H-Brücke – Wikipedia

Ein H-Brücke ist eine elektronische Schaltung, die die Polarität einer an eine Last angelegten Spannung umschaltet. Diese Schaltungen werden häufig in der Robotik und anderen Anwendungen verwendet, damit Gleichstrommotoren vorwärts oder rückwärts laufen können.^[1]

Die meisten DC / AC-Wandler (Wechselrichter), die meisten AC / AC-Wandler, der DC / DC-Gegentaktwandler, die meisten Motorsteuerungen und viele andere Arten von Leistungselektronik verwenden H-Brücken. Insbesondere wird ein bipolarer Schrittmotor fast immer von einer Motorsteuerung angetrieben, die zwei H-Brücken enthält.

Allgemeines[edit]

Struktur einer H-Brücke (rot hervorgehoben)

H-Brücken sind als integrierte Schaltkreise erhältlich oder können aus diskreten Komponenten aufgebaut werden.^[1]

Der Begriff H Brücke wird aus der typischen grafischen Darstellung einer solchen Schaltung abgeleitet. Eine H-Brücke besteht aus vier Schaltern (Festkörper oder mechanisch). Wenn die Schalter S1 und S4 (gemäß der ersten Abbildung) geschlossen sind (und S2 und S3 geöffnet sind), wird eine positive Spannung an den Motor angelegt. Durch Öffnen der Schalter S1 und S4 und Schließen der Schalter S2 und S3 wird diese Spannung umgekehrt, wodurch ein Rückwärtsbetrieb des Motors ermöglicht wird.

Unter Verwendung der obigen Nomenklatur sollten die Schalter S1 und S2 niemals gleichzeitig geschlossen werden, da dies einen Kurzschluss an der Eingangsspannungsquelle verursachen würde. Gleiches gilt für die Schalter S3 und S4. Dieser Zustand wird als Durchschießen bezeichnet.

Betrieb[edit]

Die zwei Grundzustände einer H-Brücke

Die H-Brückenanordnung wird im Allgemeinen verwendet, um die Polarität / Richtung des Motors umzukehren, kann aber auch verwendet werden, um den Motor zu “bremsen”, wenn der Motor plötzlich zum Stillstand kommt, wenn die Motorklemmen kurzgeschlossen sind, oder um den Motor zu lassen Motor ‘Freilauf’ bis zum Stillstand, da der Motor effektiv vom Stromkreis getrennt ist. Die folgende Tabelle fasst den Betrieb zusammen, wobei S1-S4 dem obigen Diagramm entspricht.

Konstruktion[edit]

L298 Dual-H-Brückenmotortreiber

Relais[edit]

Eine Möglichkeit, eine H-Brücke zu bauen, besteht darin, eine Reihe von Relais von einer Relaisplatine zu verwenden.^[2]

Ein “Double Pol Double Throw” -Relais (DPDT) kann im Allgemeinen die gleiche elektrische Funktionalität wie eine H-Brücke erreichen (unter Berücksichtigung der üblichen Funktion des Geräts). Eine Halbleiter-basierte H-Brücke wäre jedoch dem Relais vorzuziehen, wenn eine kleinere physikalische Größe, ein Hochgeschwindigkeitsschalten oder eine niedrige Ansteuerspannung (oder eine niedrige Ansteuerleistung) erforderlich sind oder wenn der Verschleiß mechanischer Teile unerwünscht ist.

Eine weitere Option ist ein DPDT-Relais zum Einstellen der Stromflussrichtung und ein Transistor zum Aktivieren des Stromflusses. Dies kann die Lebensdauer des Relais verlängern, da das Relais bei ausgeschaltetem Transistor geschaltet wird und dadurch kein Strom fließt. Es ermöglicht auch die Verwendung der PWM-Umschaltung zur Steuerung des aktuellen Pegels.

N- und P-Kanal-Halbleiter[edit]

Eine Festkörper-H-Brücke wird typischerweise unter Verwendung von Bauelementen mit entgegengesetzter Polarität wie PNP-Bipolartransistoren (BJT) oder P-Kanal-MOSFETs, die an den Hochspannungsbus angeschlossen sind, und NPN-BJTs oder N-Kanal-MOSFETs, die an den Niederspannungsbus angeschlossen sind, konstruiert.

N Halbleiter nur für Kanäle[edit]

Die effizientesten MOSFET-Designs verwenden N-Kanal-MOSFETs sowohl auf der hohen als auch auf der niedrigen Seite, da sie typischerweise ein Drittel des EIN-Widerstands von P-Kanal-MOSFETs aufweisen. Dies erfordert ein komplexeres Design, da die Gates der High-Side-MOSFETs in Bezug auf die DC-Versorgungsschiene positiv angesteuert werden müssen. Viele MOSFET-Gate-Treiber mit integrierter Schaltung enthalten eine Ladungspumpe in der Vorrichtung, um dies zu erreichen.

Alternativ kann ein DC / DC-Wandler mit Schaltnetzteil verwendet werden, um die Gate-Ansteuerschaltung isoliert (“schwebend”) zu versorgen. Ein Flyback-Wandler mit mehreren Ausgängen ist für diese Anwendung gut geeignet.

Ein weiteres Verfahren zum Ansteuern von MOSFET-Brücken ist die Verwendung eines speziellen Transformators, der als GDT (Gate-Ansteuertransformator) bekannt ist und die isolierten Ausgänge zum Ansteuern der oberen FETs-Gates liefert. Der Transformatorkern ist normalerweise ein Ferrit-Toroid mit einem Wicklungsverhältnis von 1: 1 oder 4: 9. Dieses Verfahren kann jedoch nur mit Hochfrequenzsignalen verwendet werden. Das Design des Transformators ist ebenfalls sehr wichtig, da die Streuinduktivität minimiert werden sollte, da sonst eine Querleitung auftreten kann. Die Ausgänge des Transformators werden normalerweise durch Zenerdioden geklemmt, da Hochspannungsspitzen die MOSFET-Gatter zerstören können.

Varianten[edit]

Eine übliche Variante dieser Schaltung verwendet nur die zwei Transistoren auf einer Seite der Last, ähnlich einem Verstärker der Klasse AB. Eine solche Konfiguration wird als “Halbbrücke” bezeichnet.^[3] Die Halbbrücke wird in einigen Schaltnetzteilen, die Synchrongleichrichter verwenden, und in Schaltverstärkern verwendet. Der Halb-H-Brückentyp wird üblicherweise mit “Halb-H” abgekürzt, um ihn von Voll- (“Voll-H”) H-Brücken zu unterscheiden. Eine weitere übliche Variante, bei der der Brücke ein drittes “Bein” hinzugefügt wird, erzeugt einen dreiphasigen Wechselrichter. Der dreiphasige Wechselrichter ist der Kern eines jeden Wechselstrommotorantriebs.

Eine weitere Variante ist die halbgesteuerte Brücke, bei der die Low-Side-Schaltvorrichtung auf einer Seite der Brücke und die High-Side-Schaltvorrichtung auf der gegenüberliegenden Seite der Brücke jeweils durch Dioden ersetzt sind. Dies eliminiert den Durchschussfehlermodus und wird üblicherweise verwendet, um Maschinen und Aktuatoren mit variabler oder geschalteter Reluktanz anzutreiben, bei denen kein bidirektionaler Stromfluss erforderlich ist.

Kommerzielle Verfügbarkeit[edit]

Es gibt viele im Handel erhältliche kostengünstige Einzel- und Doppel-H-Brücken-Pakete, von denen die L293x-Serie die gängigsten umfasst. Nur wenige Pakete wie L9110,^[4] haben eingebaute Flyback-Dioden für den EMF-Schutz.

Betrieb als Wechselrichter[edit]

Eine übliche Verwendung der H-Brücke ist ein Wechselrichter. Die Anordnung wird manchmal als einphasiger Brückenwechselrichter bezeichnet.

Die H-Brücke mit einer Gleichstromversorgung erzeugt eine Rechteckwellenspannungswellenform über der Last. Bei einer rein induktiven Last wäre die Stromwellenform eine Dreieckswelle, deren Spitze von der Induktivität, der Schaltfrequenz und der Eingangsspannung abhängt.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]

Projekte[edit]