H桥电路设计

通过凯尔猎人 2年前
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h桥电路基础知识

什么是H桥电路?

用最简单的术语来说,一个h桥电路可以改变附加负载的极性。h桥最常见的用途是驱动直流电机,实现方向控制。有各种各样的h桥设计,一些使用了由mosfet组成的分立元件,而其他的设计使用专用集成芯片(IC) h桥。

它是如何工作的?

高电平h桥电路

图1:驱动直流电动机的h桥电路(红色)简化图。图片:Cyril BUTTAY [CC BY-SA 3.0],来自维基共享

图1示出了H桥电路控制DC电动机的基本高级视图。当S1和S4闭合时,电机被通电并在一个方向上旋转。如果S3和S2闭合时,马达改变方向并且现在在相反方向上旋转。如果所有的开关打开,或者只有一个开关闭合,电动机将没有权力,并将“海岸”。如果S1和S3都被关闭,或S2和S4闭合时,马达被供电以抵抗运动和意愿制动如果当前spinning.Care必须始终注意确保一个“直通”状态不会发生。当S1和S2闭合,或S3和S4是闭合的发生这种情况。一个直接的短路的效果,并能破坏电路的其余部分,造成魔法白烟出现。许多H桥电路具有保护功能,防止了“直通”的情况发生,但它仍然是最好的,以确保它不会出现编程。

分立元件与集成芯片(IC)

分立元件

构造h桥的传统方法是使用离散元件,典型的mosfet作为四个开关,如图2所示。这使得在选择电路参数时具有很大的灵活性。此外,它们可能比专用的h桥芯片便宜(当您添加一些集成电路的特性时,就不再是这种情况了!)值得注意的是,图2只显示了一个离散元件h桥电路的基本轮廓。它将需要额外的电路,以允许正确和安全的操作。

H桥电路与分立MOSFET

图2:使用离散mosfet的h桥电路的基本布局。

集成芯片(IC)

我今天要展示的电路是基于一个集成电路h桥,特别是东芝TC78H620。在我看来,对于大多数用例来说,最好是使用可用的集成电路。在设计h桥电路时尤其如此。现代IC所包含的功能的数量,以及减少的设计时间和部件数量使IC的使用相当有吸引力。例如,TC78H620包含过电流检测、热监测/关机和欠压锁定。它们的数量为2000个部件,每个大约0.60美元。一些集成电路将包含电路,以帮助保护电感负载,但TC78没有。

实现h桥驱动器

此视频的主要议题是讨论中的示意性和印刷电路板(PCB)布局H桥集成电路的实施。使用的软件是KiCad的5.0。一个的使用集成H桥的主要优点是在外部电路的简单化的性质。除了占回扫尖峰由于直流电机的感应特性,有少量的外部部件。

感应回扫保护

反激式二极管基础知识

在驱动直流电动机时,最重要的一点是了解它作为感应负载的作用。一旦动力被提供给马达,它就在磁场中储存能量。一旦马达达到速度,所储存的能量就达到最大值。当电源被切断时,磁场就崩溃了。然后这个磁场试图保持电流流动的量恒定。唯一能做到这一点的方法是增加电机两端的施加电压。这个电压可以是电路中使用的供电电压的许多倍。如果没有安全的方法在电路中耗散这些电压,这些电压会破坏电路。感应电压总是与外加电压的极性相反。

处理这种尖峰电压最常见的方法是使用“反激二极管”。这些恰当命名的二极管通常只是标准二极管,额定电压是所提供电压的许多倍。这些是用来创建一个路径,以感应电压尖峰去。

图3:用回扫二极管的单向马达的实施例

图3示出了与不改变极性的电源的回扫二极管的一个简单的例子。当开关关闭时,马达旋转。二极管变为反向偏置,并且电流流过它。当开关打开时,感应电压反转方向并且可以通过现在正向偏置二极管流动,如图4。

图4:通过回扫二极管感应流动的路径

H桥电路的回扫二极管实现

不幸的是,使用H桥电路时,一个单一的回扫二极管是不够的。由于有多个电流路径,必须有四个二极管,以提供感应电压的路径如示于图5,无论电机或感应电压的方向,它总是有一个安全的途径去通过电力轨。

图5:TC78H620 H桥电路与续流二极管

将一切结合在一起

现在,我们已经处理了感性负载问题,电路的其余部分是相当简单的。对于该电路,它的目的是为一个独立的板,使用一个外部微控制器,例如一个Arduino或树莓PI。图6示出已完成的电路中,使用全局标签大部分网从一个组件到另一个连接。有一个小的去耦电容,C1,将被放置在靠近H桥在PCB上。还有一个(选配)大电解电容,C2,可以帮助存储能量供应到电机。该电容也可以帮助驱散一些反激电压通过二极管通行证。

图5:已完成的H桥电路用回扫保护

结论

因为这很简单电路在这篇文章中,我将不讨论PCB布局,因为我的实现是在视频系列的第二部分:视频。这篇文章涵盖了什么H桥电路的基本知识,使他们能够实现的各种方式。为了电路这里创建的,我们使用一个集成的H桥,其允许更简单的设计,具有更少的外部部件所需要。由于IC选上了从感性负载没有保障,我们讨论了保护电路的正确方法。

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