Geeignete Messmittel für die Erfassungs von sporadischen Imlusströmen über lange Zeit.

Geeignete Messmittel für die Erfassungs von sporadischen Imlusströmen über lange Zeit. Keysight

Drahtlose Sensoren sind die ideale Lösung zur Erfassung von Umweltdaten oder Betriebs­parametern von Industrieanlagen. Sie sind unproblematisch zu installieren und können an vielen Stellen eingesetzt werden. In wenigen Jahren werden solche Sensoren in großer Zahl im Rahmen des „Internets der Dinge“ (IoT) eingesetzt werden. Momentan steht dem Einsatz solcher Sensoren noch entgegen, dass sie ihre Aufgabe nur eine begrenzte Zeit lang erle­di­gen können. Wird ein drahtloser Sensor von einer Batterie gespeist, ist er nur noch Elektro­schrott, wenn die Batterie leer ist.

Sparspam mit der Batterieladung haushalten

Das wichtigste Kriterium bei der Konstruktion eines batteriebetriebenen drahtlosen Sensors ist daher sein Stromverbrauch. Ziel ist, dass das Gerät mit einer Batterie eine vernünftige Zeitspanne läuft. Die Problem löst man üblicherweise so, dass man große Teile der Schal­tung nur für die gewünschte Aktivität einschaltet und das Gerät danach in den Tiefschlaf versetzt. Man kann die Tätigkeit eines drahtlosen Sensors in verschiedene Phasen unter­gliedern, von denen jede eine gewisse Zeit lang einen gewissen Stromverbrauch verursacht. Die wichtigsten Betriebszustände sind:

  • Aufwachen, messen und Daten zu einem Datentelegramm verdichten
  • Sender einschalten, Datentelegramm absetzen, Sender wieder ausschalten
  • Bei bidirektionalen Sensoren (die sowohl senden, als auch empfangen): Aufwachen, Empfänger einschalten, empfangen, Daten verarbeiten, passend auf die empfange­nen Daten reagieren, wieder in den Tiefschlaf fallen.

Es liegt nahe, dass die zeitliche Verteilung und Häufigkeit dieser Aktionen die Batterie­laufzeit beeinflusst. Der einfachste Weg zu längerer Batterielaufzeit ist eine größere Batterie mit höherer Kapazität. Das macht das Gerät allerdings räumlich größer, und Ihre Kunden hätten gern einen möglichst kleinen, aber leistungsfähigen Sensor (der viele Daten senden kann und eine Menge lokale Prozessorleistung hat). Diese Erwartung des Kunden ist somit diametral entgegengesetzt zur einfachsten Lösung des Batterielaufzeitproblems.

Eckdaten

Drahtlose Sensoren müssen mit ihrer Batterieladung sparsam haushalten. Damit der Entwickler über lange Zeit die kurzen und oft nur wenige Mikroampere großen Strompulse sicher erfassen kann, bietet Keysight ein geeignetes Messsystem. Die speziell für Strom­ver­brauchsanalysen ent­wickelte SMU (Source/Measure Unit) N6781A überwindet die Grenzen herkömmlicher Messungen mit zwei Innovationen: Naht­loser Bereichswechsel und Langzeitaufzeichnung ohne Pausen.

Die Batterielaufzeit einschätzen

Als Entwicklungsingenieur kommt man um einen Kompromiss zwischen Batteriegröße und Funktion eines drahtlosen Sensors nicht herum. Der Sensor soll aber auch mit einer möglichst kleinen Batterie und einem vernünftigen Batteriewechselintervall eine möglichst hohe Leistung aufweisen.

Will man die Stromaufnahme optimieren, muss man zunächst den Energiebedarf des Geräts verstehen. Daten über den Stromverbrauch zu sammeln ist der erste Schritt zur Charakteri­sierung der Geräteleistung. Eine Batterie speichert eine definierte Menge Energie, gemessen in Wattstunden (Wh). Kennt man den Energiebedarf des Gerätes, kann man daraus die Batterielaufzeit errechnen.

Batterielaufzeit (in Stunden) = gespeicherte Energie (Wh) / durchschnittlicher Leistungsverbrauch (W)

Die in einer Batterie gespeicherte Energie ist das Produkt ihrer Nennspannung (V) und ihrer Kapazität (Ah). Die Nennspannung ist ein mittlerer Spannungswert auf der Entladekurve der Batterie, der empirisch so ermittelt ist, dass man daraus korrekt die gespeicherte Energie einer Batterie bestimmen kann. Basierend auf dieser Überlegung kann man die Batterie­lauf­zeit auch nach folgender Formel bestimmen:

Batterielaufzeit (in Stunden) = Kapazität der Batterie (Ah) / durchschnittliche Stromentnahme (A)

Bild 1: Stromaufnahme eines drahtlosen Sensors in verschiedenen Betriebsphasen.

Bild 1: Stromaufnahme eines drahtlosen Sensors in verschiedenen Betriebsphasen. Keysight

In der Wirklichkeit ergeben sich allerdings meist geringere Batterielaufzeiten als nach diesen Formeln errechnet. Meistens wird dann dazu gesagt: „Die Batterie war schlecht.“ Große Batterie­hersteller liefern detaillierte Datenblätter ihrer Produkte und erläutern, dass die Kapazität von Batterien eines bestimmten Typs typischerweise um 5 bis 10 % streut. Aber selbst wenn man konservative Annahmen über die Kapazität der Batterie anstellt, erweist sich die Batterielaufzeit in der Wirklichkeit dennoch meistens als kürzer. Das Gerät stellt seinen Dienst ein, bevor es das der Rechnung zufolge tun sollte. Warum ist das so? Stimmt die Berechnung der Stromaufnahme nicht? Vermutlich doch. Woran liegt es also dann? Das Problem verdient eine genauere Betrachtung.

Strommessungen mit hoher Dynamik sind nicht ganz einfach

In batteriebetriebenen Geräten wie drahtlosen Sensoren sind verschiedene Subsysteme aus Stromspargründen nur dann aktiv, wenn man sie braucht. Ein solches Gerät ist meist so konstruiert, dass es sich den Großteil der Zeit mit minimalem Stromverbrauch im Tiefschlaf befindet. In dieser Betriebsart läuft lediglich eine Uhr, die den Rest des Gerätes periodisch für eine Messung aufweckt. Die gesammelten Daten werden dann zu einem Empfänger gefunkt, danach wird der Großteil der Schaltung wieder schlafen gelegt.

Senden 20 … 100 mA 1 … 100ms
Aktiv 100µA … 10 mA 10 … 100 ms
Schlafen 500 nA … 50 µA 100 ms … Minuten

 

Tabelle 1: Typische Stromaufnahme und zugehörige Zeiten

Die Stromaufnahme unterscheidet sich in verschiedenen Betriebsphasen sehr stark, sie reicht von sub-µA bis 100 mA, das ist näherungsweise ein Verhältnis von 1:1.000.000.

Herkömmliche Messverfahren und ihre Grenzen

Ein bekanntes Verfahren zur Strommessung ist der Einsatz eines Digital­multi­meters (DMM) als Amperemeter. Die Genauigkeit von Strommessungen moderner DMMs sieht auf den ersten Blick gut aus, die Spezifikationen beziehen sich allerdings auf feste Messbereiche und relativ stabile Signale, also eine Situation, die bei einem drahtlosen Sensor mit seiner sehr dynamischen Stromaufnahme so nicht gegeben ist.

Zur Strommessung schaltet man das DMM in Reihe zwischen Batterie und Stromver­brau­cher. Wenn man das mit einem drahtlosen Sensor so macht, sieht man ab und zu die Anzeige des DMMs etwas zappeln, nämlich dann, wenn der Sensor aktiv ist oder gar sendet. Das DMM hat mehrere Messbereiche und schaltet zwischen ihnen auch automa­tisch auf den am besten passenden um. Das gibt die genausten Messwerte. Dennoch sind DMMs nicht ideal. Die automatische Bereichswahl braucht 10 bis 100 ms zum Wechsel des Messbereichs und zur Beruhigung des Messgeräts, das ist länger als die aktiven Phasen oder die Sendephasen des Sensors dauern. Aus diesem Grund sollte der Nutzer für solche Messungen die automatische Bereichswahl ausschalten und den am besten passenden Bereich manuell anwählen.

Das DMM misst Ströme, indem es einen Serienwiderstand in den Stromfluss einschleift und den Spannungsabfall an diesem Widerstand misst. Für einen kleinen Strombereich hat dieser Widerstand einen relativ hohen Wert, für einen großen Strombereich einen kleinen. An diesem Widerstand fällt eine gewisse Spannung ab, die sogenannte Bürdespannung. Somit erreicht nicht die gesamte Batteriespannung den drahtlosen Sensor. Die Bürde­spannung eines relativ hohen Serienwiderstands (den man für die Messung der Strom­aufnahme im Schlafzustand braucht) kann in einer aktiven Phase so groß sein, dass die Betriebsspannung des Gerätes einbricht und das Gerät sich rücksetzt. Also muss man als Kompromiss einen so großen Strombereich wählen, dass das Gerät auch in aktiven Phasen (in denen es viel Strom aufnimmt) weiterfunktioniert.

Stromaufnahme in mehreren Zuständen messen

In diesem Messbereich kann man dann prinzipiell die Stromaufnahme in der aktiven Zeit und auch im Schlafzustand messen. Das Verfahren hat aber einen Haken: Die Genauigkeit eines Messgeräts ist immer als Prozent­zahl des Skalenendwerts angegeben. Messwerte am Skalenanfang sind daher wesentlich ungenauer. In einem Messbereich von 100 mA mag ein Messfehler von 0,005% für den Skalenendwert angegeben sein, das sind in absoluten Zahlen 5 µA. Bezogen auf einen Messwert von 10 µA sind diese 5 µA aber 50% Messunsicherheit; bezogen auf einen Mess­wert von 1 µA sogar 500%. Der Stromverbrauch eines drahtlosen Sensors liegt aber in der Schlafphase (in der er sich den größten Teil der Zeit befindet) in der Größenordnung von nur 1 µA, entsprechend hat ein Messfehler hier eine enorme Auswirkung auf die errechnete Batterielaufzeit.

Nach der Messung der geringen Stromaufnahme des Sensors in seiner Schlafphase ist nun die Stromaufnahme in der aktiven Zeit und beim Senden zu messen. Man braucht hier sowohl den Absolutwert der Stromaufnahme in diesen Betriebsphasen als auch die Zeit, die der Sensor in diesen verbringt. Ein Signal, das sich in der Zeit ändert, kann man wunderbar mit einem Oszilloskop erfassen. Im vorliegenden Fall will man Ströme von einigen zig mA messen.

Empfindlichkeit der Strommessung verbessern

Bild 2: Die SMU N6781A von Keysight erlaubt genaue Strommessungen über einen großen Dynamikbereich.

Bild 2: Die SMU N6781A von Keysight erlaubt genaue Strommessungen über einen großen Dynamikbereich. Keysight

Gängige Strommessköpfe sind für Ströme dieser Größenordnung nicht besonders gut geeignet. Sie sind relativ unempfindlich und driften relativ stark. Gute Strommesszangen weisen ein effektives Rauschen von 2,5 mA auf, und ihr Nullpunkt muss ständig nachgestellt werden. Solche Stromsensoren messen das magnetische Feld um einen Leiter herum. Immer­hin kann man ihre Empfindlichkeit mit einem Trick verbessern, indem man die Strom­zufuhr zum Testobjekt mehrfach durch die Strommesszange führt (und so das Magnetfeld entsprechend vervielfacht). Das multipliziert auch den Messwert, so dass man kleine Ströme etwas besser messen kann. Auf diese Weise schafft man es, die Stromaufnahme des Sen­sors in der aktiven Zeit und während der Sendephasen zu erfassen. Aber selbst in diesen Phasen bleibt der Strom nicht konstant. Wenn man genau hinsieht, zeigt sich die Strom­auf­nahme als Zug von Impulsen. Will man die mittlere Stromaufnahme richtig errechnen, muss man die Messkurve exportieren und mathematisch korrekt integrieren.

Oszilloskope können einen einzelnen Burst gut erfassen. Die hier diskutierte Messung ist aber komplexer. Man möchte ja prüfen, wie oft der Sensor sich in einer gegebenen Zeit­spanne aktiv schaltet und wie oft er sendet. Mit einem Oszilloskope kann man über kurze Zeitspannen gut messen, aber hier geht es um Minuten oder Tage. Eine solche Zeitspanne ist für ein Oszilloskop schwierig zu meistern.

Innovationen bei der Messung der Stromaufnahme

Die speziell für Strom­ver­brauchsanalysen ent­wickelte SMU (Source/Measure Unit) N6781A von Keysight überwindet die Grenzen herkömmlicher Messungen mit zwei Innovationen: Naht­loser Bereichswechsel und Langzeitaufzeichnung ohne Pausen. Die SMU ist ein Modul, das mit einem flachen modularen Stromversorgungssystem N6700 von Keysight oder einem DC-Leistungsanalysator N6705 eingesetzt werden kann.

Bild 3: Datenlogger – alle Samples werden in einander folgenden Sampleperioden integriert. Kein Sample geht verloren. Für jede Sampleperiode werden neben dem Durchschnitt auch Minimal- und Maximalwert ermittelt.

Bild 3: Datenlogger – alle Samples werden in einander folgenden Sampleperioden integriert. Kein Sample geht verloren. Für jede Sampleperiode werden neben dem Durchschnitt auch Minimal- und Maximalwert ermittelt. Keysight

Der naht­lose Bereichswechsel ist eine patentierte Technik, mit der die SMU den Mess­bereich wechseln kann, ohne dass sich die Ausgangsspannung beim Bereichswechsel ändert (oder sie gar aussetzt). Diese Funktion erlaubt es, einerseits die hohen Stromauf­nahmen zu messen, andererseits aber auch den kleinen Strom im Schlafzustand. Der Messbereich von 1 mA hat einen niedrigen absoluten Messfehler von nur 100 nA (das sind 10% bei 1 µA oder 1% bei 10 µA). Die Mess­genauig­keit ist damit um Größenordnungen besser als bei einem traditionellen DMM.

Zudem enthält die SMU zwei A/D-Wandler, die simultan Spannung und Strom mit einer Abtast­rate von 200 kSa/s messen (Zeitauflösung 5 µs). Bei voller Auflösung können Messungen 2 Sekunden lang erfasst werden (entsprechend länger mit reduzierter Zeitauflösung). Für Langzeitmessungen kann der interne Datenlogger im modularen DC-Leistungsanalysator N6705B von Keysight die Messungen mit 200 kSa/s über ein vom Anwender vorgegebenes Intervall (20 µs bis 60 s) integrieren und verliert dabei kein einzi­ges Sample. Alle Samples fallen entweder in ein Integrationsintervall oder das nächste. Mit diesem Datenlogger können Ingenieure nun Strom- und Energieverbrauch eines drahtlosen Sensors bis zu 1000 Stunden lang aufzeichnen.

Überraschende Phänomen aufgedecken

Für die Messung des Stroms im Tiefschlaf muss man lediglich die Marker passend positionieren und kann dann den Messwert direkt auslesen. Die in Bild 4 gezeigte Messung ist eine einzige Erfassung über eine lange Zeit. Man bekommt das vollständige Bild des Stromverbrauchs und dazu eine genaue Messung des Stroms im Tiefschlaf (599 nA).

Bild 4: Der über 200 Sekunden Betrieb aufgezeichnete Strom liefert einen neuen Einblick in die dynamische Stromaufnahme eines Geräts.

Bild 4: Der über 200 Sekunden Betrieb aufgezeichnete Strom liefert einen neuen Einblick in die dynamische Stromaufnahme eines Geräts. Keysight

Man kann durch diese Messung scrollen und ins Bild hineinzoomen. Damit kann man mit hoher Genauigkeit die Stromaufnahme zu einer bestimmten Zeit ermitteln und wie lange diese Stromaufnahme bestanden hat. Einzelheiten, die man mit herkömmlichen Messwerk­zeugen nicht sehen konnte, kann man nun identifizieren und quantifizieren. In Bild 4 ist beispielsweise ein Impulszug mit „???“ markiert. Die Messung hat dieses überraschende Phänomen aufgedeckt: Das Gerät nahm hier etwa 500 ms lang etwa 90 µA auf (Durch­schnitts­stromaufnahme 3,3 µA). Addiert man diese Stromaufnahme zu den 599 nA im Tief­schlaf, so ergibt sich ein Durchschnittsstrom von 730 nA, 22% höher als erwartet. Derlei Überraschungen sind möglicherweise der Grund dafür, dass der Stromverbrauch eines Geräts unterschätzt wird und es letztlich kürzer läuft als berechnet.

Bei der Optimierung der Stromaufnahme drahtloser Sensoren ist es für Ingenieure ausge­sprochen wertvoll, die Details zu verstehen. Weiß man, wie viel Energie es kostet, ein einzelnes Datentelegramm zu senden, kann man einen guten Kompromiss finden zwischen Stromverbrauch und Nutzererfahrung, und man kann Fragen beantworten wie etwa diese: „Soll ich ein Datentelegramm alle Sekunde, alle 5 Sekunden oder nur alle 10 Sekunden senden?“ Die Ingenieure können nun seriös abschätzen, welche Auswirkung eine bestimmte Firmwareänderung auf die Batterielaufzeit hat und diese Abschätzung mit vernünftigem Zeit­aufwand durch reale Messungen bestätigen.

Joule-Messungen einfach gemacht

Bei der Abschätzung von Batterielaufzeiten sind Joule nützlich, denn jede Aktivität hat einen bestimmten Energiebedarf. Man kann beispielsweise auch eine Maßzahl „Joule pro über­tragenes Bit“ ausrechnen. Aber Ingenieure rechnen selten mit Joule, denn sie müssen diese aus Spannung, Strom und Zeit erst errechnen.

Bild 5: Mit der Software 14585A von Keysight kann man Energieverbräuche direkt in Joule messen.

Bild 5: Mit der Software 14585A von Keysight kann man Energieverbräuche direkt in Joule messen. Keysight

Mit der Steuer- und Analysesoftware 14585A von Keysight kann man Energieverbräuche direkt in Joule messen. Man kann beispielsweise mittels einer getriggerten Messung die Energie messen, die das Senden eines Datentelegramms verbraucht (Bild 5). Hier erweist sich als Vorteil, dass die SMU zwei separate A/D-Wandler hat, die simultan Strom und Spannung messen. Daraus kann man ganz einfach Punkt für Punkt die Leis­tungs­aufnahme errechnen. Man kann den Energieverbrauch in Joule als Wert zwischen zwei Markern anzeigen lassen; ein Entwicklungsingenieur kann sogar noch einen Schritt weitergehen und einen Wert „Joule pro übertragenes Bit“ definieren.

Die Stromaufnahme genau erfassen

Entwicklungsingenieure, die batteriebetriebene Geräte für das Internet der Dinge entwickeln, arbeiten mit ausgefeilten Stromspartechniken, um eine möglichst lange Batterielaufzeit zu erzielen. Herkömmliche Messtechniken sind komplex, zeitaufwendig und bringen nicht die Messgenauigkeit, die man braucht, um den Batteriestromverbrauch zu optimieren und zu validieren. Das führt oftmals dazu, dass man die Stromaufnahme eines Gerätes unter­schätzt. Die für Stromverbrauchsanalysen opti­mierte SMU von Keysight ermöglicht genaue Strommessungen und zeigt sie auf nur einem Bildschirm vollständig und detailliert an. Analysesoftware erleichtert dem Ingenieur seine Arbeit, indem sie ihm Details zeigt, die er vorher nicht gesehen hat.

Mit Keysights neuester SMU N6785A sind diese Funktionen nun bis zu 80 W und von nA bis 8 A verfügbar. Die neuen SMUs kann man in vielen Gebieten einsetzen, vom Testen von Smartphones und Tablets bis zu Steuergeräten in der Kfz-Elektronik sowie drahtlosen Sensoren und Chipsätzen für das Internet der Dinge.