IR2104 Tam Köprü Motor Sürücü

IR2104 mosfetli tam köprü motor sürücü devresini yüksek güçlü motorlu projelerinizde kullanabilirsiniz. Devrenin DIP ve SMD versiyonu PCB çizimileri var. Sinyal girinde 7400 NAND kapı entegresi kullanılmış. Yazar bu projeyi uygularken bir çok sorunlar karşılaşmış. Önemli bir detay IR2104 devresinin besleme voltajının motor voltajından alınması halinde yüksek akımlarda voltaj düşümü olursa entegre arızalanabiliyor. Yani güç kaynağının yeterli gücü vermesi önemli.

Not: PROTEL DXP PCB şema dosyalarını resmi sitesinden online olarak görüntüleyebilir dışa aktarabilrsiniz https://www.altium.com/viewer/ (dışa aktarma için üyelik gerekli)

Yazarın açıklamasının düzenlenmiş çevirisini ekliyorum faydalı bilgiler var…

IR2104 Motor Sürücü Öğrenme ve Uygulama Süreci

DC motorları kontrol etmek için L293 veya L298 gibi tam köprü yongaları kullanmak basit ve ucuz olsa da, büyük iç dirençleri nedeniyle yongalar genellikle yüksek akım motorlarını kontrol ederken aşırı ısınır ve bu da genel olarak düşük sistem verimliliğine neden olur. Elektrikli bir araçta motor kontrol çipinin aşırı iç direnci aracın ivmesinin düşmesine neden olacaktır.

Yaz tatilinde büyük tekerlekli veya paletli bir robot yapmayı hayal ettim ve bunun bir otobüs kadar hızlı çalışabileceğini umdum, bu yüzden daha yüksek akımlı motorları kontrol etmek için mosfetleri nasıl kullanacağımı araştırmaya başladım.

Öncelikle “Driven by High Power DC Motor – ABU ROBOCON 2005 Competition Power Scheme” yazısındaki devre şemasına başvurdum

Bu şematik diyagrama göre, tam köprü sürücü devresi yaptım. Direnç ve kapasitör değerlerini değiştirdim. Güç verildikten ve etkin bir sürekli yüksek seviye sinyali verildikten sonra, devrenin motoru çalıştıramadığı ve ir2104’ün ısınmaya başladığı ve irf540’ın sürülmediğini gördüm. Ardından ir2104’ü değiştirdim, ancak aynı olay hala devam ediyor. Osiloskop ölçümü ile , yüksek (HI) taraf mosfetinin sürülmediği ve düşük taraf mosfetinin geyt sinyalinin anormal olduğu, dolayısıyla köprünün açılmadığı anladım. Sinyal yönünü değiştirdim ve aynı sorun diğer yarım köprüde de devam etti

BOOTSTRAP kapasitörüyle ilgili bir sorun olduğundan şüphelenmeye başladım, bu yüzden farklı kapasitör değerleri denedim. Ancak sorun hala çözülmedi. Elimde sadece 6 adet ir2104 olduğundan ve hepsi açık ve aşırı ısınmış olduğundan, yeni bir ir2104 partisi satın aldım.

ir2104’ü değiştirdikten sonra devre normal çalışıyordu. Yüksek taraf (HI) mosfetin geyt bacağında ki sürüş voltajı dalga biçimini incelemek için osiloskop ile ölçüm yaptım. Source terminalinin yüksek olduğu ilk aşamada, yüksek taraf (HI) mosfetin sürüş voltajının aniden VCC’den 10V daha yükseğe çıktığı gördüm. Bu noktada güçlü ivme devreye girer. Ancak zaman geçtikçe voltaj kademeli olarak VCC voltajına düşer ve mosfetin iletimi giderek daha az tamamlanır. Bir sonraki darbe gelene kadar, geyt terminal gerilimi VCC +10V’a geri döner, ancak yavaş yavaş azalır.

Yani, mosfeti sürekli yüksek seviyeli bir sinyalle sürmek, mosfetin tamamen açılmamasına, mosfetin ısınmasına ve motorun gerçek gücünün düşmesine neden olacaktır. Bu sorun, BOOTSTRAP kondansatörünün art arda şarj ve deşarj olmasını sağlayan PWM sinyali kullanılarak çözülebilir, böylece yüksek taraf (HI) sürücü voltajı her zaman nispeten yüksek bir seviyede tutulur.

Motorun tam devirde ilerlemesini istiyorsanız sürekli yüksek seviye kullanamazsınız ancak yaklaşık %3 görev döngüsü ile PWM kullanmanız gerekir.Bu ir2104 sürüşü ile 298 sürüşü ve diğer full- ler arasındaki en büyük farktır.

Farklı BOOTSTRAP kapasitör değerleri, farklı frekans PWM sinyalleri ve farklı mosfetler için uygundur. Büyük kapasitans değerinin şarj ve deşarj süresi nispeten uzundur ve voltaj nispeten yavaş düşer, bu nedenle daha düşük bir frekansta PWM için uygundur; küçük bir kapasitans değerinin şarj ve deşarj süresi nispeten kısadır, PWM için uygundur daha yüksek bir frekans. IR2104 datasheet dosyasında, BOOTSTRAP kapasitansı için bir hesaplama formülü vermiş olsa da, deneylerle uygun kapasitans değerini bulmayı tercih ediyorum. Bunu yapmak zahmetli hesaplamalardan daha kolay, deneyler sistemin nasıl çalıştığını anlamama olanak tanır.

Deneyler yoluyla, 1UF’nin kapasitans değerini belirledim. Kondansatör, sızıntıyı azaltmak için düşük ESR kondansatörleri kullanır. Yüksek frekanslı PWM ile karşılaştırıldığında, bu kadar kısa sürede kaçak akımın etkisi önemsizdir. Ancak teoride, BOOTSTRAP kondansatörünün sızıntısı, yükset taban (HI) mosfetin açık direncinin artmasına neden olacaktır.

Devre kurulduktan sonra robot arabam başarılı olarak çalıştı. Arabanın tam hızda çalıştırma ve ani geri hareket halindeki performansı, L298 motor sürücü entegresini kullanmaktan açıkça daha iyidir. Ana sebep, ani yön akımı değişiminin çok büyük olması ve L298’in sürüş kabiliyetinin sınırlı olması, küçük bir yön akımı değişikliği ve küçük hızlanma ile sonuçlanmasıdır.

Devre ile ilgili herhangi bir sorun olmadı, bu nedenle devre temel olarak sonlandırıldı ve baskılı devre kartının tasarımına yöneldim. TO-220 paketindeki mofet dik olarak çok yer kapladığı ve soğutucu gerektirdiği için SMD D2PAK paketinde IRF540 kullanmaya karar verdim ve diğer bileşenler de SMD paketi olarak değiştirildi. Ayrıca ısıyı dağıtmak için mosfetlerin üzerinde bir sogutucu ve bir fan ekledim. Soğutma Mofetlerin sıcaklığının düşürülmesi, çalışma verimliliğini büyük ölçüde artırır.

Bir hafta sonra PCB’yi aldım ve aynı zamanda SMD bileşenleri aldım montajı yaptım. Devre normal çalışmasına rağmen, mosfetlerin çok ısındığını fark ettim. Bu yüzden, karşılaştırmalı deney için yan sanayi TO220 yerine orijinal irf540 D2PAK paketiyle değiştirmeye karar verdim.

Orijinal ir540’ları soğutucu takılmadan devreye lehimledim. Deney sonuçlarını görmek için sabırsızlandığım için pcb temizliği yapmadan gücü açtım ve sonuç olarak IR22104 aniden alev aldı ve ikiye bölündü. Aceleyle gücü kapattım ama çok geçti. IR2104’ü değiştirdikten sonra devre hala normal şekilde çalışamıyor. Ölçümler sonucunda, sorunun 74HC00’de olduğu anladım. 74HC00’ü değiştirdikten ve kartı temizledikten sonra devre düzgün çalıştı. 74HC00’ün kalan pinlerinin toprağa bağlı olmadığı ve lehim pastasının sızıntıya neden olabileceği aklıma geldi. Bu nedenle, bu arızanın ana nedenini 74HC00’ün kalan pinlerinin topraklanmamış olmasına ve lehim pastası sızıntısının neden olmasına bağlıyorum.

Devre onarıldıktan sonra aynı motoru sürerek orijinal irf540’ın ısınma olmadığını, yan sanayi veya sahte ir540’ın ise ciddi anlamda ısındığını gördüm. Bilim ve teknolojinin başkentine geldim ve her yerde IRF540S aradım ama bütün tüccarlar bana gerçek değil, sadece sahte olduğunu söylediler. Bulduğum Diğer SMD mosfetlerin akımı düşük. IRF540S yerine IRF540N kullandım.

Eve döndükten sonra daha büyük bir akımla sürmeyi denemeye başladım, 2A ayarlı bir güç kaynağıyla çalışan aynı devrede sürüş voltajını ve ir2104 çalışma voltajını 12V olarak ayarladım ve akım sınırını maksimuma açtım. Sürüş sinyali %97 yüksek seviyeli PWM’dir ve motor her 1 saniyede bir ters çevrilir. Motor geri döndüğünde beklenmedik bir şey oldu: motor durdu ama akım 2A ile sınırlıydı! Bu noktada kart üzerindeki bileşenler ısınmaya başlıyor olmalı! Hızla gücü kapattım. ir2104’e dokundum, sıcaktı! Neyse ki yanmadı.

Küçük motoru çalıştırmak için gücü tekrar açtım ve her şey normaldi. Ama koca motor tersine döner dönmez aynı şey tekrar oldu. Tekrar tekrar düşündükten sonra, sorunu güç kaynağının akım sınırlamasına bağladım. Motor tersine döndüğünde büyük akım nedeniyle, voltaj düşer, böylece ir2104’ün çalışma voltajı normal aralığın (10V-20V) altına düşer ve ir2104 düzensiz çalışır. Bu nedenle, irr2104’ün besleme voltaıjının düşmemesi gerektiğini belirtmek istiyorum.

Bu sorunu çözdükten sonra devrenin tasarım akımının çok küçük olduğunu düşündüm 50MIL hattı en fazla 5A akımı geçebiliyor ama 540 30 amper sürebiliyor bu devre sürüş kabiliyetinde büyük bir israfa neden oldu yani PCB` nin yeniden tasarlanmasına karar verdim.

Yeniden tasarlanan devre kartında herhangi bir komponent değişikliği olmadı, sadece kablolama ve ısı dağıtımına odaklandım. Her bir mosfet’in önünde ve arkasında bir ısı emici olarak dikdörtgen bakır kaplama kullandım ve mosfetler’in bağlı olduğu yerde iki parça bakır kaplamayı bağlamak için çok sayıda via kullandım, böylece önden gelen sıcaklık ısı dağılımı için hızla arkaya aktarılabilir.

Ek olarak, yüksek akımlı ağda, lehim maskesi katmanını kaldırmak için SOLDER katmanını da kullandım, böylece daha fazla akım sağlamak için kalaylanabilir.
Dün PCB kartını aldım ve lehimlemek, kartı temizlemek ve deneyi çalıştırmak için sabırsızlanıyordum ve her şey yolunda gitti. Devrenin ısı yayma performansı mükemmeldir.

IR2104 motor sürücü projesi temelde sona erdi, bu yüzden araştırma sürecindeki deneyimimi ve mutluluğumu paylaşmak için bu makaleyi yazdım.

IR2104 motor sürücü PCB, şema dosyaları: