Schnelle Shunt-Umschaltung

  • Hallo alle!


    ich hab diesen Beitrag zur Messung von Strömen in weiten Bereichen gelesen. Das Thema ist für die Verbrauchsmessung von Sensoren (µC + Sensoren + WLAN/RF-Sendemodulen) sehr interessant, da dort Ströme von < 1 µA (Power down- mode) bis zu 100 mA und mehr (Stromspitzen beim Senden im WLAN) auftreten.


    Zur Strommessung solcher Sensoren könnte man einen Shunt von 1 Ohm einsetzen, das gäbe bei 100 mA gut messbare 0,1 Volt Spannungsabfall, bei 1 mA wären es noch 1 mV. (Die INA219-Module arbeiten so).

    Sehr geringe Ströme gehen aber mehr oder minder im Rauschen unter. Bei 1 µA müsste man 1 µV messen. Zudem bräuchte man einen 20-Bit-Wandler, um bei einer Auflösung von 0,1 µA einen Messbereich von 0,1 µA bis 0,1 A zu erreichen. (Der Ina 219 arbeitet mit 9-12 Bit bei 12-2 Samples pro ms, wobei die Samplingrate umso geringer ist, je höher die Auflösung ist.)

    Ein größerer Shunt geht auch nicht, weil dann bei größeren Strömen der Spannungsabfall zu hoch wird und außerdem die Verlustleistung steigt, so dass das Ding irgendwann durchbrennt.

    Außerdem müsste man für vernünftige Werte in sehr schneller Folge messen - mindestens 10 Messungen pro ms, besser mehr, um kurze Stromspitzen möglichst exakt zu registrieren.


    Die Lösung aus dem obigen Link sind zwei unterschiedliche Shunts in Reihe, wobei bei höheren Strömen der größere Shunt überbrückt wird. Eigentlich banal.


    Für diese Überbrückung braucht man aber einen schnellen Schalter. Wie der aussieht, wurde in der Quelle wohlweislich verschwiegen.


    Frage nun: Mit welchen elektronischen Bauteilen könnte man so einen Schalter realisieren?

    Im Idealfall muss er

    - bei Spannungen von 1,8 bis 5 Volt arbeiten

    - Ströme von ca. 0,1 bis 100 mA durchschalten

    - sehr schnell sein (idealerweise im ns-Bereich, wenigstens im einstelligen µs-Bereich)

    - einen geringen Spannungsabfall (idealerweise null) haben

    - einen geringen, möglichst konstanten Widerstand haben (idealerweise null)


    Hat da jemand eine Idee?

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  • Was ich mich frage ist, wie das angesteuert werden soll ...

    Da bist Du schnell mal im GHz-Bereich, was die Taktfrequenz betrifft. Raspi ist da eher nix, es sei denn, Du machst das auf "bare metal" ...

    Selbst der Arduino Due dürfte da zu langsam sein ...


    //EDIT: evtl. mit FPGA oder Signal-Prozessoren ... aber da bewegen wir uns in einem Umfeld, in dem ich abslout keine Ahnung habe.


    cu,

    -ds-

  • MOSFET(s)?


    Die haben einen Durchgangswiderstand im mOhm-Bereich, den kann man bestimmen und rausrechnen...


    Mit den entsprechenden Treiberschaltungen schalten die auch im müSec-Bereich...

    Danke, das ist schon mal interessant. Ich hab schon an Mosfets gedacht, aber die Datenblätter falsch interpretiert.

    Wenn ich mal z. B. das Datenblatt dieses Mosfets richtig lese, muss nur die Gatespannung hoch genug sein, um einen niedrigen und weitgehend konstanten Widerstand von unter 1 mΩ zu bekommen. Die Schaltzeiten liegen im zweistelligen ns-Bereich. Das würde ja locker reichen.


    Wie könnte man am einfachsten den Schaltpunkt feststellen? Ich denke an einen Komparator. Der müsste aber mit einer Hysterese an definierten Punkten schalten - im Prinzip ein Schmitt Trigger.

    Bei sehr kleinen Strömen (100 nA bis 100 µA) werden die beiden Shunts (z. B. 1 Ω und 1000 bzw. 999 Ω) zusammen genutzt. Der Spannungsabfall ist relativ hoch (0,1 bis 100 mV). Steigt er aber über 100 mV (100 µA), muss der Komparator den Mosfet schalten. Jetzt wirkt nur noch der kleine Shunt. Der Spannungsabfall sinkt dann natürlich sofort, der Komparator muss aber weiter durchgeschaltet bleiben.

    Erst wenn die Spannung unter 0,1 mV fällt, muss der Komparator wieder abschalten.

    Wie kann man einen Komparator/Schmitt Trigger mit diesen Eigenschaften realisieren? Wiki sagt, dass man mit dem NE521 oder sogar dem NE555 einen einstellbaren Präzisions-Schmitt Trigger bauen kann. Weiß da jemand was genaueres?

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  • Was ich mich frage ist, wie das angesteuert werden soll ...

    Siehe den Beitrag von eben. Das soll natürlich analog angesteuert werden - mit einem Schmitt Trigger oder sowas. Bis der Arduino merkt, dass die Spannung zu hoch ist, ist Silvester und Ostern vorbei...
    Digital wird es erst an dem Punkt, wo der Pi oder ein µC oder ein PC die Daten vom AD-Wandler ausliest.

    Immer alles der Reihe nach... :^^:

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