Konwerter prąd-napięcie, prototyp elektroda.pl

Testowany w tym materiale konwerter prąd->napięcie umożliwia pomiar małych wartości prądu (µA, nA) obserwując wskazania na woltomierzu lub miliwoltomierzu. Do wyjścia można podłączyć oscyloskop i rejestrować zmiany wartości prądu w czasie. Niska rezystancja rezystora pomiarowego zapewnia niskie spadki napięcia, w typowym multimetrze są one nawet 10x większe na zakresie µA, co może mieć wpływ na pracę podłączonego odbiornika. Szczegóły powstawania prototypu znajdziecie w temacie autora projektu zgierzman. Urządzenie posiada dwa zakresy:
-µA (pomiar od 0-10mA, rezystancja 10Ω, spadek napięcia do 100mV, napięcie wyjściowe 0-10V)
-nA (pomiar od 0-10µA, rezystancja 10kΩ, spadek napięcia do 100mV, napięcie wyjściowe 0-10V).
Napięcie na rezystorze pomiarowym wzmacniane jest 100x wzmacniaczem OPA189. Płytka konwertera oraz zestaw elementów SMD wraz z instrukcją montażu i schematem pojawi się w gadżetach elektroda.pl Poniżej materiał filmowy, tekstowy i kilka zdjęć prezentujących testy konwertera.


Link


W materiale filmowym znajdziecie porównanie wskazań konwertera z multimetrem na zakresie µA oraz porównanie z konwerterem µCurrent gold. Dla mnie urządzenie spełnia swoją rolę i jest efektywne kosztowo natomiast jak w każdym prototypie jest miejsce na ulepszenia. Sprawdźmy czy będzie możliwe zaobserwowanie na oscyloskopie zmian wartości prądu pobieranego przez Arduino UNO podczas różnych rodzajów operacji wykonywanych przez mikrokontroler. Wyeliminowałem LED sygnalizujący zasilanie płytki UNO oraz obniżyłem napięcie zasilania do 3.3V aby zmieścić się w zakresie 10mA. Być może przydałby się dodatkowy zakres konwertera 100mA lub 1A?



Następnie wysłałem do Arduino napisany na szybko kod, który w pętli wykonuje 3 różne rodzaje operacji:
-obliczenia matematyczne
-manipulacje zawartością RAM
-manipulacje zawartością EEPROM
Oczywiście w takiej próbie lepiej sprawdziłby by się asembler gdzie mamy dokładną kontrolę nad rodzajami operacji wykonywanych przez mikrokontroler.

Każdemu rodzajowi operacji towarzyszą inne stany logiczne na wyjściach 2,3,4, to ułatwi obserwacje na oscyloskopie. Kod jest z gatunku "nic nie robiących" ale nawet taki prymitywny przykład pozwolił na zaobserwowanie wahań prądu pobieranego przez mikrokontroler.



Konwerter pozwolił na zarejestrowanie poboru mocy przez mikrokontroler, najbardziej prądożerne okazały się operacje na pamięci EEPROM. Żółty ślad to napięcie na wyjściu konwertera, pozostałe kanały śledzą zmiany na wyjściach mikrokontrolera towarzyszące kolejnym etapom wykonywania kodu w pętli.





W realnych scenariuszach takie informacje można wykorzystać do optymalizacji zużycia energii przez mikrokontroler, szczególnie tryby oszczędzania energii, ustawienia portów I/O i ustawienia wbudowanych funkcjonalności mogą mieć wpływ na czas pracy na pojedynczej baterii.

Sprawdziłem pasmo przenoszenia i doszedłem do podobnych wniosków jak autor konstrukcji zgierzman. Poniżej kształt przebiegu wyjściowego (ślad niebieski) i czasy narastania/opadania dla zakresu µA konwertera.





Porównanie czasów narastania i opadania dla konwertera µCurrent gold:




Przebieg 100KHz na zakresie µA dla naszego konwertera:



Oraz porównanie 100kHz dla µCurrent gold:



Przełączamy nasz konwerter na zakres nA i przebiegi wyglądają tak:









Zawartość zestawu zobaczycie na zdjęciu poniżej. Zaciski wejściowe i wyjściowe nie są dołączone, należy wybrać je we własnym zakresie. Elementy SMD są dość proste w montażu, uwagę należy zwrócić na wzmacniacz operacyjny, jego montaż wymaga precyzji (szczegóły na filmie w materiale). Uchwyty bateryjne montujemy w dystansie do PCB (nie powinny opierać się o soldermaskę), 2 baterie 12V warto okleić izolacją gdyż mogą spowodować zwarcie gdy zetrze się warstwa farby.







W kolejnych wersjach PCB warto zadbać o opisy zakresów, umieszczenie na PCB informacji o:
-dopuszczalnych prądach na zakresach,
-rezystancji konwertera na zakresach
-maksymalnym spadku napięcia na rezystorze pomiarowym,
-napięciu wyjściowym konwertera,
-opisie przełącznika ON-OFF,
-logo elektroda.pl na górnej warstwie
Przyda się także LED sygnalizujący włączenie aby pamiętać o wyłączeniu konwertera po zakończeniu pomiarów. Dobre byłoby też zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją zasilania. Układ ścieżek można zmodyfikować tak aby złącza baterii nie pokrywały się ze ścieżkami o innym potencjale. Może uda się znaleźć inne złącza baterii?





Podobają mi się uzyskane efekty, należy docenić wkład pracy i wytrwałość autora, która umożliwiła przejście od pomysłu do prototypu, a na końcu pojawienie się niewielkiej serii prototypowych zestawów do montażu dla użytkowników elektroda.pl Gratulacje!

Czy korzystacie z konwerterów prąd-napięcie,
jak oceniacie ten prototyp,
co według Was warto zmienić w tym projekcie?

TechEkspert wrote:

Testowany w tym materiale konwerter prąd->napięcie umożliwia pomiar małych wartości prądu (µA, nA) obserwując wskazania na woltomierzu lub miliwoltomierzu.

Biorąc to pod uwagę, czy nie byłyby bardziej użyteczne testy poboru prądu w różnych trybach uśpienia procesora? Uważam, że tego rodzaju konwerter byłby całkiem przydatny właśnie do tego celu.

Jak najbardziej w takim zastosowaniu można użyć ten konwerter, można zoptymalizować pobór mocy przez mikrokontroler.
Wykonałem nieco mniej oczywisty test i udało się zauważyć różnicę w poborze prądu przy różnych rodzajach operacji wykonywanych przez mikrokontroler. Przed wykonaniem tej próby nie byłem pewien czy uda się coś zaobserwować. Dla trybów uśpienia efekty powinny być znacznie bardziej wyraźne.

Czy da się ten układ zaadaptować do pomiaru prądu przeplywajacego podczas wykonywania pomiaru rezystancji izolacji kabli napięciem np. 1000V?

Hmm, pewnie się do tego celu nie nadaje, czy to jest pomiar prądu upływności przy określonym napięciu, czy pomiar rezystancji izolacji?

Przydatne urządzenie w warsztacie. Według mnie można pomyśleć nad innym zasilaniem. Zastosowany włącznik zasilania może przyczynić się do szybkiego wyczerpania baterii, ponieważ można łatwo zapomnieć o jego przełączeniu do pozycji OFF. Zamiast niego można wykombinować jakiś układ czasowy załączany uswitchem na układach CMOS 4xxx.
Zastosowane baterie do tanich nie należą i w cenie jednego kompletu można wykombinować przetwornicę step-up dającą symetryczne napięcie przy zasilaniu jakimś zużytym ogniwem LiPo.

TechEkspert wrote:

Dla trybów uśpienia efekty powinny być znacznie bardziej wyraźne.

Dla trybów uśpienia prądy będą małe, trzeba sprawnie operować rezystancją, żeby cokolwiek zmierzyć. ESP32 może nie chcieć współpracować - Brownout Detector czuwa, nieobsłużone przerwanie prowadzi do restartu, a obsłużone wybudzi procesor i nie będzie pomiaru prądu w uśpieniu

lemgo wrote:

ESP32 może nie chcieć współpracować - Brownout Detector czuwa, nieobsłużone przerwanie prowadzi do restartu, a obsłużone wybudzi procesor i nie będzie pomiaru prądu w uśpieniu

Dla celów pomiarowo-testowych Brownout Detector w ESP32 można wyłączyć.

khoam wrote:

Dla celów pomiarowo-testowych Brownout Detector w ESP32 można wyłączyć.

Tak. Dlatego napisałem że może nie chcieć współpracować, nie, że się nie da

Dynamiczne zmiany prądu o rzędy wielkości to problem, przydałby się automatyczny szybki przełącznik zakresów (rezystancji pomiarowej),
znalazłem coś takiego:
https://www.nordicsemi.com/Software-and-tools/Development-Tools/Power-Profiler-Kit-2
200nA do 1A
89$

Więcej w tym filmie:

Link

Witam, poniżej trochę krytyki

Co prawda w temacie opisującym proces budowy już na wstępie zgierzman próbował odciąć swój projekt od konstrukcji uCurrent od EEvblog.
O ile chęć zmierzenia się samemu z problemem rozumiem i szanuję o tyle argumenty... to nawet nie są argumenty tylko skróty myślowe wprowadzające czytelnika w błąd.

1. Cena
uCurrent oferuje 3 zakresy pomiarowe vs 2, aktualna cena na EEVblog to 79$, przebitka ze strony Welectron sugeruje 67,26Eur. Fakt sporo za gotowy produkt. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę że uCurrent jest bardzo dobrze udokumentowany to gdy autor udokumentuje swoje rozwiązanie, poda jego szczegółową charakterystykę zadba o odpowiednią oprawę dla gotowego produktu to jaka będzie widniała kwota za to rozwiązanie na sklepowej półce? Może nie 79$ ale w porównaniu do ilości komponentów zapewne mnożnik ceny końcowej będzie podobny (tak to są spekulacje).
uCurrent'a również możemy złożyć samemu. Mamy dostęp do schematu oraz plików gerber jak i BOM wiec tak jak i obecnie ten projekt podana sklepowa cena wprowadza w błąd.

LMV321SN3T1G (LMV321AS5X wycofany z produkcji) - 3,31PLN/netto (min 5szt, Farnell)
MAX4239AUT+T - 11,10PLN/netto (min 1szt, Farnell)
OPA192IDBVR - 13,88PLN/netto (min 1szt, Farnell)
TPS3809L30DBVR - 3,31PLN/netto (min 1szt, Farnell) można nie montować żeby było taniej, podobnie LED'a stanu baterii choć to przydatna funkcja żebyśmy wiedzieli kiedy zbliżamy się do progu min. zasilania wzmacniacza/y co by zawczasu dać znać że się mogą nasze pomiary rozjechać.

Wiem że Farnell ma wyższe ceny niż TME ale to że czegoś nie ma w TME nie znaczy że jest od razu trudno dostępne. Wszystkie układy znalazłem dostępne w Farnell więc wszystkie są tam tak samo "drogie". Każdy ma pogląd o jakim rzędzie wielkości mowa.

2. Zasilanie
Fakt sztuczne zero komplikuje układ ale wzmacniacze MAX4239AUT można zamienić na OPA189 jedynie trzeba zrezygnować z CR2032 i wsadzić 3 "paluszki" albo 2 litowe 18650-tki które powinny zmieścić się w uchwycie pod płytką.
Według mnie komplikacją układu autora jest zastosowanie właśnie baterii 12V.

W wątku z tworzenia projektu są założone dwie baterie Duracell o oznaczeniu MN1 23A, paczka dwóch to koszt 28,12PLN/netto (1paczka/2szt, Farnell)...

3. W torze pomiarowym uCurrent największy rezystor posiada 10k i tolerancję 0,05% w opisywanym konwerterze 56k i tolerancję 0,1%
4. Brak informacji o stanie baterii (jak dla mnie wada bo dwa tanie elementy nie komplikują układu a dodają przydatną funkcjonalność).

Co byłoby fajnie zobaczyć.

- Poziomo montowane konektory zamiast pionowo. Można by zaprojektować PCB z podfrezowaniem krawędzi żeby środek konektora był w płytce a cyna łapała od góry i dołu dla większej wytrzymałości mechanicznej
- Można dodać footprint do opcji wlutowania złącz SMA zamiast bananowych gdyby ktoś jednak chciał "mierzyć megaherce" przy poborze prądu w trakcie wybudzania ze stanu uśpienia lub zmianie z uśpienia w głębokie uśpienie.
- Fajną i niedrogą byłaby opcja zaprojektowania płytki pod jakąś standardową małą obudowę metalową oraz odsłonięcie krawędzi, tak gdyby ktoś chciał jeszcze bardziej odizolować się od zakłóceń a jednocześnie da to możliwość większego dopasowania pod własne potrzeby.

dominon wrote:

gdyby ktoś jednak chciał "mierzyć megaherce" przy poborze prądu w trakcie wybudzania ze stanu uśpienia lub zmianie z uśpienia w głębokie uśpienie.

Mógłby kolega rozwinąć tę myśl?

dominon wrote:

Brak informacji o stanie baterii (jak dla mnie wada bo dwa tanie elementy nie komplikują układu a dodają przydatną funkcjonalność).

Z tym w pełni się zgadzam.

TechExpert wrote:

Płytka konwertera oraz zestaw elementów SMD wraz z instrukcją montażu i schematem pojawi się w gadżetach elektroda.pl

Ciuchutko zapytam czy wiadomo kiedy będzie dostępny?

Mam info, że niebawem
męczcie gulsona