Я хотел бы превратить клон Arduino в измеритель тока, который позволит мне измерять энергопотребление сенсорного узла, который имеет спящий и активный режимы. Напряжение питания сенсорного узла находится в диапазоне 4-6 В, а во время сна ток, который я пытаюсь измерить, находится в диапазоне одноразрядных микроампер, а во время передачи он может потреблять до 150 мА. В идеале я бы хотел, чтобы после калибровки погрешность не превышала 1 % по всему диапазону измерений.
Кажется, проблема такого типа возникает время от времени. Здесь и здесь есть предложения по активному переключению схем, и я видел упоминания об устройстве под названием uCurrent , которое также требует ручного переключения диапазонов чувствительности. Затем я наткнулся на этот вопрос , где в ответе предлагалось последовательно использовать шунты с разными значениями для соответствия различным диапазонам чувствительности, что показалось мне элегантным решением, хотя я недостаточно знаю, чтобы судить о решении по сравнению с тем, что было предложено в этот вопрос , а именно использование нескольких усилителей измерения тока для измерения падения напряжения на одном шунте.
Мой вопрос: каковы относительные достоинства двух конструкций (несколько шунтов + диоды против одного шунта с несколькими усилителями)?
Для моего варианта использования я нашел несколько усилителей тока, которые, кажется, соответствуют всем требованиям:
Если бы я использовал один шунт, я мог бы использовать усилители измерения тока с усилением 50/500x в семействе INA191 или 50/1000x в семействе INA21x ; подключив усилитель измерения тока с 50-кратным и 1000-кратным усилением к шунту 0,2 Ом, я мог использовать два канала 14-битного АЦП, встроенного в мой клон Arduino, измеряя в диапазоне 0-2 В для выборки до 200 мА с точностью 24 мкА и до 10 мА с точностью 1,22 мкА (при условии, что 13 используемых битов от моего 14-битного АЦП).
Если бы мне пришлось использовать два шунта, я бы выбрал два идентичных усилителя измерения тока, возможно, со 100-кратным усилением, и соответствующие шунты, такие как 0,1 Ом и 10 Ом. Мне также интересно, могу ли я добавить стабилитрон для защиты АЦП от перенапряжения из-за шунта с более высоким сопротивлением.
Будет ли одна из двух конструкций давать лучшую точность, или позволит мне заметно расширить диапазон измерений, или будет проще или надежнее в сборке? (редактировать: и оба они будут использоваться для измерения тока на стороне высокого напряжения, что, как я понимаю, считается хорошей практикой и позволит мне повторно использовать мой измеритель тока для большего количества проектов?)
Заранее извиняюсь, если это сравнение по какой-то причине не подходит; Я все еще пытаюсь понять некоторые основы. В этом случае я был бы признателен за ссылки на соответствующие материалы.
Самый простой подход - это один шунт с одним переключаемым усилителем усиления. Сможете ли вы использовать это, зависит от конкретных обстоятельств.
Какой наибольший шунтирующий резистор можно использовать при максимальном токе? Это будет ограничено вашим падением напряжения. Например, при 150 мА на резисторе 1 Ом будет падать 150 мВ. Может быть, вы можете терпеть больше?
Теперь, с этим шунтирующим резистором, можете ли вы указать усилитель, который даст вам достаточную точность (шум, смещения) при самом низком токе? Точность 1% от 1 мкА составляет 10 нА или 10 нВ с тем же шунтирующим резистором.
В настоящее время доступно несколько хороших усилителей с автонулем, но они не дадут вам уверенного входного разрешения 10 нВ, вы можете увидеть смещения в области мкВ. Когда вы направляетесь в nV, ошибки появляются отовсюду, например, эффекты Зеебека из-за температурных градиентов на плате. Возможно, вам не нужна точность 1% в самом низком диапазоне тока. Может быть, вы можете уменьшить полосу пропускания с помощью жесткой фильтрации, чтобы улучшить разрешение при спящих токах.
Я не вижу особого смысла в использовании нескольких усилителей, если не считать сомнительного преимущества отсутствия необходимости переключать их коэффициент усиления. Лучше потратить деньги на один действительно хороший усилитель и переключить его коэффициент усиления.
Если вы не можете справиться с малым током с помощью одного шунтирующего резистора, вам нужно как минимум два шунтирующих резистора, независимо от того, переключаются ли они каким-либо переключателем на полевых транзисторах или автоматически разводятся диодами. Обратите внимание, что использование диодов даст вам большое переменное падение напряжения при изменении тока нагрузки. Если вы можете терпеть это, то можете ли вы терпеть одиночный, гораздо больший шунт?
Я большой поклонник использования кремниевого диода или, что еще лучше, силового транзистора с диодным включением (поскольку они более точно следуют логарифмическому закону) для такого рода измерения тока в очень широком диапазоне. Однако ваше требование точности в 1% полностью выходит за рамки использования диода. Теперь, если вы можете быть довольны точностью 10%, тогда это становится возможным.
Даниэль Вагнер
Нил_UK
Нил_UK
Даниэль Вагнер