ATtiny84 Nano Akım Ölçer

ATtiny84 Nano Akım Ölçer, nano seviyesindeki akımları ölçmek için hazırlanmış bir devredir. ATtiny serisindeki bazı mikroişlemcilerin güç tüketimini ölçmek için kullanılmıştır. 10µA ve 30nA aralığındaki akım değerlerini makul bir doğrulukla ölçebilir.

Çok küçük akımları doğru bir şekilde ölçmek, normal dijital multimetrelerle herkesin bildiği gibi zordur; ya hiç düşük bir akım aralığı sağlamazlar ya da sağlarlarsa, “yük gerilimi” olarak adlandırılan ve ekranı hatalı hale getirebilecek bir gerilim düşüşü yaratırlar. Bunu aşmanın bir yolu, düşük akımlar için tasarlanmış ölçüm aletlerini kullanmaktır.

Yüksek doğruluğu hedeflemediğimiz için ölçümü, kondansatörün boşalma süresini referans alarak hesaplayacağız. Dirençli bir yükte deşarj olan kondansatörün boşalma eğrisi, radyoaktif bozunmaya benzer şekilde üsteldir. Ardışık sabit zaman aralıklarında voltaj yarıya iner; bu nedenle voltaj 5V’dan başlarsa belirli bir $t$ süresinden sonra 2.5V’a düşer, ardından yine aynı mantıkla 1.25V’a iner. Bu $t$ değeri yarılanma ömrü olarak adlandırılır.

Yarılanma ömrünü hesaplamak için RC zaman sabitinin log₂ karşılığını, yani pratikte 0.693 × RC ifadesini kullanırız. Dolayısıyla sabit bir C değeri için, voltajın başlangıç değerinin %50’sine düşme süresini ölçerek yükün etkin direncini ve buna bağlı akım tüketimini hesaplayabiliriz.

ADC girişine sahip bir mikroişlemci ile bu yöntem kolayca uygulanabilir ve kondansatör dışında çok az ek bileşen gerektirir. Dezavantajı ise, nanoamper seviyesindeki ölçümlerde boşalma süresi nedeniyle sonucun birkaç saniye gecikmeyle gelmesidir.

Devre Şeması

Port A: PA0 – PA6 pinleri segmentleri sürmek için kullanılır ve Port B üzerindeki PB0 – PB2 rakamları sürmek için kullanılır. Kullanılabilir daha fazla pin olmadığı için PB2 ondalık nokta için bir sürücü olarak ikiye katlanır, bu da üçüncü basamakta ondalık basamağa ihtiyaç duyulmadığından çalışır. Kalan pin PA7, kapasitör üzerindeki voltajı ölçmek için analog giriş olarak kullanılır.

Kondansatör için ±%5 toleranslı bir DC film kondansatör kullandık. Herhangi bir kaliteli kondansatör muhtemelen uygun olacaktır, ancak geniş bir toleransa sahip oldukları için elektrolitik kondansatörleri kullanmamaya çalışın.

Bir buton reset pinine bağlanır, okumayı başlatmak için sıfırlama sinyali gönderilir.

Devreyi doğrudan 5V güç kaynağından besledik. Akü veya pil ile çalıştırmak istiyorsanız, analog giriş doğruluğu besleme voltajına bağlı olduğu için bir regülatör kullanmanız önerilir.

Kullanım Detayları

Test etmek istediğiniz devreyi Test ve Gnd terminalleri arasına bağlayın ve sıfırlama butonuna basın. Program önce 1µF kondansatörü şarj etmek için Test terminaline 5V uygular. Ardından, kısa bir gecikmeden sonra gücü keser ve test devresini kondansatörden güç çekmek üzere bırakır.

Kondansatör hedef voltaja deşarj olduğunda, program deşarj akımını hesaplar ve bunu nA veya µA olarak görüntüler; µA, bir “u” son eki ile gösterilir. Örneğin, bazı olası sonuçlar aşağıdaki gibidir:

7 Segment LED	Açıklama
Lo	Akım < 30nA
45	Akım = 45nA
750	Akım = 750nA
2.5u	Akım = 2.5µA
10u	Akım = 10µA
Hi	Akım > 10µA

Nano akım ölçerin 30nA kadar düşük akımları ölçmesinin 100 saniyeye kadar sürebileceğini unutmayın.

Uyku durumundaki bir devrenin akım tüketimini test ediyorsanız, devreye Nano Akım Ölçerin Test terminalinden güç verin ve devre uyku moduna geçtiğinde sıfırla butonuna basın.

Program Detayları

Önceki projelerimizin birçoğunda olduğu gibi görüntü, Buffer[] dizisinin içeriği kullanılarak kesme (interrupt) altında oluşturulur. Örneğin, “123” sayısını 7 segmentte göstermek için bu kodu kullanabilirsiniz.

Program, ekranı çoklamak için kullanılan 200 Hz’de bir kesme oluşturmak için Timer/Counter1’i kullanır.

Kesme işlem rutini basitçe DisplayNextDigit() öğesini çağırır :

Bu kod bloğu ise sonraki basamağı seçer, basamaktaki uygun segment modelini ayarlar ve ardından basamağın ortak anodunu aktifleştirir:

PORTA’nın üst biti, Test sinyaline müdahaleyi önlemek için maskelenmiştir.

Kondansatör Deşarjını Zamanlama

Bir okuma başlatmak için Sıfırla butonuna bastığımızda ana program çalışır. Kondansatörü şarj etmek için önce PA7 çıkışını yüksek alır. Daha sonra bunu bir giriş olarak yeniden tanımlar ve girişteki azalan voltajı izlemek için analogRead()’ i çağırır.

Voltaj Target tarafından tanımlanan değere düştüğünde, program aşağıdaki denklemi kullanarak deşarj hızına karşılık gelen RC zaman sabitine dayanarak yükün direncini hesaplar:

yarı ömür = log(2) RC

Değişen voltajın test devresi üzerindeki etkisini azaltmak için hedefi yarı ömrün yarısına, yani voltajın başlangıç değerinin $1/\sqrt{2}$ oranına (yaklaşık 3.5V) düştüğü ana ayarladık. Programda $1/\sqrt{2}$ için pratik bir yaklaşım olarak 29/41 kullandık. Gerçek yarı ömrü bulmak için bu süreyi ikiyle çarparız.

Program daha sonra bunu 5V’luk deşarj akımına dönüştürür, bu şu şekilde verilir:

deşarj akımı = (5 x log(2) x 10 ^-6 ) / t

burada deşarj akımı amper cinsindendir, 5 volt cinsinden besleme voltajıdır, 10 ^-6 deşarj kondansatörünün kapasitansıdır, 1µF ve t saniye cinsinden yarı ömürdür.

burada nA , nA cinsinden deşarj akımıdır ve  Zaman , milisaniye cinsindendir.

Programı Derlemek

Programı Spence Konde’nin geliştirdiği ATTiny Core kullanarak derledik. Board menüsünde ATTinyCore başlığı altında bulunan ATtiny24/44/84 seçeneğini seçiniz. Ardından, sonraki seçeneklerin aşağıdaki gibi ayarlanıp ayarlanmadığını kontrol edin (diğer seçenekleri yok sayın):

Çip: “ATtiny84”
Saat: “8 MHz (dahili)”
B.O.D: “BOD Devre Dışı”
Pin Eşleme: “Saat yönünde (damellis çekirdeği gibi)”

ATtiny84 varsayılan olarak 1MHz’de çalışır. 8MHz çalışması için sigortaları ayarlamak gerekir bunu yapmak için önyükleyiciyi yüklemeyi seçin. Ardından her hangi bir ISP programlayıcı ile programı ATtiny84’e yükleyin.

Kalibrasyon ve Ölçüm Güvenilirliği

Nanoamper seviyesinde ölçüm yaparken devre topolojisi kadar kalibrasyon adımları da önemlidir. Özellikle kondansatör toleransı, PCB kaçak akımları ve ortam sıcaklığı ölçüm sonucunu doğrudan etkiler.

• Önce bilinen referans dirençlerle test yaparak cihazın hata payını çıkarın.
• Lehim akıntısı ve yüzey kirlerini temizleyerek kaçak akımı azaltın.
• Ölçümü birkaç kez tekrarlayıp ortalama değer üzerinden yorum yapın.

Program Kodu