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Motivation
Nachdem ich mich einige Zeit mit der Entwicklung eines eigenen Motorcontrollers beschäftigt habe, möchte ich hier euch die Grundlagen von H-Brücken erklären.
Eine H-Brücke ist eine elektronische Schaltung, die es einem ermöglicht, die Richtung und Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors zu steuern.
Vereinfachte Darstellung mit Schaltern
Man kann eine H-Brücke als eine Art Schalter betrachten. In der einfachsten Form besteht die Brücke aus vier Schaltern (S1, S2, S3, S4), die in einer H-Form angeordnet sind.
Wenn alle Schalter offen sind, fließt kein Strom durch den Motor.
Wenn S1 und S4 geschlossen sind, fließt der Strom in eine Richtung durch den Motor, wodurch er sich in eine Richtung dreht.
Wenn S2 und S3 geschlossen sind, fließt der Strom in die entgegengesetzte Richtung, wodurch sich der Motor in die andere Richtung dreht.
Wenn jedoch S2 und S4 geschlossen sind, fließt der Strom nicht durch den Motor, was zu einem Kurzschluss führen würde.
Das nennt man auch shoot-through. Den gilt es zu vermeiden
Ersetze Schalter durch Transistoren
Da wir die Schalter nicht manuell betätigen wollen, ersetzen wir sie durch Transistoren.
Die Transistoren fungieren als elektronische Schalter, die durch ein Steuersignal (z.B. von einem Mikrocontroller) aktiviert werden können.
Warum MOSFETs?
MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) sind besonders geeignet für H-Brücken, da sie eine hohe Schaltgeschwindigkeit und geringe Verlustleistung bieten. Sie können mit niedrigen Spannungen gesteuert werden und haben eine hohe Stromtragfähigkeit, was sie ideal für Motorsteuerungen macht.
Es werden normalerweise selbst-sperrende Typen verwendet, das heißt im ungeschalteten Zustand leiten die Transistoren nicht.
Es gibt MOSFETs als n-Kanal und p-Kanal-Variante. In einer perfekten Welt würden wir nur n-kanal MOSFETs verwenden, da sie effizienter sind.
Sie haben im eingeschalteten Zustand einen niedrigeren Widerstand RDS als p-kanal MOSFETs und benötigen eine niedrigere Gate-Spannung, um vollständig zu leiten. In der Praxis ist es jedoch schwieriger, eine H-Brücke nur mit n-Kanal-MOSFETs zu realisieren, da die High-Side-Transistoren, um vollständig zu leiten, eine Gate-Spannung benötigen, die höher als die Spannung am Source ist.
Deshalb können wir eine Kombination aus n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs verwenden.
Freilaufdioden
Freilaufdioden sind notwendig, um die Induktionsspannung des Motors abzufangen, wenn der Motor abgeschaltet wird.
Andernfalls könnte die Induktionsspannung die MOSFETs beschädigen.
Zusammenfassung
Dies war ein erster kleiner Ausflug in die Welt der H-Brücken. Die gezeigten Schaltungen sollen das Prinzip verdeutlichen und eignen sich noch nicht für eine praktische Umsetzung, da noch Widerstände und Gate-Treiber fehlen. Dazu mehr in diesem Artikel
