Reinhard Weiß - Reverse Engineering
Elektronische Last 30 VDC/10 A/60 W

Eine "elektronische Last" (Electronic Load) ist ein einstellbarer elektronischer Lastwiderstand oder eine einstellbare Stromquelle, der/die etwa zur Belastungsmessung von Netzteilen oder zur definierten Entladung von Akkus eingesetzt werden kann. Für Bastler zum Selberbauen und Erweitern findet man ein analoges Modul für 100V/10A/50W (Video XHDZ-FZ) z.B. unter eBay 322423147447 für ca. 7 € (das es mit kleinen Änderungen von unterschiedlichen Anbietern gibt; alle Daten im Video). Mit digitaler Bedienung gibt es aber auch preiswerte einfache Geräte ab ca. 13 €, und auch solche, die universell und sehr genau arbeiten, die dann aber auch einige hundert Euro oder noch mehr kosten können.

ZPD30A1In meinem Bericht zur Elektronischen Last IT8211 habe ich bereits ein recht leistungsfähiges digitales Gerät besprochen, das bis 150 W belastbar ist (ab 230 €). Hier nun möchte ich mich mit einem sehr preiswerten einfacheren Gerät befassen (siehe Bild links), das es z.B. bei eBay ab ca. 13 € (inkl.Vk) zu kaufen gibt. Es handelt sich um eine Leiterplatte mit Ventilatorkühlung für den als Widerstand eingesetzten MOS-Transistor und aufgesteckter Subplatine für Display/LED, Taster und Drehgeber, das ohne Gehäuse geliefert wird. Das Gerät scheint in verschiedenen Versionen bzw. von unterschiedlichen Herstellern angeboten zu werden, jedenfalls sind die Beschriftungen auf der Leiterplatte unterschiedlich. Häufig wird es als "Electronic Load 60W" oder mit der Typenbezeichnung "ZPB30A1" beworben. Die technischen Daten scheinen allerdings immer gleich zu sein.

Es gibt auch ein einfaches Gehäuse in Plexiglas, jedoch ist es fragwürdig, ob der Kühlkörper dann noch ausreichend gut funktioniert. Bei großer Dauerbelastung könnte sogar ein kräftigerer Ventilator sinnvoll sein. Obwohl der Ventilator temperaturgesteuert ist, ist der abgegebene Luftstrom selbst bei voller Leistung nicht sonderlich kräftig.

ZPB30A1Ich beziehe mich bei meinen Untersuchungen auf eine Ausführung, die als Markierung die Nummer 87444G_P27-6 auf der unteren Leiterplatte vorn links aufgedruckt hat (siehe Bild links).

Technische Daten

In Kurzform, laut Herstellerangaben.

*Hinweis: Die Genauigkeitsangaben sind wie zu erwarten zweifelhaft oder falsch. Die Abweichung bei der Stromeinstellung wird zwar mit 0,7 % +/-10 mA angegeben, jedoch wird das bei meinem Gerät allenfalls im Bereich ca. 1,2 bis 2,0 A erreicht. Bei 0,2 A ist die Abweichung sogar 31 % oder 62 mA. Demzufolge können die davon abgeleiteten Werte Energie/Kapazität auch nicht genau sein.

Kurz-Bedienungsanleitung

Von den Anbietern wird keine Beschreibung mitgeliefert. Die online Produktbeschreibung, sofern im Angebot vorhanden, ist weitgehend unverständlich. Ich habe daher nachfolgend die einzelnen Schritte aufgelistet. Die grundsätzliche Betriebsartenauswahl (CC/Akku, mit/ohne Beep) wird über das Setup gesteuert. Strom und Unterspannungsgrenze können bequem im Betrieb verändert werden. Die grünen LED zeigen an, was auf dem oberen oder unteren Display angezeigt wird (V, Ah, Wh, A) bzw. welcher Wert oder welche Stelle am Display mit dem Drehgeber gerade verändert werden kann. Die Auswahl geschieht wie alle Einstellungen mit dem Drehgeber (drehen bzw. drücken).

Setup starten

Betriebsart Konstantstrom (CC, Fun1)

Betriebsart Entladung (Akku, Fun2)

Fehlermeldungen

Leider sind die von den Anbietern beschriebenen Fehlermeldungen teilweise unerklärlich und unverständlich. Ich habe die noch nicht alle systematisch untersucht. Die nachfolgende Aufstellung ist daher noch etwas fragwürdig.

Wenn bei Fun1 keine Last angeschlossen ist und der Ablauf gestartet wird, blinkt die rote LED und der Beeper tönt. Bei Fun2 entsteht hingegen Fehlermeldung Err2.

Funktion und Genauigkeit

Für manche Anwendungen wäre eine zusätzliche Betriebsart konstanter Widerstand (CR) oder konstante Lastspannung (CV) hifreich. Das bietet das Gerät nicht, dafür ist es aber auch extrem preiswert. Für Anwendungen, um die Kapazität eines Akkus zu bestimmen oder ihn zu entladen, ist die automatische Unterspannungsabschaltung und Alarmmeldung nützlich. Einfache Belastungsprüfungen von Netzteilen sind auch sehr einfach möglich. Der temperaturgeregelte Ventilator (12 V / 0,15 A) ist bei geringer Leistung zwar recht leise, aber seine Leistungsfähigkeit ist fraglich. Eine Dauerleistung von 60 W für das Gerät erscheint mir problematisch, der Kühlkörper wird extrem heiß (z.B. gemessen im Kopf der Befestigungsschraube am Transistor: 50 °C @ 22 W, 70 °C @ 51 W und 76 °C @ 58 W). Das Gerät begrenzt die von ihm errechnete Leistung, indem es den Strom ggf. zurückschaltet.

Das Gerät funktioniert prinzpiell, die Spannungsmessung ist recht genau (0,5...1 %) und entspricht der Spezifikation. Jedoch ist die Genauigkeit für die Stromeinstellungen bei kleinen Strömen (z.B. 0,2 A) enttäuschend, wie nachfolgende Messtabelle für mein Gerät veranschaulicht (gemessen bei ca. 5 V Last). Daneben die grafische Darstellung, an der man erkennt, dass der Verlauf zumindest sehr geradlinig ist. Ich habe mich bei meinen Untersuchungen auf Ströme bis 5 A beschränkt.

ZPB30A1 AccuracyZPB30A1 Precision Diagram

In der 1. Spalte der Tabelle steht der am Gerät ausgewählte und angezeigte Stromwert (Reading), in der 2. Spalte ist der tatsächlich fließende Strom. Die Abweichung des Stroms von der Anzeige wird in % und absolut angegeben. Bei einem anderen Exemplar könnten die Werte natürlich auch anders aussehen. Im unteren Strombereich sind die Abweichungen so groß, dass man zumindest bei der Kapazitätsmessung (Fun2) nicht glücklich werden dürfte.

Leider gibt es keine Abgleichmöglichkeit, der Fehler ist sozusagen "systemimmanent". Das liegt daran, dass der Strom-Shunt zur Messung des fließenden Stroms mit 10 mOhm so gering ist, dass bei 0,2 A nur 2 mV Spannungsabfall entstehen. Der zur Regelung verwendete Operationsverstärker (TLC272C) hat aber eine Offsetspannung von typisch 1,1 mV und maximal 10 mV @ 25 °C, die sich dem Spannungsabfall überlagert.

Offset Voltage Distribution TLC272Die typische Verteilung der Offsetspannung eines TLC272 ist links im Bild dargestellt (aus dem Datenblatt (C) Texas Instruments 1987/2002). Wie man bei solchen Daten eine sinnvolle Spannungsmessung bzw. Stromnachregelung erreichen könnte, ist mir schleierhaft. Man kann natürlich auch Glück haben und der Offset ist zufällig geringer. Ob es Modul-Varianten gibt, die den besseren TLC272BC (0,3/2 mV) oder gar TLC277C (0,25/0,8 mV) verwenden? Möglicherweise wäre der Austausch des Chips eine Lösung.

Stromlauf und Belegungsplan

Um sich mit solchen Effekten zu beschäftigen, ist es hilfreich, wenn man einen Stromlauf zu dem Gerät hätte, der natürlich nicht mitgeliefert wird. Ich habe 2 Quellen für einen solchen Stromlauf gefunden, den Tüftler mit "Reverse Engineering" erarbeitet haben. Der ist allerdings in beiden Fällen nicht ganz fehlerfrei:

Bei manchen "Fehlern" handelt es sich vielleicht auch um Unterschiede der verschiedenen Anbieter. Auf jeden Fall sind es Abweichungen zu meinem Modell. Ich habe mir daher auf der Basis dieser beiden Quellen und der Analyse meiner Leiterplatten einen neuen Stromlauf gezeichnet und mehrere Fehler behoben. Allerdings habe ich nur mir verdächtig erschienene Stellen überarbeitet und ansonsten größtenteils weiterhin die übereinstimmenden Teile beider Quellen beibehalten. Die Aufsteckplatine habe ich völlig neu analysiert, da sie bei Luca fehlerhaft ist. Unterschiede zu den anderen Stromläufen habe ich bei mir mit roten Strichen markiert.

Beide Quellen verwenden leider unterschiedliche Bauteilnumerierungen. Ich habe mich bei meinem Stromlauf zunächst an voltlog orientiert und dessen Numerierung übernommen; dort nicht vorhandene Teile (z.B. Stecker) jedoch nach Luca benannt, und zusätzliche Teile weiter fortlaufend numeriert. Die Display-Platine habe ich neu und unabhängig von der Basisplatine numeriert. Erschwert wird die Benutzung der Stromläufe dadurch, dass es bei beiden Quellen keinen Belegungsplan der Bauteile auf den Platinen gibt. Daher habe ich für meine Schaltung einen Belegungsplan für die Grundplatine und die Zusatzplatine dokumentiert. Eine Umschlüsselung der Benummerungen zwischen den 3 verschiedenen Stromläufen habe ich auch erstellt (als Bild-Datei und als Text-Datei zum Selbersortieren).

ZPB30A1 ZPB30A1ZPB30A1 schematic

ZPB30A1ZPB30A1

Falls jemand weitere Fehler entdeckt, wäre ich dankbar für eine Benachrichtigung (bitte mit Nennung einer Markierung auf der Leiterplatte zur Identifikation). Korrekturen arbeite ich ein.

Bei den unterschiedlichen Varianten des Geräts ist mir eine aufgefallen (QS-902 bzw. TX6880DH-1), bei der zumindest die Anzeigeplatine anders aufgebaut ist als bei mir. Die Anordnung der Bauteile ist zwar gleich, aber bei mir sind auf der Unterseite die Widerstände und ICs aufgelötet (siehe Bild oben). Bei QS-902 fehlen diese Teile bzw. sind wohl auf der Bauteileseite unter den Displays platziert.

Kalibrierung

Eine naheliegende Kalibrierung des Geräts ist nicht vorgesehen bzw. wird nicht angeboten. Den Operationsverstärker (IC4B) nur nach geringer Offsetspannung auszusuchen, würde allein auch nicht helfen, wie man an nachfolgenden Detaildiagrammen sieht.

ZPB30A1 rel precision ZPB30A1 abs precision

Im ersten Diagramm ist der prozentuale Fehler des Ausgangsstroms bei meinem Gerät abhängig von der Einstellung des Stroms (Anzeige) dargestellt, im zweiten Bild der absolute Fehler in mA. Man sieht, bei kleinen Strömen ist der Fehler extrem groß (bis zu +31 % bzw. 62 mA). Ursache ist der Offset des Operationsverstärkers, der bei mir 1 mV beträgt (wobei Pin 6/- positiver ist als Pin 5/+). Das entspricht bei 10 mOhm Shunt einem Stromfehler von 100 mA. Bei großen Strömen (also größeren Shunt-Spannungen) wirkt sich das nicht so aus, daher ist da der Fehler geringer. Allerdings ist dann der Strom prinzipiell zu klein (-3 % bzw. -148 mA). Der Grund liegt darin, dass der Spannungswert, den der Mikrocomputer an Pin 5 zur Einstellung erzeugt, nicht korrekt justiert ist. Wegen dem 10 mOhm Shunt wäre eigentlich eine Steuerspannung von 10 mV pro A nötig. Tatsächlich hat diese Spannungscharakteristik aber einen Wert zwischen 8,1 mV/A (bei 0,2 A) bis 9,4 mV/A (bei 5,0 A). Dass der Stromfaktor nicht konstant ist, zeigt, dass der Entwickler das Problem mit dem Offset vermutlich erkannt hat. Denn rein rechnerisch hat der Entwickler zunächst einen Faktor von 9,5 mV/A gewählt, den er dann um fest 0,28 mV als Offsetkompensation reduziert hat (so meine Rückrechnung).

Den Offset mit einem festen Kompensationswert zu berücksichtigen, ist natürlich mutig, denn die Offsetspannung streut ja erheblich und auch das Vorzeichen ist unbekannt (siehe Verteilungscharakteristik oben). Die Reduzierung der Spannungscharakteristik auf 9,5 statt 10 mV/A sollte den Fehler wohl weiter kaschieren. Vielleicht funktionierte das ja beim Prototyp brauchbar. Das enttäuschende Ergebnis bei meinem Gerät sieht man aber an diesen Diagrammen.

Diese Überlegungen führen dann aber zu einer möglichen Lösung. Elegant wäre es, wenn man einfach eine editierbare Korrektur-Tabelle im Prozessor ablegen könnte, aber das ist nicht vorgesehen bzw. nicht bekannt (eine serielle Schnittstelle ist ja vorhanden am Steckerfeld BUS/JP2, wenn auch nicht zugänglich für den Anwender). Wer Lust hat, den Prozessor-Chip auszutauschen, kann sich auch eine eigene Firmware basteln, wie die Projekte von Luca Zimmermann oder Anatoli Klassen zeigen. Ansonsten bleiben nur Hardware-Änderungen. Dafür gelten folgende Regeln (siehe auch meinen Schaltbildausschnitt weiter unten):

Diese Dimensionierungen sind aber noch nicht optimal. Denn ein höherer Offset am Shunt reduziert den Ausgangsstrom, was der Absicht, den Strom für große Ströme zu erhöhen, zuwider läuft. Die Wirkungen dieser Abhängigkeiten sind formelmäßig schwierig zu fassen. Ich habe mir daher ein Excel-Sheet erzeugt, das ausgehend von den oben dargestellten Messwerten in der Tabelle für jeden Strom ausrechnet, wie sich bei empirisch vorgegebenem Offset (Z) und Änderung der Spannungscharakteristik (M) der Ausgangstrom ändern würde. Wenn man die Ergebnisse in einer Grafik anschaulich macht, kann man gut die optimalen Einstellungen ausprobieren. Ich bin danach zu folgenden (simulierten) Ergebnissen bei meinem Gerät gekommen:

ZPB30A1 compensated rel. ZPB30A1 compensated abs.

Der relative Fehler ist geschrumpft auf erstaunliche +/- 0,2% im gesamten Strombereich, entsprechend +1 bis -9 mA. Ehrlicherweise muss man aber sagen, dass diese "Präzision" nur bedeutet, wie nahe die Werte durch die gewählte Dimensionierung an die gemessenen Stromwerte angepasst wurden, die natürlich auch fehlerbehaftet sein können. Für dieses Ergebnis gilt folgende Dimensionierung (Beschaltung siehe nachfolgende Bilder):

ZPB30A1 test ZPB30A1 test

In der Praxis wird man für die Widerstandswerte eher Trimmer einsetzen, um die gewünschten Werte genau einzustellen. Die im Bild eingezeichneten Brücken W101 und W102 erlauben die einfache Kontrolle vorher/nachher einer gewählten Dimensionierung, um die gewünschten Zielwerte auch tatsächlich zu bekommen. Es wäre allerdings sehr mühsam, die Werte für sein eigenes Gerät nur empirisch zu ermitteln. Man könnte sich vielleicht auf 0,2 A und 5,0 A beschränken und schrittweise für diese beiden Werte eine optimale Einstellung ausprobieren. Im Anschluss kann man dann den gesamten Verlauf nachmessen. Die bessere Alternative wäre aber, sich ein vergleichbares Excel-Sheet anzulegen, bei dem man die Einflüsse der Änderungen einfach ausprobieren kann. Wenn man sich sogenannte Drehfelder (Formularsteuerelement) für die Parameter Zusatz-Offset (Z) und Spannungscharakteristik-Änderung (M) im Sheet anlegt, ist die Variation spielerisch möglich. Falls sich jemand ein Rechenblatt erstellen möchte, kann ich mein Excel-Sheet zur Verfügung stellen, oder man kann sich mit folgenden Formeln etwas selber zusammenbauen:

Änderung des Ausgangsstroms I.mess durch Offset- und Spannungscharakteristik-Änderungen zu I.korr, mit

Die notwendigen Widerstandswerte könnte man so berechnen:

Beispiel zum Überprüfen der Formeln (meine Werte):

Bitte vergleichen Sie die eingesetzten Widerstandswerte bei R12, 13, 16, 17, 36 mit meinem Schaltplan, ob die mit Ihrem Modell übereinstimmen.

Diese Kalibrierungswerte habe ich noch nicht real erprobt.

Hinweise

Zu beachten ist, dass vor allem die niedrigen Stromwerte temperaturempfindlich sind. Schaltet man von 5,0 A nach einiger Zeit zurück auf 0,20 A, kann der Laststrom zunächst auf 0,225 A springen, um dann innerhalb mehrerer Sekunden anzusteigen auf 0,250 A und nach vielleicht 1 Minute weiterer Abkühlung auf den Endwert 0,262 A. Man sollte für genaue Messungen also den Endwert abwarten.

Zu beachten ist außerdem, dass der Last-Ausgang vom Eingang der Versorgungsspannung nicht potentialgetrennt ist, allerdings sind die Massen nicht identisch. Denn bei hohen Lastströmen entstehen geringfügig unterschiedliche Potentiale an den Massekontakten. Zum Beispiel messe ich zwischen Klemmenschraube des Ausgangs (P-) und der Masse der NV-Buchse ca. 8 mV @ 5 A. Verbinde ich diese beiden Kontakte, erhöht sich der Strom um etwa 20 mA (0,4 %).

Bei hohen Strömen entstehen auf den Masseleitungen und -flächen Potentialunterschiede von einigen mV. Deswegen können beim Messen von kleinen Spannungen (etwa am Shunt) größere Abweichungen entstehen, je nachdem, an welcher Stelle derselben Leiterbahn oder bezogen auf welches Massepotential die Messung erfolgt. Der Spannungsabfall am Shunt ist z.B. bei 5 A etwa 48 mV, gemessen auf der Unterseite der Leiterplatte ist er jedoch um 2 mV höher als auf der Oberseite derselben Durchkontaktierung.

Es ist ratsam, für die Versorgung des Geräts ein eigenes passendes Steckernetzteil zu verwenden und nicht mit demselben Netzgerät zu betreiben wie die Last.

Die 4-Draht-Anschlusstechnik ist bei der Akku-Entlademessung (Fun2) sehr zu empfehlen. Anderenfalls wird die Unterspannungsgrenze durch Übergangswiderstände an den Kontakten der Anschlussleitung zum Akku und an der Akku-Halterung möglicherweise zu sehr verfälscht. Das ist vor allem bei höheren Strömen wichtig.

Beim Einschalten des Geräts läuft das gleiche Programm ab, wie zuletzt vor dem Ausschalten. Wurde es z.B. während Run durch Spannungsabschalten unterbrochen, läuft es beim Einschalten sofort weiter. Das könnte zum Problem werden, wenn man das übersehen hat und nach einem abgebrochenen Test mit hohen Strom nun mit geringem Strom weiter arbeiten will. Man sollte sich also zur Regel machen, erst nach Stop die Spannung abzuschalten.

Weitere Quellen

(erstellt 31.12.2019, zuletzt geändert 07.02.2020)

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