In diesem Video werden wir lernen, wie man eine Last mit wechselnder Polarität und variabler elektrischer Leistung ansteuern kann. Die dabei verwendete Grundschaltung bezeichnet man als H-Brücke. Im einfachsten Fall besteht diese, wie hier zu sehen, aus vier Widerständen.
Hervorgerufen durch die Brücke, also die leitende Verbindung zwischen den beiden Mittelpunkten, ist der Spannungsabfall an den beiden unteren Widerständen gleich. Ebenso verhält es sich an den beiden oberen Widerständen, unabhängig von den Widerstandswerten der vier Bauteile. Ohne den Brückenzweig hängt die Spannung an den beiden Mittelpunkten von dem Widerstandsverhältnis der verwendeten Bauteile ab. Ist R1 geteilt durch R2 gleich R3 geteilt durch R4, so beträgt das Potential zwischen den Mittelpunkten auch ohne die Brücke 0V. Aufgrund von Toleranzen in den Widerstandswerten ist hier eine kleine Differenz von 27mV messbar.
Im Video zu Spannungsteilern wurde eine aus zwei Potentiometern aufgebaute H-Brücke gezeigt, mit deren Hilfe eine beliebige Spannung zwischen der positiven und negativen Versorgungsspannung an die Last zwischen den beiden Potentiometern gelegt werden kann. Während mit Hilfe von Potentiometern die Spannung niedriger Lasten manuell eingestellt werden kann, sind Transistoren hervorragend geeignet, um auch hohe Lasten durch nahezu jeden elektronischen Schaltkreis zu regeln. Diese H-Brücke besteht aus zwei NPN-und zwei PNP-Transistoren.
Der Widerstand der beiden unteren NPN-Transistoren sinkt, wenn das Potential zwischen Masse und X2 beziehungsweise X4 steigt. Hier wird an X4 eine steigende Spannung gelegt. Ab etwa 1V ist der Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors so klein, dass die parallel geschaltete LED erlicht.
Der Widerstand und somit die Spannung zwischen Emitter und Kollektor wird minimal, wenn das Potential an der Eingangsklemme der Versorgungsspannung des Schaltkreises entspricht. Die zu den Basisanschlüssen in Serie geschalteten Widerstände begrenzen den Basisstrom. Im Gegensatz dazu ist der Widerstand der PNP-Transistoren minimal, wenn die Spannung zwischen X1 beziehungsweise X3 und Masse 0V beträgt und dieser wird maximal, wenn das Potential an den Eingangsklemmen der Versorgungsspannung entspricht. Ab einer Spannung von etwa 4.3V beginnt die Diode zu leuchten, der Transistor ist ausgeschaltet.
Werden X1 und X2 mit der Masse... Beziehungsweise X3 und X4 mit der positiven Versorgungsspannung verbunden, so ist der Widerstand von Transistor 2 und 3 maximal, während der von Transistor 1 und 4 minimal wird. Als Ergebnis entspricht das Potential am Mittelpunkt des linken Zweigs 4.1V, während das am rechten Mittelpunkt 0.6V entspricht. In Summe ergibt sich eine Spannungsdifferenz von 3.5V, gemessen vom linken... Wird eine Last zwischen den beiden Mittelpunkten angeschlossen, so fließt ein Strom vom Pluspol über Transistor 1, vom linken zum rechten Mittelpunkt und schließlich über Transistor 4 zum Minuspol.
Die Situation ändert sich, sobald X1 und X2 mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden werden, während X3 und X4 mit dem Minuspol verbunden sind. Nun sind Transistor 1 und 4 ausgeschaltet, während Transistor 2 und 3 eingeschaltet sind, entsprechend befindet sich der Pluspol auf der rechten Seite der Last. Werden alle vier Eingangsklemmen mit dem Minuspol verbunden, so sind die oberen PNP-Transistoren eingeschaltet, während die unteren NPN-Transistoren ausgeschaltet sind.
Das Potential an beiden Klemmen der Last entspricht in etwa der positiven Versorgungsspannung, womit KMG-Tankklammer und KMG-Tankklammer in der Regel nicht verbunden sind. Kein Strom durch die Last fließt. Werden alle vier Eingangsklemmen mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden, so sind die oberen PNP-Transistoren ausgeschaltet, während die unteren NPN-Transistoren eingeschaltet sind.
Das Potential an den beiden Anschlussklemmen der Last beträgt nun nahezu 0V, womit auch in diesem Zustand kein Strom durch die Last fließt. Wird eine H-Brücke aus Bipolartransistoren aufgebaut... So muss der Basisstrom beachtet werden, der nötig ist, um den Transistor in die Sättigung zu bringen. Die Werte von R1 bis R4 hängen von der Versorgungsspannung ab.
Der Widerstandswert muss verdoppelt werden, wenn die Versorgungsspannung von 6 auf 12V steigt. Diese Anpassungen entfallen weitgehend, wenn N-Kanal beziehungsweise P-Kanal MOSFETs anstelle von NPN oder PNP-Typen verwendet werden. Lediglich 4 Pull-Up oder Pull-Down Widerstände werden benötigt und die Werte von R1 bis R4 sind weniger kritisch. Verwendet relativ hohe Werte, um zu verhindern, dass die maximale Verlustleistung erreicht wird.
Die minimale Eingangsspannung des Schaltkreises wird von der Suhr-Skate-Spannung bestimmt, die benötigt wird, um die MOSFETs... ...sicher einschalten zu können. Diese muss deutlich höher als die Schwellspannung sein.
Die hier anliegenden 3.3V sind nicht ausreichend, um die Transistoren einzuschalten. Bei 5V Eingangsspannung schalten die Transistoren zuverlässig ein......und bei 12V ist die Spannung an der Last ausreichend, um den Elektromotor zu drehen. Oft verfügt eine H-Brücke lediglich über zwei Eingangsklemmen, um die Zahl der benötigten Steuerimpulse zu reduzieren. Durch Pulldown-Widerstände werden die beiden Eingänge auf Masse gezogen, wodurch die unteren Transistoren aus-und die oberen eingeschaltet werden.
Wird der rechte Eingang mit dem Pluspol verbunden, so sind Transistor 1 und 4 eingeschaltet und der Pluspol befindet sich links der Last. Wird der linke Eingang mit dem Pluspol verbunden, so sind Transistor 2 und 3 eingeschaltet und der Pluspol befindet sich rechts der Last. Werden beide Eingänge mit dem Pluspol verbunden, so sind die unteren Transistoren eingeschaltet, wie zu Beginn fließt kein Strom durch die Last.
Nachteilig ist, dass mit diesem Schaltkreis nicht alle vier Transistoren gleichzeitig ausgeschaltet werden können. Die maximale Eingangsspannung sollte deutlich höher sein als die maximale. unterhalb der maximalen Source-Gate-Spannung liegen, da die Gate-Anschlüsse der Transistoren mit der Versorgungsspannung angesteuert werden, um diese einzuschalten. Bedenkt die Entstehung von Spannungsspitzen beim Schalten induktiver Lasten, es müssen also Sicherheitsreserven vorhanden sein.
Übersteigt die Eingangsspannung die maximale Source-Gate-Spannung der MOSFETs, so können vier Spannungsteile eingefügt werden, jeder bestehend aus einer 10er-Diode und einem konstanten Widerstand. Die Zener Spannung muss deutlich größer sein als die Schwellspannung, bei welcher der Transistor eingeschaltet wird. Jetzt begrenzt die maximale Source-Drain-Spannung, die üblicherweise deutlich höher als die maximale Source-Gate-Spannung ist, die Höhe der Eingangsspannung des Schaltkreises. Die Eingangsklemmen müssen immer entweder an die positive oder negative Versorgungsspannung angeschlossen werden.
Hier ist Der linke Eingang an den Pluspol angeschlossen, womit Transistor 1 vollständig ausgeschaltet und Transistor 2 vollständig eingeschaltet ist. Die Spannung am rechten Eingang beträgt 0V, womit Transistor 3 eingeschaltet und Transistor 4 ausgeschaltet ist. Die Spannung am rechten Eingang wird langsam erhöht. Ab etwa 1.8V ist die Schwellspannung am Gate von Transistor 4 erreicht und der Widerstand der Suess-Train-Strecke sinkt.
Zwischen Source und Gate von Transistor 3 liegen circa minus 10V an, womit dieser nach wie vor eingeschaltet ist. Der Strom durch den rechten Zweig der H-Brücke steigt deutlich. Die an Transistor 4 abfallende elektrische Leistung steigt ebenfalls und das Bauteil erwärmt sich innerhalb kurzer Zeit sehr stark.
Würde die Spannung am rechten Eingang bei 2V gehalten, würde die H-Brücke innerhalb weniger Sekunden zerstört. Wird die halbe Versorgungsspannung an den rechten Eingang gelegt, so steigt der Strom durch den Brückenzweig kurzfristig auf fast 5A, bevor die Spannungsversorgung automatisch abschaltet. Bei jedem Schaltvorgang einer H-Brücke, also immer dann, wenn die Spannung an einer der Eingangsklemmen von der positiven Versorgungsspannung auf 0 oder umgekehrt wechselt, fließt für kurze Zeit ein hoher Strom durch den betreffenden Zweig des Schaltkreises. Diese überlappende Einschaltzeit bei der Transistoren eines Zweigs bezeichnet man im Englischen als Cross-Conduction oder Shoot-Through. Werden H-Brücken wie in diesem Video von Hand geschaltet, so besteht immer die Gefahr, dass die Schaltvorgänge zu langsam ablaufen oder aufgrund von sogenannten Prellen mehrfach kurz hintereinander geschaltet wird.
Beide Effekte führen dazu, dass eine H-Brücke durch die auftretenden Querströme zerstört wird. Im Verlauf der Dreharbeiten habe ich mehrere Transistoren versehentlich geröstet. Dabei werden die Transistoren eines Zweigs meist paarweise zerstört. Die Eingänge einer H-Brücke sollten zur Sicherheit immer an einen Eingangsstromkreis angeschlossen sein, bevor die Versorgungsspannung eingeschaltet wird.
Die Flanken der Schaltpulse sollten außerdem möglichst steil verlaufen. Durch ein lineares RC-Glied kann die Einschaltprozedur der Transistoren verzögert werden, wodurch ein Shoot-Through verhindert wird. Sobald die Spannung an X1 von der positiven Versorgungsspannung auf 0V fällt, wird C1 langsam über R1 geladen, wodurch sich die Einschaltprozedur von Transistor 1 verzögert. Im Gegensatz wird Kondensator 2 über Diode 2, die in Vorwärtsrichtung gepolt ist, sehr schnell entladen...
...womit Transistor 2 fast verzögerungsfrei ausgeschaltet wird. Da MOSFETs konstruktionsbedingt eine geringe Kapazität im Gate-Bereich besitzen, kann der externe Kondensator unter Umständen entfallen. Bei R5 und R6 handelt es sich um Pull-Down-Widerstände.
Der Highside-MOSFET wird an der steigenden Flanke des Eingangssignals schlagartig ausgeschaltet, was an der gelben Kurve zu sehen ist. ...da der Entladestrom von Kondensator 1 durch die in Vorwärtsrichtung gepolte Diode 1 fließt. Die Einschaltprozedur des Low Side MOSFET ist verzögert, da der Ladestrom von Kondensator 2 durch den Widerstand Nr. 2 fließt.
An der fallenden Flanke des Eingangssignals ist die Ausschaltprozedur des Low Side MOSFET zu sehen an der grünen Kurve, schneller als die Einschaltprozedur des High Side MOSFET, da nun Diode 2 in Vorwärtsrichtung gepolt ist. In der Zeitlupe ist zu erkennen, dass kurzfristig beide Transistoren gleichzeitig ausgeschaltet sind. Durch die Schaltung werden überlappende Einschaltzeiten verhindert, aber auch die maximale Schaltgeschwindigkeit wird herabgesetzt. Soll die H-Brücke durch ein schnelles Pulsweitensignal angesteuert werden, um die Last mit nur einem Teil der Gesamtleistung zu versorgen, so hilft eine Erweiterung, um ein ständiges Shoot-Through zu verhindern. Die P-Kanal-Mosfets werden nach wie vor direkt von dem Signal an X1 beziehungsweise X2 angesteuert, während die N-Kanal-Mosfets durch das Signal an X1 beziehungsweise X2 und dem Pulsweitensignal kontrolliert werden.
Wird X1 mit dem Pluspol verbunden, so wird Transistor 1 ausgeschaltet. Transistor 2 wird erst dann eingeschaltet, wenn auch das Pulsweitensignal auf HIGH gelegt wird. Ist eine der beiden Klemmen auf Masse, so wird Transistor 2 ausgeschaltet, da entweder Diode 1 oder Diode 2 oder beide in Vorwärtsrichtung gepolt sind, womit der Gate Pin von Transistor 2 ebenfalls auf Masse gezogen wird. Liegt andererseits X1 auf Masse, so ist Transistor 1 dauerhaft eingeschaltet, während Transistor 2 dauerhaft ausgeschaltet ist, auch wenn das Pulsweitensignal auf Highlevel liegt.
...da das Potential am Gate von Transistor 2 über Diode 1 ständig auf Masse gezogen wird. Das gilt ebenso für X2 und das Pulsweitensignal. Mit X1 und X2 wird die Polarität an der Last geschaltet, während die zugeführte Leistung durch das Pulsweitensignal an der dritten Anschlussklemme bestimmt wird. Die Dioden bilden ein Und-Gatter.
Wird die Polarität verändert... ...fließt immer dann ein hoher Strom durch die Zweige der H-Brücke, wenn gleichzeitig das Pulsweitensignal auf High-Pegel liegt. Es sollte also sichergestellt sein, dass das Pulsweitensignal auf Masse liegt, bevor die Polarität geändert wird.
Hier wird die Last per Pulsweitensignal angesteuert. Ist das Pulsweitensignal permanent auf Low, womit die beiden unteren Transistoren ausgeschaltet werden... ...so erlischt auch die LED an Transistor 3, der ebenfalls ausgeschaltet ist, da es zu einem Potentialausgleich durch die angeschlossene Last kommt.
Es fließt kein nennenswerter Strom durch die Last. Wird ein Pulsweitensignal auf den Eingang gelegt, so beginnt sich der Motor zu drehen und LED Nummer 3 leuchtet wie erwartet. Wird die Eingangsspannung an X1 und X2 vertauscht, so dreht sich der Motor entgegen dem Uhrzeigersinn.
Wird eine H-Brücke mit einer Eingangsspannung von 12V betrieben, so muss der High-Pegel an den Eingangsklemmen ebenfalls 12V betragen. Computer stellen zum Beispiel eine Ausgangsspannung von nur 5 oder 3.3V bereit. Die Lösung des Problems besteht darin, drei Verstärker-Schaltkreise einzufügen. Jetzt können die Transistoren bereits mit einer Spannung von 3.3V zuverlässig geschaltet werden.
Bedenkt, dass der Spannungspegel durch die Verstärkerschaltungen invertiert wird. Ein High-Pegel an der Eingangsklemme des Pulsweitensignals wird zu einem Low-Pegel an Diode 2 und 4, womit ein Low-Pegel am Pulsweitensignal erforderlich ist, um die Last zwischen den Mittelpunkten der H-Brücke mit elektrischer Leistung zu versorgen. Umgekehrt ist jetzt ein High-Pegel am Pulsweitensignal erforderlich, um ein Shoot-Through beim Wechsel der Polarität der H-Brücke zu verhindern. Wird der Pull-Down-Widerstand an X2 entfernt und dieser Eingang mit dem Drainpin von Transistor 5, dem MOSFET der Verstärkerstufe von X1 verbunden, so genügen zwei Eingänge, um die H-Brücke ansteuern zu können.
X1 steuert die Polarität der H-Brücke, der Pluspol ist auf der linken Seite der Last... ...wenn ein High-Pegel an X1 anliegt und der Pluspol ist auf der rechten Seite, wenn an X1 ein Low-Pegel liegt. Der zweite Eingang ist für das Puls-Zweitensignal, das die an die Last abgegebene elektrische Leistung regelt. Wie im Video zur Puls-Zweiten-Modulation erwähnt, kann eine Freilaufdiode verwendet werden, um Spannungsspitzen beim Schalten induktiver Lasten zu verhindern. Diese Diode muss parallel zur Last...
...jedoch in Sperrrichtung geschaltet werden. Wird eine H-Brücke verwendet, um eine Last zu schalten, so kann die Polarität variiert werden, womit die Diode in Vorwärtsrichtung gepolt wird. Um das zu verhindern, müssen 4 Dioden in den Schaltkreis eingefügt werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Befindet sich der Pluspol der induzierten Spannung auf der linken Seite der Last, so wird die Spannungsspitze durch einen Stromfluss durch die Dioden 1 und 4 unterdrückt. Befindet sich der Pluspol hingegen auf der rechten und somit der Minuspol auf der linken Seite der Last, so fließt der Strom durch die Dioden 2 und 3. Wird ein Elektromotor durch eine H-Brücke angesteuert, so muss ein weiterer Effekt der Freilaufdioden beachtet werden.
Verursacht durch die Massenträgheit wird der Motor keinesfalls sofort anhalten, sobald diesem keine elektrische Energie mehr zugeführt wird. Der Motor dreht sich weiter und arbeitet als Generator. Die Polarität der dabei generierten Spannung ist identisch zu jener der zuvor zugeführten elektrischen Leistung.
Der Strom, der jetzt durch die Freilaufdioden und die Wicklung des Motors fließt, verlangsamt jetzt den Motor, bedenkt, dass mechanische in elektrische Energie verwandelt wird. Der bremsende Effekt ist minimal, da nur direkt nach der Abschaltung die Spannung ausreichend hoch ist, um einen messbaren Stromfluss durch die Freilaufdioden zu generieren. Ein Teil der generierten elektrischen Leistung wird von den Freilaufdioden und den Wicklungen des Motors in Wärme umgewandelt, der Rest wird an die Spannungsversorgung zurückgegeben. Ein deutlich komplexerer Schaltkreis ist erforderlich, um die derart generierte Energie zuverlässig in den Akku eines Fahrzeugs einzuspeisen, was man als rekuperatives Bremsen bezeichnet. Auch ohne Freilaufdioden kann der Prozess des elektromotorischen Bremsens durch die H-Brücke gesteuert werden.
Sind alle vier Transistoren ausgeschaltet, so fließt kein Strom durch die Windungen des Motors, folglich dreht sich der Motor frei, ohne durch elektromotorisches Bremsen verlangsamt zu werden. Der Motor bremst rein mechanisch durch Reibung. Um die elektromotorische Bremse zu aktivieren, müssen die beiden oberen MOSFETs eingeschaltet werden. Jetzt besteht eine leitfähige Verbindung zwischen den Anschlussklemmen des Motors und dieser wird aktiv gebremst. ...während elektrische Energie generiert wird.
Die Energie wird von den Transistoren und den Drahtwicklungen des Motors in Wärme verwandelt, weshalb diese Art der elektromotorischen Bremse als Widerstandsbremse bezeichnet wird. Die Bremse kann auch durch gleichzeitiges Einschalten der unteren Transistoren aktiviert werden. Die Majoritätsladungsträger von P-Kanal-Mosfets sind Elektronenfehlstellen, deren Beweglichkeit kleiner ist als die von Elektronen, den Majoritätsladungsträgern in N-Kanal-Mosfets. Als Folge dessen ist der minimale Widerstand von P-Kanal-Mosfets bei ansonsten gleichen Abmessungen höher als der von N-Kanal-Mosfets.
Um die Verlustleistung einer H-Brücke zu minimieren, ...können 4 N-Kanal-Mosfets anstelle von zwei Low-Side-N-Kanal-und zwei High-Side-P-Kanal-Typen verwendet werden. Der Schaltkreis ist an eine Versorgungsspannung von plus 5V angeschlossen. X3 ist mit Masse verbunden, womit Transistor 3 ausgeschaltet ist. X4 ist an plus 5V angeschlossen, womit Transistor 4 eingeschaltet ist.
Das Potential am rechten Mittelpunkt beträgt 0V. Die Situation an der linken Halbbrücke ist kniffliger. X2 ist mit der Masse verbunden, also ist Transistor 2 ausgeschaltet. X1 ist mit plus 5V verbunden, aber wie am Glimmen der LED zu erkennen ist, wird Transistor 1 nicht voll eingeschaltet.
Wäre Transistor 1 voll eingeschaltet, so würde das Potential am Mittelpunkt der linken Halbbrücke etwa plus 5V betragen. Damit ergebe sich als Potentialdifferenz zwischen Source und Gate von Transistor 1 eine Spannung von nahezu 0V, womit dieser ausgeschaltet würde. Sind Transistor 1 und 2 ausgeschaltet, so ergebe sich für das Potential am linken Mittelpunkt eine Spannung von etwa plus 2.5V, was eine Spannung von plus 2.5V zwischen Source und Gate von Transistor 1 bewirken würde, was ausreicht, um diesen vollständig einzuschalten. Die Wahrheit liegt zwischen diesen beiden Extremwerten.
Wie zu sehen, kann eine Spannung von etwa 3.2V am Mittelpunkt gemessen werden. ...womit etwa 1.8V zwischen Source und Gate liegen, was in etwa der Schwellspannung des verwendeten MOSFETs entspricht, womit Transistor 1 teilweise eingeschaltet wird. Um Transistor 1 voll einschalten zu können, muss ein Potential oberhalb von plus 7V, also 5V plus 2V Schwellspannung, an das Gate der Highside MOSFETs gelegt werden, womit eine zweite Spannungsquelle benötigt wird.
Werden wie hier 12V verwendet... ...können die oberen MOSFETs zuverlässig eingeschaltet werden. Der die MOSFETs steuernde Schaltkreis wird komplexer als der einer H-Brücke bestehend aus P-Kanal-MOSFETs an der oberen Seite.
Es gibt selbstverständlich fertige H-Brücken in Form integrierter Schaltungen zu kaufen. Der hier zu sehende L298N enthält zwei Vollbrücken und besitzt darüber hinaus Schutzschaltungen gegen zu hohe Ströme oder zu hohe Temperaturen. Mit zwei H-Brücken, also einem einzelnen Baustein, kann ein bipolarer Schrittmotor angesteuert werden. Die Schaltpulse werden hier von einem Mikrocontroller errechnet.
Soweit mein Video zu H-Brücken. Mehr zum Thema gibt's auf der Projektseite. Dange für's Angugge un bis bald!