Nguyên tắc thiết kế mạch và điều khiển mạch cầu H trong ĐK tải hay động cơ
Tôi thấy nhiều bác vẫn chưa hiểu rõ nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H và mạch cầu H nó
được hoạt động như thế nào và được ứng dụng vào điều khiển cái gì?
Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu H vì nó được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet. Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet. Tác dụng của transitor và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải. Tìn hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải. Hiểu nôm na như thế này tín hiệu điều khiển của mình là nhỏ thường là tín hiệu đầu ra của vi điều khiển là nhỏ hơn 5V (do các điều chế PWM) mà điều khiển động cơ cần dòng điện và điện áp lớn. Các van điều khiển hay các chân điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áp hay dòng điện) là mở khóa (Transitor) dẫn dòng cho tải. Nên thế mới dùng mạch cầu H Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp. Đối với mạch điều khiển động cơ thì m
ạch cầu H có thể đảo chiều động cơ quá là đơn giản. Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mà mình muốn.
1) Các dạng cấu tạo của mạch cầu H
Theo tôi được bit thì mạch cầu H được cấu tạo bởi 2 dạng chính mà tôi hay gặp :
a) Dạng 1 : Được cấu tạo bởi 4 transitor (Fet) Cùng kênh N. Sơ đồ nguyên lý mạch được cấu
tạo như sau :(Tôi chỉ vẽ mạch dùng transitor để mình họa)
Đối với dạng này thì được cấu tạo bởi các transitor cùng kênh N. và chỉ cần 2 tín hiệu điều
khiển kích mở các transitor.
b) Dạng 2 : Được cấu tạo bởi 2 cặp đôi transitor P,N hay FET (THuận Ngược). Sơ đồ nguyên lý
cấu tạo của nó được cấu tạo như sau :(Tôi cũng dùng transitor mình họa. Đối với thiết kế này quả là thấy khá là ổn định .Và như thế chúng ta sẽ thấy là cần 4 tín hiệu điều khiển nhưng trong thực tế mình chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển là OK! Cho nên kiểu dạng 2 này được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển hơn dạng 1 tại vì ( Cái này các pác Pro chỉ giáo cho nguyên nhân tại sao cái 2 dùng hay hơn kiểu 1)
2) Nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H.
Ở đây tôi chỉ xét đến nguyên lý hoạt động và hoạt động như thế nào của mạch cầu H Cho nên
tôi lấy BJT là ví dụ còn Fet thì nó gần tương đương như thế.
Theo thực tiễn thì thấy kiểu dạng 2 được dùng nhiều hơn nên tôi phân tích nguyên tắc hoạt động
của mạch kiểu dạng 2. Và được vẽ lại dễ nhìn như sau :
Mạch cầu H này được điều khiển bởi 4 tín hiệu đóng mở các van đó là các tín hiệu 1 và tín hiệu
2( Như trên hình vẽ) và điều khiển được 2 chiều (Có nghĩa là đảo chiều dòng điện). Xét từng
chế độ thuận và nghịch
Như chúng ta đã bit điều kiện để đóng mở đê các transitor thông là:
+ Đối với kênh N để mở thì Ube > 0 và mở transitor bằng dòng điện
+ Đới với transitor kênh P để mở thì Ube <= 0 . Thường thì bằng 0 là nó sẽ mở
* Điều khiển với chế độ thuận.
Ở chế độ thuận này cấp 4 tín hiệu điều điều khiển vào 4 con Transitor và điều kiện để có dòng
thuận chạy qua tải trong 1 thời điểm là :
+ Tín hiệu 1 = 0 (Tức là mở transitor Q1).
+ Tín hiệu 2 = 0 ( Tức là đóng transitor Q2)
+ Tín hiệu 3 = 1 (Tức là đóng transitor Q3)
+ Tín hiệu 4 = 1 (Tức là mở transitor Q4)
Và dạng đường đi được mô tả như hình vẽ sau:
Đấy là dạng đi của chiều thuận : Dòng điện từ nguồn qua Q1 sau đó qua tải và qua Q2 xuống
GND.
* Điều khiển ở chế độ nghịch
Ở chế độ này ta cũng cấp 4 tín hiệu điều khiển vào 4 con transitor. Và 4 tín hiệu điều khiển này
phải thỏa mãn điều kiển sau :
+ Tín hiệu 1 = 1 (Tức là khóa transitor Q1).
+ Tín hiệu 2 = 1 ( Tức là mở transitor Q2)
+ Tín hiệu 3 = 0 (Tức là mở transitor Q3)
+ Tín hiệu 4 = 0 (Tức là đóng transitor Q4)
Và dạng đường đi của chúng được thể hiện như hình vẽ sau :
Nhìn vào mũi tên sẽ thấy dạng đường đi khi cấp ở chiều nghịch. Dòng điện đi từ Vcc qua Q3
qua tải và qua Q2 xuống GND.
3) Ưu nhược điểm của cầu H.
a ) Ưu điểm : Sử dụng cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản hơn và chỉ cần 1 nguồn điện.
b) Nhược điểm : Nếu như mạch điều khiển thì cùng bật 2 công tắc ở cùng 1 nửa cầu thì sẽ mạch
động lực của chúng ta bị ngắn mạch nguồn. Nếu hiện tượng xảy ra trong 1 thời gian ngắn (Quá
độ ) Sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van. Nếu
thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng trùng dẫn sẽ lớn làm cháy van công suất.
4) Chú ý
Trên là tôi chỉ giới thiệu cho các pác mạch cầu H và nguyên lý thiết kế mạch và nguyên tắc
hoạt động của mạch. Đối với mạch trong thực tế thì không mang mạch nguyên lý trên mà chạy
mạch! Lắp giáp vào nó cũng chạy nhưng mà nó dei ngay tức khắc nên khi thiết kế mạch cầu H
cần chú ý những điểm sau: Tín hiệu điều khiển van, bảo vệ cho van, dòng ngược do tải cảm tạo
ra làm phá hủy tiếp giáp
a ) Đối với mạch công suất nhỏ
Đối với tải có công suất nhỏ : Tần số đóng cắt hay tần số điều khiển nhỏ như điều khiển động
cơ nhỏ hay tải cảm có công suất nhỏ. Thì mạch cầu H thường được thiết kế bằng BJT. và chúng
ta cần chú ý đến dòng ngược khi điều khiển động cơ, tín hiệu điều khiển để cho BJT mở và các
thông số khác liên quan đến nó như dòng điện, điện áp.
( Tôi không vẽ mạch này các pác có thể tham khảo)
b) Đối với mạch công suất lớn. Đối với tải thiết bị cần tần số đóng cắt lớn (>20Khz) người ta
thường không dùng BJT vì nhược điểm trên mà người ta dùng các linh kiện công suất như
Mosfet hay IGBT Và cái này thường dùng để điều khiển động cơ DC lớn và các bộ băm áp có
công suất lớn. Cái này chúng ta cần chú đến : Tín hiệu điều khiển đóng cắt , bảo vệ các van điều
khiển, dòng ngược từ tài có khả năng phá hủy tiếp giáp
Tôi lấy ví dụ như mạch dùng Công suất dùng Mosfet điều khiển động cơ:
Mạch này là điều khiển động cơ 1 chiều dùng cầu H sử dụng Fet công suất. Trong mạch này do
tín hiệu từ vi điều khiển không đủ để mở khóa Fet cho nên phải dùng con kích xung là opto
P521 ( Xem nguyên lý của nó). Do đây tôi không dùng diode để tránh dòng ngược vì trong con
Fet nó đã có diode rồi!
Ngoài ra các bạn còn thiết kế ra những mạch cầu H công suất lớn hơn như thế phải cần d
ùng các
con FET hay IGBT có Id lớn phù hợp với tải.
Trong thực tế có 1 loại IC bán dẫn được tích hợp luôn cả cầu H trong đó ta chỉ cần cấp xung
điều khiển và các con đó tôi được bit là :
+ L293 : Với điện áp đầu vào là 36V và dòng điện đỉnh qua nó là 1.2A
+ L298 : Với điện áp đầu vào là 46V và dòng điện đỉnh qua nó là 4A
Tôi thấy nhiều bác vẫn chưa hiểu rõ nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H và mạch cầu H nó
được hoạt động như thế nào và được ứng dụng vào điều khiển cái gì?
Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu H vì nó được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet. Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet. Tác dụng của transitor và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải. Tìn hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải. Hiểu nôm na như thế này tín hiệu điều khiển của mình là nhỏ thường là tín hiệu đầu ra của vi điều khiển là nhỏ hơn 5V (do các điều chế PWM) mà điều khiển động cơ cần dòng điện và điện áp lớn. Các van điều khiển hay các chân điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áp hay dòng điện) là mở khóa (Transitor) dẫn dòng cho tải. Nên thế mới dùng mạch cầu H Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp. Đối với mạch điều khiển động cơ thì m
ạch cầu H có thể đảo chiều động cơ quá là đơn giản. Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mà mình muốn.
1) Các dạng cấu tạo của mạch cầu H
Theo tôi được bit thì mạch cầu H được cấu tạo bởi 2 dạng chính mà tôi hay gặp :
a) Dạng 1 : Được cấu tạo bởi 4 transitor (Fet) Cùng kênh N. Sơ đồ nguyên lý mạch được cấu
tạo như sau :(Tôi chỉ vẽ mạch dùng transitor để mình họa)
Đối với dạng này thì được cấu tạo bởi các transitor cùng kênh N. và chỉ cần 2 tín hiệu điều
khiển kích mở các transitor.
b) Dạng 2 : Được cấu tạo bởi 2 cặp đôi transitor P,N hay FET (THuận Ngược). Sơ đồ nguyên lý
cấu tạo của nó được cấu tạo như sau :(Tôi cũng dùng transitor mình họa. Đối với thiết kế này quả là thấy khá là ổn định .Và như thế chúng ta sẽ thấy là cần 4 tín hiệu điều khiển nhưng trong thực tế mình chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển là OK! Cho nên kiểu dạng 2 này được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển hơn dạng 1 tại vì ( Cái này các pác Pro chỉ giáo cho nguyên nhân tại sao cái 2 dùng hay hơn kiểu 1)
2) Nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H.
Ở đây tôi chỉ xét đến nguyên lý hoạt động và hoạt động như thế nào của mạch cầu H Cho nên
tôi lấy BJT là ví dụ còn Fet thì nó gần tương đương như thế.
Theo thực tiễn thì thấy kiểu dạng 2 được dùng nhiều hơn nên tôi phân tích nguyên tắc hoạt động
của mạch kiểu dạng 2. Và được vẽ lại dễ nhìn như sau :
Mạch cầu H này được điều khiển bởi 4 tín hiệu đóng mở các van đó là các tín hiệu 1 và tín hiệu
2( Như trên hình vẽ) và điều khiển được 2 chiều (Có nghĩa là đảo chiều dòng điện). Xét từng
chế độ thuận và nghịch
Như chúng ta đã bit điều kiện để đóng mở đê các transitor thông là:
+ Đối với kênh N để mở thì Ube > 0 và mở transitor bằng dòng điện
+ Đới với transitor kênh P để mở thì Ube <= 0 . Thường thì bằng 0 là nó sẽ mở
* Điều khiển với chế độ thuận.
Ở chế độ thuận này cấp 4 tín hiệu điều điều khiển vào 4 con Transitor và điều kiện để có dòng
thuận chạy qua tải trong 1 thời điểm là :
+ Tín hiệu 1 = 0 (Tức là mở transitor Q1).
+ Tín hiệu 2 = 0 ( Tức là đóng transitor Q2)
+ Tín hiệu 3 = 1 (Tức là đóng transitor Q3)
+ Tín hiệu 4 = 1 (Tức là mở transitor Q4)
Và dạng đường đi được mô tả như hình vẽ sau:
Đấy là dạng đi của chiều thuận : Dòng điện từ nguồn qua Q1 sau đó qua tải và qua Q2 xuống
GND.
* Điều khiển ở chế độ nghịch
Ở chế độ này ta cũng cấp 4 tín hiệu điều khiển vào 4 con transitor. Và 4 tín hiệu điều khiển này
phải thỏa mãn điều kiển sau :
+ Tín hiệu 1 = 1 (Tức là khóa transitor Q1).
+ Tín hiệu 2 = 1 ( Tức là mở transitor Q2)
+ Tín hiệu 3 = 0 (Tức là mở transitor Q3)
+ Tín hiệu 4 = 0 (Tức là đóng transitor Q4)
Và dạng đường đi của chúng được thể hiện như hình vẽ sau :
Nhìn vào mũi tên sẽ thấy dạng đường đi khi cấp ở chiều nghịch. Dòng điện đi từ Vcc qua Q3
qua tải và qua Q2 xuống GND.
3) Ưu nhược điểm của cầu H.
a ) Ưu điểm : Sử dụng cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản hơn và chỉ cần 1 nguồn điện.
b) Nhược điểm : Nếu như mạch điều khiển thì cùng bật 2 công tắc ở cùng 1 nửa cầu thì sẽ mạch
động lực của chúng ta bị ngắn mạch nguồn. Nếu hiện tượng xảy ra trong 1 thời gian ngắn (Quá
độ ) Sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van. Nếu
thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng trùng dẫn sẽ lớn làm cháy van công suất.
4) Chú ý
Trên là tôi chỉ giới thiệu cho các pác mạch cầu H và nguyên lý thiết kế mạch và nguyên tắc
hoạt động của mạch. Đối với mạch trong thực tế thì không mang mạch nguyên lý trên mà chạy
mạch! Lắp giáp vào nó cũng chạy nhưng mà nó dei ngay tức khắc nên khi thiết kế mạch cầu H
cần chú ý những điểm sau: Tín hiệu điều khiển van, bảo vệ cho van, dòng ngược do tải cảm tạo
ra làm phá hủy tiếp giáp
a ) Đối với mạch công suất nhỏ
Đối với tải có công suất nhỏ : Tần số đóng cắt hay tần số điều khiển nhỏ như điều khiển động
cơ nhỏ hay tải cảm có công suất nhỏ. Thì mạch cầu H thường được thiết kế bằng BJT. và chúng
ta cần chú ý đến dòng ngược khi điều khiển động cơ, tín hiệu điều khiển để cho BJT mở và các
thông số khác liên quan đến nó như dòng điện, điện áp.
( Tôi không vẽ mạch này các pác có thể tham khảo)
b) Đối với mạch công suất lớn. Đối với tải thiết bị cần tần số đóng cắt lớn (>20Khz) người ta
thường không dùng BJT vì nhược điểm trên mà người ta dùng các linh kiện công suất như
Mosfet hay IGBT Và cái này thường dùng để điều khiển động cơ DC lớn và các bộ băm áp có
công suất lớn. Cái này chúng ta cần chú đến : Tín hiệu điều khiển đóng cắt , bảo vệ các van điều
khiển, dòng ngược từ tài có khả năng phá hủy tiếp giáp
Tôi lấy ví dụ như mạch dùng Công suất dùng Mosfet điều khiển động cơ:
Mạch này là điều khiển động cơ 1 chiều dùng cầu H sử dụng Fet công suất. Trong mạch này do
tín hiệu từ vi điều khiển không đủ để mở khóa Fet cho nên phải dùng con kích xung là opto
P521 ( Xem nguyên lý của nó). Do đây tôi không dùng diode để tránh dòng ngược vì trong con
Fet nó đã có diode rồi!
Ngoài ra các bạn còn thiết kế ra những mạch cầu H công suất lớn hơn như thế phải cần d
ùng các
con FET hay IGBT có Id lớn phù hợp với tải.
Trong thực tế có 1 loại IC bán dẫn được tích hợp luôn cả cầu H trong đó ta chỉ cần cấp xung
điều khiển và các con đó tôi được bit là :
+ L293 : Với điện áp đầu vào là 36V và dòng điện đỉnh qua nó là 1.2A
+ L298 : Với điện áp đầu vào là 46V và dòng điện đỉnh qua nó là 4A
0 Nhận xét