USB-3.0-Strommesser

Bei verdächtigen Geräten sowie bei Eigenbauten möchte man gern die Stromaufnahme von USB-Geräten messen, ohne sein Multimeter dafür herzugeben. Für Stromversorgung sorgt USB ohnehin, da eignet sich auch eine altmodische Schaltung mit LED-Anzeige, ganz ohne Batterien.

Variante 1: Mit C520

Der Rückgriff auf die Bastelkiste mit DDR-Bauelementen erfolgte, um mal lagernde Bestände auszuräumen. Richtig schön macht sich der anreihbare Stufenschalter. Einige neumodische „NSW“-Bauteile werden dennoch gebraucht:

Kleingeräte-Gehäuse, Reichelt „GEH KS 21“
USB-3.0-Verlängerungskabel (zum Anzapfen und Durchführen) „USB3 A-VL 100 BL“ (damit es auch für ganz moderne Geräte funktioniert!)
High-Side-Strommesser INA201 (TI-Testmuster)
2 SMD-Widerstandsnetzwerke, 2 SMD-Spulen, 2 SMD-Kondensatoren, 1 Schottky-Diode
n-Kanal-MOSFET (Typ nahezu beliebig, R_DSon sollte klein sein) im SOT223-Gehäuse

Der Einsatz des „besseren“ A/D-Wandlers C500 + C502 bot sich nicht an wegen seiner ungünstigen Stromversorgung mit ± 15 V. Der C520 begnügt sich dagegen mit 5 V, optimal für USB also.

Der Messbereichswähler deckt Strommessbereiche von 100 µA bis 1 A ab und ist damit bestens zur Messung der Schlafstromaufnahme geeignet. Im kleinsten Strommessbereich ist die Auflösung 100 nA. Kein kommerziell angebotener USB-Strommesser bietet dieses wichtige Feature. Hingegen „fehlt“ hier die Möglichkeit der Spannungsmessung.

Schaltung

Hinweis: Die Eagle-Quelle enthält auch eine ordentliche, aufs notwendige reduzierte und universell einsetzbare Eagle-Bibliothek mit C520 und D348 und ist komplett deutsch kommentiert.

Funktionsprinzip

Der anreihbare, wischende Stufenschalter S0..S4 ist hier zentrales Bauelement. Der obere Teil (S1+S2) bildet einen Stromteiler (Shunt) mit 1-%-Widerständen (ich denke, das reicht für's erste). Die Schottky-Diode D1 schützt vor zu großen Spannungsabfällen durch falsche Messbereichswahl und für kontinuierliche Stromversorgung der Last bei Schaltvorgängen.
Die vom Shunt abfallende Spannung (max. 20 mV) wird von IC3 abgegriffen, verstärkt und auf 0 V pegel-umgesetzt.
Der untere Teil (S3+S4) schaltet den Dezimalpunkt der Anzeige sowie, über die Transistoren T5 und T6, zwei Anzeige-Segmente für die Signalisierung von „mA“ und „µA“.
Über T4 wird die gesamte Schaltung bei Linksanschlag des Stufenschalters stromlos gemacht. T4 erspart hierbei zwei weitere sonst notwendige Schaltkammern.
Der anzeigende A/D-Wandler mit C520 und D348 ist in Standardbeschaltung ausgeführt. Mechanisch sitzen die beiden Schaltkreise unter der Anzeige. Letztere sitzt auf einem Sockel, um auf die richtige Bauhöhe für das verwendete Gehäuse zu kommen.
Vorausgesetzt, die Shunt-Widerstände sind einigermaßen engtolerant erfolgt der gesamte Abgleich der Schaltung mit 2 Trimmpotenziometern.

Layout

Das handgeroutete Layout ist passend für das Gehäuse gemacht und ist mit häuslichen Mitteln erstellbar:

minimale Leiterzugbreite: 300 µm,
minimaler Leiterzugabstand: 300 µm,
minimaler Bohrdurchmesser: 0,5 mm,
alle Lötstellen erreichbar,
Durchkontaktierungen nicht unter SMD-Bauelementen,
minimale Anzahl von Durchkontaktierungen.

Aufbau-Fotos

Die bestückte Leiterplatte von oben und unten. Der C520 und der Siebensegmentdekoder befindet sich unter den gesockelten Anzeigen.

Weitere Fotos:

Alle Teile (Gehäuse, Schrauben)
Gefräste Tasche, also eine Vertiefung im Gehäusedeckel für den Stufenschalter. Diese wurde mit einem flach geschliffenen 6-mm-Bohrer auf einer Tischbohrmaschine handgefertigt.

Resümee

Der High-Side-Strommesser INA201 hat laut Datenblatt bis zu 1 V (viel zuviel) Restspannung, um als geeigneter Rail-To-Rail-OPV durchzugehen. Bei mir sind's zum Glück nur 8 mV. Der Eingangswiderstand ist für den Stromteiler zu gering, sodass dieser nicht ganz dekadisch arbeitet. Eine nachträglich eingebaute Biasstromkompensation (200-Ω-Widerstand am +-Eingang) ist unbedingt erforderlich.

Vermutlich wäre es zweckmäßiger gewesen, rotzfrech die Strommessung auf der Masseseite vorzunehmen, bis zu 10 mV Spannungsabfall in Kauf nehmend, und um Faktor 100 auf 1 V zu verstärken. Geeignete Rail-to-Rail-Operationsverstärker gibt's wieder bei Texas Instruments. Möglicherweise machen das die kommerziellen USB-Strommesser auch so.

Variante 2: Mit Mikrocontroller

Verendende Bestände an C520 führen zur Lösung mit Mikrocontroller, entweder Atmel ATtiny/ATmega oder Texas Instruments MSP430. Damit ließe sich auch eine automatische Messbereichswahl realisieren.

Variante 3: Mit ICL7107 oder C7136

Der 3½-stellige A/D-Wandlerchip ICL7107 ist für LED-Anzeigen mit gemeinsamer Anode. Da dieser nicht multiplext hat man weniger Ärger mit Störungen als bei Verwendung des C520 wie oben.

Der verbreitete 3½-stellige A/D-Wandlerchip ICL7136 (auch ICL7106, C7136) für LC-Anzeigen wäre ebenfalls recht gut einsetzbar.

Beide Chips benötigen eine Hilfsstromversorgung für die Bereitstellung seiner Betriebsspannung. Ein Spannungsverdoppler oder -inverter genügt vollauf.

Die Messbereichsumschaltung ist hier günstiger manuell zu realisieren.

Später mehr!