为什么H桥中的反激二极管不会损坏电源?

电器工程 直流电机 H桥 飞回来 l298
2022-01-07 10:17:21

我目前正在学习驱动小型直流电机(~ 5V)。到目前为止,我的研究表明,L298N 可能是快速启动和运行某些东西的好选择。但是,我也试图了解到底发生了什么(即内部 H 桥),并且有些事情对我来说并不是很清楚。第 6 页数据表中的示例电路使用四个反激二极管,其配置似乎对 H 桥很常见(因为其他站点推荐类似的 H 桥电路)。暂时忽略 L298N 的配置基本上如下所示:

现在,如果我理解正确,这些二极管为电机提供了一条路径,以在 MOSFET 关闭时保持电流流动,以防止出现大的电压尖峰。然而,该电流的路径似乎以相反的方向通过电源即,与电源正常提供的电流方向相反。如下图所示。

由于我对电子世界比较陌生,这似乎是一件奇怪的事情。如果电源是理想的恒压源,我知道这在纸上有效。但这在现实生活中真的安全吗?假设我正在使用几节碱性电池为我的项目供电,那么这个反向电流看起来就像在充电。关于碱性电池的维基百科页面说:

尝试充电可能会导致破裂,或泄漏会腐蚀设备的危险液体。

或者,如果我使用实验室电源甚至稳压器作为电压源怎么办?如何处理这些反向电流对我来说没有多大意义,我担心我可能会炸毁我的设备。有人能告诉我为什么上面的电路实际上是安全的吗?如果它不安全,那么为什么很多网站都推荐它,我应该使用什么电路?

4个回答

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给电源(如果有合适的电子设备,它可以用来给电池充电)。请注意,除非电机以高于其正常速度运行,否则产生的电压不会超过电源电压,因此它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(要么为电池充电,要么将其倒入制动电阻器中),那么制动效果就会很小或没有。
  2. 二极管还将感应尖峰(来自电机电刷)返回到电源,这些尖峰可能是数百伏,持续时间很短,这可能会破坏电源。然后回答实际问题 - 电源可能会被高压尖峰损坏,因此其设计人员必须采取预防措施来防止这种损坏 - 例如串联电感器(铁氧体磁珠),以及电源两端的充足去耦电容器,以及可能的瞬态抑制器或压敏电阻以吸收 HV 瞬变

请注意,这些尖峰通常没有足够的能量对原电池造成任何损害,因此如果您将电桥直接连接到电池,请放松。但并非设计用于驱动电机的稳压电源可能是个问题。

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​​流必须朝耗尽电池的方向,所以你很好。

如果电机正在再生制动,则功率可以从电机流出,并可以提高电源电压并为电池充电(这在电动汽车中很有用)。使用直接连接到原电池的小型电机通常不需要担心,但如果您的电源不能吸收电流(例如整流器 + 滤波器),如果电容器不够大,可能会导致问题。

我对电机不是很熟悉,但会在这里冒险回答。在对电路进行建模时,例如使用 SPICE 或类似封装,直流电源通常被建模为对地短路。这通常在基本电气工程的教科书中得到一些简要的解释。

还记得直流电源通常会在其输出端使用电容器,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”。

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

当低端驱动器关闭时,电压上升,电流继续衰减,并与 V+ 短路,因此关闭时电流不会通过电池或电源循环。它继续在高端驱动器和相反电机极性的高端二极管上。

这与极性和方向交替,以相同的方式阻止流向电源的电流,因为它继续通过相反的驱动器循环,直到几个 L/R 时间常数。