Wie funktioniert diese H-Brückenschaltung?

Ich versuche, ein altes ferngesteuertes Spielzeugauto zu reparieren. Es würde nur rückwärts gehen und die Vorwärtsbewegung würde stottern. Nach einigem Nachforschen stellte sich heraus, dass einer der NPN-Transistoren der H-Brücke defekt ist. Da ein direkter Ersatz schwer zu bekommen ist, habe ich einen Ersatz gefunden. Ich habe mir nicht allzu viele Gedanken über Parameter gemacht, ich dachte, Transistoren in einer H-Brücke arbeiten im Sättigungsbereich und es sollte viel Spielraum geben.

Hier ist der Schaltplan, der von der Leiterplatte zurückentwickelt wurde:

H-Brücken-Schema, von der Leiterplatte zurückentwickelt

Ich habe den ursprünglichen Q14 (2SD882, gekennzeichnet als NEC D882) durch einen BD238 ersetzt. Der BD238 hat einen niedrigeren hFE (> 40 statt > 80) und einen niedrigeren Ic, was meiner Meinung nach keine Rolle spielen würde. [ Bearbeiten : Wie die Leute richtig darauf hingewiesen haben, war der ziemlich lächerliche Fehler, den ich gemacht habe, dass der BD238 ein PNP-Transistor ist! Es geht nichts über ein zweites Augenpaar. Damit ist zumindest dieser Teil der Frage bereits beantwortet.]

Nun, es stellt sich heraus, dass der Ersatz nicht funktioniert. Was mich veranlasste, die Schaltung näher zu untersuchen, wodurch mir klar wurde, dass ich nicht wirklich verstehe, wie sie funktioniert, geschweige denn, warum der Austausch nicht funktioniert. Und die Schaltung ist ziemlich interessant und verwendet sehr wenige Komponenten. Beachten Sie zum Beispiel das Fehlen von Sperrdioden. Ich denke, deshalb wurden Transistoren mit Vceo = 30 V verwendet, in der Hoffnung, dass sie den Spannungsspitzen standhalten würden.

Nach dem Austausch des defekten Transistors dreht sich der Motor nie in die Richtung, die von diesem H-Brückenzweig behandelt wird.

Ich habe einiges ausprobiert. Ich habe es auf eine einzige Richtung eingegrenzt, die nicht funktioniert. Durch Ersetzen des NPN-Transistors in diesem Zweig durch einen 2SD882 funktioniert diese Richtung wieder. Ich habe auch versucht, die Basisströme zu verdoppeln (um möglicherweise den niedrigeren hFE zu kompensieren), indem ich einen weiteren 47-Ω-Widerstand parallel zum 51-Ω-Widerstand im Zweig geschaltet habe. Keine Änderung.

Ich habe über den BE-Spannungsabfall des neuen BD238-Transistors nachgedacht – schließlich wird die Schaltung mit etwa 5 Volt betrieben, was für 3 Übergänge (BE von Q12, EC von Q10 und BE von Q14) ausreichen muss, aber ich kann Ich verstehe nicht, wie es hoch genug sein könnte, um zu verhindern, dass die Schaltung funktioniert.

Ich suche Antworten auf folgende Fragen:

  • Wie funktioniert diese Schaltung? Es hat erstaunlich wenige Komponenten. Wenn Sie einen der Eingänge auf Low bringen, sollten drei Transistoren (z. B. Q10, Q12 und Q14) eingeschaltet werden, aber ich sehe nicht, wie dies nur durch Ziehen der Basis von Q10 auf Low geschehen würde. Woher kommt die Spannung an der Basis von Q12? Es gibt keine Vorspannung, keine Klimmzüge. Bringt man die Basis von Q10 niedrig genug, um den Stromfluss durch Q12 (EB) zu starten?
  • Warum funktioniert das Ersetzen eines 2SD882 durch einen BD238 nicht? Ich muss das verstehen, bevor ich nach anderen Ersatzprodukten suche. [ Bearbeiten : Dieser Teil ist bereits beantwortet, ich habe den dummen Fehler gemacht, einen PNP-Transistor zu ersetzen, ohne es zu bemerken.]
  • Wie wichtig ist der PNP/PNP-Komplementärpaarabgleich in einer H-Brücke? Ich konnte dazu keine Informationen finden. Jeder erwähnt, dass es gut ist, ein passendes Paar zu haben, aber es wird keine Begründung gegeben. Ich sehe nicht, wie geringfügige Unterschiede in hFE das Verhalten einer einfachen Motortreiberschaltung beeinflussen könnten (oder sollten).

Das Spielzeugauto wird von 4 D-Batterien (also etwas über 5 Volt) angetrieben, und der Motor zieht im Normalbetrieb etwa 0,4 A. Ich habe auch den Basisstrom für die NPN-H-Brückentransistoren im aktivierten Zustand gemessen: Er beträgt 60 mA, wenn ein 2SD882 installiert ist, und 2,2 mA, wenn der BD238 installiert ist.

Links zu relevanten Datenblättern für einen einfacheren Zugriff:

Antworten (3)

Sie haben ziemlich genau die richtige Vorstellung davon, wie die Schaltung funktioniert. Wenn Sie Q10 nach unten ziehen, erhalten Sie am Ende Vcc über Vbe_12 + Vbe_10 + Widerstände. Vbes liegen im Allgemeinen bei etwa 0,7 Volt, sodass Sie Vcc-1,4 V = Vwiderstände erhalten. Wenn Sie die Spannung über den Widerständen kennen, können Sie den Strom berechnen, der durch diesen Pfad von VCC durch die Basis von Q10 fließt. Sobald Sie den Strom kennen, der mit einem bekannten Hfe durch Q10_base fließt, wissen Sie, wie viel Strom in die Basis von Q14 fließt. Dieser Strom in Q14 schaltet ihn ein und sein Hfe sollte viel Strom zulassen, damit der Motor vom Kollektor zum Emitter durch ihn fließen kann.

Das Anheben des Eingangs an Q10 auf High bewirkt, dass der Spannungsabfall an Vbe+Vbe+Widerständen jetzt 0 ist. Da es keinen Spannungsabfall gibt, werden die PNPs abgeklemmt und es fließt kein Strom durch diesen Pfad. Da durch diesen Pfad kein Strom fließt, darf kein Strom vom Emitter zum Kollektor des PNP Q10 fließen. Kein Strom durch diesen Pfad verhindert, dass Strom in die Basis von Q14 fließt. Ohne dass Strom in die Basis von Q14 fließt, verhindert dies, dass Strom von diesem Pfad vom Motor zur Erde fließt.

Ihre dritte Frage fällt etwas in die Grauzone. Wenn Sie angepasste Transistoren haben, können Sie davon ausgehen, dass jedes Komplement die gleiche Strommenge zulässt, Sie können davon ausgehen, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten ungefähr gleich sind, und Sie können davon ausgehen, dass der EIN-Widerstand des Transistors ungefähr gleich ist. Wenn Sie in diesem Paar eine Diskrepanz haben, müssen Sie sicherstellen, dass Sie in keinem dieser Punkte Kompromisse eingehen. Wenn sich einer schneller einschaltet als der andere Zeit zum Abschalten hat, werden Sie am Ende längere Zeiten haben, wenn sowohl Q11 als auch Q14 gleichzeitig eingeschaltet sind. Dies verursacht einen direkten Kurzschluss, der oft zu verbrannten Spänen führt. Wenn ein Transistor nicht mit der Strommenge umgehen kann, die der andere liefern kann, verhindert dies entweder, dass Ihr Motor optimal läuft, oder könnte dazu führen, dass Ihr zu kleiner Transistor vorzeitig ausfällt. Grundsätzlich,

Danke für die tolle Erklärung! Was ich schwer zu verstehen fand, war, dass Sie die Basis von Q10 nach unten ziehen und einschalten können, obwohl das Segment mit R1 nicht auf Vcc hochgezogen ist und Q12 (anfangs) ausgeschaltet ist. Ich denke, das Konzept dieses "schwebenden" Schaltungssegments verwirrt mich. Mir war nicht klar, dass das Anlegen einer ausreichenden Spannung an zwei Vbe-Übergängen es beiden ermöglicht , die Schwelle zu überwinden und Strom zu leiten. Nachdem dies verstanden wurde, ist der Rest der Schaltung nun klar.
@JanRychter Bei BJTs können Sie dazu neigen, die BE-Verbindung so zu behandeln, dass sie wie eine Diode wirkt. Nachdem eine bestimmte Spannung (~0,7 V) an ihnen abgefallen ist, schalten sie sich ein und fangen einfach an, so viel Strom durch sie abzulassen, wie Sie möchten. Eine beliebige Anzahl von Dioden in Reihe ist in Ordnung, solange die Gesamtkette von ihnen keine höhere kombinierte Sperrspannung als die Spannungsquelle hat. Diese Behandlung wie eine Diode führt jedoch auch zu der Idee, dass Sie auch Strombegrenzungswiderstände um sie herum haben müssen, da sie sonst durch die Stromüberlastung explodieren.
@JanRychter Schließlich verhält sich der BE-Übergang wie eine Diode, weil er es buchstäblich ist. Ein BJT ist kaum mehr als zwei Dioden, die auf engstem Raum Rücken an Rücken geschaltet sind.

Das Hauptproblem ist, dass der BD238 ein PNP-Transistor ist, kein NPN!

Das muss einen großen Applaus +1 wert sein. Vielleicht sollte es jemandem peinlich sein LOL.
In der Tat! seufz, es ist unglaublich, wie ich das übersehen konnte. Es scheint, als hätte ich in der Verwirrung, vor Ort einen Ersatz zu kaufen, das total verpasst! Nun, wir können jetzt alle gut lachen :-) (Ich habe die Frage so bearbeitet, dass auf den Fehler hingewiesen wird)
Andy – ja, auf der einen Seite ist es mir peinlich, aber auf der anderen Seite machen wir alle Fehler, manche sind dumm, und manche sind schwer zu erkennen. Das macht Stack Exchange großartig, wenn Sie vor Ort kein anderes Augenpaar haben, das Ihnen hilft. Und ich würde immer noch gerne verstehen, wie diese Schaltung funktioniert.

Jeder dieser Treiber steuert einen einzelnen Motor. Der Hauptzweck der H-Brücke besteht darin, eine bidirektionale Steuerung zu ermöglichen. Ich habe Ihren Schaltplan genommen und grobe Markierungen darauf gemacht, um zu versuchen, die Verwendung zu erklären.

Q10ist ein PNP-Transistor. Wenn Sie also Basisstrom aus dem Gerät ziehen, wird es "eingeschaltet", genauso wie bei der Beschaffung von Basisstrom für die NPN-Variante. Wenn Sie also einschalten Q10und "ausschalten", Q9haben Sie Steuerstrom (rot dargestellt) und Strom durch den Motor (blau dargestellt).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Kehren Sie einfach die Steuerpolarität von Q10und um Q9, um den Motor in die entgegengesetzte Richtung anzutreiben.

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