Elektrische Antriebssteuerung über die H-Brücke

Was ist das und wie funktioniert es – die H-Brücke

Im vorherigen Artikel, den Sie here lesen können, habe ich geschrieben, dass die sogenannte „H-Brücke“ unser Lieblingsdesign ist, und ich habe versprochen zu erklären, warum ?

In diesem Artikel werde ich meine Drohungen verwirklichen ? Lesen Sie, was das ist, wie es funktioniert, wie es gebaut werden kann und wofür es verwendet werden kann – ich präsentiere Ihnen: „Die H-Brücke“

H-Brücke – wie sie gebaut wird

Ein sehr vereinfachtes Diagramm der H-Brücke ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Wie Sie sehen können, ist der Aufbau der Brücke sehr einfach: Es gibt vier Anschlüsse, einen in jedem Zweig der Brücke. Der Brückeneingang ist mit einer Gleichspannungsquelle (z. B. Batterie, Stromversorgung, Solarpaneel oder was auch immer) verbunden, und der Ausgang ist mit einer Last verbunden – in diesem Fall einem Gleichstrommotor (z. B. einem elektrischen Antrieb). Ich habe auch einen Großbuchstaben „H“ in das Diagramm eingefügt, damit Sie sofort sehen können, woher der Name des Systems stammt ?

Es dürfen nur die beiden „diagonalen“ Kontakte der Brücke (K1 und K4 oder K2 und K3) oder die Kontakte in den beiden oberen oder zwei unteren Zweigen der Brücke (K1 und K2 oder K3 und K4) gleichzeitig aktiviert werden.

Lassen Sie keine Situation zu, in der die Kontakte K1 und K3 oder K2 und K4 gleichzeitig aktiviert werden, da dies einen Kurzschluss in der Stromleitung verursacht und die Stromversorgung oder die Anschlüsse (oder beide) beschädigen kann.

H-Brücke – Funktionsprinzip

Einfach ausgedrückt spielt die H-Brücke die Rolle eines Schalters, mit dem Sie die Spannungspolarisation an ihrem Ausgang ändern können, um beispielsweise den Gleichstrommotor „rechts / links“ zu steuern.

Ich werde Ihnen jetzt vier Situationen vorstellen:

1. Die Schalter K1 und K4 sind geschlossen (d. h. EIN). Die Schalter K2 und K3 sind offen (AUS). Die Situation ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die linke Motorklemme ist über den K1-Kontakt mit der Plus Stromversorgung verbunden, und die rechte Motorklemme über den K4-Kontakt ist mit der Minus Versorgung verbunden. Die Richtung und der Weg des Stromflusses vom Plus zum Motor werden durch den roten Pfeil und vom Motor zum Minus durch den blauen Pfeil angezeigt. In einer solchen Situation dreht sich der Motor in eine Richtung – nehmen wir an, dass er sich nach rechts dreht (wie durch den schwarzen Pfeil in der Abbildung angezeigt).

2. Geschlossene Schalter K2 und K3. Die Schalter K1 und K4 sind offen. Die Situation ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Diesmal ist es umgekehrt: Das rechte Ende des Motors über den K2-Kontakt ist mit dem Plus der Versorgung verbunden, und das linke Ende des Motors über den K3-Kontakt ist mit dem Minus der Versorgung verbunden. Wir können sehen, dass diesmal der Strom in der entgegengesetzten Richtung wie beim letzten Mal durch den Motor fließt. In diesem Fall dreht sich der Motor auch in die entgegengesetzte Richtung – üblicherweise gegen den Uhrzeigersinn gemäß dem schwarzen Pfeil in der Abbildung.

3. Geschlossene Schalter K1 und K2. K3- und K4-Schalter sind offen.

In dieser Situation passiert nichts :)

Der Motor dreht sich in keine Richtung, da beide Motorklemmen über die Kontakte K1 und K2 mit einem Punkt des gleichen Potenzials (positive Versorgungsspannung) verbunden sind, sodass die Spannung an diesen Klemmen Null ist.

4. Geschlossene Schalter K3 und K4. Die Schalter K1 und K2 sind offen.

Die Situation ist identisch mit der vorherigen, d. H. Der Motor funktioniert nicht.

Der einzige Unterschied besteht darin, dass beide Motorleistungsklemmen mit dem Minuspol der Stromversorgung verbunden sind. Trotzdem ist es ein Punkt mit dem gleichen Potenzial, sodass der Motor keine Spannung bekommt.

Ich möchte Sie nur daran erinnern, dass in der H-Brücke – wie in allen obigen Abbildungen gezeigt – die Anschlüsse K1 und K3 oder K2 und K4 oder alle nicht gleichzeitig eingeschaltet werden sollten. Dieser Zustand verursacht einen Kurzschluss zwischen dem Plus und dem Minus der Stromversorgung. Dies kann das Netzteil oder die Schalter (oder beide) beschädigen. Der Motor dreht sich dann definitiv nicht :)

H-Brücke – Steuerung eines elektrischen Antriebs in der Praxis

Die praktische Implementierung der H-Brücke kann auf viele Arten und unter Verwendung verschiedener Arten von Schaltern erfolgen – mechanisch und elektronisch (bipolare oder unipolare Transistoren – meistens MOSFET).

Natürlich können Sie vier manuelle Anschlüsse verwenden und ein Punkt-zu-Punkt System wie in den vorherigen Zeichnungen erstellen. ? Diese Lösung weist jedoch Nachteile auf. Zunächst müssen Sie daran denken, verbotene Schalterpaare (d. H. K1 und K3 sowie K2 und K4) nicht gleichzeitig einzuschalten um keinen Kurzschluss zwischen den Leistungspunkten zu verursachen. Um die Motordrehzahl zu ändern, müssen Sie zusätzlich (!!! in der richtigen Reihenfolge !!!) bis zu 4 Schalter betätigen! Die Verwendung kann kompliziert sein, und Sie werden definitiv zugeben, dass es zu leicht ist, einen Fehler zu machen ?

Daher zeige ich Ihnen nachfolgend die 4 einfachsten Möglichkeiten, eine solche Brücke in die Praxis umzusetzen, ohne Ihr Leben zu komplizieren. ? Wir überlassen uni- und bipolare Transistoren den Profis und untersuchen Möglichkeiten, die auch von Personen ohne Erfahrung implementiert werden können :)

1. Doppelkippschalter

Erstellen Sie ein Layout wie rechts gezeigt.

Das Netzteil wird „quer“ an die „Eck“ – Kontakteangeschlossen.

Der Ausgang sind die beiden mittleren Kontakte, an denensich die Spannungspolarität ändert. Ein solcher Schalter hat drei Positionen: Die beiden extremen versorgen den Ausgang in der Konfiguration „+/-“ oder „- / +“ mit Spannung, abhängig von der Position des „Hebels“. Die mittlere Position des „Hebels“ bedeutet keine Ausgangsspannung, sodass der Antrieb dann gestoppt wird.

Der Schalter ist hier verfügbar.

2. Zweiwegschalter

Erstellen Sie ein Layout wie rechts gezeigt.

Der Schalter verfügt über zwei Tasten, von denen jede einen der Ausgänge (L1 oder L2) mit dem Plus oder Minus der Stromversorgung verbindet.

Auf diese Weise kann der Motor in beide Richtungen arbeiten, aber auch jederzeit anhalten. Es reicht aus, beide Tasten so einzustellen, dass beide Ausgänge L1 und L2 an denselben Stromversorgungspol angeschlossen sind.

Der Schalter ist hier verfügbar.

3. Relais mit doppelten NC-COM-NO-Kontakten (d. H. DPDT-Relais – Zweikreis mit Wechselkontakt)

Sie können den Schaltplan in der Abbildung unten sehen. Kommt er bekannt vor? Wenn Sie den Artikel über automatische Hühnerstalltüren, gelesen haben, dann ja. :)

Der als „CONTROL“ gekennzeichnete Eingang schaltet das Relais ein oder aus. Die Ausgangskontakte des Relais sind so angeschlossen, dass beim Ausschalten (kein Signal am Eingang „CONTROL“) an einem der Motorversorgungskontakte ein positiver Versorgungspol und ein negativer Versorgungspol am anderen ist. Nach Aktivierung des Relais mit dem Signal am Eingang „CONTROL“ ändert sich die Spannungspolarität am Motor.

Ein solches System hat die Eigenschaft, dass es den Motor nicht abschaltet. Die Versorgungsspannung wird dem Motor immer in einer der beiden Polaritäten (- / + oder +/-) zugeführt. Wenn ein solches System von einem elektrischen Antrieb gesteuert werden soll, sollte es eingebaute Endschalter haben, die die Stromversorgung des Motors unterbrechen, damit es sich selbst ausschalten kann, wenn es eine extreme Position erreicht.

Eine andere Schaltung, die ich zeigen möchte, hat diesen „Defekt“ nicht :)

4.Zwei separate Relais mit einzelnen NC-COM-NO-Kontakten (d. H. SPDT-Relais – Einzelkreis mit Umschaltkontakt)

Schauen Sie sich das folgende Diagramm an. Ein Relais mit Doppelkontakten wird durch zwei separate Relais mit einem einzigen Wechselkontakt ersetzt.

Eine solche Verbindung ermöglicht die unabhängige Steuerung der Relais über separate Eingänge „CONTROL 1“ und „CONTROL 2“. Durch die unabhängige Steuerung von zwei Relais kann nicht nur die Polarität der Spannung am Motor umgekehrt werden (entweder das eine oder das andere Relais ist eingeschaltet), sondern der Motor kann auch ausgeschaltet werden, indem beide Motorkontakte mit dem Plus oder Minus verbunden werden (beide Relais ein oder beide aus) – dies entspricht der Trennung des Antriebs von der Stromversorgun.

In dem besprochenen Beispiel mit zwei separaten Einzelrelais, wie im vorherigen Beispiel mit einem Doppelrelais, können die Steuereingänge ein Signal von einer beliebigen Quelle erhalten (z. B. einen Ausgang eines digitalen Steuerungssystems, einer SPS-Steuerung oder etwas anderem). Grundbedingung ist, dass die Ausgangsspannung der Steuerquelle mit der Versorgungsspannung der Relaisspule übereinstimmt.

Die in der obigen Abbildung gezeigte Schaltung kann einfach mit unserer Zweikanal-Funkfernbedienung implementiert werden.

Zusammenfassung

Ich hoffe, dass ich Ihnen die Struktur und das Funktionsprinzip der H-Brücke etwas klarer gemacht habe. Und es stellt sich heraus, dass „der Teufel nicht so beängstigend ist, wie man sagt“ ?

Natürlich können Sie Systeme mit uni- oder bipolaren Transistoren bauen, die nicht nur die Polarität der Stromversorgung des Motors ändern, sondern auch dessen Drehzahl steuern können. Dies sind jedoch kompliziertere Systeme. Und ich habe versprochen, dass dieser Artikel einfach sein wird, also muss ich mein Wort halten ?

Wie Sie sehen können, ist die H-Brücke eine sehr nützliche Vorrichtung und erleichtert die Steuerung elektrischer Antriebe erheblich. Was uns hier am besten gefällt, ist die Tatsache, dass es die Automatisierung der Steuerung eines solchen Aktuators ermöglicht (ich meine insbesondere das letzte System mit zwei Relais).

Deshalb ist es unser Lieblingsdesign! ?

Schließlich können Sie in unserem Video über die einfache Steuerung elektrischer Antriebe auch sehen, wie das in der Praxis aussieht.