vid de här strömmarna även om den fortfarande ser till att burden voltage är låg. Mätvärdet från shunt-resistorn är snyggt och linjärt dock.

Tyvärr så lyckades jag inte få med burden voltage i mätningarna jag gjorde innan jag smet från verkstan igår, men om jag minns rätt så ligger den fortfarande på enstaka millivolt här.

Svep från -100mA till +100mA. Nånstans här så har MOSFETen slagt till och kortslutit transimpedance amplifiern.

Svep från -1A till +1A. Inga konstigheter.

Det här är så långt jag kunde köra med min fin-strömkälla. Men jag har även testat för hand med ett labbaggregat att kretsen klarar av att leverera ett vettigt mätvärde upp till +/-3A och att burden voltage ligger kring +/-30mV då. Vid +/-5A så får man inte ut några vettiga mätvärden längre, men burden voltage höll sig kring +/-50mV.

Så, tja, själva biten som tar en ström in och levererar en spänning ut på två områden verkar ju fungera. Nu är det bara resten kvar.

Jag har köpt en flerkanals 24-bitars 100ksps A/D-omvandlare som jag tänkt använda för att få in spänningarna i en microcontroller. Men först behövs det lite signalnivåanpassning och lågpassfilter mellan mätkretsen och A/D-omvandlaren. Sen måste jag skriva nån slags firmware för microncontroller också som kan strömma samples över USB till en PC eller spara ner det på ett SD-kort.

Jag återkommer väl och berättar hur det gick om ytterligare ett par år.