Введение
Полярно-переключающая электронная схема. H-мост – это электронная схема, которая переключает полярность напряжения, подаваемого на нагрузку. Эти схемы часто используются в робототехнике и других областях применения для обеспечения вращения двигателей постоянного тока в прямом и обратном направлении. Название происходит от типичного схематического представления, где четыре переключающих элемента расположены в виде ветвей буквы "H", а нагрузка соединена в качестве перекладины. Большинство преобразователей постоянного тока в переменный (инверторов мощности), большинство преобразователей переменного тока в переменный, преобразователь DC-DC push-pull, изолированный преобразователь DC-DC, большинство контроллеров двигателей и многие другие виды силовой электроники используют H-мосты. В частности, биполярный шаговый двигатель почти всегда управляется контроллером двигателя, содержащим два H-моста.
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.
Общий
H-мосты доступны в виде интегральных схем или могут быть собраны из дискретных компонентов. Реле с двойным переключением (DPDT) обычно может обеспечить ту же электрическую функциональность, что и H-мост (учитывая стандартное назначение устройства). Однако полупроводниковый H-мост предпочтительнее реле, когда требуется меньший физический размер, высокая скорость переключения, низкое управляющее напряжение (или низкая потребляемая мощность), или когда нежелателен износ механических частей. Другая конфигурация заключается в использовании реле DPDT для задания направления тока и транзистора для включения тока. Это может увеличить срок службы реле, поскольку реле будет переключаться при выключенном транзисторе, и, следовательно, ток не будет протекать. Также это позволяет использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для управления уровнем тока.
Полупроводники с каналом N и P
Мост H на твердотельных элементах обычно строится с использованием устройств противоположной полярности, таких как биполярные транзисторы PNP (BJT) или P-канальные MOSFET, подключенные к шине высокого напряжения, и NPN BJT или N-канальные MOSFET, подключенные к шине низкого напряжения.
Полупроводники только с N каналами
Наиболее эффективные конструкции MOSFET используют N-канальные MOSFET как на высокой, так и на низкой стороне, поскольку они обычно имеют в три раза меньшее сопротивление в открытом состоянии (Rds(on)), чем P-канальные MOSFET. Это требует более сложной схемы, так как для управления высокими сторонами MOSFET необходимо подавать положительное напряжение относительно шины питания постоянного тока. Многие интегральные схемы драйверов затворов MOSFET включают в себя встроенный повышающий преобразователь (charge pump) для реализации этого. В качестве альтернативы можно использовать импульсный DC-DC преобразователь для обеспечения изолированного ("плавающего") питания для схемы управления затворами. Многовыходной flyback-преобразователь хорошо подходит для этой задачи. Другой способ управления MOSFET-мостами – использование специализированного трансформатора, известного как GDT (трансформатор управления затвором), который обеспечивает изолированные выходы для управления затворами верхних MOSFET. Сердечник трансформатора обычно представляет собой ферритовый тороид с коэффициентом трансформации 1:1 или 4:9. Однако этот метод применим только к высокочастотным сигналам. Конструкция трансформатора также очень важна, поскольку необходимо минимизировать индуктивность рассеяния, чтобы избежать сквозного тока. Выходы трансформатора обычно ограничиваются диодами Зенера, так как высоковольтные импульсы могут повредить затворы MOSFET.
Варианты
В распространенной вариации этой схемы используются только два транзистора с одной стороны нагрузки, аналогично усилителю класса AB. Такая конфигурация называется "полумост". Он функционирует как электронный переключатель, но полумост не способен изменять полярность напряжения, подаваемого на нагрузку. Полумост применяется в некоторых импульсных источниках питания, использующих синхронные выпрямители, и в импульсных усилителях. Тип полумостовой схемы обычно сокращается до "Полу-H", чтобы отличать его от полноценных ("Полных H") H-мостов. Другая распространенная вариация, добавляющая третью "ветвь" к мосту, создает трехфазный инвертор. Трехфазный инвертор является основой любого привода двигателя переменного тока. Еще одна разновидность – полууправляемый мост, в котором переключающее устройство нижней стороны на одной стороне моста и переключающее устройство верхней стороны на противоположной стороне моста заменяются диодами. Это исключает режим пробоя (сквозного тока) и обычно используется для управления переменными или релюктансными машинами и исполнительными механизмами, где не требуется двунаправленный ток.
Коммерческая доступность
Существует множество коммерчески доступных недорогих одно- и двухканальных H-мостовых микросхем. Серия L293x, хотя и технически устарела с конца 1970-х годов из-за снижения потерь при переключении и более высокой скорости работы современных полупроводниковых приборов, всё ещё широко используется в любительских схемах. Некоторые микросхемы, например L9110, имеют встроенные защитные диоды от обратной ЭДС.
Работа инвертора
Распространенным применением H-моста является инвертор. Эта схема иногда называется однофазным мостовым инвертором. H-мост, подключенный к источнику постоянного тока, генерирует прямоугольную форму напряжения на нагрузке. Для чисто индуктивной нагрузки форма волны тока будет треугольной, а ее пиковое значение будет зависеть от индуктивности, частоты переключения и входного напряжения.