为什么H桥中的反激二极管不会损坏电源?


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我目前正在学习驱动小型直流电动机(约5V)。到目前为止,我的研究表明,L298N可能是快速启动并运行某物的不错选择。但是,我也试图了解到底发生了什么(即内部H桥),有些事情对我来说并不是很清楚。第6页数据手册中的示例电路在H桥看来很常见的配置中使用了四个反激二极管(因为其他站点推荐使用类似的H桥电路)。暂时忽略L298N的配置看起来像这样:

现在,如果我正确理解的话,这些二极管为电动机提供了一条路径,以在MOSFET关断时保持电流流动,以防止出现大的电压尖峰。然而,该电流的路径似乎正反方向通过电源。即,相对于电源正常提供的电流方向相反。如下图所示。

由于我对电子领域还比较陌生,因此这似乎很奇怪。我知道,如果电源是理想的恒压源,则可以在纸上使用。但这在现实生活中真的安全吗?假设我使用一些碱性电池为我的项目供电,那么这种反向电流看起来就像是在充电。和维基百科页面约碱性电池说:

尝试充电可能会导致破裂或有害液体泄漏,从而腐蚀设备。

或者,如果我使用实验室电源甚至电压调节器作为电压源怎么办?这些反向电流的处理方式对我来说并没有多大意义,我担心我会炸毁设备。.有人能启发我为什么上面的电路实际上是安全的吗?如果它不安全,那么为什么很多站点都推荐它,我应该使用哪种电路呢?


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仅供参考,市场上有应该与一次性碱性电池一起使用的电池充电器。有人声称您可以重复使用碱性电池数十次。其他人说两三遍。YMMV。但是,我的意思是,碱性电池在看到负电流时不会立即爆裂。
所罗门慢

Answers:


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二极管有两个不同的用途。

  1. 在再生制动下,它们将产生的电压返回到电源(在使用合适的电子设备的情况下,可用于为电池充电)。请注意,除非电动机以高于其正常速度的速度运行,否则所产生的电压将不超过电源电压,因此该电压应在电源的额定电压范围内。因此,电源通常可以承受这种情况-但如果它不能吸收电流(给电池充电或将其倾倒到制动电阻器中),则制动作用很小或没有。
  2. 二极管还将电感尖峰(从电动机电刷)返回到电源,在很短的时间内可能为数百伏,这可能对电源造成破坏。然后要回答一个实际的问题-电源可能会被高压尖峰损坏,因此其设计者必须采取预防措施以防止这种损坏-例如串联的电感器(铁氧体磁珠)以及电源上足够的去耦电容器,以及可能存在瞬态吸收高压瞬变的抑制器或压敏电阻

请注意,这些尖峰中通常没有足够的能量来对原电池造成任何损害,因此,如果将桥直接连接至电池,请放轻松。但是,并非为驱动电动机而设计的稳压电源可能会成为问题。


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如果电动机正在发电,则进入电动机的净功率必须为正,因此流出电池的净电​​流必须沿消耗电池的方向,因此您可以。

如果电动机被再生制动,则功率可能会从电动机中流出,并会推动电源电压升高并为电池充电(这在电动汽车中很有用)。直接连接到原电池的小型电动机通常不需要担心,但是如果您的电源无法吸收电流(例如整流器+滤波器),则如果电容器不够大,可能会引起问题。


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感谢您的快速回答,我想我已经开始明白了。因此,在数据手册电路中,+ Vs与地之间的电容器的功能之一是在电源无法吸收电流的情况下为电流提供路径。我之所以这样问,是因为我最初的理解是,这只是一个可以安全地省去的平滑电容器(如图中紫色路径所示)。因此,如果电源不能吸收电流,则为了避免损坏电源,绝对必须使用电容,因为电流会流过电容而不是电源。那是对的吗?
s1m0n

您绝对需要电容器,并且引线应短。您要保持较小的环路面积(从而减小电感),否则可能会损坏MOSFET。
Spehro Pefhany

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切勿在全桥上使用LDO,这很重要,因为它们只能提供电流+电流,而不能吸收电流。
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,2018年

@TonyEErocketscientist感谢您的澄清。但是,如果电容器足够大,我仍然可以在全桥上安全地使用LDO,对吗?
s1m0n

是的dV = Ic dt / C,但根据dV的耐受性或电池的不同,可能需要设置为超级电容
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75 '18

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我对电动机不是很熟悉,但是会在此处造成危险。在对电路进行建模时,例如使用SPICE或类似的封装,通常将DC电源建模为对地短路。通常在有关基础电气工程的教科书中对此进行了简短的解释。

还记得直流电源通常会在其输出两端使用电容器,通常是为了消除纹波。这些电容器充当瞬态电流的“接地短路”。


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通常,高侧驱动器用于有刷电机或步进电机和BLDC极点开关的方向,而低侧用于PWM,以限制电流,转矩和加速度。

当低压侧驱动器关闭时,电压升高,并且电流持续衰减,直至与V +短路,因此关闭时电流不会流经电池或电源。它在高端驱动器和相反的电动机极性高端二极管上继续。

随着极性和方向以相同的方式交替变化,从而阻止了流向电源的电流,因为它继续循环通过相反的驱动器,直到几个L / R时间常数。

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