Zaloguj się
Wszystkie
19 lutego 2025
44
Pomiar niskich prądów to przede wszystkim problem dostępnych narzędzi. Na rynku są obecne instrumenty i przystawki pomiarowe pozwalające na takie pomiary, ale jest to raczej kategoria produktów niszowych, a przez to nieco droższych, choć nie zawsze. Sprawdzimy więc, co jest dostępne na rynku i porównamy parametry tych urządzeń. Rozważymy też możliwość pomiarów za pomocą samodzielnie wykonanych narzędzi, ze względu na to, że część komercyjnych przystawek i mierników ma ceny nieproporcjonalnie wysokie do oferowanych możliwości.
Problematyka pomiaru małych prądów
Badania prototypów urządzeń energooszczędnych, a zwłaszcza tych zasilanych bateryjnie, stawiają szczególne wymagania wobec instrumentu pomiarowego. Zazwyczaj pomiar poboru prądu realizowany jest przez badanie spadku napięcia na rezystorze pomiarowym. Rezystor ten zwykle ma relatywnie małą wartość, od kilku miliomów do kilku omów. Im mniejsza wartość samego rezystora pomiarowego, tym większe prądy można mierzyć, bo zgodnie z prawem Ohma spadek napięcia na takim rezystorze będzie mniejszy i mniejsza moc strat się na nim wydzieli. Gdy jednak chcemy mierzyć małe prądy, rzędu mili- lub mikroamperów, wartość rezystora pomiarowego musi być odpowiednio większa. Alternatywnie można użyć wzmacniacza pomiarowego o dużym wzmocnieniu i wysokiej precyzji w zakresie napięcia stałego. Zbyt wysoki opór rezystora pomiarowego, a przez to zbyt duży spadek napięcia na nim, może dodatkowo zafałszować wyniki pomiaru, zwłaszcza jeżeli zasilamy urządzenie napięciem bliskim minimalnego napięcia zasilania tego urządzenia.
Drugim problemem podczas pomiaru małych prądów jest zakres dynamiczny. W przypadku układów zawierających mikrokontroler, którego wewnętrzne moduły lub/i zewnętrzne bloki funkcyjne są włączane i wyłączane w miarę potrzeb, pobór prądu może zmieniać się w zakresie od dziesiątek lub setek nanoamperów do dziesiątek miliamperów. Możemy zaprogramować badane urządzenie tak, by w czasie testów załączało i wyłączało na żądanie kolejne moduły i bloki, a potem zmierzone wartości – wraz z czasami pracy poszczególnych elementów w normalnym trybie działania – przeliczyć na średni, minimalny i maksymalny pobór prądu. Mimo to przyrząd powinien mieć możliwość pomiaru wartości prądu od nA do mA, co zwykle realizuje się za pomocą przełączania zakresów. Można też zastosować przetwornik ADC o wysokiej rozdzielczości, by uzyskać pożądany zakres dynamiki pomiaru, ale niesie to za sobą kolejne problemy, jak wymóg użycia wysoce stabilnego źródła napięcia odniesienia czy też przeprowadzenia kalibracji przetwornika. Pojawia się też problem tolerancji innych komponentów (np. rezystorów) czy problemy z napięciem niezrównoważenia i szumami własnymi wzmacniaczy operacyjnych. Ponadto jeśli rezystor pomiarowy ma małą wartość, a przez to wzmacniacz pomiarowy ma duże wzmocnienie, układ taki staje się wyjątkowo podatny na zakłócenia zewnętrzne.
Trzecim problemem są: pasmo przenoszenia i częstotliwość dokonywania pomiarów. W idealnej sytuacji pobór prądu obserwowany byłby na oscyloskopie, by móc „złapać” na nim skoki związane z włączaniem lub wyłączaniem modułów i bloków funkcyjnych badanego urządzenia. Z poprzednich części wiemy, że czas pracy różnych modułów może zmieniać się w zakresie od mikrosekund do milisekund (lub więcej), więc dla uzyskania adekwatnego pomiaru pasmo przenoszenia przystawki oscyloskopowej powinno zaczynać się od napięcia stałego, a kończyć na minimum 1 MHz. Problem jest mniej dotkliwy, gdy możemy użyć do pomiaru multimetru – zazwyczaj te urządzenia mogą się poszczycić częstotliwością odświeżania na poziomie od kilku do kilkudziesięciu herców.
Jeszcze jeden problem stanowi zasilanie badanych układów – zasilacz powinien dostarczać wysoce stabilne napięcie. Z poprzednich części naszego cyklu wiemy, że pobór prądu potrafi mocno zależeć od napięcia zasilania – do tego stopnia, iż zmiana tego napięcia o kilkanaście mV może mieć mierzalny wpływ na pomiar. Co więcej, tanie zasilacze warsztatowe i laboratoryjne mogą nie oferować dostatecznie precyzyjnej regulacji nastaw, a samo napięcie wyjściowe będzie się powoli zmieniać wraz ze wzrostem temperatury wewnątrz – odpowiada za to dryft termiczny źródła napięcia odniesienia. Warto też dodać, że większość badanych urządzeń zasilanych jest napięciem w okolicy 1,2...3,3 V – a to oznacza, że w przypadku typowego zasilacza 30 V mamy do czynienia z dużym spadkiem napięcia na elemencie regulacyjnym. Do tego większość tanich zasilaczy nie radzi sobie zupełnie z ograniczeniem prądu (CC) poniżej ~20 mA. W ramach testu autor ustawił w swoim tanim zasilaczu laboratoryjnym napięcie 1,20 V wedle wskazań wbudowanego miernika, co wymagało niezwykłej delikatności w operowaniu potencjometrami regulacji zgrubnej i dokładnej. Dokładniejszy multimetr pokazał wartość 1,2033 V. Nie udało się ustawić ograniczenia prądu poniżej ~130 mA – zasilacz wpadał w tryb CC, redukując napięcie na wyjściu do zera. Oczywiście zasilacz był dość tanim wyrobem chińskiej firmy Wamptek, opartym na regulowanej przetwornicy impulsowej, więc nie należy oczekiwać cudów w zakresie precyzji i jakości takiej konstrukcji.
Podsumowując, do adekwatnych badań układów energooszczędnych potrzebujemy:
- precyzyjnego, niskoszumowego i bardzo stabilnego zasilacza,
- bocznika pomiarowego, który z jednej strony ma wartość wystarczająco dużą do uzyskania wymaganego spadku napięcia, a jednocześnie na tyle małą, by ten spadek nie wpływał na pomiary,
- przystawki pomiarowej o wysokiej impedancji wejściowej, możliwie szerokim paśmie przenoszenia (na potrzeby pomiarów oscyloskopowych), dużym wzmocnieniu i małych szumach własnych oraz pozbawionej błędów wynikających z niezrównoważenia wejść;
- multimetru, który pozwala na bardzo precyzyjne pomiary napięcia i prądu w zakresach mV/μA.
Dobrze by było, żeby to wszystko nie kosztowało zbyt dużo. Sprawdźmy zatem, czy da się relatywnie tanio skompletować taki zestaw pomiarowy, a zaczniemy od zasilacza.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
