Skip to content
Уроки
Проекты
Power Sentry
Разработки уроков
Урок 2. Охота на микроамперы

Урок 2. Охота на микроамперы

Урок 2. Охота на микроамперы: найти каждого едока

Паспорт урока

ПараметрЗначение
Место в модулеPowerSentry, модуль 1 «Энергия как бюджет», урок 2 из 8
Длительность90 мин (два занятия по 45 либо сдвоенное)
Возраст13–16
ОборудованиеМультиметр с диапазоном мкА, узел, батарейный бокс, конденсатор 100–470 мкФ
Предварительные знанияУрок 1: бюджет заряда; понятие тока и последовательной цепи
ПредметФизика (измерения, метрология), инженерная практика
Единственный урок модуля уровня Миллера «делает». Здесь ученик не разбирает и не рассчитывает, а измеряет реальный прибор реальным инструментом и получает число, которого нет ни в одном учебнике. Именно поэтому урок стоит двойного времени: измерительная культура нарабатывается только руками.

Образовательные цели

№ЦельБлумМиллерЧем доказывается
2.1Измерять малые токи с соблюдением методикиприменятьделаетЗаполненная таблица «едок → мкА → как поймали»
2.2Выявлять и ранжировать паразитных потребителейанализироватьпоказывает какРанжированный перечень с числами
2.3Объяснять влияние прибора на измеряемую цепьпониматьзнает какОтвет про burden voltage
2.4Обосновывать выбор диапазона измеренияоцениватьзнает какПорядок действий с обоснованием

Сценарий (90 минут)

ВремяБлокЧто делает педагогЧто делают ученики
0–5RetrievalМини-квиз по уроку 1Пишут, разбор
5–15Постановка«Мы посчитали 2 мкА. А сколько на самом деле?»Формулируют гипотезы
15–35МетодикаКак мерить, чтобы не сжечь и не совратьКонспектируют порядок
35–70ПрактикумСопровождает измеренияИзмеряют, ищут едоков
70–82Разбор находокСводная таблица классаСравнивают результаты
82–90Итог и ДЗПересчёт срока жизниСчитают со своими числами

Блок 1. Постановка (5–15 мин)

Провокационный вопрос

«На прошлом уроке мы посчитали: ток сна 2 микроампера, узел живёт десятилетия. Число взято из документации на процессор. Вопрос: сколько потребляет наш реальный стенд?»

Собрать гипотезы. Записать на доску диапазон предположений класса.

Честное предупреждение

«Я не знаю ответа. И это не педагогическая уловка — я действительно не могу его назвать, потому что он зависит от вашей конкретной платы, пайки и того, что вы к ней подключили. Единственный способ узнать — измерить.»

Это ключевая фраза всего курса («Я не знаю. Как мы можем это измерить?»), и здесь она звучит буквально. Ученики видят, что незнание — не провал педагога, а нормальное начало инженерной работы.

Почему реальность отличается от даташита

«Микроамперы ест кристалл процессора. А на плате живут ещё: светодиоды, стабилизатор напряжения, обвязка программатора, подтягивающие резисторы. Каждый берёт своё. Наша задача — найти всех и назвать поимённо.»

Блок 2. Методика измерения (15–35 мин)

Этот блок читается до практикума и конспектируется. Нарушение порядка ведёт к сожжённому предохранителю или неверным числам.

2.1. Как включается амперметр

Амперметр включается В РАЗРЫВ цепи, последовательно с нагрузкой — в отличие от вольтметра, который подключается параллельно.

Подключение амперметра параллельно источнику — короткое замыкание. Это выводит из строя предохранитель прибора, а иногда и сам прибор.

Схема подключения:

[−] батареи ──→ COM мультиметра
                мультиметр (режим тока)
                mA/µA гнездо ──→ [−] питания узла
[+] батареи ─────────────────────→ [+] питания узла

2.2. Порядок переключения диапазонов

Правило, нарушение которого портит прибор:

  1. Начинать всегда с диапазона мА — узел при старте и передаче потребляет десятки миллиампер;
  2. Дождаться в мониторе строки [СОН];
  3. Только теперь переключить на диапазон мкА и считать показание;
  4. Перед пробуждением вернуть на мА.

Если оставить прибор на мкА во время передачи (45 мА), сгорит предохранитель этого диапазона, а при неудачном стечении — просядет питание и узел уйдёт в перезагрузку прямо в момент измерения.

2.3. Burden voltage — прибор влияет на измерение

Суть явления. Амперметр имеет внутреннее сопротивление (шунт). На диапазоне мкА шунт составляет сотни ом. При импульсной нагрузке на нём падает заметное напряжение, и до узла доходит меньше положенного.

Uburden=I×RшунтU_{\text{burden}} = I \times R_{\text{шунт}}

Пример: ток 45 мА через шунт 200 Ом даёт падение 9 В — питание узла обрушится полностью.

Лечение: электролитический конденсатор 100–470 мкФ параллельно питанию узла. Он берёт на себя импульсы тока, а через мультиметр течёт усреднённый ток подзарядки.

Обобщение, важное за пределами электроники. Измерительный прибор влияет на измеряемую систему. Это фундаментальное свойство измерения, а не дефект мультиметра: термометр отбирает тепло, вольтметр отбирает ток, опрос влияет на мнение опрашиваемых.

Инженер обязан знать, как его прибор искажает картину, и учитывать это.

2.4. Обязательные условия

  • USB и программатор отключены — они питают плату и полностью меняют картину;
  • Питание только от батареи;
  • Конденсатор установлен;
  • Начали с диапазона мА.

Блок 3. Практикум: охота (35–70 мин)

Задание командам

«Найдите всех, кто ест ток на вашем узле. Для каждого — число в микроамперах и способ, которым вы его поймали. Заполняйте таблицу.»

Лестница подозреваемых

Искать в этом порядке — от самых прожорливых к самым мелким:

№ПодозреваемыйПорядок величиныКак поймать
1Светодиоды платы1–5 мАвидно глазами; отключить или выпаять
2Обвязка программатора0,1–десятки мАсравнить с питанием модуля в обход платы
3Стабилизатор (ток покоя)десятки–сотни мкАдаташит + тот же обход
4Радио не усыплено~1 мАзакомментировать radio.sleep() и увидеть разницу
5Внутренняя подтяжка на мокром электроде~80 мкАсравнить INPUT_PULLUP и внешние 4,7 МОм
6Висящие входыединицы–десятки мкА, «плавает»перевести неиспользуемые ноги в INPUT_PULLDOWN
7Датчик без гейтированияот мкА до мАснять питание с PB2 и замерить разницу
8Кристалл в Stop21–2 мкАэто дно; глубже только Standby

Метод дифференциального измерения

«Как узнать, сколько ест конкретный потребитель? Измерить с ним и без него, вычесть.»

Iпотребителя=Iс ним−Iбез негоI_{\text{потребителя}} = I_{\text{с ним}} - I_{\text{без него}}

Это основной приём урока: он превращает общее число в разложение по статьям.

Таблица результатов (заполняют ученики)

ЕдокТок, мкАКак поймалиМожно ли убрать
Итого ток сна стенда

Что оценивается. Абсолютное значение тока не нормируется — оно зависит от конкретной платы. Принимается понимание: кто ест, сколько, как это выяснили и что нужно сделать, чтобы дойти до микроампер кристалла.

Команда, нашедшая три едока с обоснованием, работала лучше команды, получившей «красивое» число без разбора.

Блок 4. Разбор находок (70–82 мин)

Сводная таблица класса

Свести результаты команд на доску. Обычно обнаруживается разброс — это повод для разговора:

Причина разбросаЧто делать
Разные платы, разная обвязканормально, зафиксировать в отчёте
Разная методика (кто-то не отключил USB)переизмерить
Ошибка диапазонапереизмерить
Разные подключённые датчикизафиксировать состав

Пересчёт срока жизни со своими числами

Каждая команда пересчитывает по формуле урока 1, подставив измеренный ток сна:

T=2500×1000(Iсна×24+10)×365T = \frac{2500 \times 1000}{(I_{\text{сна}} \times 24 + 10) \times 365}

Ожидаемый эффект

Реальный срок жизни окажется существенно меньше расчётных 118 лет — обычно годы или месяцы, в зависимости от находок.

«Вот разница между расчётом по даташиту и реальностью. Она не означает, что расчёт был неверен, — он показал потенциал. Ваша задача как инженеров: понять, что стоит между потенциалом и реальностью, и убрать это.»

Блок 5. Практические задачи

Уровень A (13–14 лет)

A1. Почему нельзя сразу включать мультиметр на диапазон мкА?

Ответ

Потому что узел при старте и передаче потребляет десятки миллиампер. На диапазоне мкА такой ток сожжёт предохранитель прибора, а падение напряжения на шунте может перезагрузить узел. Начинают с мА и переключаются на мкА только когда узел заснул.

A2. Почему при измерении надо отключить USB?

Ответ

Потому что через USB плата получает питание, и измеряемый ток от батареи перестаёт отражать реальное потребление. Кроме того, обвязка программатора сама потребляет ток. Измеряют только автономный режим.

A3. Светодиод на плате горит постоянно и ест 2 мА. Во сколько раз это больше тока сна процессора (2 мкА)?

Решение

2 мА = 2000 мкА.

20002=1000 раз\frac{2000}{2} = \mathbf{1000\ \text{раз}}

Один светодиод потребляет в тысячу раз больше, чем весь спящий процессор. Это самая крупная и самая лёгкая добыча охоты.

Уровень B (14–15 лет)

B1. Внутренняя подтяжка микроконтроллера имеет сопротивление около 40 кОм. Какой ток потечёт через неё при замкнутых водой электродах (напряжение 3,3 В)?

РешениеI=UR=3,3 В40 000 Ом=8,25×10−5 А≈82 мкАI = \frac{U}{R} = \frac{3{,}3\ \text{В}}{40\,000\ \text{Ом}} = 8{,}25 \times 10^{-5}\ \text{А} \approx \mathbf{82\ \text{мкА}}

Почему это важно: пока подвал затоплен, электроды замкнуты и этот ток течёт непрерывно. Он в 40 раз больше тока сна процессора и один съедает бюджет.

Решение проекта: внешний резистор 4,7 МОм вместо внутренней подтяжки.

I=3,34 700 000≈0,7 мкАI = \frac{3{,}3}{4\,700\,000} \approx 0{,}7\ \text{мкА}

В сто с лишним раз меньше. Это первый экспонат охоты и наглядный пример, как выбор номинала решает энергетическую задачу.

B2. Команда измерила ток сна 250 мкА. Пересчитайте срок жизни от пары AA (эфир 10 мкА·ч/сут).

Решение

Суточный расход: 250 мкА × 24 ч + 10 = 6000 + 10 = 6010 мкА·ч/сут.

T=2500×10006010×365≈1,1 годаT = \frac{2500 \times 1000}{6010 \times 365} \approx \mathbf{1{,}1\ \text{года}}

Вместо расчётных 118 лет — чуть больше года. Разница в сто раз, и вся она — в паразитных потребителях платы.

B3. Зачем при измерении ставят конденсатор 100–470 мкФ параллельно питанию?

Ответ

Чтобы он принимал на себя импульсы тока при передаче. На диапазоне мкА внутреннее сопротивление мультиметра велико, и импульсный ток создал бы на нём большое падение напряжения (burden voltage), обрушив питание узла. Конденсатор сглаживает импульсы, через прибор течёт усреднённый ток подзарядки.

Уровень C (15–16 лет)

C1. Предложите методику, позволяющую измерить и ток сна, и импульс передачи одним прибором без переключения диапазонов.

Разбор

Метод шунта. Включить в разрыв питания резистор известного малого номинала (например, 10 Ом) и измерять напряжение на нём вольтметром или осциллографом:

I=UшунтRшунтI = \frac{U_{\text{шунт}}}{R_{\text{шунт}}}

Преимущества: нет переключения диапазонов; осциллограф показывает форму тока во времени — виден профиль пробуждения, замера, передачи.

Ограничения: при токе сна 2 мкА падение на 10 Ом составит 20 мкВ — это ниже разрешения обычного вольтметра. Нужен либо усилитель, либо два разных шунта, либо специализированный измеритель.

Вывод: широкий динамический диапазон измерения (от мкА до десятков мА — это 4–5 порядков) — сама по себе инженерная задача. Именно поэтому существуют специализированные приборы для профилирования энергопотребления.

Отметим связь с FoxHunter, урок 2: там мы обсуждали динамический диапазон измерителя сигнала. Здесь та же проблема в другой области.

C2. Ваша команда нашла ток сна 250 мкА. Составьте план работ по снижению до 10 мкА с оценкой вклада каждого шага.

Разбор

Примерный план (числа зависят от конкретной платы):

ШагОжидаемый выигрышСложность
Отключить светодиод питания1000–3000 мкАнизкая (перерезать дорожку)
Питать модуль в обход платы, минуя обвязку программатора50–200 мкАсредняя (пайка)
Заменить стабилизатор на низкопотребляющий20–80 мкАвысокая
Перевести висящие входы в определённое состояние5–20 мкАнизкая (код)
Убедиться, что радио в режиме сна~1000 мкАнизкая (код)
Внешняя подтяжка 4,7 МОм вместо внутренней80 мкАнизкая (компонент)

Порядок работ: сначала дешёвые и крупные (код, светодиод), затем аппаратные.

Правило: оптимизировать в порядке убывания вклада, а не в порядке удобства. Начинать с профилирования, а не с догадок.

C3. Обоснуйте, почему для реальной городской сети важен каждый лишний микроампер, хотя для одного узла разница кажется несущественной.

Разбор

Пусть лишние 100 мкА на узел. Для одного узла это сокращение срока жизни с десятилетий до примерно 2,8 года — уже плохо, но терпимо.

Для сети из 10 000 узлов: замена батарей раз в 2,8 года вместо, скажем, раза в 8 лет означает почти в 3 раза больше выездов.

Стоимость складывается не из батареек, а из работы: выезд бригады, вскрытие колодца, наряд, документы. Умножьте на тысячи точек — и лишние 100 мкА превращаются в существенную ежегодную статью расходов.

Ключевая мысль: в инфраструктурных проектах малая величина, умноженная на масштаб и на срок, становится определяющей. Это и есть переход от «датчик на столе» к «система, за которую город платит».

Ответы на вопросы, которые прозвучат

Вопрос ученикаКак отвечать
«У нас получилось не 2 мкА, а 300 — мы что-то сделали не так?»Скорее всего, всё правильно. 2 мкА — это кристалл, а вы измерили всю плату. Ваша задача — найти, кто съедает остальное
«Зачем мерить, если можно посмотреть в даташите?»Даташит описывает микросхему в идеальных условиях. Ваша плата — это микросхема плюс десяток других компонентов. Реальность узнаётся только измерением
«А если сжечь предохранитель?»Он заменяемый и стоит копейки. Но лучше не жечь: соблюдайте порядок диапазонов. Сожжённый предохранитель — тоже урок, но дорогой по времени
«Можно ли вообще дойти до 2 мкА?»На отладочной плате — почти нет. На специально разведённой плате без лишней обвязки — да. Именно поэтому серийные устройства делают на своих платах
«Почему нельзя просто взять батарею побольше?»Можно, но это увеличивает размер и цену каждого из тысяч узлов. Убрать светодиод дешевле и работает для всего флота

Раздаточный лист (для печати)

Урок 2. Охота на микроамперы

⚠ ПОРЯДОК ДЕЙСТВИЙ (нарушение = сожжённый предохранитель):

  1. Мультиметр в разрыв питания, режим мА
  2. Дождаться в мониторе [СОН]
  3. Переключить на мкА, считать показание
  4. Перед пробуждением вернуть на мА

Обязательно: USB отключен · питание от батареи · конденсатор 100–470 мкФ установлен

Лестница подозреваемых (искать в этом порядке):

№ЕдокОжидаемый порядокНайдено, мкАКак поймали
1Светодиоды платы1–5 мА
2Обвязка программатора0,1–десятки мА
3Стабилизатордесятки–сотни мкА
4Радио не усыплено~1 мА
5Внутренняя подтяжка~80 мкА
6Висящие входыединицы–десятки мкА
7Датчик без гейтированиямкА–мА
8Кристалл в Stop21–2 мкА

ИТОГО измеренный ток сна нашего стенда: ______ мкА

Пересчёт срока жизни со своим числом:

T=2500×1000(Iсна×24+10)×365=_____ летT = \frac{2500 \times 1000}{(I_{\text{сна}} \times 24 + 10) \times 365} = \_\_\_\_\_\ \text{лет}

Самая крупная добыча (кто ел больше всех): _________________

Что бы я сделал, чтобы дойти до микроампер кристалла:

_____________________________________________________

Домашнее задание

Обязательная часть

Врайтап по рубрике А. Обязательные пункты: измеренное число, список найденных едоков, и что вас удивило.

Уровень A

Найти дома три устройства, работающих от батареек. Оценить по инструкции или опыту, на сколько хватает батареи, и предположить, что в них потребляет больше всего.

Уровень B

Рассчитать, какой ток сна нужен, чтобы узел прожил ровно 5 лет от пары AA при 2 уплинках в сутки.

Ответ для педагога

Допустимый суточный расход: 2500 × 1000 / (5 × 365) ≈ 1370 мкА·ч/сут. Минус эфир (10) → 1360 на сон.

I=136024≈57 мкАI = \frac{1360}{24} \approx 57\ \text{мкА}

Полезное наблюдение: требование «5 лет» гораздо мягче, чем кажется, — 57 мкА достижимы даже на отладочной плате после устранения светодиодов. Не всякая задача требует борьбы за единицы микроампер.

Уровень C

Составить план доведения вашего стенда до тока сна менее 20 мкА: перечень работ, ожидаемый вклад каждой, необходимые инструменты и порядок выполнения.

Итог урока: что записать в журнал

Вывод урока 2

  1. Реальный ток узнаётся только измерением — даташит описывает кристалл, а не вашу плату.
  2. Амперметр включается в разрыв цепи. Порядок диапазонов: мА → дождаться сна → мкА → перед пробуждением обратно на мА.
  3. Burden voltage: прибор влияет на измеряемую цепь. Лечение — конденсатор, берущий импульсы на себя.
  4. Бюджет считает худшего участника цепи: один светодиод (2 мА) в тысячу раз прожорливее спящего процессора.
  5. Дифференциальный метод (с потребителем и без) разлагает общий ток по статьям.
  6. Оптимизировать надо в порядке убывания вклада, а не удобства.
  7. В сети из тысяч узлов лишние 100 мкА превращаются в реальные деньги на выезды бригад.

Связь с курсом

Что родилось на этом урокеГде станет инструментом
Измерительная культураВсе последующие измерения курса
«Прибор влияет на измерение»Любая экспериментальная работа
Дифференциальный методWarWalk (сравнение сессий)
Свои измеренные числаУрок 8 (защита проекта — обязательны собственные данные)

Чек-лист педагога перед уроком

  • Мультиметры с диапазоном мкА проверены (обязательно — не все бытовые их имеют)
  • Предохранители в мультиметрах целы, есть запасные
  • Конденсаторы 100–470 мкФ по числу команд
  • Батарейные боксы, узлы прошиты с рабочим режимом сна
  • Проведён инструктаж по ТБ (документ 4 экспертизы)
  • Раздаточный лист распечатан
  • Педагог сам провёл измерение накануне — иначе не сможет направлять поиск
Урок 1. Ток сна решает всёУрок 3. EXTI против RTC: разбудить по делу или по расписанию