|
Met dit ongeveer € 50,00 kostende zelfbouw apparaatje maakt u een elektronische belasting (stroomsink) waarmee u voedingen, accu's en batterijen kunt testen tot een stroom van 5 A of een vermogen van 35 W. |
Kennismaking met de elektronische belasting XY-FZ35
De XY-FZ35 electronic load
Om maar meteen met de deur in huis te vallen ziet u in de onderstaande foto het eindresultaat van dit nabouwproject. Een stevig metalen kastje van 12,0 cm bij 6,0 cm bij 15,0 cm, gevoed uit een 12 Vdc netstekker adapter. Met deze elektronische belasting, ook electronic load of stroomsink genoemd, kunt u voedingen, batterijen en accu's belasten tot maximaal 5 A of 35 W. De basis van dit nabouw project is de Chinese XY-FZ35 electronic load, ingebouwd in een eveneens via de Chinese postorderbedrijven leverbare vrijwel kant-en-klare behuizing.
 |
| Het eindresultaat van een paar uurtjes hobbyen. (© 2022 Jos Verstraten) |
Wat kunt u doen met een elektronische belasting?
Elektronische belastingen zult u niet vaak aantreffen in het gemiddelde hobby-lab. Ten onrechte, want zo'n apparaat heeft een aantal nuttige functies:
- Meten van de uitgangsstabiliteit van voedingen:
Deze parameter definieert hoe stabiel de uitgangsspanning van een voeding blijft als deze met een variërende stroom wordt belast. U sluit de electronic load aan op uw gestabiliseerde voeding en voert de belastingsstroom in stappen op van nul tot de maximale stroom die de voeding kan leveren. U meet het spanningsverschil tussen nullast en vollast. Als u dit deelt door de stroom krijgt u een idee van de inwendige weerstand van de voeding en van de uitgangsstabiliteit. - Observeren van de rimpel op voedingen:
Met de oscilloscoop kunt u controleren hoe de uitgangsspanning van een voeding zich gedraagt als deze tot de maximale stroom wordt belast. - Opmeten van de regelkarakteristiek van een voeding:
Hoe gedraagt de uitgangsspanning van een voeding zich als u deze opeens belast met een piekstroom? Met een elektronische belasting en een oscilloscoop hebt u het zó bekeken! - Controleren van de koeling van een voeding:
Door een voeding constant te belasten met de maximale stroom kunt u controleren of uw koelprofiel(en) voldoende capaciteit hebben om alle onderdelen op een acceptabele temperatuur te houden. - Controleren van de lange termijn stabiliteit van een voeding:
Blijft de uitgangsspanning stabiel als de schakeling opwarmt? Door de voeding te belasten met een electronic load hebt u het binnen een half uurtje gemeten. - Meten van de capaciteit van een accu of batterij:
Belast zo'n onderdeel met de stroom die de te voeden apparatuur maximaal zal verbruiken en u kunt meten hoe lang de spanning die de accu of batterij levert boven de minimaal acceptabele waarde blijft.
De onderdelen van deze elektronische belasting
De voorgestelde elektronische belasting is samengesteld uit drie in China te bestellen componenten:
- Een 12 V netstekkervoeding:
Wij gebruiken de CJ-1220, die 2 A kan leveren en te koop is voor ongeveer € 10,00. De XY-FZ35 verbruikt slechts een paar honderd mA stroom, dus veel eisen worden niet gesteld aan deze voeding. - De XY-FZ35 inbouwmodule:
Bij een heleboel bedrijven via AliExpress te koop voor prijzen vanaf € 17,95. - Riden behuizing voor voedingen:
Te koop bij onder andere Banggood voor € 22,74.
De XY-FZ35 electronic load
Het uiterlijk
In de onderstaande foto ziet u hoe deze stroomsink er uit ziet. Het frontplaatje is 79 mm bij 42 mm groot, de module heeft een inbouwdiepte van 56 mm. Het apparaatje klikt door middel van verende lipjes op de zijkanten automatisch in een rechthoekige uitsnede in een behuizing.
Op de voorzijde ziet u links een display waarop twee grootheden worden weergegeven en rechts een draaiende encoderknop met daaronder een klein drukknopje. Met de encoder stelt u de functies van de stroomsink in, met de drukknop zet u het apparaatje in werking. De achterzijde wordt in beslag genomen door een koelplaat met een daarop gemonteerde ventilator en twee printkroonsteentjes. Op het ene moet u de voedingsspanning van de module aansluiten, op het andere de ingangsspanning.
 |
De voor- en achterzijde van de XY-FZ35. (© AliExpress) |
De specificaties van de XY-FZ35
- Voedingsspanning: 5 Vdc ~ 30 Vdc
- Voedingsstroom: 200 mA max. (met draaiende ventilator)
- Ingangsspanning: 25,0 V max.
- Sinkstroom: 5,0 A max.
- Verbruikt vermogen: 35,0 W max.
- Resolutie meting ingangsspanning: 10 mV
- Nauwkeurigheid spanningmeting: ±(0,5 % + 1 digit)
- Resolutie meting sinkstroom: 10 mA
- Nauwkeurigheid stroommeting: ±(1,0 % + 3 digits)
- Overspanning beveiliging OVP: instelbaar tot 25,2 V
- Overstroom beveiliging OCP: instelbaar tot 5,10 A
- Oververmogen beveiliging OPP: instelbaar tot 35,5 W
- Minimale ingangsspanning alarm: instelbaar tot 1,5 V
- Temperatuurbeveiliging: +80 °C op de koelplaat
- Alarm: knipperend display, stroom naar nul
- Afmetingen: 79 mm x 43 mm x 55 mm
- Gewicht: 87 g
De handleiding
De module wordt geleverd zonder handleiding, maar op internet is een aantal goede manuals te vinden over deze module. Wij hebben twee daarvan samengevoegd tot één pdf-bestand. In de tweede is, voor de gevorderde hobbyist, informatie te vinden over het UART-protocol waarmee u deze module kunt laten communiceren met uw PC:
Aanklikbare link ➡ XY_FZ35_Manual.pdf
De elektronica van de XY-FZ35
In de kleine behuizing zitten twee printjes die door middel van twee printconnectoren met elkaar worden verbonden. De onderste print bevat aan de ene zijde het display, de encoder en de drukknop en aan de andere zijde de microcontroller en de display driver. Wat onmiddellijk opvalt zijn de restanten van soldeerpasta, de grote onderdelen worden bij de onbekende fabrikant slordig met de hand ingesoldeerd! Op deze print ontdekt u een Nuvoton 8051 compatible 8-bit microcontroller, een Holtek HT1621B 32x24 LCD-controller en een XLSEMI XL1509-5 DC naar DC converter.
 |
| De twee zijden van de onderste print. (© 2022 Jos Verstraten) |
Op deze onderste print wordt de tweede even grote print geklikt met de twee connectoren als enige onderlinge mechanische bevestiging. Op die print zit de regeltransistor. Dat is een TIP122 NPN darlington in TO-220 behuizing. Volgens de specificaties kan deze belast worden tot maximaal 100 V en 8 A. Via een uitsnede in de print wordt deze halfgeleider op de koelplaat, aan de andere zijde van de print, bevestigd. Naast deze transistor is op deze zijde van de print nog een LM324 viervoudige op-amp aanwezig. Tot slot kunt u een grote SMD-weerstand opmerken, een R025. Dat is zonder enige twijfel de stroomsensor weerstand. Links ziet u het printkroonsteentje L- en L+, waarop u de belasting van de stroomsink moet aansluiten. Rechts een identiek printkroonsteentje V- en V+ voor de voedingsspanning van de module.
 |
| De twee zijden van de bovenste print. (© 2022 Jos Verstraten) |
Werking van de ventilator
De ventilator start automatisch als het opgenomen vermogen groter wordt dan 10 W of de temperatuur van de koelplaat hoger wordt dan +40 °C.
Riden behuizing voor voedingen
Wat is het?
Deze behuizing is eigenlijk niet ontworpen voor de XY-FZ35, maar voor de inbouwvoedingen DPS5015, DPS5020, DPH5005, DPS3012 en DPH3205 van Riden. De XY-FZ35 past echter precies in de uitsparing in de frontplaat van dit kastje en heeft, net zoals de genoemde voedingen, niets anders nodig dan twee 4 mm banaanstekker bussen op de frontplaat. Vandaar dat wij dit volledig voorgestanste en geboorde kastje hebben gekozen voor het inbouwen van onze elektronische belasting.
De geleverde onderdelen
In de onderstaande foto ziet u wat u allemaal krijgt voor uw € 22,00. Naast de eigenlijke behuizing, samengesteld uit twee U-vormige delen stevig blik, wordt een 5 V ventilatortje geleverd. Om dit te voeden uit gelijk welke voedingsspanning wordt een klein printje van een step-down converter bijgevoegd. De bedoeling van de ontwerpers van deze behuizing is dat de voedingsspanning op de achterzijde van de behuizing wordt aangesloten op twee 4 mm banaanstekker bussen. Vandaar dat er vier van dergelijke onderdelen in het pakketje zitten. Met een tuimelschakelaar kunt u deze voedingspanning in- en uitschakelen. Tot slot is het nodige schroefwerk en een paar stukjes stevige montagedraad aanwezig.
 |
| De onderdelen van de behuizing. (© 2022 Jos Verstraten) |
De bouw van de elektronische belasting
Voorbereiding van de behuizing
Omdat wij het aansluiten van de 12 V netstekkervoeding via twee 4 mm banaanstekkers een nogal achterlijk idee vinden hebben wij de twee daarvoor aanwezige gaten op de achterzijde van de behuizing iets uitgeboord. In de ene hebben wij een zekeringhouder gemonteerd, in de andere een standaard voedingsconnector voor het kabeltje van de netstekker adapter. Hoe de achterzijde er dan uit komt te zien ziet u in de onderstaande foto. In de zekeringhouder past een zekeringetje van 500 mA.
 |
| De achterzijde van de behuizing. (© 2022 Jos Verstraten) |
Het aanpassen van het printje voor de ventilator
De fabrikant gaat er van uit dat u dat printje monteert op de twee 4 mm banaanstekker bussen op de achterzijde van de voeding. Vandaar de twee grote gaten in dit printje. Omdat wij voor een andere oplossing hebben gekozen kan dit niet meer. In de onderstaande foto ziet u hoe wij dat hebben opgelost.
Tussen de twee grote gaten hebben wij een 3,5 mm gaatje geboord, waarmee het printje op de bodem van het kastje kan worden bevestigd. Dat doet u met de twee nylon afstandsbusjes die in het zakje met het montagemateriaal zitten. Het koper is aan weerszijden rond dit gaatje weggefreesd, zodat er geen sluitingen via het boutje kunnen ontstaan. In de twee grote gaten zijn forse soldeerlipjes geschroefd met M4x10 boutjes en moertjes. Hierop kunt u de twee draadjes van de voeding solderen. De twee draadjes die van de V+ en V- printkroonsteen van de XY-FZ35 komen moet u solderen in de twee pad's - en + in de linker bovenhoek van de print. De twee pad's met de notatie 'KEY' worden kortgesloten met een bruggetje. Links onder ziet u de 5 V pad's waaraan u de draadjes van de ventilator moet solderen.
 |
| De wijzigingen aan het 5 V printje. (© 2022 Jos Verstraten) |
De montage in de behuizing
Monteer de zekeringhouder, de voedingsconnector, de tuimelschakelaar en de ventilator op de achterzijde van de behuizing. Schroef vervolgens vier rubberen voetjes in de vier gaatjes op de bodem van het kastje. Monteer de twee 4 mm banaanstekker bussen op de voorzijde van de behuizing. Trek de print met de ventilator uit de behuizing van de XY-FZ35. Monteer nu deze module in de grote uitsnede in de voorzijde van het kastje. Deze klikt zichzelf vast, maar helaas met enige speling. Druk nu weer de ventilatorprint in de module. Let er daarbij op dat alle pennetjes van de twee printheaders goed in de connectoren van het onderste printje passen. Monteer het 5 V printje in het midden van de behuizing via een 3,5 mm gaatje.
De bedrading in het kastje
Die is uiteraard vrij simpel, zie de onderstaande foto. De min van de voedingsconnector gaat rechtstreeks naar de min soldeerlip op het 5 V printje. Omdat wij de metalen behuizing niet elektrisch wilden laten zweven hebben wij het metaal ook met deze min verbonden. Onder het boutje van de linker achterste poot hebben wij een soldeerlipje gemonteerd. Let er op dat het noodzakelijk is de lak rond dit gaatje weg te schuren. De plus van de voedingsconnector gaat naar de tuimelschakelaar. Vandaar gaat de plus verder naar de zekering en dan uiteraard naar de plus soldeerlip op de 5 V print. Soldeer de twee draadjes van de ventilator op de 5 V pad's. Tot slot soldeert u de twee voedingsdraadjes van de module op het 5 V printje en monteert twee DIKKE draden tussen de L- en de L+ van de XY-FZ35 en de twee banaanstekker bussen op de frontplaat. Door deze draden moet immers de maximale stroom van 5 A lopen.
 |
De bedrading in het kastje. (© 2022 Jos Verstraten) |
Het werken met de elektronische belasting
Het inschakelen
Na het inschakelen van de voeding verschijnt het onderstaande beeld op het display. De spanningsindicatie staat op nul, want er is nog niets aangesloten op het apparaat. De stroomindicatie staat op de waarde die u het laatst hebt ingesteld, deze wordt dus in een geheugen bewaard. U kunt nu met de draaischakelaar de stroom instellen op de gewenste belastingsstroom. Dat gaat helaas maar per 10 mA per klik van de draaischakelaar. Opdraaien van de stroom van 1,00 A tot 5,00 A duurt dus wel even!
 |
| Het display na het inschakelen van het apparaat. (© 2022 Jos Verstraten) |
Het aansluiten van de belasting
Sluit de belasting aan op de stroomsink. Het display geeft nu de spanning van de belasting aan en bovendien wordt meteen de ingestelde stroom uit de belasting getrokken. Door het IN-symbooltje in de linker bovenhoek wordt aangegeven dat het apparaat actief is. Door even op de gele ON/OFF knop te drukken wordt de opgenomen stroom nul en gaat het stroomdisplay knipperen. Als u, vanuit de AAN-stand, lang op deze ON/OFF knop drukt verschijnt naast het stroomdisplay een symbool ├, zie de onderstaande foto. De stroominstelling is nu geblokkeerd op de ingestelde waarde. Uitsluitend na het weer lang drukken op deze knop verdwijnt dit vinkje en kunt u de stroom op een andere waarde instellen met de draaischakelaar.
 |
| Het display tijdens de werking van het apparaat. (© 2022 Jos Verstraten) |
De overige gegevens op het display
Door even op de draaischakelaar te duwen scrollt u door de overige gegevens die de XY-FZ35 meet:
- Het momenteel opgenomen vermogen in W.
- Het totaal door de belasting geleverd aantal ampère-uur in Ah.
- De totale tijdsduur van de belastingsmeting in uren en minuten.
De twee laatste gegevens kunt u weer op nul resetten door lang op de ON/OFF knop te drukken.
Het instellen van de parameters
De XY-FZ35 kan zeven waarden van instelbare parameters in zijn geheugen opslaan. Deze kunt u selecteren door lang op de draaischakelaar te drukken. In het display verschijnt links onder 'SET' en met de draaischakelaar kunt u de waarde van de parameter instellen. Door even kort op de knop te drukken gaat het apparaatje naar de volgende parameter.
- OVP, Over Voltage Protection:
De maximale spanning die de XY-FZ35 tussen zijn twee ingangsklemmen wil voelen. U kunt deze parameter instellen tot 25,2 V. Wordt de ingangsspanning hoger, dan schakelt de sinkstroom uit en gaat het display knipperen. - OCP, Over Current Protection:
De maximale stroom, in te stellen tot 5,10 A. - OPP, Over Power Protection:
Het maximaal opgenomen vermogen, maximaal 35,50 W. - LVP, Under Voltage Protection:
Hiermee kunt u de spanning instellen waarbij de XY-FZ35 ophoudt met het trekken van stroom uit de belasting en de meetcyclus beëindigt. De minimale waarde is 1,5 V. - OAH, maximale capaciteit:
Stelt het aantal Ah in die de XY-FZ35 uit de belasting mag halen alvorens het apparaat stopt met het sinken van stroom. Is op nul te zetten door even op de ON/OFF knop te drukken. - OHP, maximale ontlaad tijd:
Stelt de maximale tijd in dat het apparaat stroom mag trekken uit de belasting. Is op nul te zetten door even op de ON/OFF knop te drukken. - DAT, dataset:
Als u bij deze optie '0' selecteert worden het aantal geleverde ampère-uur en de tijdsduur van de ontlading bij het begin van iedere meting weer op nul gezet. Selecteert u '1' als waarde, dan worden deze gegevens gecumuleerd over de verschillende opeenvolgende meetcycli.
- OTP, Over Temparature Protection:
Het sinken van stroom stopt als de temperatuur van de koelplaat stijgt tot boven +80 °C.
 |
| Het instellen van de alarmdrempels. (© 2022 Jos Verstraten) |
Wat gebeurt er als een van de parameters wordt overschreden?
Heel weinig! Het sinken van stroom wordt afgebroken en het display gaat knipperen. Helaas is geen akoestisch alarm ingebouwd. Bij zo'n situatie blijven het totaal aantal geleverde Ah en de sinkstroom tijd wél in het geheugen opgeslagen en u kunt deze dus zonder problemen aflezen.
Een praktische toepassing van de XY-FZ35
Het is zonder meer mogelijk om het apparaatje onbeheerd te laten meten hoe lang het duurt alvorens de spanning van een opgeladen accupack van 5,0 V naar bijvoorbeeld 4,5 V is gezakt bij een gegeven ontlaadstroom. Stel de alarmdrempels van het aantal Ah en de tijd in op nul. Stel de ontlaadstroom en de eindspanning in op de door u gewenste waarde. Start de ontlading van het accupack. Op het moment dat het display staat te knipperen weet u dat de meting klaar is. Koppel vervolgens het accupack af van de stroomsink. U kunt de tijd en het geleverd aantal Ah aflezen.
Het testen van de XY-FZ35
De nauwkeurigheid van de gemeten spanning
De meting op de XY-FZ35 wordt vergeleken met de meting op onze Fluke 8842A. Om spanningsval over kabels te voorkomen wordt gemeten zonder stroomsinking. De resultaten zijn samengevat in de onderste tabel. Voor het berekenen van de procentuele fout wordt de uitlezing op de Fluke als 100 % referentie aangehouden.
 |
| De nauwkeurigheid van de spanningsmeting. (© 2022 Jos Verstraten) |
Omdat de 8842A slechts tot 2 A kan meten wordt gebruik gemaakt van onze tweede referentiemeter, de ET3255 van East Tester. Deze wordt opgenomen in de positieve verbinding tussen de voeding en de XY-FZ35. De meting wordt uitgevoerd bij een voedingsspanning van 5,00 V.
 |
| De nauwkeurigheid van de stroommeting. (© 2022 Jos Verstraten) |
De constantheid van de ingestelde stroom
Bij een stroomsink moet de door u ingestelde stroom volledig onafhankelijk zijn van de ingangsspanning van de stroomsink. Uiteraard hebben wij ook dit getest door de stroom in te stellen op 1,00 A en de ingangsspanning te variëren tussen 5,00 V en 25,00 V. Uit de onderstaande tabel blijkt dat het regelsysteem in de XY-FZ35 uitstekend werkt.
Vervolgens hebben wij ook nog gemeten tot welke minimale spanning de stroom stabiel blijft. Voor een stroom van 1,00 A is dat 1,8 V. Voor een stroom van 5,00 A stijgt deze minimale spanning tot 2,7 V.
 |
| De constantheid van de ingestelde stroom. (© 2022 Jos Verstraten) |
De lange termijn stabiliteit
Tot slot hebben wij gemeten wat de opwarming van de elektronica tot gevolg heeft voor de stabiliteit van de uitgangsstroom. In dezelfde meting hebben wij met een thermokoppel de temperatuur tussen twee vinnen van de koelplaat geobserveerd. Deze metingen worden uitgevoerd bij het maximale vermogen van 35 W dat in de XY-FZ35 mag worden gedissipeerd: 2,3 A bij een spanning van 15 V. Beide meetresultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel. Duidelijk blijkt dat het apparaatje uitstekend voldoet aan wat het moet doen, namelijk de ingestelde stroom constant houden. De opwarming van de koelplaat blijft, uiteraard met ingeschakelde ventilator, ruimschoots binnen de veilige grenzen.
 |
| Het lange termijn gedrag van de XY-FZ35 bij maximale belasting. (© 2022 Jos Verstraten) |
(AliExpress sponsor advertentie)
