Warum schließen sich einfache H-Brücken, die PNPs in Kombination mit NPNs verwenden, nicht sofort kurz (oder tun sie es)?

Es gibt ein einfaches Design für eine H-Brücke, das ich immer wieder überall sehe.

Mein Schema

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Dieses Design wird auf der Sparkfun-Tutorials-Website sowie an anderen Stellen vorgestellt (nur Google-Bildsuche pnp h bridge). Ich habe ein ähnliches Design gefunden, das noch häufiger vorkommt und sogar auf dieser SE-Site diskutiert wurde , wo es als "Lehrbuchbeispiel" bezeichnet wurde. Es ist ein wenig anders, hat aber immer noch das gleiche Problem, nur nicht so schwerwiegend.

Lehrbuch Beispiel

Im ersten Beispiel an sich (wenn man die beiden Dateneingänge außen vor lässt) ist das nicht ein Kurzschluss? Positiver Strom von VCC würde direkt in Q1 und aus Q3 fließen und beide Transistoren teilweise aktivieren (in einen Gleichgewichtszustand), und genau dasselbe passiert auf der anderen Seite mit Q2 und Q4.

Ich würde erwarten, dass im letzteren Beispiel dasselbe passiert, aber damit der von VCC kommende Strom beide Transistoren auf der linken oder rechten Seite aktiviert, müsste Strom durch 2 kOhm fließen. Als ich genau dieses Beispiel in einem Simulator mit einer 12-V-VCC (ohne angeschlossene zusätzliche Signalelektronik) ausgeführt habe, habe ich einen schwankenden Strom von ~ 0,5 A durch jeden Transistor beobachtet.

Jetzt verstehe ich, dass die Signalelektronik die Dinge ein wenig ändert. Da das zweite Beispiel hier diese Widerstände hat, wird der untere Transistor nicht aktiviert, solange die 4093 Strom ziehen. Wenn die 4093er jedoch ein Hochspannungssignal senden, sollte es besser mindestens gleich VCC / 2 sein, oder es würde einen Spannungsabfall über dem oberen Transistor auf dieser Seite geben und beide würden aktivieren. Dies wird während des Umschaltens kurzzeitig der Fall sein. Stellen Sie sich nun vor, dies mit einem PWM-Signal zu verwenden.

Das erste Beispiel ist noch schlimmer. Um zu verhindern, dass die PNPs das Signal aktivieren, müsste eine widerstandslose Hochspannung angelegt werden, die im Grunde Ihren Mikrocontroller oder andere Elektronik kurzschließt. Und bevor jemand antwortet, dass das erste Beispiel nur "konzeptionell" ist, werfen Sie einen Blick auf die anderen Schaltungen, die auf derselben Sparkfun-Seite beispielhaft dargestellt werden - viele Widerstände und Kurzschlussschutz.

Ich habe diese in einem Simulator getestet, was meine Intuition zu bestätigen schien. Gibt es etwas, das ich nicht sehe? Funktionieren diese Designs in der Realität aus irgendeinem Grund anders als erwartet? Warum sind diese Designs so beliebt und warum würde jemand sie für sicher halten?

Die Idee einer H-Brücke ist diagonale Leitung. Wenn Q1 und Q4 eingeschaltet sind, müssen Q2 und Q3 ausgeschaltet sein. Umgekehrt müssen Q1 und Q4 ausgeschaltet sein, wenn Q2 und Q3 eingeschaltet sind. Warum denken Sie, dass Q1 und Q3 gleichzeitig laufen würden? Sie werden schließlich von demselben Signal angesteuert und sind entgegengesetzt aufgebaut (PNP vs. NPN) ... wenn der Treiber "hoch" ist (= Vcc), ist der PNP-VEB = 0 und der NPN-VBE ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt.
... Außer beim "Durchschießen", wenn sich die Eingänge im Übergang befinden und nicht vollständig hoch oder niedrig sind.
Simple Mind Design einfache (oder vielleicht dumme) Schaltung.

Antworten (2)

Vielleicht hat der Autor die Tatsache ignoriert, dass Ihre erste Schaltung nicht mit Versorgungsspannungen von mehr als 1,2 V funktioniert, oder vielleicht hat er oder sie es nicht verstanden. Wer weiß? Es gibt keinen Mangel an schlechten Schaltungen im Internet. Wenn die Versorgungsspannung zwei Vbe-Abfälle überschreitet, leiten beide Basis-Emitter-Übergänge und die Transistoren werden zerstört, wenn genügend Spannung angelegt wird.

Der zweite funktioniert tatsächlich, neigt aber dazu, beim Umschalten kurz durchzuschießen, da die Transistoren nicht sofort abschalten, sodass beide während des Umschaltens wahrscheinlich kurz eingeschaltet sind.

PWM = RIP
@JSideris Kurz gesagt.
@SpehroPefhany Der Autor in diesem Fall ist OP, der die Warnung von SparkFun bequem weggelassen hat: Hinweis: Zu einer gut gestalteten H-Brücke gehört normalerweise einiges mehr, einschließlich Flyback-Dioden, Basiswiderständen und Schmidt-Triggern.
@pipe Mit anderen Worten, nur konzeptionell. Klingt ungefähr richtig, obwohl ich nicht glaube, dass ich in diesem speziellen Fall "normalerweise" drin gelassen hätte. Keine Notwendigkeit für Wieselwörter.
@pipe Überhaupt nicht. Ich habe praktischerweise einen Link bereitgestellt, damit wir das besprechen können. Sowohl der Wortlaut als auch der Kontext auf dieser Seite lassen den Eindruck entstehen, dass Basiswiderstände optional sind, wie die Flyback-Dioden und Schmidt-Trigger. Schließlich sind Basiswiderstände in allen anderen Schaltungen auf dieser Seite enthalten, es scheint, dass es klug wäre, sie aufzunehmen, da die bereitgestellte Schaltung ohne sie kaum als H-Brücke qualifiziert ist.

Der Schlüssel ist, dass dies eine Tutorial-Schaltung ist, die auf einen bestimmten Aspekt des H-Brücken-Designs abzielt.

Das Tutorial enthält keinen Hinweis darauf, dass dies normalerweise für den Einsatz in der realen Welt geeignet wäre. Es würde mehr oder weniger funktionieren, wie es in sehr begrenzten Sonderfällen ist, was im Wesentlichen das Tutorial sagt. Im Tutorial wird es verwendet, um die grundlegenden Schaltprinzipien zu demonstrieren, und Komponenten, die sich nicht auf die grundlegende Aktion beziehen, werden nicht gezeigt, damit "der Schüler" sich auf den demonstrierten Punkt konzentrieren kann.

Diese Schaltung in die reale Welt entkommen zu lassen, wäre normalerweise ein schwerer Fehler.

Beachten Sie, dass bei Verwendung von MOSFETs anstelle von Bipolartransistoren die Schaltung in weitaus mehr Fällen "nach einer Mode" funktioniert.

Warum schließen sich einfache H-Brücken, die PNPs in Kombination mit NPNs verwenden, nicht sofort kurz (oder tun sie es)?
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