Drahtlose Sensoren für das IoT
Herausforderung Batterielaufzeit
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
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.
Der nahtlose Bereichswechsel (Bild 2) 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 100 nA (das sind 10 % bei 1 µA oder 1 % bei 10 µA).
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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 kS/s messen (Zeitauflösung: 5 µs). Bei voller Auflösung können Messungen 2 s 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 kS/s über ein vom Anwender vorgegebenes Intervall (20 µs bis 60 s) integrieren und verliert dabei kein einziges Sample (Bild 3). Alle Samples fallen entweder in ein Integrationsintervall oder das nächste. Mit diesem Datenlogger können Ingenieure nun Strom- und Energieaufnahme eines drahtlosen Sensors bis zu 1000 h lang aufzeichnen. 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 der Stromaufnahme und dazu eine genaue Messung des Stroms im Tiefschlaf (599 nA). 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 die Stromaufnahme 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 Stromaufnahme und Nutzererfahrung, und man kann Fragen beantworten wie diese: „Soll ich ein Datentelegramm jede Sekunde, alle 5 Sekunden oder nur alle 10 Sekunden senden?“ Die Ingenieure können nun seriös abschätzen, welche Auswirkung eine bestimmte Firmware-Änderung 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.
Mit der Steuer- und Analyse-Software 14585A von Keysight kann man die Energieaufnahme direkt in Joule messen. Man kann beispielsweise mittels einer getriggerten Messung die Energie messen, die das Senden eines Datentelegramms benötigt (Bild 5). Hier erweist sich als Vorteil, dass die SMU zwei separate A/D-Umsetzer hat, die simultan Strom und Spannung messen. Daraus kann man Punkt für Punkt die Leistungsaufnahme errechnen. Man kann die Energieaufnahme 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 Autoren
| Carlo Canziani |
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| fing nach seinem Studium der Telekommunikation 1985 bei HP (heute: Keysight) an. Er hatte mehrere Positionen in der Kundenbetreuung, im Verkauf und im Marketing inne. Heute ist er Business Development Manager der Power & Energy Division in Europa. |
| Dimitri Malsam |
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| hat ein Diplom in Elektrotechnik von der Universität Erlangen-Nürnberg. In seiner Rolle als Vertriebsingenieur für Netzteile und elektronische Lasten bei Keysight Technologies befasst er sich kontinuierlich mit den Messanforderungen aus dem Bereich Leistungselektronik. |
- Herausforderung Batterielaufzeit
- Herkömmliche Messverfahren und ihre Grenzen
- Innovationen bei der Messung der Stromaufnahme
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