H-мост

Н -мост — это электронная схема , которая переключает полярность напряжения, подаваемого на нагрузку. Эти схемы часто используются в робототехнике и других приложениях, чтобы позволить двигателям постоянного тока вращаться вперед или назад. ^[1] Название происходит от его общего схематического представления, в котором четыре переключающих элемента имеют форму ветвей буквы «H», а нагрузка подключена в виде перекладины.

Большинство преобразователей постоянного тока в переменный ( силовые инверторы ), большинство преобразователей переменного/переменного тока , постоянного тока в постоянный двухтактный преобразователь , изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный ^[2] большинство контроллеров моторов , и во многих других видах силовой электроники используются H-мосты. В частности, биполярный шаговый двигатель почти всегда приводится в действие контроллером двигателя, содержащим два H-моста.

Общий

H-мосты доступны в виде интегральных схем или могут быть построены из дискретных компонентов . ^[1]

Термин H-мост происходит от типичного графического изображения такой схемы. H-мост состоит из четырех переключателей (твердотельных или механических). Когда переключатели S1 и S4 (согласно первому рисунку) замкнуты (а S2 и S3 разомкнуты), на двигатель подается положительное напряжение. При размыкании переключателей S1 и S4 и замыкании переключателей S2 и S3 это напряжение меняется на противоположное, что позволяет двигателю работать в обратном направлении.

Используя приведенную выше номенклатуру, переключатели S1 и S2 никогда не должны замыкаться одновременно, так как это может вызвать короткое замыкание источника входного напряжения. То же самое относится и к переключателям S3 и S4. Это состояние известно как прострел.

Общее использование

H-мост используется для подачи питания на двухтерминальное устройство. При правильном расположении переключателей можно изменить полярность питания устройства. Ниже обсуждаются два примера: драйвер двигателя постоянного тока и трансформатор импульсного регулятора. Обратите внимание, что не все случаи переключения безопасны. «Короткие» (см. ниже в разделе «Драйвер двигателя постоянного тока») случаи опасны для источника питания и переключателей.

Драйвер двигателя постоянного тока

Изменение полярности источника питания двигателя постоянного тока используется для изменения направления вращения. Помимо изменения направления вращения, H-мост может обеспечивать дополнительные режимы работы «тормоз» и «свободный ход до фрикционного упора». Схема H-моста обычно используется для изменения полярности/направления двигателя, но также может использоваться для «торможения» двигателя, когда двигатель внезапно останавливается, когда клеммы двигателя соединяются вместе. При подключении его клемм кинетическая энергия двигателя быстро расходуется в виде электрического тока, что приводит к замедлению двигателя. В другом случае двигатель может остановиться на выбеге, поскольку двигатель фактически отключается от цепи. В следующей таблице кратко описаны операции, при этом S1-S4 соответствуют схеме выше. В таблице ниже «1» используется для обозначения состояния «включено» переключателя, «0» — для обозначения состояния «выключено».

С1	С2	S3	С4	Результат
1	0	0	1	Мотор движется вправо
0	1	1	0	Мотор движется влево
0	0	0	0	Моторные побережья
1	0	0	0
0	1	0	0
0	0	1	0
0	0	0	1
1	1	Х	Х	Короткое замыкание
Х	Х	1	1	Короткое замыкание
1	0	1	0	Тормоза
0	1	0	1	Тормоза

Формирователь первичной катушки импульсного преобразователя мощности

Типичный драйвер первичной катушки заключается в простой замене двух клемм двигателя постоянного тока двумя клеммами первичной катушки. Ток переключения в первичной катушке преобразует электрическую энергию в магнитную энергию и передает обратно в электрическую энергию переменного тока во вторичной катушке.

Строительство

Реле

Один из способов построить H-мост — использовать массив реле с релейной платы. ^[3]

Реле « двухполюсное и двойное переключение » (DPDT) обычно обеспечивает те же электрические функции, что и H-мост (учитывая обычную функцию устройства). Однако полупроводниковый H-мост предпочтительнее реле, если требуется меньший физический размер, высокая скорость переключения или низкое управляющее напряжение (или низкая мощность возбуждения), или где нежелателен износ механических частей.

Другая конфигурация состоит в том, чтобы иметь реле DPDT для установки направления тока и транзистор для включения тока. Это может продлить срок службы реле, поскольку реле будет переключаться, когда транзистор выключен, и, следовательно, ток не протекает. Это также позволяет использовать ШИМ-переключение для управления уровнем тока.

Полупроводники с N- и P-каналами

Твердотельный . H-мост обычно строится с использованием устройств противоположной полярности, таких как транзисторы с биполярным переходом PNP (BJT) или P-канальные MOSFET, подключенные к шине высокого напряжения, и NPN BJT или N-канальные MOSFET, подключенные к шине низкого напряжения

N одноканальные полупроводники

В наиболее эффективных конструкциях МОП-транзисторов используются N-канальные МОП-транзисторы как на стороне верхнего, так и на нижнем плече, поскольку их сопротивление в открытом состоянии обычно составляет треть от сопротивления открытого состояния МОП-транзисторов с P-каналом. Это требует более сложной конструкции, поскольку затворы МОП-транзисторов верхнего плеча должны быть установлены в положительном направлении по отношению к шине питания постоянного тока. Многие драйверы затворов MOSFET на интегральных схемах для достижения этой цели включают в себя насос заряда .

В качестве альтернативы можно использовать преобразователь постоянного тока в постоянный ток с импульсным источником питания для обеспечения изолированного («плавающего») питания схемы управления затвором. с несколькими выходами Обратноходовой преобразователь хорошо подходит для этого приложения.

Другой метод управления МОП-транзисторами — использование специализированного трансформатора, известного как GDT (трансформатор управления затвором), который дает изолированные выходы для управления верхними затворами полевых транзисторов. Сердечник трансформатора обычно представляет собой ферритовый тороид с соотношением намоток 1:1 или 4:9. Однако этот метод можно использовать только с высокочастотными сигналами. Конструкция трансформатора также очень важна, поскольку индуктивность рассеяния должна быть минимизирована, иначе может возникнуть перекрестная проводимость. Выходы трансформатора обычно ограничиваются стабилитронами , поскольку скачки высокого напряжения могут разрушить затворы МОП-транзисторов.

Варианты

В распространенном варианте этой схемы используются только два транзистора на одной стороне нагрузки, как в усилителе класса AB . Такая конфигурация называется «полумост». ^[4] Он выполняет функцию электронного тумблера, полумост не способен переключать полярность напряжения, подаваемого на нагрузку. Полумост применяется в некоторых импульсных источниках питания, использующих синхронные выпрямители , и в импульсных усилителях . Тип моста Half-H обычно обозначается сокращением «Half-H», чтобы отличить его от полных («Full-H») H-мостов. Другой распространенный вариант, добавляющий третью «ветвь» к мосту, создает трехфазный инвертор . Трехфазный инвертор является основой любого привода двигателя переменного тока .

Еще одним вариантом является полууправляемый мост, в котором переключающее устройство нижнего плеча на одной стороне моста и переключающее устройство верхнего плеча на противоположной стороне моста заменены диодами. сквозного Это исключает режим отказа и обычно используется для управления с регулируемым или переключаемым сопротивлением машинами и приводами двунаправленный поток тока , где не требуется .

Коммерческая доступность

Существует множество коммерчески доступных недорогих корпусов с одинарным и двойным H-мостом. Серия L293x, технически устаревшая с конца 1970-х годов из-за уменьшения потерь на переключение и более высоких скоростей в более современных полупроводниковых продуктах, до сих пор встречается во многих схемах любителей. Несколько пакетов, таких как L9110, ^[5] имеют встроенные обратноходовые диоды для защиты от обратной ЭДС.

Работа в качестве инвертора

Обычно H-мост используется в инверторе . Такое устройство иногда называют однофазным мостовым инвертором.

H-мост с источником постоянного тока будет генерировать прямоугольный сигнал напряжения на нагрузке. Для чисто индуктивной нагрузки форма волны тока будет треугольной, пик которой зависит от индуктивности, частоты переключения и входного напряжения.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Эл Уильямс (2002). Проекты микроконтроллеров с использованием Basic Stamp (2-е изд.). Фокальная пресса. п. 344. ИСБН 978-1-57820-101-3 .
^ «Проектирование преобразователя LLC 11 кВт, 70 кГц с КПД 98 %» . Ноябрь 2020: 1–8. дои : 10.1109/COMPEL49091.2020.9265771 . S2CID 227278364 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ «Реле H-мост (Реле контроллера двигателя)» . 11 декабря 2012 г.
^ " "H-мосты" " .
^ «wordpress.com» (PDF) .

Внешние ссылки

Проекты

[williams_stamp-1] Перейти обратно: ^а ^б Эл Уильямс (2002). Проекты микроконтроллеров с использованием Basic Stamp (2-е изд.). Фокальная пресса. п. 344. ИСБН 978-1-57820-101-3 .

[2] «Проектирование преобразователя LLC 11 кВт, 70 кГц с КПД 98 %» . Ноябрь 2020: 1–8. дои : 10.1109/COMPEL49091.2020.9265771 . S2CID 227278364 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[3] «Реле H-мост (Реле контроллера двигателя)» . 11 декабря 2012 г.

[4] " "H-мосты" " .

[5] «wordpress.com» (PDF) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

v т и Мостовые схемы
Сопротивление	мост Кельвина Мост Уитстона
Сопротивление-емкость	Шеринг мост Венский мост
Общий	Мостовая Т-образная схема Мост Кэри Фостер Мост Фонтана Решетчатый фильтр Кольцевой мост Мюррея Трансформаторный мостик с коэффициентом трансформации
Индуктивность	Мост Максвелла Мост Андерсона Мост Хэя
Другой	Диодный мост H-мост