ponte ad H - H-bridge

Un H-bridge è un circuito elettronico che commuta la polarità di una tensione applicata a un carico. Questi circuiti sono spesso utilizzati nella robotica e in altre applicazioni per consentire ai motori CC di funzionare in avanti o all'indietro.

La maggior parte dei convertitori DC-AC ( inverter di potenza ), la maggior parte dei convertitori AC/AC , il convertitore push-pull DC-DC , il convertitore DC-DC isolato la maggior parte dei controller del motore e molti altri tipi di elettronica di potenza utilizzano ponti H . In particolare, un motore passo-passo bipolare è quasi sempre azionato da un controllore motore contenente due ponti H.

Generale

Struttura di un ponte ad H (evidenziato in rosso)

Gli H-bridge sono disponibili come circuiti integrati o possono essere costruiti da componenti discreti .

Il termine H-bridge deriva dalla rappresentazione grafica tipica di un tale circuito. Un H-bridge è costruito con quattro interruttori (a stato solido o meccanico). Quando gli interruttori S1 e S4 (secondo la prima figura) sono chiusi (e S2 e S3 sono aperti) viene applicata una tensione positiva ai capi del motore. Aprendo gli interruttori S1 e S4 e chiudendo gli interruttori S2 e S3, questa tensione viene invertita, consentendo il funzionamento inverso del motore.

Utilizzando la nomenclatura sopra, gli interruttori S1 e S2 non dovrebbero mai essere chiusi contemporaneamente, poiché ciò causerebbe un cortocircuito sulla sorgente di tensione in ingresso. Lo stesso vale per gli interruttori S3 e S4. Questa condizione è nota come shoot-through.

operazione

I due stati fondamentali di un ponte H

La disposizione a ponte H viene generalmente utilizzata per invertire la polarità/direzione del motore, ma può anche essere utilizzata per "frenare" il motore, in caso di arresto improvviso del motore, poiché i terminali del motore sono in cortocircuito, o per motore 'a corsa libera' fino all'arresto, poiché il motore è effettivamente scollegato dal circuito. La tabella seguente riassume il funzionamento, con S1-S4 corrispondente allo schema sopra.

S1 S2 S3 S4 Risultato
1 0 0 1 Il motore si muove a destra
0 1 1 0 Il motore si sposta a sinistra
0 0 0 0 Coste a motore
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
0 1 0 1 Freni motore
1 0 1 0
X X 1 1 Corto circuito
1 1 X X

Costruzione

Motore a doppia H-bridge L298 conducente

relè

Un modo per costruire un ponte H consiste nell'utilizzare una serie di relè da una scheda relè.

Un relè " doppio polo a due vie " (DPDT) può generalmente raggiungere la stessa funzionalità elettrica di un ponte H (considerando la normale funzione del dispositivo). Tuttavia, un ponte H basato su semiconduttore sarebbe preferibile al relè dove è necessaria una dimensione fisica più piccola, una commutazione ad alta velocità o una bassa tensione di pilotaggio (o bassa potenza di pilotaggio), o dove l'usura delle parti meccaniche è indesiderabile.

Un'altra opzione è quella di avere un relè DPDT per impostare la direzione del flusso di corrente e un transistor per abilitare il flusso di corrente. Ciò può prolungare la durata del relè, poiché il relè verrà commutato mentre il transistor è spento e quindi non c'è flusso di corrente. Consente inoltre l'uso della commutazione PWM per controllare il livello corrente.

Semiconduttori a canale N e P

Un ponte H a stato solido è tipicamente costruito utilizzando dispositivi di polarità opposta, come transistor a giunzione bipolare PNP (BJT) o MOSFET a canale P collegati al bus ad alta tensione e BJT NPN o MOSFET a canale N collegati al bus a bassa tensione.

Semiconduttori solo canale N

I progetti MOSFET più efficienti utilizzano MOSFET a canale N sia sul lato alto che sul lato basso perché in genere hanno un terzo della resistenza ON dei MOSFET a canale P. Ciò richiede una progettazione più complessa poiché i gate dei MOSFET high-side devono essere pilotati in modo positivo rispetto alla linea di alimentazione CC. Molti driver di gate MOSFET a circuito integrato includono una pompa di carica all'interno del dispositivo per raggiungere questo obiettivo.

In alternativa, è possibile utilizzare un convertitore CC-CC di alimentazione a modalità commutata per fornire alimentazioni isolate ("fluttuanti") al circuito di azionamento del gate. Un convertitore flyback a più uscite è adatto a questa applicazione.

Un altro metodo per pilotare i ponti MOSFET è l'uso di un trasformatore specializzato noto come GDT (trasformatore di azionamento del gate), che fornisce le uscite isolate per il pilotaggio dei gate dei FET superiori. Il nucleo del trasformatore è solitamente un toroide in ferrite, con rapporto di avvolgimento 1:1 o 4:9. Tuttavia, questo metodo può essere utilizzato solo con segnali ad alta frequenza. Anche il design del trasformatore è molto importante, poiché l' induttanza di dispersione dovrebbe essere ridotta al minimo o potrebbe verificarsi una conduzione incrociata. Le uscite del trasformatore sono solitamente bloccate da diodi Zener , poiché picchi di alta tensione potrebbero distruggere le porte del MOSFET.

varianti

Una variante comune di questo circuito utilizza solo i due transistor su un lato del carico, simile a un amplificatore di classe AB . Tale configurazione è chiamata "mezzo ponte". Funziona come un interruttore a levetta elettronico, il mezzo ponte non è in grado di commutare la polarità della tensione applicata al carico. Il mezzo ponte viene utilizzato in alcuni alimentatori a commutazione che utilizzano raddrizzatori sincroni e negli amplificatori switching . Il tipo di ponte a mezza H è comunemente abbreviato in "Half-H" per distinguerlo dai ponti ad H completi ("Full-H"). Un'altra variante comune, aggiungendo una terza 'gamba' al ponte, crea un inverter trifase . L'inverter trifase è il cuore di qualsiasi drive CA.

Un'ulteriore variante è il ponte semicontrollato, in cui il dispositivo di commutazione low-side su un lato del ponte e il dispositivo di commutazione high-side sul lato opposto del ponte, sono sostituiti ciascuno con diodi. Ciò elimina la modalità di guasto shoot-through ed è comunemente utilizzato per azionare macchine e attuatori a riluttanza variabile o commutata in cui non è richiesto un flusso di corrente bidirezionale .

Disponibilità commerciale

Sono disponibili in commercio molti pacchetti H-bridge economici singoli e doppi, di cui la serie L293x include i più comuni. Pochi pacchetti, come L9110, hanno diodi flyback integrati per la protezione EMF posteriore.

Funzionamento come inverter

Un uso comune dell'H-bridge è un inverter . La disposizione è talvolta nota come inverter a ponte monofase.

Il ponte H con alimentazione CC genererà una forma d'onda di tensione ad onda quadra attraverso il carico. Per un carico puramente induttivo, la forma d'onda della corrente sarebbe un'onda triangolare, con il picco che dipende dall'induttanza, dalla frequenza di commutazione e dalla tensione di ingresso.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno

Progetti