Meetapparatuur voor verifieren "extreme low power standby" stroom?

Bij zo kleine stroom moet je creatief worden.

Een multimeter heeft doorgaans een weerstand van 10 MΩ op spanning. Dus op 3V3 trekt die al 330 nA. Die kun je dus als stroommeter gebruiken en dan omrekenen. Bij 20nA geeft die dus 0.2V spannings-verlies en uitlezing.

En je kunt ook je schakeling voeden uit een condensatortje en dan de spanningmeten mbv een hoogohmige opamp buffer. Die moet dan langzaam leeglopen.

Zo heb ik ooit de ingangsstroom van een opamp gemeten: Uitgang naar de -ingang, +ingang op een condensatortje van 100nF. Condensator laden naar 5V. En dan op de uitgang meten hoe snel de spanning stijgt/zakt.

Dat kan met mijn SMU maar die oplossing gaat het niet worden

Je kunt de voedingspanning zover verhogen totdat je de gewenste spanning op de Vcc van de processor meet. Dan compenseer je dus de shunt.

Een Keitley 7510 kan waarschijnlijk ook zonder Vcc te hoeven compenseren.

Of een andere 6,5 of 7,5 meter die zoveel digits heeft dat je met een heel kleine shunt kunt werken.

Bedenk wel dat het lastig zou kunnen zijn dit met een DMM te meten want het is de vraag of het een constante stroom is of iets wat om de X tijd een pulsje stroom trekt. Dat laatste kan een K7510 als de herhaal frequentie niet te hoog is in zijn digitizer mode. De gemiddelde DMM kan daar niks mee. Tenzij hij voldoende bandbreedte heeft met een voldoende hoge crest factor en AC+DC mode.

Maar los van dit, nA meten is absoluut niet eenvoudig. Er komt een berg bij kijken. Triboelectrische effecten van de kabel, Seebeck effect, noise etc. Je zult waarschijnlijk met guarding moeten werken, hele schone voeding en niet op een breadboard..

Multimeter in spanningsmodus in serie, met een (schottky)diode parallel, zodat je maximaal 0.3V spanningsval krijgt bij een grotere stroom? De vraag is natuurlijk hoeveel die diode zal lekken, maar dat is afhankelijk van de spanning, en bij een hele lage is die lek wellicht ook klein genoeg. Je kunt kijken wat het verschil is met en zonder de diode terwijl de controller in sleep mode staat.

Bij grotere pics (16F1769) heb ik wel gemerkt dat SLEEP aanzienlijk zuiniger is bij gebruik met extern kristal als met gebruik van de interne oscillator.
(het lijkt alsof het interne oscillator circuit niet geheel wordt uitgeschakeld)

Op donderdag 3 oktober 2024 11:47:24 schreef deKees:
Bij zo kleine stroom moet je creatief worden.

Een multimeter heeft doorgaans een weerstand van 10 MΩ op spanning. Dus op 3V3 trekt die al 330 nA. Die kun je dus als stroommeter gebruiken en dan omrekenen. Bij 20nA geeft die dus 0.2V spannings-verlies en uitlezing.

dit werkt prima voor heel kleine stromen. Je kan eventueel nog een 1,1MOhm parrallel over de meter zetten, wordt de spanningsval kleiner, de uitlezing wordt dan 0,02V bij 20nA, maar voor een moderen iets of wat multimeter is dat geen probleem.

belangrijk is dat je eerst een brugje plaatst over de voltmeter ,als de controller opgestart wordt, en alvorens ie in sleep mode is. Eens de sleep mode bereikt kan je het brugje verwijderen om de resterende stroom te meten.

Als je een regulator gebruikt voor de voeding kun je ook de stroom voor de regulator meten.
(je moet dan wel de quiescent current van de regelaar eraf trekken)

Je zou kunnen voeden uit een opamp. Dan kan die meteen ook de stroom versterken. Bijvoorbeeld zo een opzet:

Maar erg nauwkeurig zal dat niet zijn. De overgang is een tamelijk groot gebied, en ook ver onder de 0.6V laat de diode nog wel iets door.

[Bericht gewijzigd door deKees op donderdag 3 oktober 2024 13:51:24 (37%)

Even kijken!
Een CR2032 knoopcel heeft een capaciteit van rond de 200mAh volgens Wikipedia
Je opgenomen stroom van je PIC10LF320 is zo'n slordige 1uA.
De knoopcel is dus leeg na 200mAh/1uA = 200kh = 200/24 kd = 8,33 kd = 8333/365,25 jaar = ca 22 jaar.
Als je PIC 10uA slobbert, dan duur het nog 2 jaar voordat zo'n celletje leeg is.

Als je een CR2450 neemt zelfs 600mAh, en een CR2477 1000mAh...

Nordic heeft de Power Profiler Kit 2 (PPK2): https://www.nordicsemi.com/Products/Development-hardware/Power-Profile…
Ik heb deze in het verlden veel gebruikt om het stroomverbruik van microcontrollers te meten en te verbeteren. Je moet wel de tweede versie kopen, want die is vele malen gebruiksvriendelijker dan de eerste.
Met een multimeter meten is vaak een onbegonnen taak gezien de spanningsval over de interne meetweerstand een spanningsval veroorzaakt die je microcontroller kan resetten. Daarnaast kan je met de PKK2 ook periodiek stroom verbruik zien wat handig kan zijn voor debugging en testen van je firmware

Ik heb ooit deze eens besteld maar nog nooit gebruikt.

https://www.eevblog.com/projects/ucurrent/

Deze heeft een bereik van 1mV/nA

https://eevblog.store/products/ucurrent-gold-multimeter-adapter

Nieuwere versie ?
https://lowpowerlab.com/guide/currentranger/
https://lowpowerlab.com/shop/product/152

Ik vraag me af of er een handigere oplossing is.

Er bestaat specifieke meetapparatuur voor (gaat meer richting 'electrometer', bijv. Keithley heeft dergelijke apparaten gemaakt), maar da's wel heel specifiek voor een éénmalig gebruik/probleem....

Desalniettemin staat een dergelijk (tweedehands) apparaat nog op m'n verlanglijstje. (hopelijk leest Sinterklaas dit ook)

Zelf heb ik wel eens geëxperimenteerd met de LMC662 (zwevend opgebouwd, lucht als isolatie, en voor de minder-kritische delen met Teflon). Volgens mij was dat op basis van een Application Note van ???, van ik meen Bob Pease of één van de andere groten. Dit was een pico-ampèremeter, is nooit een werkend meetapparaat geworden bij mij, altijd in het 'experimentele' stadium blijven hangen.

Dus ook zelfbouw is een mogelijkheid: http://www.vk2zay.net/article/251, http://www.kerrywong.com/2013/01/17/current-adapter-for-low-current-m…

Ook heeft Elektuur wel eens een ontwerp van een zeer simpele pA-meter gepubliceerd (in 303-schakelingen, ontwerp nr. 279)

Het voordeel van de µCurrent of de current ranger is dat er veel minder spanningsval is over het meetapparaat.

Met een 1G ohm weerstand als in het laatste voorbeeld heb je bij 1nA al 1V spanningsval. En bij 20nV dus 20V. Bij een 3V batterij kan je al maar heel weinig spanningsval hebben en 1V al te veel.

Benleentje, het Elektuur-ontwerp heeft een 'burden voltage' van 500uV (0.5mV), dus dat zou voor OP wel bruikbaar moeten zijn?

(m'n eigen pA-meter, het Elektuur-ontwerp maar met een LMC662, ligt nu al ca. 10 jaar in twee delen in de bak 'onderhanden projecten'. Toch maar eens een keertje afbouwen, inbouwen in een net kastje en een voeding erbij maken. 95% van het werk is reeds gedaan, het is de laatste 5% waar het op is blijven hangen.)

dus dat zou voor OP wel bruikbaar moeten zijn?

JA maar die stond er eerst niet toch?

Maar goed 0,5mV is wel heel erg laag ik denk dat de batterij al meer spanningsvariatie heeft. En met deze schakeling nr 279 gaat dat wel goed.

Als ik kijk naar de eenvoud snap ik niet dat dat niet al in meet apparatuur zit

Op donderdag 3 oktober 2024 22:15:07 schreef benleentje:
Als ik kijk naar de eenvoud snap ik niet dat dat niet al in meet apparatuur zit

Er zal vast wel een addertje in het gras zitten.
Zo'n 'meetinstrument' van een paar euro is vast niet te vergelijken met de SMU van @fred101 (wat dat ook zijn mag)

Op donderdag 3 oktober 2024 19:04:06 schreef nonius:
[...]

Er bestaat specifieke meetapparatuur voor (gaat meer richting 'electrometer', bijv. Keithley heeft dergelijke apparaten gemaakt), maar da's wel heel specifiek voor een éénmalig gebruik/probleem....

Desalniettemin staat een dergelijk (tweedehands) apparaat nog op m'n verlanglijstje. (hopelijk leest Sinterklaas dit ook)

Nonius, je bedoelt zo iets? (foto voor in je schoentje )

gaat idd tot in de picoamperes, maar kan ook coulombs, spanning en weerstanden meten, hele hoge dan wel te verstaan.

Er bestaan specifieke meetapparaten voor dit doel: https://www.qoitech.com/otii-arc-pro/ (SMU van @fred101?)

Het apparaat is wel erg duur, dus voor een eenmalig projectje is het geen optie.

Eventueel kan je in de plaats van een CR2032 een CR2450 nemen. Dan heb je sowieso al een stuk meer capaciteit, terwijl de afmetingen niet veel groter worden. CR2450 batterijen zijn ook niet echt duur, de laatste keer dat ik er in bulk besteld heb was dat minder dan 1 euro per stuk.

SMU = source measure unit. Dat is een 4 quadrant voeding, dus voeding en load. De opvolger van de curvetracer (alleen heb je er 2 nodig als je ook 3 poters wilt testen.) De mijne is van TTi en kan tot 200V. Hij meet en sourced met 6,5 digits. Als dat niet genoeg resolutie is dan kun je er een stroommeter/shunt tussen hangen en de sense draden van de SMU na de shunt aansluiten. Op die manier heb je geen last van een "burden voltage"

Mijn K7510 heeft in de pA/nA range een max burden voltage van 15mV. Hoe kleiner de stroom, hoe lager die spanning. Daar heb je dus geen voeding met sense voor nodig. Dat geldt ook voor andere meters. Als dat bij volle schaal bv 100mV is, en volle schaal is 100mA is dan is het bij een schakeling die 1mA trekt maar 1 mV. Het tempco van die batterij zal hoger dan dat zijn.

Het moeilijke is de meting zelf. Met een dmm lijkt dat makkelijk door allerlei truukjes, maar doordat die dingen zo traag zijn zie je die effecten gewoon niet en lijkt de meting stabiel.

Maar in het pA en nA bereik zijn de stroompjes zo laag dat zelfs 50Hz instraling al een groter signaal dan dat stroompje veroorzaakt. Ik heb wel eens zitten spelen met metingen in het pA bereik. Dat was ivm een weerstand meting met een analoge "smu" die tot 5 pΩ kan meten (en dat doet door pA te meten bij 1000V) De meter ging met een trage frequentie op en neer. Het duurde even tot ik er achter kwam dat dat het effect was van mijn buik/borst die op en neer ging bij ademhalen. Dat effect was pas weg toen ik een meter van de meter af ging staan.

Keithley heeft een boek over het meten aan de rand van het meetbare en wat daar allemaal bij komt kijken. Bij dit soort waarden wil veel digits op een meter niet zeggen dat die alleen maar door de stroom worden veroorzaakt.
Bij die 1000V SMU horen speciale kabels omdat de lekstroom via de buitenkant van de kabels plus tribo-elektrische effect (wrijving in kabel) een grotere stroom veroorzaakt dan de stroom die de load trekt. En zo heb je ook nog Seebeck, EMI/RFI dus je moet ook guarded meten. Anders zit je naar een mooi getal te kijken waarvan maar een deel door de load wordt getrokken. Vergeet niet dat een stroom meting in een DMM een spanningmeting over een shunt is en als dat een heel lage spanning is dan is er maar weinig nodig om dat te verstoren. Vergeet bij dit soort metingen ook de laatste 2 digits van je meter. Die zijn leuk om te kijken of er een trend is maar absoluut gezien zijn ze "zinloos" (Bij high end meters de laatste digit, bij gewone meters (grofweg 250 euro tot 750 euro)de laatste 2, bij low budget van Ali/bouwmarkt etc alle digits )

Dank allen voor de antwoorden en de inspiratie.

Ik ben verder gaan zoeken naar de "EEBLOG ucurrent gold".
Voor achtergrond, zie https://www.eevblog.com/projects/ucurrent/

Maar dat ding bleek overal uitverkocht, ...

Omdat dit ding open source is, zijn er derivaten, en een opvolger is de tinycurrent, en dat ding wordt geleverd vanuit Duitsland, dus geen BTW narigheid, ...
Zie https://www.n-fuse.co/devices/tinyCurrent-precision-low-Current-Measur…

Zojuist zo'n ding besteld. Voor mensen die ook hebberigheid krijgen, er is een 'tinycurrent' en een 'tinycurrent-r', de laatste heeft de BNC connector aan de achterkant, zie de foto's.

Dank voor jullie bijdragen!

Dat is volgens mij maar een deel van de oplossing. Je kunt dan wel kleine stroompjes meten, maar dan stort de voeding in zodra de processor even meer stroom trekt..

Het is wel een handig apparaatje, denk ik.
Maar '20 µV / nA burden voltage typical', op het 1250nA-bereik, is natuurlijk nog altijd 20 kΩ. Misschien moet je dan alsnog weer schakelen.

Je idee om je bestaande meter gewoon even kort te sluiten tot de stroom klein is geworden, en dan te meten, lijkt me prima hier.

Gewoon met een labvoeding voeden en dan 3,0V plus "de max burden" instellen. (Of gewoon 3V3V, het werkt blijkbaar ook nog op 3V, dus dan heb je 300 mV en dat is meer dan genoeg voor zo'n micro-current.

Kees, als het gaat om sleep, dan trekt de schakeling uA en trekt nauwelijks een burden voltage. Of zie ik iets over hoofd?

Kees, als het gaat om sleep, dan trekt de schakeling uA en trekt nauwelijks een burden voltage. Of zie ik iets over hoofd?

Misschien zie ik iets over het hoofd, maar als je de meter instelt om nanoAmps te kunnen meten, dan heb je een hoge weerstand in de meter. Als de DUT dan ineens milliAmps gaat trekken dan blijft er van de voeding weinig over.

10µV / nA burden voltage: ofwel 10V / mA!