Zaloguj
Badany moduł ma dość szerokie możliwości konfiguracji i liczne tryby pracy, dlatego przeprowadzono szereg pomiarów. Nota nie podaje minimalnego poboru prądu ani specyficznych wartości tego parametru w różnych trybach pracy – znany jest jedynie pobór maksymalny przekraczający 1 A.
Patrząc na omawiane wcześniej układy komunikacyjne i inne moduły można wyciągnąć wniosek, że w wielu przypadkach minimalny pobór prądu w trybie uśpienia może być ponżej 100 μA. Daje to zakres dynamiki ponad 1:10000, czyli >80 dB. Stąd też konieczność dobrego przygotowania się do pomiarów. Drugim elementem, często pomijanym w kontekście pomiarów prądowych z użyciem bocznika, jest wpływ parametrów pasożytniczych.
Okazuje się bowiem, że zwykły rezystor o małej wartości może mieć rezystancję rzędu 10...100 mΩ, ale jego impedancja przy 1 MHz może już być 3 razy wyższa niż rezystancja mierzona w warunkach DC, co zaburzy pomiary szybko zmieniającego się poboru prądu. Ma to szczególne znaczenie, gdy pobór ten rośnie tylko na kilkaset mikrosekund do kilku milisekund. Do takich pomiarów potrzebny jest specjalny typ rezystora.
Rezystory bezindukcyjne
Standardowe rezystory przewlekane są wykonywane przez napylanie warstwy węgla lub metalu na element nośny, a następnie wykonywanie spiralnego nacięcia, by uzyskać relatywnie długą ścieżkę. Grubość warstwy i długość ścieżki określają rezystancję.
W podobny sposób wykonuje się rezystory SMD, z tą jednak różnicą, że nośnik warstwy przewodzącej jest płaski, a nie walcowy. Rezystory drutowe większej mocy wykonuje się nawijając drut oporowy na ceramiczny karkas, a następnie pokrywa się całość odpowiednim lakierem izolacyjnym, jak w przypadku pozostałych rezystorów. Można też całość zalać masą ceramiczną, która następnie zostanie spieczona – tak powstają rezystory cermentowe.
Problemem takich metod konstrukcyjnych jest spora indukcyjność własna i pojemność pasożytnicza – parametry raczej niepożądane w układzie pomiarowym. Istnieją jednak rezystory bezindukcyjne. Ich wersje drutowe nawija się albo bifilarnie (i łączy uzwojenia przeciwsobnie), albo dwoma drutami w przeciwnych kierunkach, po czym łączy się je równolegle. W efekcie powstaje rezystor, którego indukcyjności się znoszą.
Elementy większej mocy budowane są w formie metalowej lub metalizowanej płytki zalanej cermetem, dzięki czemu zamiast zwoju mamy do czynienia z niedomkniętą pętlą, przypominającą kształtem grecką literę Π. Indukcyjność takiego elementu jest znacznie mniejsza niż standardowego rezystora.
Jak to wygląda w praktyce? Możemy to sprawdzić używając miernika LCR do pomiarów parametrów rezystorów na różnych częstotliwościach. Do pomiaru użyty został miernik LCR Uni-T UT622E, pozwalający na pomiar impedancji, ale też rezystancji (prądem stałym).
W tabeli 1 zestawiono wszystkie możliwe pomiary jednego rezystora bezindukcyjnego 0,1 Ω/2 W o tolerancji 5%. Przed każdym pomiarem przyrząd był kalibrowany. Jak widać, wyniki pomiarów są dość ciekawe.
Rezystor ma wartość poniżej znamionowej, ale wciąż w zakresie jego tolerancji. Reaktancja zmienia się dość znacznie, zależnie od częstotliwości, ale rezystancja i impedancja pozostają relatywnie stałe dla większości pomiarów. Jednak nawet rezystor bezindukcyjny nie zachowuje stałej wartości przy częstotliwości 100 kHz. Mimo to wciąż mieści się w zakresie tolerancji. Porównajmy to ze zwykłym rezystorem osiowym – pomiary pokazuje tabela 2. Z kolei tabela 3 zbiera wyniki pomiarów rezystora cermetowego 0,1 Ω/ W.
Autor spodziewał się dużo gorszego wyniku rezystora 2-watowego, jednakże wartości rezystancji i impedancji pozostawały relatywnie zbliżone – rosła jedynie reaktancja i to dość znacznie, zwłaszcza przy 100 kHz. W przypadku rezystora cermetowego rezystancja pozostawała relatywnie stała, ale zarówno reaktancja, jak i impedancja wzrosły przy częstotliwości 100 kHz.
Pomiary nie dawały też stałych odczytów, gdyż sam miernik jest wrażliwy na zmiany temperatury, a rezystory – na zbliżanie ręki (przez pojemności pasożytnicze). W porównaniu ze zwykłymi rezystorami element bezindukcyjny wypada bardzo dobrze. Większe wahania odczytów można zaobserwować przy jeszcze wyższych częstotliwościach, ale to już wymaga użycia specjalistycznego miernika stołowego lub kombinacji oscyloskopu i generatora funkcyjnego.
W tym celu zestawiono obwód składający się z dwóch rezystorów 0,1 Ω: bezindukcyjnego 2 W i cermetowego 5 W, podłączonych szeregowo do generatora funkcyjnego. Używając sondy różnicowej zmierzone zostało napięcie odkładające się najpierw na jednym rezystorze, potem na drugim, przy zmianie częstotliwości sygnału z generatora. Amplituda sygnału generatora wynosi 2 Vp-p. Na początek podłączono sondę do rezystora cermetowego, a sondę ustawiono na wzmocnienie 10×. Przy 10 kHz średnia amplituda zmierzona wyniosła:
- 77,6 mVp-p (przy dużej składowej zakłóceń z otoczenia),
- 100 kHz: 60 mVp-p,
- 400 kHz: 122 mVp-p,
- 1 MHz: 268 mVp-p.
Różnica niemal 3,5-krotna!
W przypadku rezystora bezindukcyjnego sytuacja wygląda inaczej:
- 10 kHz: 69,6 mVp-p,
- 100 kHz: 71,3 mVp-p,
- 500 kHz: 75,1 mVp-p,
- 1 MHz: 129,4 mVp-p.
Przyrost znacznie mniejszy, bo tylko 1,85 raza, przy czym dokładność pomiarów nie jest zagwarantowana dla niższych częstotliwości, ze względu na liczne zakłócenia „łapane” z otoczenia. Pomiary z uśrednianiem miałyby w tym przypadku zastosowanie. Nie zmienia to jednak faktu, że rezystor bezindukcyjny (choć zdaniem autora, wcale nie najwyższej jakości, co odzwierciedla jego cena) jest lepszym wyborem do takich pomiarów.
Praktyczne pomiary modułu łączności
Do pomiarów poboru prądu zastosowano dwie metody. Pierwsza korzysta z trybu pomiaru prądu multimetru stołowego Owon XDM3051. Instrument ten oferuje wysoką precyzję pomiarów prądowych w dość szerokim zakresie prądów, od ułamków mikroampera, aż po 10 A. Przy braku karty SIM moduł pobiera około 41...43 mA, po włączeniu modułu GPS wartość ta rośnie do 79...103 mA. Wiele zależy od położenia anteny.
Multimetr miał duże problemy ze wskazaniem momentów wzmożonej aktywności modułu, dając jedynie odczyt uśrednionego poboru prądu. Za to w czasie, gdy pobór spadał poniżej pewnego dolnego limitu, multimetr przełączał zakresy przekaźnikiem, co powodowało, że modem się resetował. Ustawienie trybu pracy na ręczny wybór zakresu rozwiązało ten drobny problem.
Pomiary oscyloskopowe pokazały wzrost poboru prądu do około 80 mA w chwili początkowego nawiązywania łączności z siecią GSM/LTE. Średni pobór prądu wynosił 65 mA, z trwającymi po kilka milisekund „pikami” poboru do około 80 mA, występującymi co 850 ms. Jest to interwał wywołania tej konkretnej sieci. Przesłonięcie anteny ręką zwiększało szczytowy pobór prądu do 12...140 mA.
Aktywacja funkcji GPS/GNSS dodawała stały przyrost poboru prądu o 42,5 mA, choć nie udało się określić pozycji modemu – antena GPS znajdowała się wewnątrz budynku, z dala od okien. Nie zaobserwowano szybszych zmian poboru prądu, a i precyzja pomiaru była w pewnym stopniu ograniczona przez duży poziom szumów w sygnale pomiarowym, pochodzących z różnych źródeł: impulsowego zasilacza warsztatowego czy samej anteny modułu A7670E.
Nie udało się też dokonać pomiarów poboru prądu w stanie uśpienia. Wymagane było zwarcie dwóch pinów na płytce modułu, z jednoczesną obserwacją oscyloskopu, czego autor nie był w stanie wykonać ze względu na posiadanie tylko dwóch rąk, podczas gdy zadanie to wymagało przynajmniej trzech (czterech, jeśli uwzględnić elektroniczną lupę, z której autor jest zmuszony korzystać). Być może jednak autor wróci do tych pomiarów, mając odpowiednią liczbę kończyn do pomocy...
Warto nadmienić też, że zestawiony obwód pomiarowy był dość delikatny – przypadkowe przesunięcie przewodu łącza szeregowego spowodowało przynajmniej dwukrotne rozłączenie obwodu pomiarowego. Autor planuje (i zaleca to samo Czytelnikom) wykonanie przystawki pomiarowej do włączenia między zasilacz a badany układ, która pozwoli na pewne połączenie rezystora pomiarowego z sondą różnicową przewodami BNC-BNC. Warto też będzie umieścić taką przystawkę w metalowej obudowie, co powinno zmniejszyć wrażliwość całości na zakłócenia.
Zakończenie
Na tych pomiarach zakończymy niniejszy cykl artykułów. Nie oznacza to jednak, że nie powrócimy do tematu w przyszłości, zwłaszcza po pozyskaniu stosownej przystawki pomiarowej lub dedykowanego zasilacza precyzyjnego.
W przyszłości pojawić się też mogą praktyczne projekty energooszczędnych układów lub omówienia gotowych urządzeń czy modułów. Tematyka oszczędzania energii i alternatywnych źródeł jej pozyskiwania jest bowiem dość istotna w dobie potencjalnych zagrożeń, związanych z ograniczeniami lub całkowitym brakiem zasilania. Tegoroczny blackout w Hiszpanii pokazał, jak wrażliwa na błędy operatorów może być sieć elektroenergetyczna i to nawet bez dodatkowego zagrożenia ze strony hakerów czy sabotażystów. Dlatego autor jest przekonany, że tematyka związana z odnawialnymi źródłami energii i oszczędzaniem energii z łam „Elektroniki Praktycznej” raczej nieprędko zniknie.
Paweł Kowalczyk, EP
