THƯƠNG TÍN

Danh mục sản phẩm

Giỏ hàng của bạn

Số sản phẩm: 0

Thành tiền: 0

Xem giỏ hàng

Thống kê

Đang online 5
Hôm nay 19
Hôm qua 20
Trong tuần 39
Trong tháng 200
Tổng cộng 2,275

mạch cầu H, cấu tạo và cách thiết kế mach cau h

03-11-2020

Bạn có thể học cách xây dựng cầu nối h từ nhiều tài nguyên trực tuyến và ngoại tuyến. Sau khi tất cả các mạch này không quá phức tạp. Một số tài nguyên đó là tốt, một số thì không quá nhiều. Tuy nhiên, khi tôi bắt đầu làm việc với họ, tôi nhận ra rằng nhiều kinh nghiệm của tôi không được ghi lại và một số điều tôi học được dường như bị thiếu trong những mô tả đó. Vì vậy, tôi quyết định viết ra những gì tôi đã học được và cố gắng sắp xếp mô tả đó thành một cấu trúc dễ hiểu nhưng toàn diện.

Công việc này bắt đầu như là một loạt ba phần tôi đã viết, trong khi phát triển các mạch cầu h . Trong khi tài liệu hiện tại dựa trên những bài báo đó, nó sửa chữa nhiều lỗi và được mở rộng và cập nhật rất nhiều.

Ý định của tôi là đề cập nhiều vấn đề hơn hầu hết các bài báo tôi đã xem về chủ đề này. Mặc dù tôi không mong bạn, bạn đọc thân mến, sẽ quen thuộc với cầu h hoặc bộ điều khiển động cơ nói chung, nhưng tôi xây dựng dựa trên sự hiểu biết cơ bản về mạch điện. Vì vậy, nếu bạn không biết điện trở, cuộn cảm hoặc tụ điện là gì, nếu bạn không hiểu ít nhất những điều cơ bản về phân tích mạch miền tần số và thời gian, bạn đang đọc không đúng bài viết. Bạn có thể sẽ không theo dõi được cuộc thảo luận. Nhưng nếu bạn quan tâm đến thông tin cơ bản về điều khiển động cơ, nếu bạn muốn hiểu lý do đằng sau các quyết định thiết kế, nếu bạn muốn có kiến ​​thức sâu hơn không chỉ về cầu h mà còn về những gì diễn ra trước và sau chúng, bạn có tìm thấy vị trí của bạn.

Kế hoạch của tôi là cuối cùng sẽ mở rộng các bài viết này để không chỉ bao gồm cầu h mà còn cả các mạch điều khiển và hệ thống cơ điện.

Những thứ cơ bản

Nói chung, cầu H là một mạch khá đơn giản, chứa bốn phần tử chuyển mạch, với tải ở tâm, ở cấu hình giống như H:

hình ảnh

Các phần tử chuyển mạch (Q1..Q4) thường là bóng bán dẫn hai cực hoặc FET, trong một số ứng dụng cao áp là IGBT. Các giải pháp tích hợp cũng tồn tại nhưng liệu các phần tử chuyển mạch có được tích hợp với các mạch điều khiển của chúng hay không thì không liên quan đến phần lớn cuộc thảo luận này. Các điốt (D1..D4) được gọi là điốt bắt và thường thuộc loại Schottky.

Đầu trên của cầu được kết nối với nguồn điện (ví dụ như pin) và đầu dưới được nối đất.

Nhìn chung, tất cả bốn yếu tố chuyển mạch có thể được bật và tắt độc lập, mặc dù có một số hạn chế rõ ràng.

Mặc dù về lý thuyết, tải có thể là bất cứ thứ gì bạn muốn, nhưng cho đến nay ứng dụng phổ biến nhất nếu cầu H là với động cơ bước DC có chổi than hoặc động cơ bước lưỡng cực (các bước cần hai cầu H cho mỗi động cơ) tải. Trong phần sau, tôi sẽ tập trung vào các ứng dụng như một trình điều khiển động cơ DC chải.

Hoạt động tĩnh

Chế độ hoạt động cơ bản của cầu H khá đơn giản: nếu Q1 và Q4 được bật, dây dẫn bên trái của động cơ sẽ được kết nối với nguồn điện, trong khi dây dẫn bên phải được kết nối với đất. Dòng điện bắt đầu chạy qua động cơ, cung cấp năng lượng cho động cơ theo (giả sử) theo chiều thuận và trục động cơ bắt đầu quay.

hình ảnh

Nếu Q2 và Q3 được bật, ngược lại sẽ xảy ra, động cơ được cung cấp năng lượng theo chiều ngược lại và trục sẽ bắt đầu quay ngược lại.

hình ảnh

Trong một cầu nối, bạn không bao giờ nên đóng cả Q1 và Q2 (hoặc Q3 và Q4) cùng một lúc. Nếu bạn làm điều đó, bạn vừa tạo ra một đường dẫn có điện trở thực sự thấp giữa nguồn điện và GND, gây ngắn mạch một cách hiệu quả cho nguồn điện của bạn. Điều kiện này được gọi là 'bắn xuyên' và là một cách gần như được đảm bảo để nhanh chóng phá hủy cây cầu của bạn hoặc thứ gì đó khác trong mạch của bạn.

hình ảnh

Do hạn chế này từ bốn trạng thái có thể có, các công tắc bên A có thể chỉ có ba ý nghĩa:

Q1 Quý 2
mở mở
đóng mở
mở đóng

Tương tự đối với bên B:

Q3 Q4
mở mở
đóng mở
mở đóng

Nhìn chung, điều này cho phép 9 trạng thái khác nhau cho toàn bộ cây cầu ở:

Q1 Quý 2 Q3 Q4
đóng mở mở mở
đóng mở mở đóng
đóng mở đóng mở
mở đóng mở mở
mở đóng mở đóng
mở đóng đóng mở
mở mở mở mở
mở mở mở đóng
mở mở đóng mở

Chúng ta sẽ đi vào chi tiết hơn trong một phút, nhưng trước khi chúng ta làm, hãy dành vài phút để hiểu những điều cơ bản về tải của chúng ta, động cơ DC.

Mô hình động cơ

Mặc dù mô hình động cơ điện một chiều là một chủ đề phức tạp, nhưng bạn có thể đọc nhiều hơn ở đây , đối với bài viết này, chúng ta hãy bắt đầu với một mô hình rất đơn giản! Mô hình này sẽ không thể sử dụng được cho các ứng dụng điều khiển, nơi bạn cố gắng bù điện cho các tác động của các thành phần cơ học. Giả định chính trong mô hình được giới thiệu ở đây là hằng số thời gian cơ học trong hệ thống của bạn cao hơn nhiều so với hệ thống điện, nói cách khác, chúng ta có thể coi tốc độ trục là không đổi để phân tích. Điều đó đúng trong hầu hết các trường hợp, nhưng bạn sẽ cần đọc các bài viết khác để hiểu tại sao. Bây giờ, bạn sẽ phải nghe lời tôi.

Động cơ điện một chiều là một thiết bị chuyển đổi năng lượng: nó lấy năng lượng điện và biến nó thành cơ năng. Khi hoạt động như một máy phát điện, nó làm ngược lại: chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng.

Trong mô hình động cơ rất đơn giản này, các thông số cơ học hoàn toàn bị bỏ qua. Về mặt điện, động cơ về cơ bản chứa một số cuộn cảm, chuyển động trong từ trường. Bản thân cuộn cảm tất nhiên có độ tự cảm và một số điện trở trong. Chuyển động của chúng trong trường sẽ tạo ra một điện áp - được gọi là điện áp máy phát và được ký hiệu là V g - xuyên qua các cuộn cảm. Từ mô tả này, có thể rút ra mô hình sau:

image_thumb47

Trên thực tế, trong nhiều trường hợp, điện trở trong của cuộn cảm có thể được bỏ qua và có thể sử dụng một mô hình đơn giản hơn nữa, cuộn cảm lý tưởng mắc nối tiếp với nguồn điện áp:

hình ảnh

Trong cả hai trường hợp, tất cả các phần tử mắc nối tiếp, do đó chúng chia sẻ cùng một dòng điện, nhưng điện áp trên chúng tất nhiên là khác nhau.

Điện áp của máy phát (V g ) chỉ phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của cuộn cảm trong trường, hay nói cách khác là tốc độ quay của động cơ.

Lực (hoặc mô-men xoắn trong hệ thống quay, như động cơ điện một chiều) mà các nam châm điện - cuộn cảm - tác dụng tỷ lệ với dòng điện chạy qua chúng.

Chế độ lái xe

Trước đây chúng tôi chỉ xem xét hoạt động tĩnh, khi không có gì thay đổi. Nếu dự định hoạt động dưới tốc độ tối đa, các công tắc sẽ được điều khiển theo kiểu PWM. Một tín hiệu PWM có hai giai đoạn, các 'trên thời gian' và 'off-time' như tôi gọi họ trong biểu đồ dưới đây:

hình ảnh

Đó là một tín hiệu tuần hoàn, với tần số không đổi. Nội dung thông tin - được sử dụng để thay đổi các thông số vận hành của cầu - là tỷ lệ giữa thời gian đúng giờ và thời gian không hoạt động. Các chế độ truyền động khác nhau khác nhau về cách thiết lập các công tắc trong thời gian đúng giờ và thời gian tắt.

Nếu chúng ta muốn động cơ làm bất cứ điều gì thú vị, chúng ta sẽ phải kết nối nó với nguồn điện ở ít nhất một trong các pha. Hãy nói rằng đó là 'đúng giờ'. Chúng ta có hai lựa chọn: hoặc bật Q1 và Q4 hoặc bật Q2 và Q3.

Nhưng những gì về thời gian nghỉ? Chúng tôi có chín tiểu bang để lựa chọn. Đó là:

Q1 Quý 2 Q3 Q4
đóng mở mở mở
đóng mở mở đóng
đóng mở đóng mở
mở đóng mở mở
mở đóng mở đóng
mở đóng đóng mở
mở mở mở mở
mở mở mở đóng
mở mở đóng mở

Nếu bạn nhìn lại mô hình động cơ của chúng tôi, bạn sẽ thấy rằng về cơ bản nó là một tải cảm ứng. Cuộn cảm có đặc tính là bạn không thể thay đổi dòng điện chạy qua chúng ngay lập tức. Vì vậy, bất cứ khi nào cây cầu thay đổi trạng thái với dòng động cơ khác không, trạng thái mới phải đảm bảo rằng dòng điện có thể tiếp tục chạy theo một cách nào đó. Các điốt bắt thường không được sử dụng cho mục đích này, vì (như bạn sẽ thấy sau) chúng sẽ nóng lên quá nhiều. Tất nhiên có những ngoại lệ, nhưng đó chỉ là: ngoại lệ.

Bây giờ, trong thời gian đúng giờ, cuộn cảm động cơ được kết nối giữa nguồn điện và GND. Do đó, dòng điện sẽ bắt đầu tăng qua cuộn cảm. Rất khó xảy ra trường hợp hết thời gian và chúng tôi đã sẵn sàng chuyển cây cầu sang trạng thái không có thời gian của nó, hiện tại sẽ là 0. Vì vậy, tốt nhất hãy chọn trạng thái cho thời gian không hoạt động. chúng ta có thể cung cấp một đường dẫn cho dòng điện dẫn chạy qua. Để làm điều đó, chúng tôi sẽ phải đóng một công tắc ở cả hai bên của động cơ và điều đó sẽ loại bỏ các trạng thái thời gian có thể có của chúng tôi khá nhiều:

Q1 Quý 2 Q3 Q4
đóng mở mở đóng
đóng mở đóng mở
mở đóng mở đóng
mở đóng đóng mở

Nếu chúng ta kết hợp bốn lựa chọn đó với hai trạng thái đúng giờ có thể có, chúng ta sẽ có được tám cấu hình khả thi. Tuy nhiên, trong hai trong số chúng, cả trạng thái đúng giờ và không đúng giờ đều giống nhau, và những điều đó không thú vị lắm: cây cầu hoạt động theo cách tĩnh. Điều đó để lại cho chúng ta sáu ánh xạ có ý nghĩa mà tôi sẽ tóm tắt bên dưới:

Lập bản đồ 1 Q1 Quý 2 Q3 Q4
trạng thái đúng giờ đóng mở mở đóng
trạng thái ngoài thời gian đóng mở đóng mở
Lập bản đồ 2 Q1 Quý 2 Q3 Q4
trạng thái đúng giờ đóng mở mở đóng
trạng thái ngoài thời gian mở đóng mở đóng
Lập bản đồ 3 Q1 Quý 2 Q3 Q4
trạng thái đúng giờ đóng mở mở đóng
trạng thái ngoài thời gian mở đóng đóng mở
Lập bản đồ 4 Q1 Quý 2 Q3 Q4
trạng thái đúng giờ mở đóng đóng mở
trạng thái ngoài thời gian đóng mở mở đóng
Lập bản đồ 5 Q1 Quý 2 Q3 Q4
trạng thái đúng giờ mở đóng đóng mở
trạng thái ngoài thời gian đóng mở đóng mở
Lập bản đồ 6 Q1 Quý 2 Q3 Q4
trạng thái đúng giờ mở đóng đóng mở
trạng thái ngoài thời gian mở đóng mở đóng

Bạn có thể tìm thấy một số đối xứng thú vị trong các bảng.

Ví dụ ánh xạ 3 và 4 thay đổi cả hai bên. Tuy nhiên, nếu chúng ta hoán đổi bên A và bên B trong ánh xạ 3, chúng ta nhận được ánh xạ 4 và ngược lại. Chúng tôi gọi các ánh xạ này là ' ổ khóa chống pha '.

Bốn ánh xạ còn lại (1, 2, 5 và 6) chỉ thay đổi trạng thái của một mặt cầu. Tuy nhiên, ánh xạ 1 và 5 là phản chiếu của nhau theo cách giống như 3 và 4: bằng cách hoán đổi cạnh A và cạnh B, chúng ta có thể biến đổi một thành một khác. Điều tương tự cũng đúng với ánh xạ 2 và 6. Chúng tôi gọi kiểu hoạt động này là 'biến tần theo pha '.

Trong các phần sau của bài viết, tôi sẽ nói chi tiết về cả hai chế độ truyền động.

Việc phân loại đơn giản các chế độ truyền động này hoạt động cho hầu hết các trường hợp nhưng không phải cho tất cả. Có một số chế độ truyền động bí truyền hơn có thể có lợi trong một số trường hợp hiếm hoi.

Bắt điốt

Nếu bạn nhìn qua các ánh xạ ở trên, bạn sẽ thấy rằng cả đúng giờ và không đúng thời gian, một yếu tố chuyển đổi nằm ở mỗi bên của cây cầu. Chúng tôi đã làm điều đó để cung cấp một đường dẫn liên tục cho dòng động cơ chạy. Nhưng nếu đó là sự thật, mục đích của những điốt này là gì? Chúng ta có thể bỏ chúng ra ngoài không? Câu trả lời vang dội là không, và lý do là như sau: trong bất kỳ mạch điện thực nào không thể bật hoặc tắt công tắc bên cao và bên thấp chính xác cùng một lúc. Họ đến sớm hoặc muộn một chút. Trong một trường hợp, cả công tắc bên cao và bên thấp sẽ bật trong một thời gian ngắn, trong trường hợp còn lại, cả hai sẽ tắt trong giây lát.

Nếu cả hai đều bật, bạn đã tạo ra một điều kiện bắn qua rất xấu. Chúng tôi muốn tránh làm chập nguồn cung cấp - dù chỉ trong giây lát - bằng mọi cách. Vì vậy, tất cả các thiết kế cầu thực tế đều có xu hướng khác, đảm bảo rằng hai công tắc không bao giờ được bật cùng một lúc, nhưng kết quả là cả hai sẽ tắt trong một thời gian ngắn trong khi chuyển đổi.

Bây giờ, khi cả hai công tắc đều tắt ở một bên, dòng điện của động cơ sẽ không thể chạy qua. Điều đó xấu theo một cách khác: điện áp động cơ sẽ tăng cao đến mức cần thiết để tạo ra một đường dẫn cho dòng điện chạy qua. Bước nhảy điện áp đó có thể sẽ giết một trong các công tắc và đường dẫn dòng điện được tạo ra qua công tắc bị hỏng. Đó không phải là một cách tốt đẹp để đi qua cây cầu, vì vậy một số biện pháp bảo vệ là cần thiết. Vai trò của điốt bắt là cung cấp đường dẫn cho dòng điện trong những khoảng thời gian chuyển mạch ngắn này mà điện áp động cơ không cần tăng quá cao. Trong một số triển khai, các điốt bên trong của bộ chuyển mạch MOSFET được sử dụng làm điốt bắt, trong một số cách khác, ví dụ khi BJT được sử dụng làm phần tử chuyển mạch, các điốt phải được cung cấp bên ngoài.

Điều khác cần thảo luận là tại sao không sử dụng điốt để dẫn dòng thời gian tắt? Câu hỏi chính xác định câu trả lời là tản nhiệt. Cái nào chạy mát hơn: diode hay công tắc?

Trong hầu hết các thiết lập cầu, dòng điện thay đổi tương đối ít trong thời gian bật và tắt so với dòng điện trung bình chạy qua động cơ, vì vậy trong phần thảo luận sau, tôi sẽ giả sử dòng điện là không đổi.

Sự khác biệt giữa diode và công tắc (độc lập với công nghệ chuyển mạch) là trong khi các phần tử chuyển mạch của bạn (khi chúng đóng) có điện trở tương đối ổn định và thấp, thì một diode dẫn điện có điện áp giảm tương đối ổn định trên đó. Điều này có nghĩa là công suất tiêu tán trên công tắc tỷ lệ với bình phương của dòng điện:

Công tắc P = Công tắc V * Công tắc I = R * Công tắc I 2

trong khi công suất trên diode cân bằng tuyến tính:

diode = V f * I (trong đó V f là điện áp rơi về phía trước của diode)

Từ đó bạn thấy rằng chừng nào hiện nay là thấp hơn so với V f / R chuyển đổi , bạn nên sử dụng chuyển sang tiến hành off-thời gian hiện tại. Đối với hầu hết các điốt, V f nằm trong khoảng từ 0,2 đến 1V, trong khi công tắc R thường thấp hơn 1Ω, thường thấp hơn 100mΩ. Việc hạ thấp công tắc R cũng dễ dàng hơn nhiều so với V f nếu bạn gặp rắc rối với việc tản nhiệt, chưa kể V f thường cao hơn một chút với dòng điện. Bạn có thể tìm thấy các MOSFET có điện trở thấp hơn 10mΩ mà không gặp quá nhiều khó khăn. Ngay cả cầu H tích hợp chứa các FET có điện trở nhỏ hơn 25mΩ hiện nay. Nếu chúng ta lấy chiếc cầu đó làm ví dụ, thì diode bên trong của nó có điện áp giảm 0,8V và điện trở trên 23mΩ (đây là những giá trị điển hình). Với những con số đó, bạn sẽ thấy rằng điểm giao nhau ở 35A, vượt quá giới hạn dòng điện 30A được đánh giá cho phần đó. Điều này là điển hình ngoại trừ các ứng dụng có dòng điện cực cao: bạn vận hành cây cầu dưới điểm giao nhau, nơi có lợi hơn khi sử dụng các công tắc để dẫn dòng thời gian tắt.

Tóm lược

Trong bài viết này, chúng tôi đã đi qua cấu tạo cơ bản của mach cau h và tạo một danh mục các chế độ hoạt động hữu ích. Chúng tôi đã xác định được hai loại chính: ổ theo độ lớn pha và ổ khóa chống pha. Trong các phần sau của loạt bài này, tôi sẽ xem xét chi tiết cả hai chế độ lái đó.

Chúng tôi cũng đã thảo luận ngắn gọn về vai trò của các điốt bắt, tại sao chúng lại cần thiết và tại sao chúng không được sử dụng để dẫn dòng điện quá mức cần thiết.

Nếu bạn cảm thấy cuộc thảo luận ở đây ở mức độ khá cao và có thể là sơ cấp, đừng lo lắng, có rất nhiều chi tiết sẽ được trình bày.