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:

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

[Schaltplan]
Schaltplan, Eagle-Quelle [Auge]

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

Layout

[Layout][Layout]
Doppelseitiges Layout

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

Aufbau-Fotos

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

Weitere Fotos:

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!