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 распространенного схематического представления с четырьмя переключающими элементами, выполненными в виде ответвлений буквы «H», и нагрузкой, подключенной в виде перекладины.
Большинство преобразователей постоянного тока в переменный ( силовые инверторы ), большинство преобразователей переменного/переменного тока , двухтактный преобразователь постоянного тока в постоянный , изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный [2] , большинство контроллеров двигателей и многие другие виды силовой электроники. используйте H-мосты. В частности, биполярный шаговый двигатель почти всегда приводится в действие контроллером двигателя, содержащим два H-моста.
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.
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.
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».
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.
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.
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.
В наиболее эффективных конструкциях МОП-транзисторов используются N-канальные МОП-транзисторы как на стороне высокого, так и на нижнем уровне, 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. Обратноходовой преобразователь с несколькими выходами хорошо подходит для этого приложения.
Другим методом управления MOSFET-мостами является 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.
В распространенном варианте этой схемы используются только два транзистора на одной стороне нагрузки, как в усилителе класса AB . Такая конфигурация называется «полумост». [4] Он действует как электронный тумблер, 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. Это исключает режим сквозного отказа и обычно используется для управления машинами и приводами с регулируемым или переключаемым сопротивлением , где не требуется двунаправленный поток тока .
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. Немногие корпуса, такие как L9110, [5] имеют встроенные обратноходовые диоды для защиты от обратной ЭДС.
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.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )