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H-Brücke

Das Video zum Kapitel


Brückenzweig

Die Querverbindung zwischen zwei Punkten einer elektronischen Schaltung (üblicherweise bestehend aus zwei parallel zueinander liegenden Zweigen) bezeichnet man als Brückenzweig oder kurz als Brücke.

H-Brücke aus Festwiderstäden
Abbildung 1:
Ein sehr einfacher gebrückter Schaltkreis ist die sogenannte H-Brücke. Nach einem Blick auf den Schaltplan werdet ihr wissen, warum man die Schaltung als H-Brücke bezeichnet. Hervorgerufen durch die Brücke, also die leitende Verbindung zwischen den beiden Mittelpunkten, ist der Spannungsabfall an R2 gleich dem an R4 und der Spannungsabfall an R1 gleicht dem an R3, unabhängig von den Widerstandswerten der vier Widerstände.
Ohne den Brückenzweig hängt die Spannung an den beiden Mittelpunkten von dem Widerstandsverhältnis der verwendeten Bauteile ab. Ist R1:R2 gleich R3:R4, so beträgt das Potential zwischen den Mittelpunkten auch ohne die Brücke Null Volt.

Wheatstoneschen Messbrücke
Abbildung 2:
Mit Hilfe einer Wheatstoneschen Messbrücke, oder kurz Wheatstone Brücke kann der Widerstand eines Bauteils bestimmt werden, indem das Widerstandsverhältnis der beiden Zweige angeglichen wird. Zwei konstante Widerstände (R1 und R3), ein Potentiometer und der unbekannte Widerstand bilden die beiden Zweige eines durch ein Voltmeter oder ein Amperemeter gebrückten Schaltkreises. Wie bereits erklärt, beträgt die Potentialdifferenz zwischen den beiden Punkten der Brücke immer dann Null Volt, wenn das Verhältnis der Widerstandswerte des linken Zweigs dem des rechten Zweigs entspricht. Das Potentiometer wird nun verstellt, bis der Spannungsabfall zwischen den beiden Mittelpunkten Null Volt beträgt, beziehungsweise bei Verwendung eines Amperemeters bis kein Strom über die Brücke fließt. Die Beziehung zwischen der Stellung des Potentiometers und dem Widerstandswert des unbekannten Bauteils ist linear, womit die Skala des Potentiometers kalibriert werden und somit der Widerstandswert des unbekannten Bauteils direkt abgelesen werden kann.

Vorwärwärts / Rückwärts

H-Brücke aus Potentiometern
Abbildung 3:
Im Kapitel zu Spannungsteilern wurde eine aus zwei Potentiometern aufgebaute H-Brücke gezeigt, mit deren Hilfe eine beliebige Spannung zwischen +VIn und -VIn an eine Last zwischen den beiden Potentiometern gelegt werden kann.

Während mit Hilfe von Potentiometern die Spannung niedriger Lasten manuell eingestellt werden kann, sind Transistoren hervorragend geeignet, um auch hohe Lasten durch nahezu jeden elektronischen Schaltkreis zu regeln:

H-Brücke aus NPN-Transistoren
Abbildung 4:
Diese H-Brücke besteht aus zwei NPN und zwei PNP Transistoren. Der Widerstand der beiden unteren NPN-Transistoren sinkt, wenn das Potential zwischen Masse (=Minuspol) und X2 beziehungsweise X4 steigt. Der Widerstand wird minimal, wenn das Potential an den Eingangsklemmen der Versorgungsspannung des Schaltkreises entspricht. Die zu den Basisanschlüssen in Serie geschalteten Widerstände begrenzen den Basisstrom. Im Gegensatz dazu ist der Widerstand der PNP-Transistoren minimal wenn die Spannung zwischen X1 beziehungsweise X3 und Masse Null Volt beträgt und dieser wird maximal, wenn das Potential an den Eingangsklemmen der Versorgungsspannung entspricht.
T2 und T4 werden als low-side Transistoren, T1 und T3 als high-side Transistoren bezeichnet.

H-Brücke aus NPN-Transistoren
Abbildung 5:
Werden X1 und X2 mit der Masse beziehungsweise X3 und X4 mit der positiven Versorgungsspannung verbunden, so ist der Widerstand von T2 und T3 maximal (über einigen Megaohm), während der von T1 und T4 minimal wird (unterhalb weniger Ohm). Als Ergebnis entspricht das Potential am Mittelpunkt des linken Zweigs (fast) der Versorgungsspannung, während das am rechten Mittelpunkt (fast) Null Volt entspricht. Ein Strom fließt vom Pluspol über T1 von der linken zur rechten Seite durch die Last und schließlich durch T4 zum Minuspol der Versorgungsspannung. Der Pluspol befindet sich auf der linken Seite der Last.

H-Brücke aus NPN-Transistoren
Abbildung 6:
Die Situation ändert sich, sobald X1 und X2 mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden werden, während X3 und X4 mit dem Minuspol verbunden sind. Nun befindet sich der Pluspol auf der rechten Seite der Last und der Strom fließt über T3 beziehungsweise T2.

H-Brücke aus NPN-Transistoren
Abbildung 7:
Werden alle vier Eingangsklemmen mit dem Minuspol verbunden, so sind die oberen PNP-Transistoren "eingeschaltet", während die NPN-Transistoren "ausgeschaltet"sind. Das Potential an beiden Klemmen der Last entspricht in etwa der positiven Versorgungsspannung, womit kein Strom durch die Last fließt.

H-Brücke aus NPN-Transistoren
Abbildung 8:
Werden alle vier Eingangsklemmen mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden, so sind die oberen, PNP-Transistoren "ausgeschaltet", während die unteren, NPN-Transistoren "eingeschaltet" sind. Das Potential an beiden Anschlussklemmen der Last beträgt nun nahezu Null Volt, womit auch in diesem Zustand kein Strom durch die Last fließt.

H-Brücke aus NPN-Transistoren, 2 Anschlussklemmen
Abbildung 9:
Üblicherweise verfügt eine H-Brücke über zwei Anschlussklemmen:
X1 X2 Ausgang
+ - Negativer Pol auf der linken Seite der Last
- + Negativer Pol auf der rechten Seite der Last
+ + Keine Spannung an der Last
- - Keine Spannung an der Last


Step-Up / Down

H-Brücke mit step-up Transistoren
Abbildung 10:
Wenn sich die Betriebsspannung der H-Brücke vom HIGH-signal an den Eingängen unterscheidet (z.B. der Motor benötigt eine Spannung von 12V, der zur Ansteuerung verwendete Computer liefert allerdings nur 3.3V an den Pins), so wird ein Step-Up transistor (T5 und T6 in der Zeichnung) an jedem der beiden Eingänge benötigt (siehe Abschnitt Spannungsanpassung weiter unten).

Halbbrücke

H-Brücke aus MOSFET-Transistoren
Abbildung 11:
Eine aus vier Transistoren aufgebaute H-Brücke bezeichnet man als Vollbrücke. Steht eine symmetrische Spannungsversorgung zur Verfügung, so genügt auch eine Halbbrücke, um einen Verbraucher mit wechselnder Polarität ansteuern zu können. In der Abbildung werden zwei Batterien verwendet.
H-Brücke aus MOSFET-Transistoren
Abbildung 12:
Werden die Basisanschlüsse beider Transistoren über die entsprechenden Vorwiderstände mit der positiven Versorgungsspannung verbunden, also mit HIGH-Pegel angesteuert, so sperrt auch hier der obere, PNP-Transistor, während der untere, NPN-Transistor leitend wird. Es fließt ein Strom vom Pluspol der unteren Batterie von rechts nach links durch den Verbraucher und über Transistor 2 in den Minuspol.
H-Brücke aus MOSFET-Transistoren
Abbildung 13:
Werden die Eingänge der Halbbrücke mit dem Minuspol der Versorgungsspannung verbunden, so wird der obere, PNP-Tansistor leitend, während der untere, NPN-Typ sperrt. Der Strom fließt nun von dem Pluspol der oberen Batterie über Transistor 1, jetzt von links nach rechts durch den Verbraucher und zum Minuspol der oberen Batterie.
Der Vorteil dieser Schaltung liegt in der geringeren Anzahl benötigter Transistoren, der Nachteil liegt darin, dass eine komplexere Spannungsversorgung bereitgestell werden muss.

MOSFETs

Wird eine H-Brücke aus Bipolartransitoren aufgebaut, so muss der Basisstrom beachtet werden, der nötig ist, um den Transistor in die Sättigung zu bringen. Die Werte von R1 bis R4 hängen von der Versorgungsspannung ab. Der Widerstandswert muss verdoppelt werden, wenn die Versorgungsspannung von 6V auf 12V steigt. Die von den Widerständen umgesetzte elektrische Leistung verdoppelt sich dabei ebenfalls und sie vervierfacht sich sogar, wenn die Widerstandswerte nicht der höheren Versorgungsspannung angepasst werden. Somit muss die maximale Verlustleistung an den Widerständen beachtet werden.
N-Kanal beziehungsweise P-Kanal MOSFETs anstelle von NPN- oder PNP-Typen zu verwenden, ergibt einige Vorteile:

H-Brücke aus MOSFET-Transistoren
Abbildung 14:
Lediglich zwei pullup oder pulldown-Widerstände werden benötigt und die Werte von R1 beziehungsweise R2 sind weniger kritisch; verwendet relativ hohe Werte, um zu verhindern, dass die maximale Verlustleistung erreicht wird. Die minimale Eingangsspannung des Schaltkreises wird von der Source-Gate-Spannung bestimmt, die benötigt wird, um den MOSFET sicher "einschalten" zu können (diese muss etwas höher sein als die Schwellspannung VGS(th)). Die maximale Eingangsspannung sollte deutlich unterhalb der maximalen Source-Gate-Spannung liegen, um das Arbeiten am Limit zu verhindern. Bedenkt die Entstehung von Spannungsspitzen beim Schalten induktiver Lasten.

H-Brücke aus MOSFET-Transistoren, Maximalspannung
Abbildung 15:
Übersteigt die Eingangsspannung die maximale Source-Gate-Spannung der MOSFETs, so können vier Spannungsteiler eingefügt werden, jeder bestehend aus einer Zenerdiode und einem konstanten Widerstand. Die Zenerspannung muss deutlich größer sein als die Schwellspannung bei welcher der Transistor "eingeschaltet" wird.
Jetzt begrenzt die maximale Source-Drain-Spannung, die üblicherweise deutlich höher als die maximale Source-Gate-Spannung ist, die Höhe der Eingangsspannung des Schaltkreises.

H-Brücke aus MOSFET-Transistoren, Shoot through
Abbildung 16:
Die Eingangsklemmen müssen immer entweder an die positive oder negative Versorgungsspannung angeschlossen werden. Ist zum Beispiel X1 an den Pluspol angeschlossen, während an X2 lediglich die halbe Versorgungsspannung anliegt (+6V), so ist das Potential zwischen T1 und T2 fast 0V, das zwischen T3 und T4 beträgt circa 6V, da der Widerstand von T3 in etwa dem von T4 entspricht. In Summe ergibt sich ein Potential von 6V, gemessen von der linken zur rechten Seite der Last. Bedenkt jedoch, dass der Widerstand von T3 und T4 relativ niedrig ist, womit ein sehr hoher Strom durch den rechten Zweig des Schaltkreises fließt!
Bei jedem Schaltvorgang einer H-Brücke, also immer dann wenn die Spannung an einer der Eingangsklemmen von der positiven Versorgungsspannung auf Null oder umgekehrt wechselt, fließt für kurze Zeit ein hoher Strom durch den betreffenden Zweig des Schaltkreises. Diese überlappende Einschaltzeit beider Transistoren eines Zweiges bezeichnet man als cross conduction oder Shoot-through.

H-Brücke aus MOSFET-Transistoren, mit RC-Glied
Abbildung 17:
Durch ein lineares RC-Glied kann die Einschaltprozedur der Transistoren verzögert werden, wodurch ein Shoot-through verhindert wird. Sobald sich die Spannung an X1 von der positiven Versorgungsspannung hin zu Null Volt ändert, wird C1 langsam über R1 geladen, wodurch sich die Einschaltprozedur von T1 verzögert. Im Gegensatz wird C2 über D2, die in Vorwärtsrichtung gepolt ist, sehr schnell entladen, womit T2 fast verzögerungsfrei ausgeschaltet wird.
R5 und R6 sind pulldown-Widerstände.

Oszillogramm H-Brücke aus MOSFET-Transistoren mit RC-Glied
Abbildung 18:
Zwei lineare RC-Glieder, jeder aufgebaut aus einem 47kΩ Widerstand und einem 1nF-Kondensator verzögern die Einschaltprozedur der MOSFETs (turn-on delay). Der high-side MOSFET (gelbe Kurve) wird schlagartig ausgeschaltet, da der Entladestrom von C1 durch die in Vorwärtsrichtung gepolte Diode (D1) fließt. Die Einschaltprozedur des low-side MOSFET ist verzögert, da der Ladestrom von C2 durch R2 fließt. An der fallenden Flanke des Eingangssignals ist die Ausschaltprozedur des low-side MOSFET (rote Kurve) schneller als die Einschaltprozedur des high-side MOSFET, da nun D2 in Vorwärtsrichtung gepolt ist.

PWM

Wird nur ein Teil der Gesamtleistung für die Last benötigt, so kann eine H-Brücke per Pulsweitenmodulation angesteuert werden. Um die überlappenden Einschaltzeiten bei jedem Schaltvorgang zu verhindern, muss der Schaltkreis abgeändert werden:

H-Brü:cke mit PWM-Ansteuerung
Abbildung 19:


Die P-Kanal MOSFETs werden nach wie vor direkt von dem Signal an X1 beziehungsweise X2 angesteuert, während die N-Kanal MOSFETs durch das Signal an X1 und dem Pulsweitensignal beziehungsweise X2 und dem Pulsweitensignal kontrolliert werden. Wird X1 mit dem Pluspol verbunden, so wird T1 "ausgeschaltet". T2 wird erst dann eingeschaltet, wenn auch das Pulsweitensignal auf "high" gelegt wird. Ist eine der beiden Klemmen auf Masse, so wird T2 "ausgeschaltet", da entweder D1 oder D2 oder beide in Vorwärtsrichtung gepolt ist, womit der Gatepin von T2 ebenfalls auf Masse gezogen wird. Liegt andererseits X1 auf Masse, so ist T1 dauerhaft "eingeschaltet", während T2 dauerhaft "ausgeschaltet" ist, auch wenn das Pulsweitensignal auf High-Level liegt, da das Potential am Gate von T2 über D1 ständig auf Masse gezogen wird. Das gilt ebenso für X2 und das Pulsweitensignal. Mit X1 und X2 wird die Polarität an der Last geschaltet, während die zugeführte Leistung durch das Pulsweitensignal an der dritten Anschlussklemme bestimmt wird. Die Dioden bilden ein UND Gatter.
Wird die Polarität verändert, fließt immer dann ein hoher Strom durch die Zweige der H-Brücke, wenn gleichzeitig das Pulsweitensignal auf High-Pegel liegt. Es sollte also sichergestellt sein, dass das Pulsweitensignal auf Masse ("low") liegt, bevor die Polarität geändert wird.

Spannungsanpassung

Wird eine H-Brücke mit einer Eingangsspannung von 12V betrieben, so muss der High-Pegel an den Eingangsklemmen ebenfalls 12V betragen. Computer stellen zum Beispiel eine Ausgangsspannung von nur 5 oder 3.3V bereit. Die Lösung des Problems besteht darin, drei Verstärkerschaltkreise einzufügen:

Spannungsanpassung H-Brücke
Abbildung 20:


Werden für die Verstärkerschaltungen MOSFETs verwendet, so wird der Strom durch die Eingangsklemmen auf den Bruchteil reduziert, der durch die Pulldown-Widerstände R6 - R8 fließt. Bedenkt, dass der Spannungspegel durch die Verstärkerschaltungen invertiert wird: Ein "High"-Pegel an der Eingangsklemme des Pulsweitensignals wird zu einem "Low"-Pegel an D2 und D4, womit ein "Low"-Pegel am Pulsweitensignal erforderlich ist, um die Last zwischen den Mittelpunkten der H-Brücke mit elektrischer Leistung zu versorgen. Umgekehrt ist jetzt ein "High"-Pegel am Pulsweitensignal erforderlich um ein shoot-through beim Wechsel der Polarität der H-Brücke zu verhindern.

Freilaufdioden

Wie im Kapitel zur Pulsweitenmodulation erwähnt, kann eine Freilaufdiode verwendet werden, um Spannungsspitzen beim Schalten induktiver Lasten zu verhindern. Diese Diode muss parallel zur Last, jedoch in Sperrrichtung geschaltet werden. Wird eine H-Brücke verwendet, um eine Last zu schalten, so kann die Polarität variiert werden, womit die Diode in Vorwärtsrichtung gepolt wird! Um das zu verhindern, müssen 4 Dioden in den Schaltkreis eingefügt werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen:

Freilaufdioden H-Brücke
Abbildung 21:


Befindet sich der Pluspol der induzierten Spannung auf der linken Seite der Last, so wird die Spannungsspitze durch einen Stromfluss durch D5 und D8 unterdrückt. Befindet sich der Pluspol hingegen auf der rechten und somit der Minuspol auf der linken Seite der Last, so fließt der Strom durch D6 und D7. Der Maximalstrom der Dioden sollte nicht kleiner als der maximale Drain-Strom der verwendeten Transistoren sein. Der Spannungsabfall an in Vorwärtsrichtung gepolten Schottky-Dioden ist kleiner (0.15-0.45 Volt) als der von Siliciumdioden (0.6-1.7 Volt), womit die Verlustleistung ebenfalls deutlich sinkt.

Die folgenden Bauteile wurden für die im Video demonstrierte H-Brücke verwendet:
T1, T3 = P-Kanal MOSFET IRF9Z34N
T2, T4 = N-Kanal MOSFET IRLZ24N
T5 - T7 = N-Kanal MOSFET 2N7000
R1 - R8 = 12kΩ
D1 - D4 = Kleinsignal-Siliziumdiode
D5 - D8 = Schottky Dioden z.B. SB2040
Der Schaltkreis kann an einer Spannung von 5-12V betrieben werden. Die Spannung der Steuerpulse sollte über 3V liegen. Der maximale Strom durch die Last sollte 5A nicht übersteigen, wenn die Transistoren ohne Kühlkörper betrieben werden.

Simple Ansteuerung

H-Brücke, simple Ansteuerung
Abbildung 22:


Wird der Pulldown-Widerstand an X2 entfernt und dieser Eingang mit dem Drain-Pin von T5, dem MOSFET der Verstärkerstufe von X1 verbunden, so genügen zwei Eingänge, um die H-Brücke ansteuern zu können. X1 steuert die Polarität der H-Brücke: Der Pluspol ist auf der linken Seite der Last, wenn ein "High"-Pegel an X1 anliegt und der Pluspol ist auf der rechten Seite, wenn an X1 ein "Low"-Pegel liegt.
Der zweite Eingang ist für das Pulsweitensignal, das die an die Last abgegebene elektrische Leistung regelt.
Je weniger Eingänge erforderlich sind, um so weniger Ausgänge benötigt man auf der Seite des ansteuernden Computers oder Microcontrollers. Der Nachteil liegt in einer geringeren Flexibilität. Zur Ansteuerung der weiter unten genannten Bremsfunktion kann diese zwei-Kanal H-Brücke nicht verwendet werden. Hierzu werden mindestens drei Eingänge (X1, X2 und PWM) benötigt.

Elektromotorische Bremse

Wird der Motor eines Elektrofahrzeugs durch eine H-Brücke angesteuert, so muss ein weiterer Effekt der Freilaufdioden beachtet werden:

H-Brücke mit elektromotorischer Bremse
Abbildung 23:
Verursacht durch die Massenträgheit wird das Elektrofahrzeug keinesfalls sofort anhalten, sobald dem Motor keine elektrische Energie mehr zugeführt wird. Der Motor dreht sich weiter und arbeitet als Generator. Die Polarität der dabei generierten Spannung ist identisch zu jener der zuvor zugeführten elektrischen Leistung. Der Strom, der jetzt durch die Freilaufdioden und die Wicklung des Motors fließt, verlangsamt jetzt das Fahrzeug, bedenkt, dass mechanische in elektrische Energie verwandelt wird. Diesen Vorgang bezeichnet man als elektromotorische Bremse, im Englischen als dynamic braking.
Ein Teil der generierten elektrischen Leistung wird von den Freilaufdioden und den Wicklungen des Motors in Wärme umgewandelt, der Rest wird an die Spannungsversorgung "zurückgegeben". Ein deutlich komplexerer Schaltkreis ist erforderlich, um die derart generierte Energie zuverlässig in den Akku des Fahrzeugs einzuspeisen, was man als rekuperatives Bremsen bezeichnet.

H-Brücke mit elektromotorischer Bremse
Abbildung 24:
Ohne Freilaufdioden kann der Prozess des elektromotorischen Bremsens durch die H-Brücke gesteuert werden:
Sind alle vier Transistoren "ausgeschaltet", so fließt kein Strom durch die Windungen des Motors, folglich drehen sich die Räder frei, ohne durch elektromotorisches Bremsen verlangsamt zu werden. Selbstverständlich muss die dabei induzierte Spannung beachtet werden. Um die elektromotorische Bremse zu aktivieren, müssen die beiden unteren oder die beiden oberen MOSFETs "eingeschaltet" werden. Jetzt besteht eine leitfähige Verbindung zwischen den Anschlussklemmen des Motors und das Fahrzeug wird aktiv gebremst, während elektrische Energie generiert wird. Die Energie wird von den Transistoren und den Drahtwicklungen des Motors in Wärme verwandelt, weshalb diese Art der elektromotorischen Bremse als Widerstandsbremse bezeichnet wird.

N-Kanal MOSFETs

H-Brücke, N-Kanal MOSFETS
Abbildung 25:
Die Majoritätsladungsträger von P-Kanal MOSFETs sind Elektronenfehlstellen, deren Beweglichkeit kleiner ist als die von Elektronen, den Majoritätsladungsträgern in N-Kanal MOSFETs. Als Folge dessen ist der minimale Widerstand von P-Kanal MOSFESTs bei ansonsten gleichen Abmessungen höher als der von N-Kanal MOSFETs. Um die Verlustleistung einer H-Brücke zu minimieren, können vier N-Kanal MOSFETs anstelle von zwei low-side N-Kanal und zwei high-side P-Kanal Typen verwendet werden.

H-Brücke, N-Kanal MOSFETS
Abbildung 26:
Nehmen wir an, der Schaltkreis ist an eine Versorgungsspannung von +12V angeschlossen. X3 ist mit Masse verbunden, womit T3 "ausgeschaltet" ist. X4 ist an +12V angeschlossen, womit T4 "eingeschaltet" ist. Das Potential an dem rechten Mittelpunkt beträgt nahezu 0V. Die Situation an der linken Halbbrücke ist kniffliger:
X2 ist mit der Masse verbunden, also ist T2 "ausgeschaltet". X1 ist mit +12V verbunden, aber welches Potential liegt zwischen Source und Gate von T1? Wäre T1 "eingeschaltet", so würde das Potential am Mittelpunkt der linken Halbbrücke etwa +12V betragen. Damit ergäbe sich als Potentialdifferenz zwischen Source und Gate von T1 eine Spannung von nahezu 0V, womit T1 "ausgeschaltet" würde. Sind T1 und T2 "ausgeschaltet", so ergäbe sich für das Potential am linken Mittelpunkt eine Spannung von etwa +6V, was eine Spannung von +6V zwischen Source und Gate von T1 bewirken würde, was ausreicht, um T1 "einzuschalten". Die Wahrheit liegt zwischen diesen beiden Extremwerten. Beträgt die Schwellspannung des N-Kanal MOSFETS etwa 2V, so tendiert der Schaltkreis zu einem Potential von etwa 10V am Mittelpunkt, womit T1 teilweise "eingeschaltet" wird.

H-Brücke, N-Kanal MOSFETS
Abbildung 27:
Um T1 voll "einschalten" zu können, muss ein Potential oberhalb von 14V (12V +2V Schwellspannung) an das Gate der High-side MOSFETs gelegt werden, womit eine zweite Spannungsquelle benötigt wird. Der die MOSFETs steuernde Schaltkreis wird komplexer als der einer H-Brücke bestehend aus P-Kanal MOSFETs an der oberen Seite.


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