Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (663 artikelen): Getest: ZS-X4B, PWM-vermogensregelaar

(gepubliceerd op 23-08-2018)

Met dit printje, dat u voor ongeveer € 3,50 in uw bezit krijgt, kunt u het vermogen dat u aanbiedt aan DC-belastingen regelen tussen nul- en vollast. De maximale spanning bedraagt 35 V, het maximale vermogen 90 W. Althans ... volgens de fabrikant. Wij testten of dit klopt.

Regelen van het vermogen van DC-belastingen

PWM, Pulse Width Modulation
Voor het regelen van het vermogen dat u aan gelijkspanningsbelastingen aanbiedt kunt u geen gebruik maken van de bekende triac-schakelingen die werken volgens het fase-aansnij principe. Logisch, want er zijn geen nuldoorgangen aanwezig waarop de triac weer naar sper wordt gestuurd. U kunt echter wél gebruik maken van het principe van PWM, letterwoord van Pulse Width Modulation ofwel pulsbreedte modulatie. Deze techniek is ideaal voor het vrijwel verliesvrij regelen van het vermogen dat u naar DC-motoren of LED-lampen stuurt.
De ingangsspanning, een gelijkspanning, wordt door middel van een elektronische schakelaar omgezet in een blokspanning met een vaste frequentie. De uitgangsspanning is dus volledig ingeschakeld of volledig uitgeschakeld. Vervolgens wordt de duty-cycle (de AAN/UIT-verhouding) van deze blokspanning geregeld tussen 0 % en 100 %. Als u deze grootheid instelt op 0 % staat er geen spanning op de uitgang en is het geleverde vermogen nul. Vergroot u de duty-cycle, dan zal de AAN-puls steeds breder worden en de UIT-puls bijgevolg staat smaller. De gemiddelde gelijkspanning op de uitgang neemt toe en dus ook het geleverd vermogen. Stelt u de duty-cycle in op 100 %, dan is de schakelaar altijd geopend en is de uitgangsspanning gelijk aan de ingangsspanning, minus de spanning die verloren gaat over de elektronische schakelaar. Het geleverde vermogen is dan maximaal.

Voordelen van PWM
Het grote voordeel van deze techniek is dat er bijzonder weinig vermogen verloren gaat in de regelschakeling. Tussen de in- en de uitgang staat immers alleen de elektronische schakelaar. Tegenwoordig kan men daar een MOSFET voor gebruiken, een onderdeel dat gekarakteriseerd wordt door een uiterst lage inwendige weerstand in de geleidende toestand.
Een tweede voordeel van PWM is dat het de enige goedkope manier is om LED-lampen over een groot bereik te dimmen. De LED's gaan immers branden tijdens de AAN-fase en doven tijdens de UIT-fase. Als de schakelsnelheid hoog genoeg is ziet u niets van dat geflikker maar zien uw ogen de gemiddelde intensiteit.

De ZS-X4B van Excellway

De uiterlijke kenmerken van de print
Het printje is slechts 30 mm bij 25 mm groot en bevat alles dat nodig is om een vermogensregeling voor gelijkspanningen te realiseren. Op het rechter kroonsteentje sluit u de ingangsspanning aan, op het linker de belasting. Let op dat beide aansluitingen gepolariseerd zijn, dus een positieve en een negatieve pool hebben die u niet mag verwisselen. De potentiometer is voorzien van een schakelaar, waarmee u de voedingsspanning van de print uitschakelt.

De componenten op de print
Uiteraard is zo'n klein printje dubbelzijdig voorzien van componenten. In onderstaande foto hebben wij de belangrijkste onderdelen gelokaliseerd. Wat meteen opvalt is dat een thermische zekering aanwezig is met een afslagstroom van slechts 1,85 A. Echter, 90 W gedeeld door 35 V geeft een stroom van 2,57 A als maximale stroom die het printje moet kunnen leveren. Een vreemd soort onderdeel op deze plaats, dus!
Het tweede dat opvalt is dat de pulsbreedte wordt gerealiseerd met een NE555 timer-IC. Nu heeft dit IC een maximale voedingsspanning van 18 V. Vandaar dat op het printje een stabilisator van het type 78L09 aanwezig is die de voeding voor de chip binnen veilige grenzen houdt.
Als u werkt met een voedingsspanning die lager is dan 15 V kunt u deze stabilisator uitschakelen door een soldeerbruggetje aan te leggen tussen twee contactjes op de achterzijde van de print.
Op de print is een soldeerplaats gereserveerd voor een extra weerstand R2. Wij zijn echter niet in staat geweest de functie van deze weerstand te achterhalen.

Het gereconstrueerde schema van de ZS-X4B
Het is niet gemakkelijk, zelfs vrijwel onmogelijk, om alle printspoortjes te volgen zonder alle componenten te slopen. Het onderstaande schema is dus voor een deel een interpretatie van hoe de elektronica in elkaar zit, maar zal in grote lijnen wel kloppen.
De condensator C2 is het frequentiebepalende onderdeel. Hij wordt opgeladen via R2, R1 en D1 en ontladen via D2, R1 en de DISCHARGE-pen van de NE555. De TRIGGER op pen 2 houdt de spanning over de condensator in de gaten en stuurt het laad- en ontlaadmechanisme. Het zal duidelijk zijn dat u door het verplaatsen van de loper van R1 de laad- en ontlaadtijden van de condensator C2 zeer asymmetrisch kunt maken. Dat is het basisprincipe van pulsbreedte modulatie!

Omdat de belasting in veel gevallen heel erg inductief is, bijvoorbeeld bij het aansturen van DC-motoren, moet men maatregelen treffen om de door de spoelen gegenereerde hoge spanningen bij het uitschakelen van de stroom te elimineren. Vandaar de schottky-diode D3 die over de uitgang is geschakeld en deze spanningen kortsluit. Als MOSFET wordt een D60NF van STMicroelectronics toegepast. Deze kan een adembenemende 80 A verwerken en heeft een AAN-weerstand van slechts 0,008 Ω.

De technische specificaties
De fabrikant geeft onderstaande specificaties op:
- Fabrikant: Excellway
- Typenummer: ZS-X4B
- Ingangsspanning zonder soldeerbrug: 5 Vdc ~ 35 Vdc
- Ingangsspanning met soldeerbrug: 3 Vdc ~ 15 Vdc
- Uitgangsvermogen: 90 W max.
- Ruststroom: 15 mA max.
- Duty-cycle: 1 % ~ 100 %
- Schakelfrequentie: 10 kHz typisch
- Afmetingen: 30 mm x 25 mm x 20 mm
- Gewicht: 12 g

Eerste test: resistieve belasting

Voedingsspanning 30 Vdc, belasting 10 Ω
Ter kennismaking hebben wij het printje belast met een draadgewonden weerstand van 10 Ω die 100 W kan dissiperen en de ingangsspanning op 30 V ingesteld. Dat moet een maximale stroom van 3,0 A opleveren. Beide grootheden zijn de grenswaarden van onze voeding. De uitgangsspanning over de weerstand wordt uiteraard op de scope geobserveerd. In de voedingslijn wordt een oeroude analoge AVO-meter opgenomen die de geleverde stroom meet. Een dergelijke meter is, vanwege zijn inherente traagheid, beter in staat de gemiddelde waarde van zo'n pulsvormig verlopende stroom te meten dan moderne digitale meters.

Zekering defect!
In eerste instantie bleek het printje perfect te werken. Echter, na amper vijf minuten werking met een uitgangsvermogen van 45 W kwam er rook uit de thermische zekering en even later barstte deze open. De temperatuur in het inwendige van de zekering werd gemeten en deze bedroeg niet minder dan 312 °C.

Een tweede en derde poging
Gelukkig hadden wij drie printjes besteld, zodat wij gemakkelijk konden onderzoeken of dit defect een eenmalig verschijnsel was of dit zich ook bij de overige printjes voordeed. Dat was niet het geval. De zekeringen op die printjes warmden uiteraard wél op, maar slechts tot de te verwachten temperatuurZS-X4B, PWM-vermogensregelaa Beoordeling van het minimale vermogen
Met de potentiometer volledig linksom gedraaid levert de ZS-X4B een vermogen van 1,65 W aan de belasting van 10 Ω. Zoals uit onderstaand oscillogram blijkt is de AAN-puls slechts 1,6 μs breed. De gemiddelde waarde van de geleverde stroom bedraagt 56 mA. De frequentie van de PWM is 13,2 kHz.

De uitgangspuls bij minimale instelling van het vermogen.
(© 2018 Jos Verstraten)

Beoordeling van het maximale vermogen
Met de potentiometer helemaal rechtsom gedraaid levert de print een vermogen van 74,4 W aan de 10 Ω weerstand. De UIT-puls heeft een breedte van slechts 2,3 μs en de herhalingsfrequentie is gedaald tot 11,89 kHz. De AVO-meter duidt een gemiddelde stroom aan van 2,8 A, bewijs dat er tóch wat spanning valt over de MOSFET. De scope meet inderdaad een piekwaarde van slechts 26,2 V over de belasting.

Het thermisch gedrag van het printje
De print wordt gedurende een half uur ingesteld op leveren van het maximaal vermogen, nog steeds bij 30 V en 10 Ω. Nadien meten wij met een punt-thermokoppel de temperatuur op diverse onderdelen van de print. Zoals te verwachten is de recordhouder de thermische zekering die op een temperatuur van 77,6 °C staat. Alle overige onderdelen staan op een aanvaardbare en ongevaarlijke temperatuur.

Tweede test: inductieve belasting

Een 24 Vdc motor als belasting
Tot slot hebben wij de ZS-X4B belast met de 24 Vdc motor van onze printboormachine. Het printje gedraagt zich uitstekend. Zoals te verwachten is met PWM-aansturing is het toerental van de motor vloeiend te regelen van stilstand tot maximum. Van opwarming van enige betekenis is niets te merken. Ook het oscillogram van de spanning over de motor bewijst dat de ZS-X4B uitstekend functioneert.

Algemene conclusie

Helaas zijn wij niet in staat deze PWM-print te testen onder de gespecificeerde vollast van 90 W bij 35 V voeding. Maar als wij de resultaten van onze test bij 30 V en 75 W extrapoleren zijn wij er van overtuigd dat deze print ook onder vollast goed zal functioneren. Als wij het incident met de barstende zekering afdoen als een toevallig defect, te wijten aan een onderdeel met een fabricagefout, kunnen wij besluiten dat deze uiterst goedkope vermogensregeling doet wat hij moet doen. Als u het vermogen van gelijkspanningsbelastingen tot 30 V en 3 A moet regelen, is dit printje een aanrader.

(Banggood sponsor advertentie)
35V Motor PWM Speed Controller