H -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 общепринятого представления на принципиальной схеме, с четырьмя переключающими элементами, сконфигурированными как ветви буквы «H», и нагрузкой, подключенной как перекладина.
Большинство преобразователей постоянного тока в переменный ( инверторы мощности ), большинство преобразователей переменного тока в переменный , двухтактный преобразователь постоянного тока в постоянный , изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный [2] , большинство контроллеров двигателей и многие другие виды силовой электроники используют мосты H. В частности, биполярный шаговый двигатель почти всегда управляется контроллером двигателя, содержащим два моста H.
H-мосты доступны в виде интегральных схем или могут быть построены из дискретных компонентов . [1]
Термин H-мост происходит от типичного графического представления такой схемы. H-мост построен с четырьмя переключателями (твердотельными или механическими). Когда переключатели S1 и S4 (согласно первому рисунку) замкнуты (а S2 и S3 разомкнуты), положительное напряжение подается на двигатель. 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 вышеприведенную номенклатуру, переключатели S1 и S2 никогда не должны быть замкнуты одновременно, так как это приведет к короткому замыканию на источнике входного напряжения. То же самое относится к переключателям S3 и S4. Это состояние известно как прострел.
H-мост используется для подачи питания на двухконтактное устройство. При правильном расположении переключателей полярность питания устройства может быть изменена. Ниже рассматриваются два примера: драйвер двигателя постоянного тока и трансформатор импульсного регулятора. Обратите внимание, что не все случаи коммутационного состояния безопасны. Случаи «короткого замыкания» (см. ниже в разделе «Драйвер двигателя постоянного тока») опасны для источника питания и переключателей.
Изменение полярности источника питания постоянного тока используется для изменения направления вращения. Помимо изменения направления вращения, H-мост может обеспечивать дополнительные режимы работы: «торможение» и «свободный ход до фрикционной остановки». Схема H-моста обычно используется для изменения полярности/направления двигателя, но также может использоваться для «торможения» двигателя, когда двигатель внезапно останавливается, когда клеммы двигателя соединены вместе. При соединении его клемм кинетическая энергия двигателя быстро потребляется в виде электрического тока и заставляет двигатель замедляться. Другой случай позволяет двигателю останавливаться по инерции, поскольку двигатель фактически отключен от цепи. Следующая таблица суммирует работу, при этом S1-S4 соответствуют схеме выше. В таблице ниже «1» используется для представления состояния «включено» переключателя, «0» для представления состояния «выключено».
Типичный драйвер первичной катушки — это простая замена двух клемм двигателя постоянного тока на две клеммы первичной катушки. Ток переключения в первичной катушке превращает электрическую энергию в магнитную энергию и возвращает ее обратно в электрическую энергию переменного тока во вторичной катушке.
Одним из способов создания H-моста является использование массива реле с релейной платы. [3]
Реле « двойного полюса на два хода » (DPDT) обычно может достигать той же электрической функциональности, что и H-мост (учитывая обычную функцию устройства). Однако полупроводниковый H-мост будет предпочтительнее реле, где требуются меньшие физические размеры, высокая скорость переключения или низкое напряжение возбуждения (или низкая мощность возбуждения), или где износ механических частей нежелателен.
Другая конфигурация — иметь реле DPDT для установки направления тока и транзистор для включения тока. Это может продлить срок службы реле, так как реле будет переключаться, когда транзистор выключен, и, таким образом, ток не течет. Это также позволяет использовать ШИМ-переключение для управления уровнем тока.
Твердотельный H-мост обычно строится с использованием устройств противоположной полярности, таких как биполярные транзисторы PNP (BJT) или полевые МОП-транзисторы с P-каналом , подключенные к высоковольтной шине , и биполярные транзисторы NPN или полевые МОП-транзисторы с N-каналом, подключенные к низковольтной шине.
Наиболее эффективные конструкции MOSFET используют N-канальные MOSFET как на высокой, так и на низкой стороне, поскольку они обычно имеют треть сопротивления в открытом состоянии P-канальных MOSFET. Это требует более сложной конструкции, поскольку затворы MOSFET высокой стороны должны управляться положительно по отношению к шине питания постоянного тока. Многие драйверы затворов MOSFET интегральных схем включают в себя зарядовый насос внутри устройства для достижения этого.
В качестве альтернативы можно использовать преобразователь постоянного тока с импульсным питанием для обеспечения изолированного («плавающего») питания для схемы управления затвором. Для этого применения хорошо подходит многовыходной обратноходовой преобразователь .
Другим методом управления мостами MOSFET является использование специализированного трансформатора, известного как GDT (трансформатор управления затвором), который обеспечивает изолированные выходы для управления затворами верхних полевых транзисторов. Сердечник трансформатора обычно представляет собой ферритовый тороид с соотношением обмоток 1:1 или 4:9. Однако этот метод может использоваться только с высокочастотными сигналами. Конструкция трансформатора также очень важна, поскольку индуктивность рассеяния должна быть минимизирована, иначе может возникнуть перекрестная проводимость. Выходы трансформатора обычно зажимаются стабилитронами , поскольку скачки высокого напряжения могут разрушить затворы MOSFET.
Распространенная вариация этой схемы использует только два транзистора на одной стороне нагрузки, аналогично усилителю класса AB . Такая конфигурация называется «полумост». [4] Она действует как электронный тумблер, полумост не может переключать полярность напряжения, подаваемого на нагрузку. Полумост используется в некоторых импульсных источниках питания, которые используют синхронные выпрямители , и в импульсных усилителях . Тип полумостовой схемы H обычно сокращается до «Half-H», чтобы отличать его от полных («Full-H») H-мостов. Другая распространенная вариация, добавление третьей «ноги» к мосту, создает трехфазный инвертор . Трехфазный инвертор является ядром любого привода двигателя переменного тока .
Еще одним вариантом является полууправляемый мост, где переключающее устройство на низкой стороне с одной стороны моста и переключающее устройство на высокой стороне с другой стороны моста заменены диодами. Это устраняет режим сквозного отказа и обычно используется для управления переменными или переключаемыми реактивными машинами и приводами, где двунаправленный ток не требуется.
Существует множество коммерческих недорогих одиночных и двойных корпусов H-моста. Серия L293x, будучи технически в основном устаревшей с конца 1970-х годов из-за сниженных потерь переключения и более высоких скоростей в более современных полупроводниковых продуктах, все еще встречается во многих любительских схемах. Несколько корпусов, таких как L9110, [5] имеют встроенные диоды обратного хода для защиты от обратной ЭДС.
Распространенное применение H-моста — инвертор . Такая схема иногда называется однофазным мостовым инвертором.
H-мост с источником постоянного тока будет генерировать квадратную волну напряжения на нагрузке. Для чисто индуктивной нагрузки форма волны тока будет треугольной, а ее пик будет зависеть от индуктивности, частоты переключения и входного напряжения.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )