Кіріспе
Полярлық ауыстыратын электрондық схема
H-көпір – жүктемеге берілетін кернеудің полярлығын ауыстыратын электрондық схема. Бұл схемалар робототехника және басқа да қолдануларда жиі қолданылады, DC моторларын алға немесе кері бағытта қозғалтуға мүмкіндік береді. Атауы оның әдеттегі схемалық диаграммасынан шыққан, төрт коммутациялық элемент "H" әрпінің қабырғалары ретінде конфигурацияланған және жүктеме көлденең таяқша ретінде қосылған. Көптеген DC-AC түрлендіргіштер (қуат инверторлары), көптеген AC-AC түрлендіргіштер, DC-DC иілімді түрлендіргіш, оқшауланған DC-DC түрлендіргіш, көптеген мотор контроллерлері және қуат электроникасының көптеген түрлері H-көпірлерді пайдаланады. Атап айтқанда, биполярлық қадамдық мотор көбінесе екі H-көпірлі мотор контроллерімен басқарылады.
An H bridge is an electronic circuit that switches the polarity of a voltage applied to a load. These circuits are often used in robotics and other applications to allow DC motors to run forwards or backwards. The name is derived from its common schematic diagram representation, with four switching elements configured as the branches of a letter "H" and the load connected as the cross bar. Most DC to AC converters (power inverters),
most AC/AC converters,
the DC to DC push–pull converter, isolated DC to DC converter
most motor controllers,
and many other kinds of power electronics use H bridges. In particular, a bipolar stepper motor is almost always driven by a motor controller containing two H bridges.
Жалпы
H көпірлері интегралды схемалар түрінде қолжетімді, не дискретті компоненттерден құрастырылуы мүмкін. "Қос полюсті қос тастамалы" (DPDT) релесі, әдетте, H көпірінің электрлік мүмкіндіктерін қамтамасыз ете алады (құрылғының стандартты жұмысын ескере отырып). Дегенмен, жартылай өткізгіш негізіндегі H көпірі, кішірек физикалық өлшем, жоғары жылдамдықты қосу, төменгі басқару кернеуі (немесе төменгі басқару қуаты) қажет болғанда, немесе механикалық бөліктердің тозуынан аулақ болу қажет болғанда реледен артық таңдау болар еді. Тағы бір конфигурация – ток ағынының бағытын орнату үшін DPDT релесін, ал ток ағынын қосу үшін транзисторды пайдалану. Бұл реленің қызмет ету мерзімін ұзартуға мүмкіндік береді, себебі транзистор өшірілген кезде реле қосылады, демек ток ағыны болмайды. Бұдан бөлек, бұл ток деңгейін басқару үшін ШИМ (PWM) коммутациясын қолдануға да мүмкіндік береді.
N және P арналы жартылай өткізгіштер
Қатты күйдегі H көпір әдетте қарама-қарсы полярлы құрылғыларды пайдалана отырып құрастырылады, мысалы, жоғары кернеулі шинаға қосылған PNP биполярлы тоқ транзисторларын (BJT) немесе P арналы MOSFET-терді, ал төмен кернеулі шинаға NPN BJT-терді немесе N арналы MOSFET-терді қосады.
N арналы тек жартылай өткізгіштер
Ең тиімді MOSFET схемалары жоғары және төмен жағында N-арналы MOSFET-терді пайдаланады, себебі олардың ON кедергісі P-арналы MOSFET-терге қарағанда әдетте үш есе төмен болады. Бұл жоғары жақтағы MOSFET қақпаларын DC қуат көзіне қатысты оң кернеумен басқаруды қажет ететіндіктен, күрделірек жобалауды талап етеді. Көптеген интегралды схемалы MOSFET қақпалық драйверлер осы мақсатқа жету үшін құрылғының ішінде заряд сорғысын (charge pump) қамтиды. Балама ретінде, шлюздік басқару тізбегіне оқшауланған ("айналмалы") қуат беру үшін импульстіқ режимдегі DC-DC түрлендіргішін қолдануға болады. Көп шығысты флайбек түрлендіргіші (flyback converter) осы қолдану үшін өте қолайлы. MOSFET көпірлерін басқарудың тағы бір әдісі – GDT (қақпалық басқару трансформаторы) деп аталатын арнайы трансформаторды пайдалану, ол жоғарғы FET қақпаларын басқару үшін оқшауланған шығыстарды қамтамасыз етеді. Трансформатордың магниттік өзегі әдетте 1:1 немесе 4:9 орам қатынасы бар феррит тороидынан жасалады. Дегенмен, бұл әдіс тек жоғары жиілікті сигналдармен ғана қолданылуы мүмкін. Трансформатордың дизайны да өте маңызды, себебі шашыраңқы индуктивтілікті (leakage inductance) азайту қажет, әйтпесе өткелдік тоқ пайда болуы мүмкін. Трансформатордың шығыстары әдетте Зенер диодтарымен шектеледі, өйткені жоғары кернеу импульстары MOSFET қақпаларын зақымдауы мүмкін.
Нұсқалар
Бұл схеманың кең таралған нұсқасы жүктеменің бір жағындағы екі транзисторды ғана пайдаланады, бұл АБ класты күшейткішке ұқсас. Мұндай конфигурация "жарты көпір" деп аталады. Ол электрондық ауыстырғыш ретінде жұмыс істейді, бірақ жарты көпір жүктемеге берілетін кернеудің полярлығын өзгерте алмайды. Жарты көпір синхронды түзеткіштері бар және коммутациялық күшейткіштерді қолданатын кейбір коммутациялық қуат көздерінде қолданылады. Жарты H көпір түрі көбінесе "Жарты H" деп қысқартылады, оны толық ("Толық H") H көпірлерінен ажырату үшін. Көпірге үшінші "бұтақ" қосу арқылы үш фазалық инвертор жасауға болады. Үш фазалық инвертор – кез келген айнымалы ток моторлық жетектерінің негізгі бөлігі. Тағы бір нұсқасы – жартылай басқарылатын көпір, онда көпірдің бір жағындағы төменгі жақтағы коммутациялық құрылғы және көпірдің қарсы жағындағы жоғарғы жақтағы коммутациялық құрылғы диодтармен алмастырылады. Бұл "shoot-through" режиміндегі қателіктерді болдырмайды және екі бағытты ток ағыны қажет емес, өзгермелі немесе индуктивті машиналар мен атқарушы механизмдерді басқару үшін қолданылады.
Коммерциялық қол жетімділік
Саудада қол жетімді, арзан бір және екі H-көпірлі жинақтар көптеп таралған. L293x сериясы, 1970-ші жылдардың соңынан бері ауысу жоғалтуларының азаюы және қазіргі заманғы жартылай өткізгіш өнімдердегі жылдамдықтың артуына байланысты техникалық тұрғыдан көнелгенімен, әлі де көптеген хоббишілердің схемаларында кездеседі. L9110 сияқты кейбір жинақтарда кері ЭҚК-дан қорғау үшін кіріктірілген flyback диодтары бар.
Инвертор ретінде жұмыс істеу
H көпірінің ең көп қолданылатыны инвертор. Бұл схема кейде бір фазалы көпір инверторы деп аталады. DC қуат көзімен жұмыс істейтін H көпірі жүктемеде шаршы толқынды кернеу пішінін тудырады. Егер жүктеме таза индуктивті болса, ток пішіні үшбұрыш тәрізді болады, оның ең жоғары мәні индуктивтілікке, коммутация жиілігіне және кіріс кернеуіне байланысты.