H- جسر التمهيد

يعد Bootstrapping جانبًا مهمًا ستجده في جميع شبكات H-bridge أو شبكات الجسر الكامل مع mosfets N-channel.

إنها عملية يتم فيها تبديل أطراف البوابة / المصدر الخاصة بالفسيفساء ذات الجانب العالي بجهد لا يقل عن 10 فولت أعلى من جهد التصريف. بمعنى ، إذا كان جهد التصريف 100 فولت ، فيجب أن يكون جهد البوابة / المصدر الفعال 110 فولت من أجل تمكين النقل الكامل للجهد 100 فولت من الصرف إلى مصدر mosfet عالي الجانب.

بدون التمهيد مرفق طوبولوجيا H-bridge مع mosfets متطابقة لن تعمل ببساطة.

سنحاول فهم التفاصيل من خلال شرح خطوة بخطوة.

تصبح شبكة التمهيد ضرورية فقط عندما تكون جميع الأجهزة الأربعة في H-bridge متطابقة مع قطبيتها. عادةً ما تكون هذه mosfets n-channel (4 p-channel لا تستخدم أبدًا لأسباب واضحة).

تُظهر الصورة التالية تكوينًا قياسيًا لـ n-channel H-bridge

تتمثل الوظيفة الرئيسية لطوبولوجيا mosfet هذا في تبديل 'الحمل' أو المحول الأساسي في هذا الرسم التخطيطي ، بطريقة تقليب. بمعنى ، لإنشاء تيار دفع وسحب متناوب عبر لف المحول المتصل.

لتنفيذ ذلك ، يتم تشغيل / إيقاف تشغيل mosfets المرتبة قطريًا في وقت واحد. ويتم تدوير هذا بالتناوب للأزواج القطرية. على سبيل المثال ، الأزواج Q1 / Q4 و Q2 / Q3 معًا في وضع التشغيل / الإيقاف ، بالتناوب. عندما يكون Q1 / Q4 قيد التشغيل ، يكون Q2 / Q3 مغلقًا ، والعكس صحيح.

يجبر الإجراء أعلاه التيار على تغيير قطبيته بالتناوب عبر لف المحول المتصل. يؤدي هذا بدوره إلى تغيير الجهد العالي المستحث عبر المرحلة الثانوية للمحول أيضًا إلى تغيير قطبيته ، مما ينتج عنه التيار المتردد المقصود أو الناتج المتناوب على الجانب الثانوي من المحول.

ما هي Mosfets عالية الجانب منخفضة الجانب

يُطلق على Q1 / Q2 العلوي اسم mosfets عالي الجانب ، ويطلق على Q3 / Q4 السفلي اسم mosfets منخفض الجانب.

تحتوي أجهزة mosfet ذات الجانب المنخفض على خيوط مرجعية (محطات المصدر) متصلة بشكل مناسب بالخط الأرضي. ومع ذلك ، فإن الجانب العالي من mosfet لا يمكنه الوصول إلى الخط الأرضي المرجعي مباشرة ، وبدلاً من ذلك يتم توصيله بالمحول الأساسي.

نحن نعلم أن محطة 'المصدر' الخاصة بـ mosfet أو باعث BJT يجب أن تكون متصلة بخط الأرض المشترك (أو الخط المرجعي المشترك) من أجل تمكينها من إجراء وتحويل الحمل بشكل طبيعي.

في جسر H نظرًا لأن mosfets عالية الجانب غير قادرة على الوصول إلى الأرض المشتركة مباشرة ، فإن تشغيلها بشكل فعال باستخدام بوابة DC العادية (Vgs) يصبح مستحيلًا.

هذا هو المكان الذي تنشأ فيه المشكلة ، وتصبح شبكة التمهيد أمرًا بالغ الأهمية.

لماذا هذه مشكلة؟

نعلم جميعًا أن BJT يتطلب 0.6 فولت كحد أدنى بين قاعدته / باعثه للتشغيل بشكل كامل. وبالمثل ، يتطلب mosfet حوالي 6 إلى 9V عبر بوابته / مصدره لإجراء بشكل كامل.

هنا ، تعني كلمة `` بالكامل '' النقل الأمثل لجهد استنزاف mosfet أو جهد جامع BJT إلى محطات المصدر / الباعث الخاصة بهم ، استجابةً لإدخال جهد البوابة / القاعدة.

في الجسر H ، لا تواجه mosfets منخفضة الجانب مشاكل مع معلمات التبديل الخاصة بها ويمكن تبديلها بشكل طبيعي ومثالي بدون أي دوائر خاصة.

هذا لأن دبوس المصدر يكون دائمًا عند صفر أو احتمال أرضي يسمح للبوابة بالارتفاع عند 12V أو 10V المحدد فوق المصدر. هذا يفي بشروط التحويل المطلوبة من mosfet ويسمح لها بسحب حمل التصريف إلى مستوى الأرض بالكامل.

الآن ، لاحظ الفسيفساء ذات الجانب العالي. إذا طبقنا 12V عبر بوابته / مصدره ، فإن mosfets يستجيب في البداية جيدًا ويبدأ في توصيل جهد التصريف باتجاه أطراف المصدر. ومع ذلك ، أثناء حدوث ذلك ، نظرًا لوجود الحمل (الملف الأولي للمحول) ، يبدأ دبوس المصدر في مواجهة إمكانات متزايدة.

عندما ترتفع هذه الإمكانات أكثر من 6 فولت ، يبدأ mosfet في التوقف ، لأنه لم يعد لديه 'مساحة' لإجراء ، وبحلول الوقت الذي تصل فيه إمكانية المصدر إلى 8V أو 10V ، يتوقف mosfet عن التوصيل.

دعنا نفهم هذا بمساعدة المثال البسيط التالي.

هنا يمكن رؤية الحمل متصلاً عند مصدر mosfet ، لتقليد حالة mosfet عالية الجانب في جسر H.

في هذا المثال ، إذا قمت بقياس الجهد عبر المحرك ، فستجد أنه 7 فولت فقط ، على الرغم من تطبيق 12 فولت في جانب الصرف.

هذا لأن 12-7 = 5V هو الحد الأدنى للبوابة / المصدر العاري أو V._gsيتم استخدامه من قبل mosfet للحفاظ على التوصيل قيد التشغيل. نظرًا لأن المحرك هنا عبارة عن محرك بجهد 12 فولت ، فإنه لا يزال يدور بإمداد 7 فولت.

إذا افترضنا أننا استخدمنا محركًا بجهد 50 فولت مزود بإمداد 50 فولت في الصرف و 12 فولت على البوابة / المصدر ، فقد نرى 7 فولت فقط على المصدر ، مما يؤدي إلى عدم إنتاج أي حركة على الإطلاق على المحرك 50 فولت.

ومع ذلك ، إذا طبقنا حوالي 62 فولت عبر بوابة / مصدر mosfet. سيؤدي هذا إلى تشغيل mosfet على الفور ، وسيبدأ جهد مصدره في الارتفاع بسرعة حتى يصل إلى مستوى استنزاف 50 فولت كحد أقصى. ولكن حتى عند جهد المصدر 50 فولت ، فإن البوابة التي تبلغ 62 فولت تظل 62-50 = 12 فولت أعلى من المصدر ، مما يتيح التوصيل الكامل للموسفيت والمحرك.

هذا يعني أن محطات مصدر البوابة في المثال أعلاه تتطلب شيئًا ما حول 50 + 12 = 62 فولت لتمكين التبديل الكامل السرعة على محرك 50 فولت. لأن هذا يسمح برفع مستوى الجهد الكهربائي لبوابة mosfet بشكل صحيح عند مستوى 12V المحدد فوق المصدر .

لماذا لا يحترق Mosfet بمثل هذه Vgs العالية

هذا لأنه بمجرد أن جهد البوابة (V_gs) ، يتم تشغيل الجهد العالي لجانب الصرف على الفور ويتم الاندفاع عند محطة المصدر لإلغاء الجهد الزائد للبوابة / المصدر. أخيرًا ، يتم تقديم 12 فولت أو 10 فولت فقط عند البوابة / المصدر.

بمعنى ، إذا كان 100 فولت هو جهد التصريف ، وتم تطبيق 110 فولت على البوابة / المصدر ، فإن 100 فولت من التصريف يندفع عند المصدر ، مما يؤدي إلى إبطال البوابة / المصدر المطبق 100 فولت ، مما يسمح فقط لـ 10 فولت الإضافي بتشغيل الإجراءات. لذلك فإن mosfet قادر على العمل بأمان دون حرق.

ما هو Bootstrapping

من الفقرات السابقة ، فهمنا لماذا نحتاج بالضبط إلى حوالي 10 فولت أعلى من جهد التصريف مثل Vgs للجانب المرتفع في جسر H.

تسمى شبكة الدائرة التي تنجز الإجراء أعلاه بشبكة التمهيد في دائرة جسر H.

في محرك IC القياسي للجسر H ، يتم تحقيق التمهيد عن طريق إضافة الصمام الثنائي ومكثف الجهد العالي مع بوابة / مصدر mosfets عالية الجانب.

عند تشغيل mosfet ذي الجانب المنخفض (يتم إيقاف تشغيل FET للجانب العالي) ، يتم تأريض دبوس HS وعقدة التبديل. الخامس_يالعرض ، من خلال مكثف الالتفافية ، يشحن مكثف التمهيد من خلال الصمام الثنائي للتمهيد والمقاوم.

عندما يتم إيقاف تشغيل FET منخفض الجانب ويكون الجانب العالي في وضع التشغيل ، يتم توصيل دبوس HS الخاص بسائق البوابة وعقدة التبديل بحافلة الجهد العالي HV يقوم مكثف التمهيد بتفريغ بعض الجهد المخزن (يتم تجميعه أثناء الشحن التسلسل) إلى الجانب العلوي FET من خلال دبابيس HO و HS لسائق البوابة كما هو موضح في.

لمزيد من المعلومات حول هذا يمكنك الرجوع لهذه المقالة

تنفيذ دائرة عملية

بعد تعلم المفهوم أعلاه جيدًا ، قد لا تزال مرتبكًا فيما يتعلق بالطريقة الصحيحة لتنفيذ دائرة H-Bridge؟ إذن هذه دائرة تطبيق لكم جميعًا ، مع وصف مفصل.

يمكن فهم عمل تصميم تطبيق H-bridge أعلاه من خلال النقاط التالية:

يتمثل الجانب المهم هنا في تطوير جهد عبر 10 فائق التوهج بحيث يصبح مساويًا لـ 'جهد الحمل المطلوب' بالإضافة إلى الإمداد بجهد 12 فولت عند بوابات MOSFETs عالية الجانب ، خلال فترات التشغيل.

التكوين الموضح ينفذ هذا بكفاءة عالية.

تخيل أن الساعة رقم 1 مرتفعة ، والساعة رقم 2 منخفضة (حيث من المفترض أن تكون تعمل بالتناوب).

في هذه الحالة ، يتم إيقاف تشغيل mosfet الأيمن العلوي ، بينما يتم تشغيل mosfet الأيسر السفلي.

يشحن مكثف 10 فائق التوهج بسرعة ما يصل إلى +12 فولت من خلال الصمام الثنائي 1N4148 وانخفاض استنزاف / مصدر mosfet.

في اللحظة التالية ، بمجرد أن تصبح الساعة رقم 1 منخفضة وتصبح الساعة رقم 2 عالية ، فإن الشحنة عبر اليسار 10 فائق التوهج التبديل على MOSFET الأيسر العلوي الذي يبدأ على الفور في التوصيل.

في هذه الحالة ، يبدأ جهد الصرف الخاص به في الاندفاع نحو مصدره ، وفي نفس الوقت تبدأ الفولتية في الدفع إلى مكثف 10 فائق التوهج بطريقة تجعل الشحنة الحالية + 12V `` تجلس '' فوق هذه الفولتية التي تدفع على الفور من محطة MOSFET.

تضمن هذه الإضافة لإمكانية التصريف في مكثف 10 فائق التوهج من خلال طرف المصدر أن تضاف الإمكانيات وتمكن الإمكانات اللحظية عبر بوابة / مصدر MOSFET عند حوالي + 12 فولت فوق إمكانية التصريف.

على سبيل المثال ، إذا تم تحديد جهد التصريف ليكون 100 فولت ، فإن هذا الجهد 100 فولت يدفع إلى 10 فائق التوهج مما يتسبب في تعويض جهد البوابة المحتمل باستمرار والذي يحافظ على +12 أعلى بقليل من 100 فولت.

آمل أن يكون هذا قد ساعدك على فهم العمل الأساسي لجانب الحذاء العالي باستخدام شبكة الصمام الثنائي المكثف المنفصل.

خاتمة

من المناقشة أعلاه ، نفهم أن bootstrapping أمر بالغ الأهمية لجميع طبولوجيا H-bridge من أجل السماح بالتبديل الفعال للموزفت عالية الجانب.

في هذه العملية ، يتم شحن مكثف مختار بشكل مناسب عبر بوابة / باعث mosfet عالي الجانب إلى 12 فولت أعلى من مستوى جهد التصريف المطبق. فقط عندما يحدث هذا ، يمكن للمسيفات عالية الجانب التبديل إلى وضع التشغيل وإكمال التحويل المقصود من سحب الدفع للحمل المتصل.