جسر H

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

جسر H هو دائرة إلكترونية تعكس قطبية الجهد المطبق على الحمل. تُستخدم هذه الدوائر بكثرة في الروبوتات وغيرها من التطبيقات لتمكين محركات التيار المستمر من الدوران للأمام أو للخلف. [ 1 ] يُشتق الاسم من تمثيلها التخطيطي الشائع، حيث تتكون من أربعة عناصر تبديل مُرتبة على شكل فروع حرف "H"، والحمل مُتصل بها كقضيب عرضي.

تستخدم معظم محولات التيار المستمر إلى التيار المتردد ( محولات الطاقة )، ​​ومعظم محولات التيار المتردد/المتردد ، ومحولات الدفع والسحب من التيار المستمر إلى التيار المستمر، ومحولات التيار المستمر إلى التيار المستمر المعزولة [ 2 ] ، ومعظم وحدات التحكم في المحركات ، والعديد من أنواع إلكترونيات الطاقة الأخرى ، جسور H. وعلى وجه الخصوص، يتم تشغيل محرك الخطوة ثنائي القطب دائمًا تقريبًا بواسطة وحدة تحكم في المحرك تحتوي على جسرين H.

عام

رسم تخطيطي لجسر H (مُظلل باللون الأحمر)

تتوفر جسور H كدوائر متكاملة ، أو يمكن بناؤها من مكونات منفصلة . [ 1 ]

يُشتق مصطلح جسر H من التمثيل البياني النموذجي لهذه الدائرة. يتكون جسر H من أربعة مفاتيح (إلكترونية أو ميكانيكية). عند إغلاق المفتاحين S1 وS4 (كما هو موضح في الشكل الأول) (مع فتح المفتاحين S2 وS3)، يُطبق جهد موجب على المحرك. عند فتح المفتاحين S1 وS4 وإغلاق المفتاحين S2 وS3، ينعكس هذا الجهد، مما يسمح بتشغيل المحرك في الاتجاه المعاكس.

باستخدام المصطلحات المذكورة أعلاه، يجب عدم إغلاق المفتاحين S1 وS2 في الوقت نفسه، لأن ذلك سيؤدي إلى حدوث قصر في دائرة مصدر جهد الدخل. وينطبق الأمر نفسه على المفتاحين S3 وS4. تُعرف هذه الحالة باسم التوصيل المباشر.

الاستخدام الشائع

تُستخدم دائرة جسر H لتزويد جهاز ثنائي الأطراف بالطاقة. ومن خلال الترتيب الصحيح للمفاتيح، يمكن تغيير قطبية الطاقة المُغذية للجهاز. فيما يلي مثالان: مُشغّل محرك تيار مستمر، ومحول لمنظم جهد تبديلي. تجدر الإشارة إلى أن بعض تكوينات التبديل ليست آمنة؛ فحالات "الماس الكهربائي" (انظر أدناه في قسم "مُشغّل محرك تيار مستمر") تُشكل خطرًا على مصدر الطاقة والمفاتيح.

مشغل محرك التيار المستمر

الحالتان الأساسيتان لجسر H

يُستخدم تغيير قطبية مصدر الطاقة لمحرك التيار المستمر لتغيير اتجاه دورانه. بالإضافة إلى تغيير اتجاه الدوران، يُمكن لجسر H توفير أوضاع تشغيل إضافية، مثل "الكبح" و"التشغيل الحر حتى التوقف الاحتكاكي". يُستخدم جسر H عادةً لعكس قطبية/اتجاه دوران المحرك، ولكن يُمكن استخدامه أيضًا "لكبح" المحرك، حيث يتوقف فجأة عند توصيل أطرافه معًا. عند توصيل أطرافه، تُستهلك الطاقة الحركية للمحرك بسرعة على شكل تيار كهربائي، مما يُؤدي إلى تباطؤه. في حالة أخرى، يسمح جسر H للمحرك بالتوقف تدريجيًا، حيث يتم فصله فعليًا عن الدائرة. يُلخص الجدول التالي طريقة التشغيل، حيث تُشير S1-S4 إلى الرسم التخطيطي أعلاه. في الجدول أدناه، يُستخدم الرقم "1" لتمثيل حالة "التشغيل" للمفتاح، والرقم "0" لتمثيل حالة "الإيقاف".

S1S2S3S4نتيجة
1001يتحرك المحرك إلى اليمين
0110يتحرك المحرك إلى اليسار
0000محركات الاحتراق الداخلي
1000
0100
0010
0001
11XXدائرة قصر
XX11
1010الفرامل
0101

مشغل الملف الابتدائي لمحول الطاقة التبديلية

تتمثل طريقة تشغيل الملف الابتدائي النموذجية في استبدال طرفي محرك التيار المستمر بطرفي الملف الابتدائي. يقوم تيار التبديل في الملف الابتدائي بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة مغناطيسية، ثم يعيدها إلى طاقة كهربائية متناوبة في الملف الثانوي.

بناء

محرك L298 ثنائي الجسر H

المرحلات

إحدى طرق بناء جسر H هي استخدام مجموعة من المرحلات من لوحة المرحلات. [ 3 ]

يمكن لمرحل " ثنائي القطب ثنائي الاتجاه " (DPDT) عمومًا تحقيق نفس الوظائف الكهربائية التي يحققها جسر H (مع الأخذ في الاعتبار الوظيفة المعتادة للجهاز). ومع ذلك، يُفضل استخدام جسر H قائم على أشباه الموصلات بدلاً من المرحل في الحالات التي تتطلب حجمًا أصغر، أو سرعة تبديل عالية، أو جهد تشغيل منخفض (أو طاقة تشغيل منخفضة)، أو عندما يكون تآكل الأجزاء الميكانيكية غير مرغوب فيه.

يتمثل أحد التكوينات الأخرى في استخدام مرحل ثنائي القطب ثنائي الرمية (DPDT) لتحديد اتجاه تدفق التيار، وترانزستور لتفعيل تدفق التيار. يُطيل هذا التكوين عمر المرحل، حيث يتم تشغيله بينما يكون الترانزستور في وضع الإيقاف، وبالتالي لا يمر تيار. كما يُتيح استخدام تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) للتحكم في مستوى التيار.

أشباه الموصلات من النوع N والنوع P

يتم عادةً بناء جسر H ذي الحالة الصلبة باستخدام أجهزة ذات قطبية معاكسة، مثل ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب PNP أو MOSFETs ذات القناة P المتصلة بحافلة الجهد العالي وترانزستورات الوصلة ثنائية القطب NPN أو MOSFETs ذات القناة N المتصلة بحافلة الجهد المنخفض.

أشباه الموصلات ذات القناة N فقط

تستخدم تصميمات MOSFET الأكثر كفاءة ترانزستورات MOSFET من النوع N في كلٍ من الجانبين العالي والمنخفض، لأن مقاومتها في حالة التشغيل عادةً ما تكون ثلث مقاومة ترانزستورات MOSFET من النوع P. يتطلب هذا تصميمًا أكثر تعقيدًا، إذ يجب أن تكون بوابات ترانزستورات MOSFET في الجانب العالي موجبة بالنسبة لجهد التغذية المستمر. تتضمن العديد من دوائر تشغيل بوابات MOSFET المتكاملة مضخة شحن داخل الجهاز لتحقيق ذلك.

بدلاً من ذلك، يمكن استخدام محول تيار مستمر إلى تيار مستمر ذي وضع تبديل لتوفير مصادر طاقة معزولة (عائمة) لدائرة تشغيل البوابة. ويُعد محول الارتداد متعدد المخارج مناسبًا تمامًا لهذا التطبيق.

هناك طريقة أخرى لتشغيل جسور MOSFET وهي استخدام محول متخصص يُعرف باسم محول تشغيل البوابة (GDT)، والذي يوفر مخارج معزولة لتشغيل بوابات الترانزستورات العلوية. عادةً ما يكون قلب المحول عبارة عن حلقة فيريتية بنسبة لف 1:1 أو 4:9. مع ذلك، لا يمكن استخدام هذه الطريقة إلا مع الإشارات عالية التردد. يُعد تصميم المحول بالغ الأهمية أيضًا، إذ يجب تقليل حث التسريب إلى أدنى حد ممكن، وإلا فقد يحدث توصيل عرضي. عادةً ما تُثبّت مخارج المحول بواسطة ثنائيات زينر ، لأن ارتفاعات الجهد المفاجئة قد تُتلف بوابات MOSFET.

المتغيرات

يستخدم أحد الأشكال الشائعة لهذه الدائرة ترانزستورين فقط على جانب واحد من الحمل، على غرار مضخم الفئة AB . يُطلق على هذا التكوين اسم "نصف الجسر". [ 4 ] يعمل نصف الجسر كمفتاح تبديل إلكتروني، ولكنه لا يستطيع عكس قطبية الجهد المطبق على الحمل. يُستخدم نصف الجسر في بعض مصادر الطاقة ذات الوضع المُبدَّل التي تستخدم مقومات متزامنة ، وفي مضخمات التبديل . يُختصر نوع نصف الجسر H عادةً إلى "نصف-H" لتمييزه عن جسور H الكاملة ("كامل-H"). هناك شكل شائع آخر، وهو إضافة "ساق" ثالثة إلى الجسر، مما يُنشئ عاكسًا ثلاثي الأطوار . يُعد العاكس ثلاثي الأطوار جوهر أي محرك تيار متردد .

يُعد الجسر شبه المُتحكم به نوعًا آخر من أنواع الجسور، حيث يُستبدل كل من جهاز التبديل ذي الجهد المنخفض على أحد جانبي الجسر وجهاز التبديل ذي الجهد العالي على الجانب المقابل، بثنائيات. يُلغي هذا النوع من الجسور نمط فشل التوصيل المباشر ، ويُستخدم عادةً لتشغيل آلات ومحركات التردد المتغير أو المُبدلة حيث لا يكون تدفق التيار ثنائي الاتجاه مطلوبًا.

التوافر التجاري

تتوفر تجارياً العديد من حزم جسور H أحادية وثنائية رخيصة الثمن. لا تزال سلسلة L293x، التي أصبحت قديمة تقنياً منذ أواخر سبعينيات القرن الماضي بسبب انخفاض خسائر التبديل وزيادة السرعات في منتجات أشباه الموصلات الحديثة، مستخدمة في العديد من دوائر الهواة. بعض الحزم، مثل L9110، [ 5 ] مزودة بثنائيات حماية من الجهد العكسي لحماية الدوائر من التداخل الكهرومغناطيسي.

التشغيل كمحول

يُستخدم جسر H بشكل شائع كمحول للتيار . ويُعرف هذا الترتيب أحيانًا باسم محول جسر أحادي الطور.

ستولد دائرة الجسر H المزودة بمصدر تيار مستمر موجة جهد مربعة الشكل عبر الحمل. أما بالنسبة للحمل الحثي البحت، فسيكون شكل موجة التيار موجة مثلثة، وتعتمد ذروتها على الحث وتردد التبديل وجهد الدخل.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 آل ويليامز (2002). مشاريع المتحكمات الدقيقة باستخدام Basic Stamp ( الطبعة الثانية). Focal Press. ص 344. ISBN   978-1-57820-101-3.
  2. ↑ أونرو، رولاند؛ شافمايستر، فرانك؛ بوكر، يواكيم (نوفمبر 2020). "تصميم محول LLC بقدرة 11 كيلوواط وتردد 70 كيلوهرتز مع جهد دخل تكيفي لتحقيق كفاءة 98% في محول MMC". ورشة عمل IEEE الحادية والعشرون حول التحكم والنمذجة لإلكترونيات الطاقة (COMPEL) لعام 2020. الصفحات 1-8 . doi : 10.1109/COMPEL49091.2020.9265771 . ISBN  978-1-7281-7160-9. S2CID 227278364 . 
  3. ↑ "جسر H المرحلي (وحدة تحكم المحرك المرحلي)" . 11 ديسمبر 2012.
  4. ↑ ""جسور H"" .
  5. ↑ "wordpress.com" (PDF) .

المشاريع