Integrisana kola za kontrolu i pobudu DC motor

Uvod

Elektronika za upravljanje motorima je dosta interesantna, primena je široka i nema smisla navoditi isto. U ovom članku prikazaćemo različita pakovanja integrisanih kola pri čemu ćemo jasno razjasniti koja su pakovanja namenjena za kontrolisanje (tj. kontroleri) a koja pakovanja integrisanih kola su namenjena za drajvere odnosno strujne pojačavače jer DC motori spadaju u električne uređaje sa visokom potrošnjom struje.

Video rekorderi

Video rekorderi, ali ne samo oni, već i takozvani player-i (nemaju mogućnost snimanja video materijala) su odlična stvar za igrati se, pogotovo ukoliko imate priliku da naiđete na starije verzije istih koji znaju da budu teški i do nekoliko kilograma, što nam stavlja akcenat na visok kvalitet izrade i načina na koji su isti nekada bili izrađeni (što bih rekao “pure electronics” koja odrađuje posao. U neko starije doba, procesori se nisu koristili za obradu slike već čista elektronika, niti su bile razvijene metodologije koje su omogućavale isto).

Danas se iste stvari svode na korišćenje SoC-a sa integrisnim mikroprocesorom, digitalnom obradom slike, i firmware-om koji odrađuje posao programiskim putem. Radi dalje priče, digitalna obrada signala, digitalna obrada slike su upravo tehnike koje su se razvile kako bi se smanjili troškovi proizvodnje uređaja kao što su video rekorderi (nisu razvijane zato što je nekome bilo dosadno u životu, kao meni), imate metode obrade slike, mirkoprocesor, firmware, SoC i samim tim proizvodnja je znatno jeftinija. Nekad je obradu slike radila “pure elektronika”, i iz tog razlog sami uređaji su bili dosta teški, jer hardware-a imate previše u jednom uređaju. Drugo, kalibracija takvih uređaja (pogotovo analogna elektronika) je znatno složena, jer elektronske komponente nisu iste, imaju tolerancije, nisu sve isto fizički napravljene jer to nije moguće, i sve je to bilo mnogo složenije napraviti nego danas. Kao što smo već rekli, razvijene su metodologije obrade signala, videa i audia koje su smanjile troškove proizvodnje (kad imate “štancanje” mikroprocesora na proizvodnoj traci u milionskoj seriji onda vam isti košta jedan dolar u proizvodnji, ili malo više ali ne previše. Da nije tako, teško da bi ga i stavili na proizvodnu traku. Isto važi i za FPGA. Dizajn istih stvari košta ali to je druga priča jer morate platiti inženjere koji rade na razvoju istog), a uređaji postali lakši, PCB dizaj jednostavniji itd.

No, da se vratimo na stare video rekordere i elektronikom za upravljanje motorima, jer isti imaju motore koji služe za pokretanje VHS kaseta. Ono što je meni bilo zanimljivo je sledeće: otvorite stari video rekorder i postavite sebi pitanje, kako u “moru” elektronskih komponenti pronaći elektroniku koja služi za upravljanje DC motorima? Ako znate da su DC motori elektronski uređaji koji spadaju u visoke potrošače struje, onda logikom možete da zaključite da integrisana kola koja služe za pogon (drajver) moraju imati i haldnjake na sebi. Znači šta treba tražiti? Pa hladnjake, pasivne ili aktivne, sve jedno! Kad pronađete hladnjak, trebate malo obrisati prašinu, jer su stari video rekorderi obično prašnjavi iznutra, pročitati oznaku na integrisanom kolu, ukucati isti u google.com i pronaći specifikaciju. To sam upravo i uradio igrajući se sa jednim starim VCR-om i naišao na integrisano kolo BA6222. To je upravo drajver za DC motore. Odlično, isti imate da naručite gotovo u svakoj prodavnici elektronskih komponenti, dva takva komada sam nabavio u Sprint Elekronici u Novom Sadu, Braće Ribnikara ulica i iskoristio da napravim Arduino robota. Znači princip je jednostavan, ako želite da u uređaju koji ima DC motor pronađete drajver za isti, prosto tražite hladnjake, jer drajveri imaju hladnjake na sebi.

Međutim, nije sve tako jednostavno, postoje integrisana kola koja su takođe drajveri za DC motore ali ne možete jasno da vidite da imaju hladnjak. Isti se hlade preko PCB-a i to su takozvana integrisana kola sa Power Pad tehnologijom, Texas Instruments izmišljotina. Recimo H-Bridge DC motor drajver DRV8872 by Texas Instruments. Takva integrisana kola sa donje strane imaju izvode, preko kojih odvode toplotu na PCB i to na ground signal, jer integrisani hladnjaci na integrisnim kolima su spojeni sa ground pinom, takozvani kratak spoj. I u ovom slučaju trebate biti samo malo uporniji i čitati oznake i serijske brojeve na integrisnim kolima i vrlo brzo ćete naići na integrisano kolo, pojačavač struje koji služe za “drajv” DC motora. O PowerPad-u i Texas Instrumets-u možete pročitati na ovom linku.

PowerPad by Texas Instruments: sa slike se tačno vidi da se zbog termalne disipacije jezgro (Die) širi tokom zagrevanja. Iz tog razloga samo jezgro nije direktno spojeno za nožice (Lead) već se to radi preko Bound Wire. Bound Wire je elastična žica koja usled širenja i skupljanja jezgra omogućava istom da ostane u konekciji sa nožicom i tako se povećava životni vek integrisanog kola. Kada bi jezgro bilo direktno spojeno sa nožicom (Lead) usled širenja (zagrevanja) i skupljanja (hlađenja) veza između jezgra i nožice bi brzo pukla, jer ista konekcija ne bi izdržala termalna naprezanja. Ispod samog jezgra nalazi se PowerPad, koji preuzima toplotnu disipaciju sa jezgra i koji se preko Thermal Via Area odvodi na bakarne površine na PCBu. Bakar je jedan od boljih provodnika toplote te se toplota brzo skida sa integrisanog kola i samog PCBa. Na taj način je urađeno hlađenje jezgra PowerPad tehnologijom dizajniranom od strane Texas Instruments kompanije.

Razlika između pakovanja integrisanih kola koja služe za upravljanje tj. kontrolisanje i DC motor drajvera.

Ovde ćemo razmotriti tri tipa integrisanih kola: L297, L298 i BA6222. L297 integrisano kolo je kontroler, to nije uređaj sa kojim možete pobuditi DC motor kako bi se isti rotirao. L297 kolo je klasičan kontroler i to se vidi po pakovanju u kojem je elektronika i integrisana. Na slici 1. prikazano je L297 integrisano kolo postavljeno na protoboard-u. Namerno sam slikao isti na protoboard-u kako bi videli da ima standardan razmak između pinova 2.54 milimetra. Neka integrisana kola to nemaju kao što je L298 te je jako teško raditi sa istim na protoboard-u sa standardnim razmakom između rupica od 2.54 milimetara. Za L298 vam je potreban adapter (mada isti možete lako napraviti i sami) kako bi isti stavili na protoboard sa standardnim razmakom između rupica od 2.54 milimetara. No da se vratimo na L297 integrisano kolo, to je standardno DIP pakovanje od 20 nožica, gde isti nema integrisan hladnjak, već se kompletno hlađenje integrisanog kola radi preko ground pina. Bez obzira što L297 nije drajver (strujni pojačavač) ipak ima termalnu disipaciju toplote koja se mora odvesti na ground signal (pošto se toplota kontrolisano usmerava na ground signal, isti imaju veliku površinu na PCB-u). Full specifikaciju za L297 integrisano kolo možete pronaći na sledećem linku.

Slika1. L297 integrisano kolo na protoboardu sa standardnim razmakom između rupica od 2.54 milimetara. Kao što vidimo, L297 nema integrisani hladnjak, kompletno hlađenje ide preko ground pina jer i L297 disipira toplotnu energiju. Ovo je 20 pinsko DIP pakovanje i na osnovu konstrukcije istog jasno možemo videti da je reč o kontroleru a ne o strujnom pojačavaču.

BA6222 je integrisano kolo koje ima integrisani hladnjak kao što se može videti sa slike 2. Takav hladnjak je povezan sa ground pinom (nožica ili ti pin broj jedan – single in line package), što možete proveriti sa mernim uređajem. Na integrisani hladnjak se dodaje dodatno pasivno hlađenje, nemam originalni hladnjak za isto integrisno kolo, te nisam imao prilike da slikam BA6222 sa istim. E sad, ovde imamo sledeće, pored pasivnog hladnjaka, ovde se kroz ground pin takođe konrolisano odvodi toplotna disipacija integrisnog kola te i u ovom slučaju ground signal na PCB-u mora imati dosta veliku površinu, jer bakar je jedan od boljih provodnika toplote i brzo "zna" da “skine” višak toplote sa pločice tj. PCB-a. Kada pogledamo ovo integrisano kolo jasno se vidi da je reč o integrisanom kolu koje zapravo omogućava strujno pojačanje kako bi se pobudio DC motor. Full specification za BA6222 možete prnaći na sledećem linku.

Slika 2a. BA6222 integrisano kolo sa integrisanim pasivnih hladnjakom u single in line pakovanju. Lak za korišćenje na protoboardu jer ima standardni razmak između rupica od 2.54 milimetara.

Slika 2b. BA6222 integrisano kolo, mernim uređajem koje ima zvučnu signalizaciju kratkog spoja možete utvrditi da je ground pin (pin broj 1) kratko spojen sa pasivnim hladnjakom. Ovde se hlađenje odvija i preko PCB-a i preko pasivnog hladnjaka. Na osnovu konstrukcije tj. pakovanja samog integrisanog kola jasno se vidi da je reč o strujnom pojačavaču tj. drajveru za pobudu DC motora.

L298 je integrisno kolo koje takođe ima integrisan hladnjak pri čemu je isti direktno spojen sa ground pinom (nožica broj 8), slika 3. Na integrisani hladnjak se vezuje pasivni hladnjak kako je to prijazano na slici 4. Ovde imamo isti slučaj kao i kod BA6222 integrisanog kola. Termalna disipacija se kontrolisano vodi i na integrisani hladnjak ali i na ground pin, tako da ground pin na PCB-u mora imati što veću površinu kako bi se toplota što brže “skinula” sa PCB-a. Full specification za L298 možete prnaći na sledećem linku.

Slika 3a. Ovo je L298 integrisano kolo sa integrisanim hladnjakom zapakovanim u Multiwatt15 pakovanje, na koji se montira dodatni pasivni hladnjak. Kao što vidimo L298 nije namenjen za protoboard sa standardnim razmakom između rupica od 2.54 milimetara. Ground pin 8 je kratko spojen sa integrisanim hladnjakom, što možete proveriti mernim uređajem sa zvučnom signalizacijom.

Slika 3b. Ovo je L298 integrisano kolo sa integrisanim hladnjakom na koji se montira dodatni pasivni hladnjak. Kao što zadnji red nožica ne može da se uklopi u standardni razmak rupica od 2.54 milimetara.

Slika 4a. L298 integrisano kolo sa montiranim pasivnim hladnjakom. Nisam imao originalno pasivno hlađenje tako da sam radi prezentacije iskoristio pasivni hladnjak koji se koristi za MOSFET tranzistor kakav je IRF3710.

Slika 4b. Ovo je samo primer montaže pasivnog hladnjaka. Zapravo potrebno je koristiti i termalnu pastu, istu onu koju koristite kod montaže mikroprocesora na hladnjak. To se radi iz dva razloga: prvo termalna provodnost se značajno povećava, drugo, površine nisu glatke i postoje neravnine na mikroskopskom nivou te pasta služi da popuni iste i da napravi što bolje prijanjanje između integrisanog hladnjaka i pasivnog hladnjaka.

 

Zaključak

Na osnovu pakovanja integrisnog kola možemo zaključiti da li je isto namenjeno kontrolisanju ili strujnom pojačanju. Integrisana kola koja nemaju hladnjake su obično kontroleri, rade određenu logiku, što bih rekao obavljaju dati posao, dok strujno pojačavačka kola kao što su drajveri za DC motor imaju integrisane hladnjake direktno vezane za ground pin što možete proveriti mernim uređajima kao što je digitalni multimetar VC830L koji ima zvučnu signalizaciju za kratak spoj (ground pin i integrisani hladnjak su kratko spojeni). Iz tog razloga uvek imamo rešenje prikazano na slici5. Imamo upravljačku jedinicu, kontrolere i deo koji je namenjen pojačanju struje tj. energentski deo. Po nekom pravilu energetski deo bi trebao biti galvanski izolovan kako ne bi došlo do uništenja kontrolnog dela ukoliko dođe do probijanja na pojačavačkom delu, ali to nije uvek slučaj.

Slika 5. Koncept upravljanja DC motorom, kontrolna ili ti upravljačka jedinica, kontroleri koji se sprežu sa energetskim delom koji služe za pojačanje struje i pogon DC motora.

Autor: Vladimir Savić

Napomena: tekst će biti preveden na engleski jezik by Nera Marković.