Cara untuk mengukur arus di picoamperes

11

Saya perlu memeriksa konsumsi daya rendah mikrokontroler di kisaran picoamperes . Saya hanya memiliki multimeter yang mampu mengukur miliampere dan karena itu menunjukkan 0.

Apakah ada cara mudah dan tepat untuk mengukur picoamperes?

current-measurement Tedi
sumber
1
Jika mudah, multimeter Anda mungkin memiliki opsi untuk melakukannya. Dan saya kesulitan memahami mengapa picoAmps penting bagi μC, mungkin nanoAmps dalam mode tidur, tetapi pico, apakah kita sudah sejauh itu?
Arsenal
2
Anda mungkin dapat memeriksa eevblog.com/projects/ucurrent tetapi tampaknya buang-buang waktu untuk mikrokontroler. Mengapa Anda benar-benar ingin mengukurnya, tentunya Anda ingin arus rata-rata selama periode waktu yang lebih lama ketika melakukan sesuatu?
PeterJ
4
Baterai jenis apa? Arus debit diri itu akan memberi Anda petunjuk yang baik tentang seberapa besar arus yang Anda ukur harus relevan. Standar CR2032 memiliki arus bocor ~ 0.2μA jadi berdasarkan itu pergi ke picoAmps tidak sebanding dengan masalahnya.
Arsenal
1
Bob Pease pada pengukuran femtocurrent (dan tindakan pencegahan khusus yang diperlukan untuk menghindari kebocoran merusaknya) electronicdesign.com/test-amp-measurement/…
pjc50
1
Seperti yang diperintahkan dokter: hackaday.com/2015/08/26/data-logging-in-the-picoampere-range tautan ke sigzig.com/blog/2015/8/18/…
Russell McMahon

Jawaban:

23

Nyalakan mikro-controller dengan kapasitor, yang dibebankan ke voltase yang diketahui. Tunggu jumlah waktu yang tepat, lalu ukur voltase. Hitung arus dari delta-V dan C. (Jangan mengukur tegangan terus menerus, kecuali jika Anda memiliki meter dengan impedansi yang cukup tinggi, karena itu dapat menarik arus ekstra.) Anda akan memerlukan kapasitor dengan kapasitansi yang diketahui, tetapi dalam keadaan darurat Anda bisa mengukur capcitor dengan cara yang sama dengan mengeluarkannya melalui resistor yang dikenal.

Seperti komentar menunjukkan, jalur saat ini lainnya dapat berkontribusi pada pelepasan kapasitor (termasuk pelepasan diri). Anda dapat mengulangi pengukuran dengan UC yang dihapus dan melihat nilai apa yang memberi. Maka Anda mungkin berpikir tentang apakah Anda dapat secara realistis menghindari arus 'lain' dalam desain Anda.

Dan jangan lupa baterai Anda self-discharge dan / atau penuaan!

Jika Anda bertujuan terlalu 'melihat' mode power-down dari chip dalam aksi Anda dapat menggunakan kapasitor, membangun sirkuit sederhana yang secara berkala menghubungkannya ke catu daya (jika mungkin disinkronkan dengan siklus aktivitas UC, harus memiliki benar-benar kebocoran rendah saat ini!), dan perhatikan tegangan C pada lingkup (impedansi lingkup harus lebih tinggi dari konsumsi UC saat ini, atau Anda bahkan mungkin menggunakan kopling AC jika siklus aktivitas UC cukup singkat). Dengan cara ini Anda dapat memverifikasi pembagian waktu dalam konsumsi arus tinggi dan rendah, dan arus dalam kedua mode.

Wouter van Ooijen
sumber
2
Arus bocor kapasitor mungkin menjadi masalah dengan metode ini dan wilayah tujuan saat ini. Ukuran kapasitor juga harus dipilih agar voltase tidak turun terlalu banyak.
Arsenal
3
@Arenal: Arus 1 nA akan mengeluarkan kapasitor 10 nF 0,1V dalam satu detik. Ada banyak teknologi kapasitor kebocoran rendah yang tersedia dalam kisaran kapasitansi tersebut. Tetapi mengukur arus dalam kisaran ini selalu menjadi tantangan, karena Anda harus memperhatikan SEMUA jalur kebocoran yang mungkin - kontaminasi permukaan adalah masalah umum.
Dave Tweed
2
Anda juga bisa melakukan beberapa tes lagi hanya dengan kapasitor (untuk pengujian self-discharge), atau dengan meteran yang terus-menerus dihubungkan (untuk melihat apa pengaruh meter + pelepasan kapasitor) dan membandingkan semua skenario untuk mengetahui berapa banyak masing-masing kerugian spesifik adalah
user2813274
8

Salah satu metode sederhana yang saya gunakan adalah meletakkan resistor secara seri dengan daya ke mikro dan paralel dengan kapasitor. Kebocoran kapasitor tidak sepenting dalam kasus ini.

Misalnya, jika Anda berpikir arus suplai tidak boleh lebih dari 10nA maka Anda dapat menggunakan resistor bernilai 10M 1% secara paralel dengan kapasitor keramik 1uF. Itu akan memberi Anda 100.0mV untuk 10nA (jadi beban ammeter adalah 0,1V, yang seharusnya tidak terlalu mempengaruhi rangkaian - naikkan tegangan input sedikit untuk mengkompensasi penurunan jika mengganggu Anda).

Kemudian lihat tegangan pada resistor 10M menggunakan voltmeter dengan impedansi input tinggi, seperti Agilent 34401 dalam mode resistensi input> 10G. Arus bias meter akan mempengaruhi pembacaan, tetapi kurang dari 30pA (0,3%) pada suhu kamar.

Kombinasi 10M / 1uF menyaring paku kecuali jika terjadi pada frekuensi yang sangat rendah (jika, misalnya, prosesor Anda bangun sekali setiap 10 detik dan menarik 0,5mA untuk 100 usec itu tidak akan bekerja dengan baik).

Spehro Pefhany
sumber
3

Konsumsi daya atau arus dari mikrokontroler bisa sangat tidak teratur tergantung pada kondisi µC. Misalnya: 1pA untuk 999 ms dan kemudian 1uA untuk 1 ms. Rata-rata itu adalah 1,001 nA. Jika multimeter Anda akan melakukan pengukuran setiap 100 ms, itu tidak akan pernah mengukur 1,001 nA! Dalam hal ini Anda perlu menggunakan resistor secara seri dengan suplai dan osiloskop untuk mengukur tegangan resistor untuk "melihat" arus aktual dari waktu ke waktu.

Bimpelrekkie
sumber
Bisakah Anda mengarahkan saya ke resistor seperti itu?
Tedi
2
Jika OP hanya tertarik pada usia baterai, karakteristik dinamis dari beban tidak terlalu menjadi masalah; semua yang dia butuhkan adalah bagian integral dari arus (charge), yang merupakan ukuran teknik berbasis kapasitor.
Dave Tweed
@DaveTweed Sebenarnya untuk masa pakai baterai karakteristik dinamis bisa sangat penting karena bahan kimia tidak selalu bereaksi dengan baik dengan perubahan mendadak, tetapi saya merasa pertanyaan sebenarnya adalah "Bagaimana cara memperkirakan masa pakai baterai saya?" jadi saya akan berhenti.
Arsenal
Saya juga ingin memastikan bahwa perintah sleep di UC melakukan tugasnya.
Tedi
2

Kebanyakan osiloskop menentukan impedansi masukan salurannya. Itu cenderung tentang Gigaohm. Jika Anda meletakkan lingkup di jalur tanah dari UC (sebagian besar cakupan menghubungkan saluran tanah ke bumi, dan Anda mungkin tidak dapat menempatkan tanah di VDD dari UC) Anda akan mengukur tegangan di resistor ini, dan karena itu saat ini digunakan oleh UC, secara real time. Itu akan memberi Anda pengukuran yang cukup akurat (1mV => 1pA).

Dave
sumber
1

Mari kita lihat masalah apakah baterai "peduli" - yaitu apakah beban dalam kisaran pA mempengaruhi masa pakai baterai secara signifikan?

Spoiler: Tidak. Bahkan pengukuran yang mampu resolusi 1 nA lebih "presisi" daripada yang dibutuhkan dalam praktiknya.

Baterai Lithium primer (tidak dapat diisi ulang) terbaik yang terbaik memiliki masa simpan yang bermanfaat sekitar 20 tahun (dengan kemungkinan kehilangan kapasitas 30% - 70%) tanpa lebih dari perhatian yang masuk akal terhadap suhu dll. Contoh-contoh umum adalah

20 tahun adalah sekitar 175.000 jam sehingga 10 mAh kerugian selama waktu itu setara dengan arus 10 / 175.000 mA atau 10.000.000 / 175.000 = 57 = 57.000 pA. Jadi pengukuran pA sama sekali tidak perlu untuk ukuran baterai apa pun yang dapat digunakan.

Sebagai contoh, baterai 50 mAh dengan mengatakan 50% hilang ke rak setelah 20 tahun (trik yang baik jika Anda bisa melakukannya) akan memungkinkan 25 mAh untuk beban atau arus rata-rata 142.500 pA = 142.5 nA = 0.1425 uA. Pengukuran ke nA arus beban rata-rata terdekat memberi Anda akurasi sekitar 1% - yang akan memungkinkan perkiraan masa pakai baterai yang jauh lebih tepat daripada yang akan Anda temukan dalam kenyataan. Variasi praktis akan membanjiri upaya tersebut.

Russell McMahon
sumber