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Modifikation der BTS-H-Brücken und mehr ...

1.    Leistungsoptimierung
2.    Temperaturoptimierung, ein Problem
3.    Einschaltverhalten und Lösung
4.    Vergleich mit der eigenen H-Brücke
5.    Fazit

Die in der Regel aus China stammenden BTS7960B-H-Brücken sind verlockend preiswert.

Daraus ergab sich der Versuch, diese für den 24V-Betrieb geeigneten H-Brücken für mein Projekt zu verwenden.

Erste Laborversuche zeigten, dass sich die angeschlossenen Motoren bei kleinen PWM-Werten kaum drehten.

Der Blick ins Datenblatt führte zur Erklärung dieses Verhaltens. Die verwendeten H-Brücken besitzen eine einstellbare
Ein- und Ausschaltverzögerung, welche die aktive Zeit eines PWM-Signals am Ausgang verkürzt.

Messungen ergaben, dass bei einem PWM-Wert 50 (von 512) gerade mal ein Strom von 340mA - 370 mA fließt.

 

1.    Leistungsoptimierung

Eine Abhilfe ist einfach möglich. Die genannte Verzögerungszeit wird durch einen externen
Widerstand eingestellt. Es empfiehlt sich, hierfür einen Widerstand von 0 Ohm (Drahtbrücke) zu wählen, um die kürzeste Totzeit der Halbbrücken festzulegen.
Für jede H-Brücke müssen zwei SMD-Widerstände durch Drahtbrücken ersetzt oder überbrückt werden.
(Ggf. sind zwei Lötkolben zum einfachen Auslöten des SMD-Widerstandes erforderlich.)

Eine Vergleichsmessung zeigt, dass beim gleichen PWM-Wert 50 der Strom auf rund 780mA gestiegen ist,
ein brauchbares Ergebnis.
Vergleicht man das Ergebnis mit der Stromaufnahme der selbst entwickelten H-Brücke, so misst man 820mA.
Dieser Wert ist auf die noch kürzeren Verzögerungen beim Ein- und Ausschalten zurückzuführen.

 

2.    Temperaturoptimierung, ein Problem

Weitere Beobachtungen:

Die BTS-H-Brücke besitzt einen "Pseudo-Kühlkörper". Dieser sitzt getrennt vom IC BTS7960B auf der anderen Platinenseite, was seine Kühlwirkung praktisch unmöglich macht. Auffallend ist somit die starke Erwärmung der Bausteine, der Kühlkörper erwärmt sich fast nicht erwärmt.
Nach dem Abschrauben des Kühlkörpers und dem Auftragen von Wärmeleitpaste auf der Platinenrückseite hat sich die Wärmeabfuhr deutlich verbessert.
Weiter besteht die Möglichkeit über den ICs eine Aluminiumplatte als zusätzlichen Kühlkörper zu befestigen, der mit den Kühlkörperschrauben angepresst wird.

Vergleich der Wärmeentwicklung:

Die nicht modifizierten BTS-Module wurde schon bei einer Belastung von 50W
(KFZ-Lampe, Stromaufnahme der Brücke 25V / 2A) richtig heiß, so dass die interne Temperatursicherung die H-Brücke nach ca. 20 Sekunden ausgeschaltet hat.

So reduzierte die o.g. Modifikation der Widerstände diese Erwärmung deutlich, da die Umschaltzeiten deutlich verkürzt wurden.
Nach 40 Sekunden ging jedoch auch hier die angeschlossene KFZ-Lampe aus.

Wärmeleitpaste zwischen Platine und Kühlkörper führte dazu, dass in dem nachfolgenden 3-Minuten Test keine Überhitzung und thermische Abschaltung auftrat.

Wichtig: Nachdem die BTS-H-Brücken mehrfach zum Einsatz kamen, erhielt ich in zwei Fällen eine Rückmeldung darüber, dass die H-Brücken "ausfallen" und nach dem nächsten Einschalten des Runner wieder funktionsfähig sind.
Dies ist typisch für eine Sicherheitsabschaltung der BTS-Module und stellt bei einer normalen Fahrt ein Risiko dar.
Eine doppelseitige Kühlung unter Einsatz von Wärmeleitpaste mag helfen, ich habe es nicht ausprobiert.

Ich werde daher keine weitere Empfehlung für diese H-Brücke aussprechen und habe die Module aus meinem Shop genommen.

 

3.    Einschaltverhalten und Lösung

Während in der ersten Sekunde nach dem Einschalten die Spannung an den Kondensatoren noch langsam ansteigt, kann es vorkommen, dass eine H-Brücke bereits den Motorstrom einschaltet, bevor die Software einen definierten Zustand an den PWM-Eingängen der BTS-Module hergestellt hat.

Dieses Problem wurde in ursächlicher Form gelöst, indem durch zwei Widerstände eine definierte Einschaltbedingung vor der Aktivierung durch den Mikrocontroller hergestellt werden kann.

Es zeigte sich, dass beim Startbeginn des Atmega alle Ports als Eingänge definiert sind. So treffen die Eingänge 2/5 und 9/12 des Bausteins C4001 auf die noch nicht als Ausgänge definierten PINs 18 und 19 aufeinander. Der für Bruchteile einer Sekunde zufällige Zustand „0“ ist für die Reaktion des Motors verantwortlich. Danach wird im Programm der notwendige Zustand „1“ festgelegt.

Die Abhilfe ist einfach. Wie bereits auf der Platine der H-Brücke verhindert ein Widerstand (10k – 100k gegen VCC) an den Eingängen 5/6 und 9/12 des Baustein C4001 den Zustand „0“, so dass die Motoren nicht angetrieben werden.

Geeignete Positionen für diese noch einzulötenden Widerstände sind JP8/1-3 und JP9/1-3.

Auf den Hauptplatinen ab Version 2.7 sind entsprechende Widerstände bereits enthalten.

 

4.    Vergleich mit der eigenen H-Brücke

Meine H-Brücke wurde in den beschriebenen Test mit einbezogen.
Nach einem 3-Minuten Test hatten sich die MOSTFETs ohne Verwendung eines Kühlkörpers nicht nennenswert erwärmt.
Die Gründe liegen in wesentlich kürzeren Schaltzeiten der MOSFETs sowie in einem deutliche geringeren R
DS(on)=3.8mOhm gegenüber 7mOhm - 9mOhm bei den BTS-Halbbrücken.

 

5.    Fazit:

Bei der Verwendung der BTS-H-Brücken in einem selbstbalancierenden Fahrzeug anderer Art mit leistungsschwächeren Motoren (ca. 250W) und kleiner Belastung gab es keine Ausfälle.
Die mit Wärmeleitpaste verbesserten Kühlkörper wurden rund 70° warm.

Die von mir im Runner1 verwendetet Eigenbau-H-Brücke führte bei der Verwendung von 24V/500 Watt Motoren und einer leichten Bergfahrt zu handwarmen Temperaturen der montierten Kühlkörper.
Im Runner2, der mit 36V betrieben wird, konnte ich keine Erwärmung feststellen, da die MOSFETs mit IsolierPads direkt auf das Alu-Chassis montiert wurden.

In einem Dauertest mit einer Belastung einer BTS-H-Brücke mit 25V und 5A erreichten die ICs eine Temperatur von 72°.
Am Kühlkörper wurden 62° gemessen. Zur Messung wurde ein Infrarot-Thermometer verwendet.

Im Ergebnis kann ich die BTS-H-Brücken für einen normalen Runner nicht empfehlen.
Wenn den Motoren keine große Leistung abverlangt wird kann man damit durchaus experimentieren.

Siehe Hinweise unter 2.

Ergänzung: Es gibt auch fehlerhafte BTS-Module !

Im Rahmen von Auslieferungstests wurde vor einiger Zeit eine BTS-Brücke ausgesondert. Ursache war eine nur einseitige Drehrichtung des angeschlossenen Motors. Dieses Problem trat auch schon einmal bei einem Nachbauer bei selbst erworbenen Modulen auf.

Eine genauere Untersuchung des BTS-Moduls ergab, dass wegen sehr sparsamer Verwendung von Lötpaste bei der Herstellung, zwei Anschlüsse eines ICs nicht ausreichend verbunden waren.
Durch Nachlöten konnte der Fehler beseitigt und das BTS-Modul nun mit voller Leistung bei meinem "Butler" eingesetzt werden.

 

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Stand: 22.2.2017.