Getest: ZPB30A, elektronische belasting

(gepubliceerd op 18-12-2017)

Met de ZPB30A haalt u een elektronische belasting in huis, waarmee u op een goedkope en gemakkelijke manier accu's, batterijen en voedingen kunt testen. Dank zij de microcontroller besturing meet deze print bovendien de totale capaciteit en de totaal geleverde energie van een batterij of accu.

Achtergrondinformatie

Het testen van voedingen op de klassieke manier
Elektronische voedingen moeten een constante spanning leveren over het volledige gespecificeerde stroombereik. Bovendien moet de brom, het restant van de gelijkgerichte netspanning, ook bij volledige belasting zo klein mogelijk zijn. Om dit te testen moet u een zware regelbare weerstand op de voeding aansluiten, een zogenaamde rheostaat. In serie met deze rheostaat neemt u uiteraard een ampèremeter op voor het meten van de door de voeding geleverde stroom. Over de voeding zet u een voltmeter voor het meten van de uitgangsspanning en een oscilloscoop voor het observeren van de rimpelspanning op de uitgang van de voeding.
Vervolgens kunt u de stroom langzaam laten stijgen door de loper van de rheostaat te verschuiven. Bij een aantal standen noteert u de geleverde stroom, de uitgangsspanning en de rimpel op een velletje papier. Met deze gegevens kunt u een grafiekje opstellen waarin de uitgangsspanning en de rimpel worden uitgezet in functie van de geleverde stroom. Uit de gemeten waarden kunt u bovendien de inwendige weerstand van de voeding berekenen.

Het testen van een voeding op de klassieke manier. (© 2017 Jos Verstraten)

Het testen van voedingen op de moderne manier
Tegenwoordig heeft men meetapparaten ontwikkeld die dank zij microcontroller besturing het uitvoeren van de beschreven metingen grotendeels automatiseren. Zo'n apparaten heten 'electronic loads' en deze belasten de voeding met een instelbare constante stroom. Op twee digitale meters kunt u de ingestelde stroom en de uitgangsspanning van de voeding aflezen. Het enige nadeel van deze apparaten is dat zij nogal prijzig zijn, u moet rekenen op minstens € 750,00 voor de goedkoopste uitvoeringen.

Het testen van een voeding met een 'electronic load'. (© 2017 Jos Verstraten)

Het testen van accu's en batterijen
Bij het testen van deze onderdelen is niet alleen het verband tussen belastingsstroom en uitgangsspanning van belang, maar ook grootheden zoals de capaciteit van een accu en de maximale energie die een batterij kan leveren. Onder capaciteit verstaat men hoe lang een accu of batterij een bepaalde stroom kan leveren. Heeft een accu bijvoorbeeld een capaciteit van 10 Ah, dan betekent dit dat deze accu gedurende tien uren een stroom van 1 A kan leveren of gedurende honderd uren een stroom van 100 mA. De bepalende factor hierbij is de eindspanning. Stel dat een accu een volle-lading spanning heeft van 13,8 V en een lege-lading spanning van 12,4 V, dan wordt de capaciteit gemeten door een accu met een klemspanning van 13,8 V te belasten met een bepaalde constante stroom en te meten hoelang de accu deze stroom kan leveren tot de klemspanning is gedaald tot 12,4 V. Het product van stroom maal tijd geeft dan de reële capaciteit van de accu.
Het is uiteraard heel tijdrovend om de capaciteit van een accu te meten op de geschetste klassieke manier. Ook voor deze metingen kunt u een 'electronic load' inschakelen. Deze apparaten kunnen zo geprogrammeerd worden dat zij de capaciteit automatisch meten en op hun display vertonen.

De ZPB30A van ZHIYU als goedkoop alternatief

De presentatie van het apparaat
Door het Chinese bedrijf ZHIYU wordt onder typenummer ZPB30A een heel goedkoop alternatief voor de commercieel verkrijgbare en peperdure 'electronic loads' op de markt gebracht. Als u wat rondsurft kunt u de compleet gemonteerde elektronica aanschaffen voor ongeveer € 15,00 en een zelf in elkaar te schroeven plexiglazen behuizing voor ongeveer € 6,50. Beide componenten vormen na de zeer snelle en probleemloze samenbouw een enigszins vreemd uitziend apparaatje, zie onderstaande foto. Het zal niet bepaald moeders mooiste zijn op uw werktafel maar het blijkt een uitstekend bruikbaar alternatief te zijn voor de dure commerciële apparaten.

De ZPB30A is zijn plexiglazen behuizing. (© Aliexpress)

Wat kan de ZPB30A?
De ZPB30A is in wezen niets meer dan een microprocessor bestuurde 'stroomsink'. 'Sink' wil zeggen dat het apparaat een door u ingestelde stroom opneemt van de spanningsbron die u op het apparaat hebt aangesloten. De microprocessor zorgt ervoor dat deze stroom constant blijft vloeien, ook als de spanning van de spanningsbron varieert.
De ZPB30A heeft twee werkingsmodi:

• Fun1:
  In deze modus werkt het apparaat alleen als 'domme' constante stroomsink die de aangesloten spanningsbron belast met een tussen 200 mA en 9,99 A instelbare stroom. Op twee display's wordt de stroom en de klemspanning van de aangesloten spanningsbron weergegeven. Deze modus is geschikt voor het testen van al dan niet gestabiliseerde voedingen. U kunt de stroom in een aantal stappen verhogen en leest op het tweede display de spanning af.
• Fun2:
  In deze modus werkt de ZPB30A als tester van accu's en batterijen. U stelt nu niet alleen een ontlaadstroom in, maar ook een spanningsdrempel die overeen komt met de door de fabrikant van de accu of batterij gespecificeerde klemspanning als de accu of de batterij volledig ontladen is. Vervolgens start u de ZPB30A op. Op het tweede display verschijnen achtereenvolgens de klemspanning (V), de capaciteit (Ah) en de geleverde energie (Wh). Op het moment dat de klemspanning gelijk wordt aan de door u ingestelde drempelspanning stopt de ZPB30A met het belasten van de accu of de batterij en kunt u de totale geleverde capaciteit en de totaal geleverde energie aflezen.

De elektronica van de ZPB30A
In onderstaande foto zijn de belangrijkste componenten op de print weergegeven. Hart van de schakeling is een flinke MOSFET, type IRFP150N van Infineon. Deze transistor kan 42 A bij 100 V verdragen bij een maximaal vermogen van 160 W. Dit onderdeel wordt als regelbare weerstand toegepast. De IRFP150N zit op een forse koelplaat met maximaal oppervlak door geribbelde koelvinnen. Zwart geëloxeerd zou uiteraard nog beter zijn geweest, maar dat had natuurlijk weer een paar centen extra gekost. Op de achterzijde is een 12 V ventilatortje aangebracht dat door middel van pulsbreedte modulatie in snelheid wordt geregeld. Naast de MOSFET zijn een beschermingsdiode en de noodzakelijke temperatuursensor op de koelplaat bevestigd.
De stroomsensor bestaat uit een dikke draadbrug die volgens de opdruk op de print een weerstand van 10 mΩ heeft. Daarnaast zit een klein printkroonsteentje waarop u de te testen voeding, accu of batterij moet aansluiten. Als u bedenkt dat de schakeling tot 9,99 A kan opnemen lijkt dit kroonsteentje wel erg klein om de noodzakelijke dikke bedrading te kunnen behappen. Naast dit kroonsteentje zit een tweede kleine connector op de rand van de print. De schakeling is namelijk voorbereid op het werken met de zogenaamde 'vierdraad meettechniek'. Wij komen daar later op terug.

De elektronica van de ZPB30A. (© 2017 Jos Verstraten)

 Links ziet u een standaard 5,5 mm x 2,1 mm connector waarop u een gestabiliseerde gelijkspanning van 12 V moet aansluiten voor het voeden van het apparaatje. De schakeling trekt ongeveer 500 mA voedingsstroom, een kleine netstekkervoeding is dus goed genoeg. Onder het opsteekprintje met de display's en de bediening zit de intelligentie verborgen. Dat is een acht bit STM8S00 microcontroller van STMicroelectronics.
Op het opsteekprintje ziet u rechts iets dat een draaipotentiometer lijkt, maar een draaibare encoder is die de pulsjes levert waarmee u de stroom en de drempelspanning instelt. U kunt een keuze bevestigen door de draaiknop even in te drukken. Onder deze encoder zit een piepklein rood drukknopje, waarmee u het apparaat inschakelt en een paar menu-keuzes bevestigt.



Visuele inspectie van het geleverde
Wat onmiddellijk opvalt is de afwezigheid van een handleiding. Tenzij de koper goed Chinees kan lezen, moet hij/zij het dus stellen met de steenkolen-vertaling naar het Engels of, nog erger, naar het Nederlands op de Chinese sites. In eerste instantie is daar geen touw aan vast te knopen met vertalingen als 'kortademig zoemertje', dus prijs u gelukkig dat u dit artikel ter beschikking hebt!
De print en de onderdelen zien er professioneel uit en daar is niets op aan te merken, behalve de reeds geplaatste opmerking over het kroonsteentje dat wel een maatje groter had kunnen zijn. Wél merkwaardig is de manier waarop het printkroonsteentje verbonden is met de stroomsensor en de MOSFET, zie onderstaande figuur. Eén aansluiting van het kroonsteentje gaat rechtstreeks naar de stroomsensor. De tweede aansluiting gaat echter via een merkwaardige kronkel in het printspoor naar de beveiligingsdiode die in serie met de MOSFET staat. De bedoeling van deze kronkel en het zeer smalle printspoortje daarin is volledig onduidelijk. Meer dan een wel uiterst goedkope en wel zeer radicale printzekering konden wij niet bedenken.

Detail van het rare printspoor in de aansluiting van het printkroonsteentje. (© 2017 Jos Verstraten)

Specificaties van de ZPB30A
       - Fabrikant: ZHIYU
       - Richtprijs: € 14,25 (ex. behuizing)
       - Voedingsspanning: 12 Vdc typisch
       - Voedingsstroom: 0,5 A max.
       - Ontlaadstroom: 0,2 A tot 9,99 A
       - Resolutie instelling ontlaadstroom: 10 mA
       - Nauwkeurigheid ontlaadstroom: ±1,5 % typisch
       - Ontlaadspanning: 1,0 V tot 25,0 V
       - Resolutie instelling ontlaadspanning: 100 mV
       - Nauwkeurigheid ontlaadspanning: ±1 % typisch
       - Maximale spanning op de ingang: 30 V
       - Indicatie capaciteit: 999,9 Ah max.
       - Indicatie energieverbruik: 9.999 Wh max.
       - Maximaal opgenomen vermogen: 60 W
       - Beveiliging tegen overbelasting: automatische stroombegrenzing
       - Koeling: geforceerd, automatische inschakeling
       - Afmetingen print: 110 mm x 70 mm x 60 mm
       - Gewicht print: 145 g

De ZPB30A aan het werk

Opstarten van het apparaat en instellen van de modus
Druk op de rode 'ON/OFF'-drukknop en schakel tegelijkertijd de voedingsspanning van 12 Vdc in. Met de draaiknop kunt u nu de mode instellen op 'Fun1' of 'Fun2'. 'Fun1' moet u gebruiken bij het testen van voedingen, 'Fun2' bij het testen van accu's en batterijen. Laat de rode drukknop even los en druk er nadien opnieuw op. Met de draaiknop kunt u nu de modus van de zoemer instellen. 'bEon' schakelt de zoemer in, 'bEoF' schakelt de zoemer uit. Bevestig weer door het drukken op de rode knop. Deze instellingen blijven bewaard in het geheugen van het apparaatje.

Het testen van een voeding
Zorg dat het apparaat in de stand-by modus staat door op de rode knop te drukken tot de LED 'Run' gedoofd is. Sluit de voeding die u wilt testen aan op het groene kroonsteentje, de positieve ader op 'P+', de negatieve ader op 'P-'. Druk op de draaiknop tot het LED-je 'A' gaat branden. U kunt nu de gewenste belastingsstroom instellen waarmee u uw voeding wilt testen door aan de knop te draaien. Als de linker LED tussen de twee display's brandt kunt u de stroom per 100 mA instellen. Druk eenmaal op de draaiknop en u kunt de stroom per 10 mA instellen. Druk nogmaals op de draaiknop en u kunt nu de drempelspanning instellen. Deze instelling is in deze modus echter vrij zinloos en u kunt het beste de drempel op de minimale waarde van 1,0 V instellen. Ook dit kan met twee verschillende resoluties, 1 V en 0,1 V. Druk tot slot op de kleine rode drukknop. De rode LED 'Run' gaat branden en de te testen voeding wordt belast met de door u ingestelde stroom. Het bovenste display geeft de klemspanning van de voeding weer.

Opnemen van de spanning/stroom-karakeristiek van een voeding
Schakel de ZPB30A weer uit door het drukken op de rode knop. Stel de stroom in op de minimale waarde van 200 mA. Schakel de ZPB30A weer in en noteer de uitgangsspanning van de voeding. Herhaal deze stappen met steeds 100 mA meer belastingsstroom, tot u duidelijk merkt dat de stroombegrenzing van de geteste voeding begint te werken en de uitgangsspanning in elkaar begint te storten. U kunt nu de gegevens in een mooie grafiek opnemen en hebt het gezondheidsrapport van uw voeding opgesteld. Met de ZPB30A is dat werkelijk een fluitje van een cent en in een paar minuutjes klaar. In de onderstaande grafiek hebben wij op deze manier de U/I-karakteristiek van een netstekkervoeding P.SUP.EU24W van het merk HQ opgemeten. Deze voeding kan 24 Vdc leveren bij een maximale stroom van 1 A, maar presteert beter zoals blijkt uit de grafiek. Wat een langdurige overbelasting doet met de temperatuur van de voeding volgt natuurlijk niet uit deze grafiek. Maar u begrijpt dat ook dit met de ZPB30A gemakkelijk is te meten.

De spanning/stroom-grafiek van een netstekkervoeding, opgemeten met de ZPB30A. (© 2017 Jos Verstraten)

Berekenen van de inwendige weerstand van een voeding
Weerstand is, volgens de wet van Ohm, spanning gedeeld door stroom. Ook deze grootheid kunt u gemakkelijk meten met de ZPB30A. Meet de uitgangsspanning van de voeding bij twee stromen, bijvoorbeeld bij 200 mA en bij 800 mA. Bereken het verschil tussen beide spanningen. Deel dit spanningsverschil door het stroomverschil, in dit voorbeeld 600 mA, en u weet de inwendige weerstand van uw voeding. In het behandelde voorbeeld bleek de P.SUP.EU24W een inwendige weerstand van 0,23 Ω te hebben.

Het testen van accu's en batterijen
Het enige verschil is dat u als modus 'Fun2' selecteert, de stroom instelt op de gewenste ontlaadstroom van de accu of de batterij en de drempelspanning instelt op de minimale waarde van de accu- of batterijspanning die in uw praktische toepassing nog acceptabel is. Sluit nu de volledig geladen accu of de nieuwe batterij aan op de twee klemmen van het kroonsteentje en druk op de 'ON/OFF'-knop van de ZPB30A. De ZPB30A trekt de ingestelde belastingsstroom uit de accu of de batterij. In het bovenste display ziet u achtereenvolgens de klemspanning (V), de berekende capaciteit (Ah) en de berekende geleverde energie (Wh) verschijnen. Uiteraard zullen beide laatste grootheden steeds groter worden naarmate u langer meet. De gemeten spanning zal langzaam maar zeker lager worden, de accu of de batterij wordt immers ontladen. Op een bepaald moment zakt de spanning onder de door u ingestelde grens. De zoemer van de ZPB30A gaat opgewonden piepen, een druk op de rode 'ON/OFF'-knop stopt dit spektakel. Door het draaien aan de draaiknop kunt u de totaal geleverde capaciteit en energie in het bovenste display bewonderen. Na een nieuwe druk op de rode knop worden de in het geheugen opgeslagen waarden gewist en kunt u een nieuwe meting starten.

LET OP!

Bij het experimenteren met het ontladen van accu's en cellen moet u altijd rekening houden met de minimale spanning die over de accu of de cellen moet blijven staan. Verdere ontlading kan in sommige gevallen onherstelbare schade aan de accu of cellen aanrichten! Bekijk dus steeds even de specificaties van de geteste accu of cellen om zowel de maximale ontlaadstroom als de minimale ontlaadspanning te weten te komen. Stel de minimale spanning in op de ZPB30A.

Nauwkeurigheid van de metingen
Bij diverse metingen werden zowel de opgenomen stroom als de klemspanning ook gemeten met een nauwkeurige digitale universeelmeter. De metingen van de ZPB30A bleken zeer nauwkeurig te zijn. De maximale stroomafwijking bedroeg bij het geteste exemplaar 0,02 A, de maximale spanningsafwijking 0,1 V.

De temperatuur van de koelplaat
Vervolgens werd de temperatuur van de koelplaat gemeten. De ZPB30A werd belast met een spanning van 20,0 V en een stroom van 3,00 A, zodat het opgenomen vermogen 60 W bedroeg, het maximale volgens de specificaties. Uiteraard gaat de ventilator dan op volle snelheid draaien. De temperatuur werd gemeten bij het contactpunt tussen koelplaat en MOSFET. De maximaal gemeten temperatuur bij een omgevingstemperatuur van +20 ºC bedroeg +85 ºC, een zeer veilige waarde waar de elektronica zonder meer tegen bestand is.

Meten met vierdraad meettechniek
Tot slot nog wat informatie over de reeds genoemde 'vierdraad meettechniek'. Als u een zware +5 Vdc voeding op de ZPB30A aansluit kunt u deze belasten met de maximale stroom van 9,99 A. Het gedissipeerde vermogen bedraagt dan immers slechts 50 W, dus binnen de specificaties van het apparaat. As u die voeding met vrij lange draden aansluit op de ZPB30A zal er echter over deze draden wel wat spanning vallen als gevolg van de inwendige weerstand van de koperen geleiders. De spanning die de ZPB30A meet is dan niet meer gelijk aan de spanning die op de uitgang van de voeding aanwezig is. Om deze meetfout te compenseren kunt u gebruik maken van de vierdraad meettechniek. Bij deze techniek wordt het meten van de klemspanning van de voeding gescheiden van de stroomkring die de voeding belast. Het principe is in onderstaande figuur geschetst. De uitgang van de voeding gaat met dikke draden naar het kroonsteentje op de ZPB30A. U sluit de twee uitgangen van de voeding echter met normale meetsnoeren ook aan op de twee pennetjes van de connector U+ en U-. De ZPB30A herkent dat en zal de spanning tussen deze twee pennetjes nu gebruiken voor het weergeven van de klemspanning van de voeding. Meetfouten als gevolg van de spanningsval over de stroomvoerende draden wordt hierdoor vermeden.

Het meten met behulp van de vierdraad meettechniek. (© 2017 Jos Verstraten)

(Banggood sponsor advertentie)
ZPB30A electronic load