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uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

zgierzman 55893 26
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  • uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Ich bin einmal auf ein Projekt gestoßen David Jones uCurrent.
    Es ist ein sehr einfaches System. Am Messwiderstand wird Spannung angelegt, die dann um 100 verstärkt und dem Ausgang zugeführt wird.
    Leider ist das Ding nicht billig, ca. 70 EUR ohne Versandkosten.

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Ich beschloss, meine Version schlanker, billiger zu machen, aber mit ähnlichen (oder in mancher Hinsicht sogar besseren) Parametern.
    Was hat mir am Original nicht gefallen?
    - Leistung. Eine CR2032-Batterie und eine künstliche Null. Die Schaltung ist kompliziert (bloß ein Operationsverstärker, aber immer) und die Stromversorgung des Ausgangsverstärkers beträgt nur +/- 1,5 V.
    - Die Verwendung von zwei teuren und schwer erreichbaren Operationsverstärkern im Verstärker. Die Kaskadenschaltung verbessert ein wenig die Bandbreite im Vergleich zu einem Verstärker mit höherer Verstärkung. Ist die Frequenz wichtig, wenn der von der Schaltung im Ruhezustand verbrauchte Strom gemessen wird?

    Von mir vorgenommene Änderungen:
    - Zwei statt drei Bereiche. Jedes Multimeter misst Milliampere, und für das Oszilloskop kann man einen Widerstand in Reihe verwenden.
    - Leicht verfügbarer Operationsverstärker - man kann ihn bei TME kaufen.
    - Stromversorgung über zwei 12-V-Batterien. Dies ergibt einen Ausgangsspannungsbereich von 0 bis 10 000 mV, sodass ich im nA-Bereich Ströme von 0 bis 10 µA und im µV-Bereich bis zu 10 mA messen kann. Dies ist zehnmal mehr als das Original.
    - Platz für eine Diode zum Schutz des Verstärkereingangs. Nur für den Fall.
    - Ich bin auch vom Überwachungssystem der Batteriespannungs zurückgetreten.

    Somit wurde eine Schaltung wie im Diagramm erstellt. Einfach, um nicht primitiv zu sagen.

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Der Wert des Kondensators C1 wurde aus dem originellen Schaltplan übernommen. Falls erforderlich, werde ich versuchen, die Kompensation mit dem Generator und dem Oszilloskop zu korrigieren.

    Nach dem Schaltplan ist ein Entwurf der Leiterplatte entstanden. Da das Schema einfach ist, wurde die Platine problemlos in einer Schicht herausgebracht, ohne sie mit Brücken usw. zu kombinieren. Einfach zu Hause herzustellen.

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Und dann die Schaltung selbst.

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme
    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    0,1% Widerstände

    Es ist die Zeit für Messungen:

    Die Offset-Spannung beträgt weniger als 1 mV. Bei kurzgeschlossenem Eingang schwankt die Ausgangsspannung im Bereich von 0,3 bis 0,8 mV.

    Die Genauigkeit der Anzeigen ist überraschend hoch, besser als 0,5%. Aber ich gehe davon aus, dass es sicher ist, 1% anzunehmen. Berechnet mit der technischen Methode, da ich dieses Gerät nicht kalibrieren kann. Die Messgeräte, mit denen ich Spannung und Widerstand messe, haben jedoch ihre Grenzen.
    Die Spannungsquelle war eine 3-V-Batterie, ein Strombegrenzungswiderstand in Reihe und mein Adapter. Die Spannung wird an den Enden dieser Reihenschaltung gemessen und ihr Gesamtwiderstand einschließlich der Leitungen wird mit einem Multimeter gemessen.

    Für den µA-Bereich:
    Spannung am Eingang = 3,1630 V, R = 99 890 Ω
    Strom theoretisch = 31,6 µA
    Strom gemessen = 31,8 µA
    Fehler = 0,42%

    Für den nA-Bereich:
    Spannung am Eingang = 2,9434 V, R = 5134000 Ω
    Strom theoretisch = 573,3 nA
    Strom gemessen = 574,4 nA
    Fehler = 0,19%

    Genug für mich.

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    Über den Autor
    zgierzman
    Niveau 29  
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  • #2
    ptero
    Niveau 20  
    1. Wie ist die Stabilität mit gewöhnlichen Widerständen?
    2. Machen diese Batteriekontakte keinen Kurzschluß über Batteriegehäuse? - es reicht die Farbe zu kratzen.]
  • #3
    TechEkspert
    Editor
    Das Original hat einen Gleichstromausgleich "near-zero DC offset and drift through the use of autocorrelating zeroing techniques." Wie können die Effekte durch die Verwendung von OPA192 anstelle von MAX4239 beeinflusst werden?

    Vielleicht stellen Sie eine größere Produktion zum Kauf zur Verfügung, z. B. auf Auktionsportalen, oder man könnte es in die elektroda-Gadgets einführen? ;)

    Wie schätzen Sie die Kosten für die Stückproduktion oder den Endpreis für die Kleinserienproduktion ein?
  • #4
    zgierzman
    Niveau 29  
    TechEkspert hat geschrieben:
    Das Original hat einen Gleichstromausgleich "near-zero DC offset and drift through the use of autocorrelating zeroing techniques." Wie können die Effekte durch die Verwendung von OPA192 anstelle von MAX4239 beeinflusst werden?


    OPA192 wurde dort etwas zufällig verwendet.

    Jetzt sehe ich, dass es bei TME MAX4239 im SO8-Gehäuse gibt, aber ich habe es damals nicht gesehen (oder es wurde nicht angeboten). Außerdem beträgt die Stromversorgung maximal +/- 2,75 V, sodass ich bei zwei 1,5-V-Batterien oder einer 3-V-Batterie mit künstlicher Null bleiben müsste. Ich habe nach etwas anderem gesucht, also habe ich mich nicht darauf konzentriert.
    Dann fiel mir der OPA189 auf, der einen ähnlichen Ausgleich wie der MAX hat. Es fehlt aber auch bei TME. Es gibt OPA192, das statistisch gesehen einen größeren Ausgleich aufweist, aber wenn ich gemessen habe, was ich habe, befriedigt es mich. Vielleicht habe ich ein gutes Stück gekauft :-)


    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    TechEkspert hat geschrieben:
    Vielleicht stellen Sie eine größere Produktion zum Kauf zur Verfügung, z. B. auf Auktionsportalen, oder man könnte es in die elektroda-Gadgets einführen?


    Ich glaube nicht, dass ich Zeit für die Produktion habe, aber es könnte zu den Gadgets hinzugefügt werden (wenn sie interessiert wären). Ich würde gerne helfen :-) Dann könnten Sie vom Mouser oder einem anderen Farnell OPA189 besorgen, um die Parameter zu verbessern :-)

    TechEkspert hat geschrieben:
    Wie schätzen Sie die Kosten für die Stückproduktion oder den Endpreis für die Kleinserienproduktion ein?


    Schwer zu sagen. Leiterplatten sind eine Penny-Sache, in der Elecrow 10 x 10 cm sind 5 $ für 10 Stück, also gäbe es 20 Platinen. Sie machen keine Probleme, wenn Sie Ihr eigenes Panel vorbereiten, im Gegensatz zum JLCPCB, bei dem Sie aufgefordert werden, es aufzuteilen und zweimal zu bezahlen :-) . Einschließlich der Versandkosten beträgt der Preis weniger als 1 USD pro Platine.
    Batterieplatten sind ungefähr 1 EUR.
    Schalter ca. 1,5 EUR.
    OPA189 über 2 EUR.
    0,1% Widerstände sind nicht die billigsten, kosten aber auch kein Vermögen. Für die Produktion "für Menschen" könnten Sie auch nach genaueren Widerständen suchen, 0,05%, 0,02% und sogar 0,01% sind verfügbar :-D

    Mit ein paar Dutzend Stücken wäre es also ungefähr 6 EUR ohne Bananen Buchsen. So ungefähr. Steckdosen, Montage, Gehäuse usw. auf Käuferseite - so ein Kitt.

    ptero hat geschrieben:
    1. Wie ist die Stabilität mit gewöhnlichen Widerständen?
    2. Machen diese Batteriekontakte keinen Kurzschluß über Batteriegehäuse? - es reicht die Farbe zu kratzen.


    Ich weiß nicht, welche Stabilität Sie meinen, aber ich habe weder die thermische Stabilität noch die Zeit untersucht. :-)
    Die Batteriekontakte bei mir verursachen keinen Kurzschluß, da die Batterien eine Folienhülle haben :-)
  • #5
    And!
    Admin Design-Gruppe
    Wenn Sie das Projekt mit mehr Personen teilen möchten, ist das "Kit" tatsächlich besser als das zusammengebaute Produkt,
    während Bananenanschlüsse, wie Sie schreiben, optional sind, wichtig sind Leiterplatte, Acryl und eine Reihe von Bauteilen ohne Batterien.
  • #6
    piterek-23
    Niveau 33  
    Das Projekt ist großartig und ich würde solche Geräte gerne im elektroda-Geschäft sehen ;)

    Woher haben Sie diese Batteriekontakte? Ich suche diese, aber für AAA-Batterien, und ich kann sie nicht finden.
  • #7
    zgierzman
    Niveau 29  
    piterek-23 hat geschrieben:
    Woher haben Sie diese Batteriekontakte? Ich suche diese, aber für AAA-Batterien, und ich kann sie nicht finden.


    https://www.tme.eu/de/en/details/keys82/batteries-holders/keystone/82/

    Dieses spezielle Modell passt für AAA, N und A23, was genau 12 V entspricht. Der einzige Unterschied ist der Abstand "Länge".

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    And! hat geschrieben:
    Leiterplatte, Acryl und eine Reihe von Bauteilen


    Das Problem mit diesem Acryl ist, dass ich meine Platinen für die Sockel geschnitten habe, die ich in der Schublade hatte. Deshalb unterscheidet sich die rote Fassung von der schwarzen, weil ich nicht die gleichen hatte. Bei anderen Modellen kann der Muttern-Durchmesser jedoch unterschiedlich sein, sodass die obere PMMA-Platte anders gestaltet werden müsste - als mehr universeller. Außerdem weiß ich nicht, wie viel es kosten würde, es herauszuschneiden - ich habe meins selbst geschnitten. Sie müssten jedoch ein paar Euro zu 6 EUR hinzufügen.
  • #8
    B³êkitny
    Niveau 13  
    Ich habe eine Frage, weil ich etwas Ähnliches nur mit dem LF356 baue, nämlich wie hoch ist die Messbandbreite. Könnte Kollege mit einem Stromgenerator messen, beispielsweise einige nA bei einer Frequenz von beispielsweise 100 kHz und 3 MHz? Ich wäre dankbar für die Ergebnisse :)
  • #9
    Urgon
    Editor
    Eine sehr schöne Alternative, obwohl ich sie persönlich nicht nützlich finde. Plus, spottbillig. Ich habe immer gedacht, dass der originelle µCurrent im Vergleich zu seiner beabsichtigten Verwendung etwas zu teuer ist. Autozero-Verstärker und Chopper sind cool, aber nicht jeder wird von seinen Fähigkeiten profitieren.

    In Bezug auf den Verstärkerfehler, Sie konnten eine Kompensation hinzufügen. Das Mehrgang-Potentiometer 100 kΩ, ist am besten zwischen V + und V- anzuschließen und seinen Schleifer über den Widerstand 470 kΩ-1MΩ an den IN-Pin des Verstärkers. Eine noch coolere Option wäre das Hinzufügen einer Eingangsstufe für JFETs mit Kompensation. Die Kosten sind 4 NPN-Transistoren, zwei JFETs, 6 Widerstände und ein Potentiometer.
  • #10
    Janusz_kk
    Niveau 31  
    Urgon hat geschrieben:
    Eine noch coolere Option wäre das Hinzufügen einer Eingangsstufe für JFETs mit Kompensation. Die Kosten sind 4 NPN-Transistoren, zwei JFETs, 6 Widerstände und ein Potentiometer.


    Aber wozu? Es wird nicht kompensiert, wie die Verstärkereingänge sind, besser, es wäre besser einen Verstärker mit Verarbeitung anzuwenden.
  • #11
    zgierzman
    Niveau 29  
    B³êkitny hat geschrieben:
    wie hoch ist die Messbandbreite


    Bitte sehr.

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Die Bandbreite variiert stark je nach Messbereich. Im µA-Bereich sind es nur 73 kHz.
    Die Anstiegszeit der Impulsantwort beträgt 4,8 µs, also BW = 0,35/trise = 73 kHz

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Für den nA-Bereich ist dies besser, da die Anstiegszeit nur 320 ns beträgt, was einer Bandbreite von etwa 1 MHz entspricht.

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme
    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Da die Bandbreite des Verstärkers 10 MHz und die Verstärkung 100 beträgt, habe ich keine besseren Ergebnisse erwartet :-)
  • #12
    Urgon
    Editor
    @ Janusz_kk
    Ich habe über so etwas nachgedacht:

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Q1 und Q2 sollten zusammengeklebt sein, ebenso wie Q3 und Q4. R1 und R9 sollten von bester Qualität sein. Ich habe den Rs-Wert nicht gewählt. Die Regulierung sollte von R12 am positiven Eingang des gegen Masse kurzgeschlossenen Verstärkers gestartet werden. Erst dann wird R10 geregelt, wenn beide Messeingänge gegen Masse kurzgeschlossen sind. Die Schaltung hat eine signifikante Eingangsimpedanz, daher muss man nach dem Löten für eine gute Reinigung sorgen und optional Lackieren. Insgesamt sollte dies recht anständig funktionieren.
  • #13
    Janusz_kk
    Niveau 31  
    Urgon hat geschrieben:
    Ich habe über so etwas nachgedacht:


    Ich schätzte :) mit der Ausnahme, dass dieses System hier nicht sinnvoll ist. Auf diese Weise werden die Oszilloskopeingänge hergestellt, die hochohmig sein müssen, aber hier ist die Verstärkung vernachlässigbar, weil wir keinen so hohen Widerstand benötigen und das Fließen des gesamten Systems die guten Parameter des Operationsverstärkers zerstört. Es gibt allgemein zugängliche Verstärker, die Mosfet an den Eingängen haben, und man muss nicht kombinieren. Sehen Sie sich beispielsweise AD8551 an, Eingangsstrom <20pA, Ungleichgewicht 1µV, kann mit 2*1,5 V mit Masse in der Mitte versorgt werden, kostet <5 Eur.
  • #14
    zgierzman
    Niveau 29  
    Janusz_kk hat geschrieben:
    Es gibt allgemein zugängliche Verstärker, die Mosfet an den Eingängen haben, und man muss nicht kombinieren.


    Im Diagramm @Urgon ist der LF356 mit dieser Funktion: "JFET Input Operational Amplifier". Ich bin auch froh zu wissen, warum es sich lohnt, eine Handvoll diskreter Elemente hinzuzufügen, um dem JFET-Eingang einen JFET-Puffer hinzuzufügen.

    Dies stammt aus dem LFx5x-Datenblatt, einschließlich der Verstärker LF155, LF156, LF256, LF257, LF355, LF356, LF357

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme
  • #15
    Urgon
    Editor
    Es gibt einen Fehler im Kreis der Rückkoppelung im Schaltplan - falsche Widerstandswerte und Verbindungsfehler.

    Du hast recht, es macht keinen Sinn, ehrlich zu sein. Auf dem Schaltplan habe ich einfach einen zu guten Operationsverstärker verwendet. Aber ich dachte, dass man durch Hinzufügen von drei Relais, den Tausch von zwei Potentiometern gegen digitale und Hinzufügen von ADC ein Mikro-/Nano-/Picoamperemeter mit automatischer Nullstellung des Ausgleichs und der Temperaturschwankungen herstellen kann.

    Edit:
    Ein Vorteil einer solchen Lösung, wie ich gezeigt habe, gegenüber dem "nackten" Operationsverstärker - der Polarisationsstrom kann unter 1 pA fallen (LF356 hat 30 pA, OPA192 hat 5 pA), so dass das Rauschen geringer wäre. Aber Sie müssen wahrscheinlich bessere Transistoren wählen.
  • #16
    PiotrPitucha
    Niveau 33  
    Hallo,
    Heute können Sie gute Verstärker kaufen, die Temperaturschwankungen usw. berücksichtigen.
    In der Vergangenheit gab es diese Erfindungen nicht und man musste sich damit auseinandersetzen :)
    Im tschechischen Amatérské Radio gab es eine hervorragende Lösung für einen Multimeteradapter zur Messung sehr niedriger Spannungen ohne Messschwankungen.
    Ich werde versuchen, dieses Schema eines Tages zu finden, aber die Schaltung wandelte die Gleichspannung mit dem CD4066 grob in Wechselspannung um, und dann wurde diese Spannung im Operationsverstärker verstärkt und ging zum perfekten Gleichrichter.
    Die Schaltung hatte keine Bandbreite zu der hier vorgestellten, aber wenn es um Empfindlichkeit geht, war sie wahrscheinlich besser. Ich werde versuchen, die Schaltung in einem Stapel Zeitungen zu finden und es für die Nachwelt zu platzieren :) .
  • #17
    Urgon
    Editor
    In einer Folge von EEVBlog

    Es wird ein Messgerät mit einem Strombereich von 100 Attoampere oder 0,0001 pA angezeigt. JFET-Eingangsstufe, alles auf Lochrasterplatine gelötet, wahrscheinlich auf Polyesterträgern.
  • #18
    Jawi_P
    Niveau 35  
    Sehr interessant. Interessanter Widerstand am Eingang. Aber für solche Bereiche ist es wahrscheinlich nicht seltsam.
  • #19
    Urgon
    Editor
    Ich möchte noch eine Kuriosität aus den 1960er Jahren hinzufügen: eine Schaltung mit einer Eingangsimpedanz von über 1 TΩ, eine Ausgangsimpedanz von 50 Ω mit einer Spannungsverstärkung von 0,98.

    uCurrent - ein Adapter zur Messung kleiner Ströme

    Ich habe das im Artikel gefunden: High Input-impedance Amplifier Circuits using bipolar transistors, integrated circuits and f.e.ts in a.c. amplifiers presenting low loading on the signal source.
  • #20
    TechEkspert
    Editor
    Der Wert des Widerstands am Gate des BFX63-Transistors erschwert den Kauf in einem örtlichen Elektronikgeschäft (das es in diesen Jahren wahrscheinlich noch gab).
    Ich verstehe, dass dies kein Gleichstromverstärker ist?
  • #21
    Urgon
    Editor
    Ich habe einen solchen Widerstand bei ebay für ungefähr vier Dollar gefunden, die Versandkosten betragen weitere 15. Abgesehen von den angegebenen Parametern weiß ich nichts anderes über diesen Transistor, da er nur als Beispiel für eine Lösung angegeben wurde - ich muss nach einem zweiten Artikel aus einer anderen Zeitschrift suchen.
  • #22
    PPK
    Niveau 27  
    Ich hatte ungefähr hundert solcher Widerstände (2 W). Sie saßen in den Leisten von Industrieionisierern (für Papierdruckerei). 5% Toleranz.
  • #23
    zgierzman
    Niveau 29  
    Schön, und Sie haben sie noch und können Sie sie mit Interessenten teilen? Wenn nicht, warum dieser Eintrag?

    Wissen Sie, ich hatte zwei gute Autos, aber ich habe sie einem Mann in Schwarz gegeben. Ich würde Ihnen gerne einen geben, aber es ist zu spät.
  • #24
    PPK
    Niveau 27  
    Wofür ist der Spott?
    Ich schreibe, weil solche Leisten noch gekauft werden können. Es gibt verschiedene Leisten mit unterschiedlichen Widerstandswerten. Wenn es Sie interessiert, schaue ich in meinen Keller. Ich hatte 100 MΩ vor zehn Jahren. Sie sind weg, aber vielleicht finde ich etwas anderes. Bei 100% glaube ich, dass ich noch ungefähr 68 MΩ habe. Außerdem habe ich bei Allegro auch 100 MΩ gesehen, ganz zu schweigen von Online-Shops.
  • #26
    TechEkspert
    Editor
    Ich hatte die Gelegenheit, den Prototyp des Strom->Spannungswandlers in der Praxis zu testen,
    das Preis-/Leistungsverhältnis ist meiner Meinung nach hoch.
  • #27
    linuxtorpeda
    Niveau 24  
    TechEkspert hat geschrieben:
    Das Original hat einen Gleichstromausgleich "near-zero DC offset and drift through the use of autocorrelating zeroing techniques." Wie können die Effekte durch die Verwendung von OPA192 anstelle von MAX4239 beeinflusst werden?


    Das Original unterdrückt grundsätzlich die durch Temperatur oder Alterung des Systems verursachte Gleichtaktverstärkung. Wenn wir stattdessen einen Verstärker ohne diese Funktionalität verwenden, können wir genauso gut jeden Verstärker mit hochohmigen Eingängen einfügen und die Offsetspannung vor jeder Messung mit einem Potentiometer kalibrieren.

    Aus meiner Sicht, ist die Schaltung in diesem Projekt mit einem anderen Operationsverstärker sinnlos und basiert nur auf der Popularität der ursprünglichen Lösung, es sei denn, der Autor würde versuchen, die oben erwähnte "autocorrelating zeroing" mit billigeren und weiter verbreiteten Komponenten zu implementieren.
    [F]