Leistungsmessung: Diese Sensoren arbeiten sicher im Dauerbetrieb

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Im IoT-Bereich sind die Systeme auf Daten angewiesen, die von batteriebetriebenen Sensoren geliefert werden. Die Entwickler beschäftigen sich monatelang mit der Erstellung von Stromverbrauchsprofilen und Leistungsmessung, um sicherzustellen, dass die gewählte Stromquelle über Jahre hinweg einen unterbrechungsfreien Betrieb der Sensoren gewährleistet.

Anders als im IoT-Bereich muss bei industriellen Systemen der Stromverbrauch permanent überwacht werden, um die Auswirkungen von Änderungen zu verstehen. Entwickler und Techniker müssen geeignete Geräte zum Prüfen und Messen heranziehen. Einige dieser Geräte werden für die Entwicklung im Labor oder als Teil eines automatisierten Prüfsystems benötigt, während andere eine permanente, in die industriellen Systeme integrierte Leistungsüberwachung sicherstellen.

Sehr geringe Leistungen messen

Bei der Entwicklung von IoT-Sensoren, bei denen der Betrieb über viele Jahre hinweg mit Batterien erfolgen muss, ist es entscheidend, alle Stromsparfunktionen der ausgewählten Host-MCU genau zu kennen. Ist es bei der Code-Ausführung sinnvoller, den schnellstmöglichen Taktgeber zu verwenden, oder sollten Sie einen stromsparenden Oszillator mit geringerer Leistung einsetzen? Und welcher Ruhezustand spart am meisten Energie, und wie sollte die Peripherie konfiguriert werden, um den Stromverbrauch so weit wie möglich zu reduzieren?
 Im besten Fall finden Sie einen MCU-Anwendungshinweis mit Best-Practice-Empfehlungen für ein stromsparendes Design, aber Ihre Entscheidungen hängen von den Ergebnissen Ihrer eigenen Tests ab. Hier kommt die Otii Arc Source Measure Unit (SMU) von Qoitech ins Spiel. Dieses USB-basierte Test- und Messgerät arbeitet sowohl als Konstantspannungsquelle als auch als Konstantstromquelle oder Stromsenke und verfügt über ein hochpräzises Multimeter.

Die verfügbare Ausgangsspannung und der Strom hängen davon ab, ob die Unit über USB oder ein externes Netzteil mit Strom versorgt wird. Bei externer Stromversorgung ist die Ausgangsspannung zwischen 0,5 und 5,0 Volt in 1-Millivolt-Schritten konfigurierbar und liefert dabei bis zu 2,5 und 5,0 Ampere Spitzenstrom. Mit einer Toolbox-Lizenz lässt sich der Modus für die Stromsenke in 39-Mikro-Ampere-Schritten bis zu 2,5 Ampere programmieren. Das Gerät bietet außerdem einen beeindruckenden Dynamikbereich für eine Leistungsmessung von 5 Ampere bis zu etwa 50 Nanoampere. Ein Erweiterungsanschluss ermöglicht zusätzliche Single-Ended- und Differential-Messungen und bietet zwei digitale Eingänge und Ausgänge sowie eine UART-Schnittstelle.

Die Software des Tools ist für Windows, MacOS und Linux (Ubuntu) erhältlich. Durch die übersichtliche Schnittstelle kann der Otii Arc leicht konfiguriert werden. Neben Spannung und Strom wird auch der Stromverbrauch übersichtlich im Display angezeigt. Das Gerät kann auch Batterien emulieren und deren langsame Entladung simulieren. Skripting-Unterstützung ist für Lua, Python oder C# verfügbar, sodass die Unit in eine automatisierte Integrationstestumgebung auf Basis von Jenkins integriert werden kann. Mehrere Units können auch von einem einzigen Computer aus bedient werden. Dadurch können Batterien emuliert und mehrere Messungen gleichzeitig durchgeführt werden.

Stromverbrauch: Automatisierte Leistungsmessung

Wenn es um höhere Spannungen und Ströme geht, eignet sich die N6700 Modular Power System (MPS) SMU von Keysight Technologies ideal für den Aufbau von automatisierten Prüfgeräten (ATE). Die Plattform besteht aus einer kompakten 1U-Rack-Mainframe-Einheit, die mit verschiedenen DC-Leistungsmodulen und elektronischen Lasten installiert werden kann. Die Wärme wird über die seitlichen Lüftungsschlitze des Gehäuses abgeleitet, sodass andere Geräte bedenkenlos darüber und darunter installiert werden können.

Der Mainframe eignet sich sowohl für den Einsatz im Forschungs- und Entwicklungslabor als auch in der Fertigung und ist in drei Leistungsoptionen von 400 Watt (N6700C) bis 1200 Watt (N6702C) erhältlich. Jede Version unterstützt ein bis vier Module, die über das kohärente Display an der Vorderseite oder über die LXI Class C GPIB-, LAN- oder USB-Schnittstellen konfiguriert werden. Die N6700 MPS verfügt außerdem über einen integrierten Webserver, der eine Überwachung, Steuerung und Konfiguration über einen normalen Webbrowser ermöglicht.

Dank der Sequenzierungsfeatures können die DC-Leistungsmodule und elektronischen Lasten so konfiguriert werden, dass sie sich in beliebiger Reihenfolge ein- und ausschalten. Werden mehrere Mainframes im gleichen Rack installiert, kann die Sequenzierung auch auf die Mainframes ausgeweitet werden. Mit der ebenfalls programmierbaren Anstiegsrate wird die Einschaltbegrenzung der Leistungsmodule und die Steuerung der Lastmodule unterstützt. Ein zusätzlicher Ausgangsstrom lässt sich durch den Parallelbetrieb identischer Ausgänge erzielen.
 Die Mainframes verfügen über eine Gesamtleistungsbegrenzung, aber die installierten Module können diesen Wert bei Bedarf überschreiten. So können ein 300-Watt-DC-Modul und drei 100-Watt-DC-Module (insgesamt 600 Watt) an einem N6700C 400-Watt-MPS-Mainframe angeschlossen werden. Dadurch kann ein Prüfling mit 280 Watt über ein Modul und drei unterschiedlichen Spannungen mit je 10 Watt bei Anforderung einer zusätzlichen Stromversorgung versorgt werden.

Leistungsmessung im Feld

Für die Installation, Inbetriebnahme und Wartung elektrischer Geräte werden robuste, tragbare Prüfgeräte benötigt, die einfach zu bedienen und sicher sind und einen schnellen Austausch von Messergebnissen ermöglichen. Zangenmessgeräte sind zwar nichts Neues, aber das Messgerät 393 von Fluke ist laut Hersteller das erste Gerät, das nach CAT III für True-RMS-Messungen bei 1500 Volt ausgelegt ist. Das Gerät verfügt über das klassische gelbe Gehäuse von Fluke und gewährleistet dank der Schutzart IP54 einen zuverlässigen Betrieb in feuchten und staubigen Umgebungen, etwa bei Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen und im elektrischen Bahnverkehr.

Die leuchtend roten Klemmbacken der Strommesszange 393 sind lang und schmal, sodass sie sich leicht um ein oder mehrere Kabel in beengten und überfüllten Verteilerkästen anbringen lässt. AC- oder DC-Ströme von bis zu 999,9 Ampere können mit einer Auflösung von 0,1 Ampere gemessen werden. Höhere AC-Ströme können mit der im Lieferumfang des Tools enthaltenen flexiblen Stromsonde iFlex gemessen werden, die den Messbereich auf 2500 Ampere bei einer Auflösung von einem Ampere erweitert. Mit dem Messleitungssatz können auch die Spannungs-, Durchgangs-, Widerstands- und Kapazitätsfunktionen des Messgerätes genutzt werden.

Es gibt Messungen, die aufgrund des eingeschränkten Zugangs vor Ort schwierig durchzuführen sind. In anderen Fällen ist es notwendig, eine Leistungsmessung über längere Zeiträume zu protokollieren, um die Ursache eines Fehlers zu ermitteln. Dank der Fluke Connect App, die sowohl für Android als auch für iOS verfügbar ist, kann das Messgerät 393 mit einem Smartphone gekoppelt werden, um Messungen aus der Ferne aufzuzeichnen. Die Einrichtung über Bluetooth ist einfach, und mit der App lassen sich die aufgezeichneten Daten entweder mit einer Anlage oder einem Arbeitsauftrag verknüpfen. Bei Bedarf kann die Kamera des Smartphones verwendet werden, um relevante Video-Beweise aufzunehmen und sie zu Ihren Notizen hinzuzufügen. Die Ergebnisse können dann bei Bedarf mit Kollegen oder Kunden geteilt werden.

Prüfung von Batterien und Lichtmaschinen

Zum Starten von Fahrzeugen, LKWs und Benzin- oder Dieselgeneratoren werden Blei-Akkus benötigt. Die Lichtmaschine sorgt dafür, dass die Batterie aufgeladen und für den nächsten Startvorgang bereit ist. Ein Multimeter kann zwar zur Ermittlung von Defekten verwendet werden, aber manchmal ist es einfacher, ein speziell für diesen Zweck konzipiertes Werkzeug zur Hand zu haben. Das SCI AC25-2 zeigt die Kapazität von intakten 12-Volt-Blei-Akkus schnell und einfach über ein LED-Display an, das den Ladezustand in vier Schritten von 40 bis 100 Prozent darstellt. Es prüft auch den Zustand der Lichtmaschine und des Ladegeräts. Für die Prüfung von 24-Volt- und 12-Volt-Batterien ist das Modell AC25-2A erhältlich. Die Messgeräte sind in einem robusten ABS-Gehäuse verbaut. Die Messungen erfolgen mithilfe von vernickelten Stahlklemmen über die 220 Millimeter langen, 22-AWG-Kabel. 

Der Autor Stuart Coding arbeitet als freier Autor im Auftrag von Mouser.