Tài liệu Mạch cầu H docx

Mạch cầu H
Nội dung Các bài cần tham khảo trước
1. Mạch cầu H (H-Bridge Circuit) .
2. Mạch cầu H dùng rờ le .
3. Mạch cầu H dùng BJT công suất .
4. Mạch cầu H dùng MOSFET

I. Mạch cầu H (H-Bridge Circuit).
Gi s b n có m t ng c DC có 2 u A và B, n i 2 u dây này v i ả ử ạ ộ độ ơ đầ ố đầ ớ
m t ngu n i n DC ( c qui i n – battery). Ai c ng bi t r ng n u n i A v i ộ ồ đ ệ ắ đ ệ ũ ế ằ ế ố ớ
c c (+), B v i c c (-) mà ng c ch y theo chi u thu n (kim ng h ) thì ự ớ ự độ ơ ạ ề ậ đồ ồ
khi o c c u dây (A v i (-),đả ự đấ ớ B v i (+)) thì ng c s o chi u quay. T tớ độ ơ ẽđả ề ấ
nhiên khi b n là m t “control guy” thì b n không h mu n làm công vi c ạ ộ ạ ề ố ệ
“ ng tay ng chân” này ( o chi u u dây), b n t s ngh n m t m ch độ độ đả ề đấ ạ ắ ẽ ĩ đế ộ ạ
i n có kh n ng t ng th c hi n vi c o chi u này, m ch c u H (H-đ ệ ả ă ựđộ ự ệ ệ đả ề ạ ầ
Bridge Circuit) s giúp b n. Nh th , m ch c u H ch là m t m ch i n giúp ẽ ạ ư ế ạ ầ ỉ ộ ạ đ ệ
o chi u dòng i n qua m t i t ng. Tuy nhiên, r i b n s th y, m ch đả ề đ ệ ộ đố ượ ồ ạ ẽ ấ ạ
c u H không ch có m t tác d ng “t m th ng” nh th . Nh ng t i sao l i ầ ỉ ộ ụ ầ ườ ư ế ư ạ ạ
g i là m ch c u H, n gi n là vì m ch này có hình ch cái H. Xem minh ọ ạ ầ đơ ả ạ ữ
h a trong hình 1.ọ
Hình 1. Mạch cầu H.
Trong hình 1, hãy xem 2 u V và GND là 2 u (+) và (-) c a c qui, đầ đầ ủ ắ
“ i t ng” là ng c DC mà chúng ta c n i u khi n, “ i t ng” này có 2đố ượ độ ơ ầ đ ề ể đố ượ
u A và B, m c ích i u khi n là cho phép dòng i n qua “ i t ng” đầ ụ đ đ ề ể đ ệ đố ượ
theo chi u A n B ho c B n A. Thành ph n chính t o nên m ch c u H ề đế ặ đế ầ ạ ạ ầ
c a chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L: Left, R:Right). i u ủ Ởđ ề
ki n bình th ng 4 khóa này “m ”, m ch c u H không ho t ng. Ti p theo ệ ườ ở ạ ầ ạ độ ế
chúng ta s kh o sát ho t ng c a m ch c u H thông qua các hình minh h aẽ ả ạ độ ủ ạ ầ ọ
2a và 2b.
Hình 2. Nguyên lý hoạt động mạch cầu H.
Gi s b ng cách nào ó (cái cách nào ó chính là nhi m v c a ng i ả ử ằ đ đ ệ ụ ủ ườ

thi t k m ch) mà 2 khóa L1 và R2 c “ óng l i” (L2 và R1 v n m ), b n ế ế ạ đượ đ ạ ẫ ở ạ
d dàng hình dung có m t dòng i n ch y t V qua khóa L1 n u A và ễ ộ đ ệ ạ ừ đế đầ
xuyên qua i t ng n u B c a nó tr c khi qua khóa R2 và v GND đố ượ đế đầ ủ ướ ề
(nh hình 2a).ư Nh th , v i gi s này s có dòng i n ch y qua i t ng ư ế ớ ả ử ẽ đ ệ ạ đố ượ
theo chi u t A n B. Bây gi hãy gi s khác i r ng R1 và L2 óng trong ề ừ đế ờ ả ử đ ằ đ
khi L1 và R2 m , dòng i n l i xu t hi n và l n này nó s ch y qua i ở đ ệ ạ ấ ệ ầ ẽ ạ đố
t ng theo chi u t B n A nh trong hình 2b (V->R1->B->A->L2-ượ ề ừ đế ư
>GND). V y là ã rõ, chúng ta có th dùng m ch c u H o chi u dòng ậ đ ể ạ ầ đểđả ề
i n qua m t “ i t ng” (hay c th , o chi u quay ng c ) b ng “m t đ ệ ộ đố ượ ụ ể đả ề độ ơ ằ ộ
cách nào ó”.đ
Chuy n gì s x y ra n u ai ó óng ng th i 2 khóa cùng m t bên (L1 ệ ẽ ả ế đ đ đồ ờ ở ộ
và L2 ho c R1 và R2) ho c th m chí óng c 4 khóa? R t d tìm câu tr l i, ặ ặ ậ đ ả ấ ễ ả ờ
ó là hi n t ng “ng n m ch” (short circuit), V và GND g n nh n i tr c đ ệ ượ ắ ạ ầ ư ố ự
ti p v i nhau và hi n nhiên c qui s b h ng ho c nguy hi m h n là cháy nế ớ ể ắ ẽ ị ỏ ặ ể ơ ổ
m ch x y ra. Cách óng các khóa nh th này là i u “ i k ” i v i m ch ạ ả đ ư ế đ ề đạ ị đố ớ ạ
c u H. tránh vi c này x y ra, ng i ta th ng dùng thêm các m ch logic ầ Để ệ ả ườ ườ ạ
kích c u H, chúng ta s bi t rõ h n v m ch logic này trong các ph n sau.để ầ ẽ ế ơ ề ạ ầ
Gi thi t cu i cùng là 2 tr ng h p các khóa ph n d i ho c ph n trên ả ế ố ườ ợ ở ầ ướ ặ ầ
cùng óng (ví d L1 và R1 cùng óng, L2 và R2 cùng m ). V i tr ng h p đ ụ đ ở ớ ườ ợ
này, c 2 u A, B c a “ i t ng” cùng n i v i m t m c i n áp và s ả đầ ủ đố ượ ố ớ ộ ứ đ ệ ẽ
không có dòng i n nào ch y qua, m ch c u H không ho t ng. ây có th đ ệ ạ ạ ầ ạ độ Đ ể
coi là m t cách “th ng” ng c (nh ng không ph i lúc nào c ng có tác ộ ắ độ ơ ư ả ũ
d ng). Nói chung, chúng ta nên tránh tr ng h p này x y ra, n u mu n ụ ườ ợ ả ế ố
m ch c u không ho t ng thì nên m t t c các khóa thay vì dùng tr ng ạ ầ ạ độ ở ấ ả ườ
h p này.ợ
Sau khi ã c b n n m c nguyên lý ho t ng c a m ch c u H, ph n đ ơ ả ắ đượ ạ độ ủ ạ ầ ầ
ti p theo chúng ta s kh o sát cách thi t k m ch này b ng các lo i linh ki n ế ẽ ả ế ế ạ ằ ạ ệ
c th . Nh tôi ã trình bày trong ph n tr c, thành ph n chính c a m ch ụ ể ư đ ầ ướ ầ ủ ạ
c u H chính là các “khóa”, vi c ch n linh ki n làm các khóa này ph ầ ệ ọ ệ để ụ
thu c vào m c ích s d ng m ch c u, lo i i t ng c n i u khi n, công ộ ụ đ ử ụ ạ ầ ạ đố ượ ầ đ ề ể

su t tiêu th c a i t ng và c hi u bi t, i u ki n c a ng i thi t k . Nhìnấ ụ ủ đố ượ ả ể ế đ ề ệ ủ ườ ế ế
chung, các khóa c a m ch c u H th ng c ch t o b ng r le (relay), BJTủ ạ ầ ườ đượ ế ạ ằ ờ
(Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor
Field-Effect Transistor). Ph n thi t k m ch c u H vì v y s t p trung vào 3 ầ ế ế ạ ầ ậ ẽ ậ
lo i linh ki n này. Trong m i cách thi t k , tôi s gi i thích ng n g n nguyênạ ệ ỗ ế ế ẽ ả ắ ọ
lý c u t o và ho t ng c a t ng lo i linh ki n b n c d n m b t h n.ấ ạ ạ độ ủ ừ ạ ệ để ạ đọ ễ ắ ắ ơ
II. Mạch cầu H dùng rờ le.
R le là m t d ng “công t c” (switch) c i n (electrical mechanical ờ ộ ạ ắ ơ đ ệ
device, không ph i c i n t âu nhé :) ). G i là công t c c i n vì chúng ả ơ đ ệ ử đ ọ ắ ơ đ ệ
g m các ti p i m c c i u khi n óng m b ng dòng i n. V i kh ồ ế đ ể ơ đượ đ ề ể đ ở ằ đ ệ ớ ả
n ng óng m các ti p i m, r le úng là m t l a ch n t t làm khóa cho ă đ ở ế đ ể ờ đ ộ ự ọ ố để
m ch c u H. Thêm n a chúng l i c i u khi n b ng tín hi u i n, ngh a ạ ầ ữ ạ đượ đ ề ể ằ ệ đ ệ ĩ
là chúng ta có th dùng AVR (hay b t k chip i u khi n nào) i u khi n ể ấ ỳ đ ề ể đểđ ề ể
r le, qua ó i u khi n m ch c u H. Hãy quan sát c u t o và hình dáng c a ờ đ đ ề ể ạ ầ ấ ạ ủ
m t lo i r le thông d ng trong hình 3.ộ ạ ờ ụ
Hình 3. Cấu tạo và hình dáng rờ le.
Hình 3a (phía trên) mô t c u t o c a 1 r le 2 ti p i m. Có 3 c c trên rả ấ ạ ủ ờ ế đ ể ự ờ
le này. C c C g i là c c chung (Common), c c NC là ti p i m th ng óngự ọ ự ự ế đ ể ườ đ
(Normal Closed) và NO là ti p i m th ng m (Normal Open). Trong i u ế đ ể ườ ở đ ề
ki n bình th ng, khi r le không ho t ng, do l c kéo c a lò xo bên trái ệ ườ ờ ạ độ ự ủ
thanh nam châm s ti p xúc v i ti p i m NC t o thành m t k t n i gi a C ẽ ế ớ ế đ ể ạ ộ ế ố ữ
và NC, chính vì th NC c g i làế đượ ọ ti p i m th ng óng (bình th ng ã ế đ ể ườ đ ườ đ
óng). Khi m t i n áp c áp vào 2 ng kích Solenoid (cu n dây c a đ ộ đ ệ đượ đườ ộ ủ
nam châm i n), nam châm i n t o ra 1 l c t kéo thanh nam châm xu ng, đ ệ đ ệ ạ ự ừ ố
lúc này thanh nam châm không ti p xúc v i ti p i m NC n a mà chuy n ế ớ ế đ ể ữ ể
sang ti p xúc v i ti p i m NO t o thành m t k t n i gi a C và NO. Ho t ế ớ ế đ ể ạ ộ ế ố ữ ạ
ng này t ng t 1 công t c chuy n c i u khi n b i i n áp kích độ ươ ự ắ ể đượ đ ề ể ở đ ệ
Solenoid. M t c i m r t quan tr ng trong cách ho t ng “ óng – m ” ộ đặ đ ể ấ ọ ạ độ đ ở
c a r le là tính “cách li”. Hai ng kích nam châm i n hoàn toàn cách li ủ ờ đườ đ ệ
v i các ti p i m c a r le, và vì th s r t an toàn. Có 2 thông s quan tr ngớ ế đ ể ủ ờ ế ẽ ấ ố ọ

cho 1 r le là i n áp kích Solenoid và dòng l n nh t mà các i m i m ch uờ đ ệ ớ ấ đ ể đ ể ị
c. i n áp kích solenoid th ng là 5V, 12V ho c 24V, vi c kích solenoidđượ Đ ệ ườ ặ ệ
chính là công vi c c a chip i u khi n (ví d AVR). Vì ti p xúc gi a c c C ệ ủ đ ề ể ụ ế ữ ự
và các ti p i m là d ng ti p xúc t m th i, không c nh nên r t d b h ế đ ể ạ ế ạ ờ ố đị ấ ễ ị ở
m ch. N u dòng i n qua ti p i m quá l n, nhi t có th sinh ra l n và làm ạ ế đ ệ ế đ ể ớ ệ ể ớ
h ti p xúc. Vì th chúng ta c n tính toán dòng i n t i a trong ng d ng ở ế ế ầ đ ệ ố đ ứ ụ
c a mình ch n r le phù h p.ủ để ọ ờ ợ
Hình 3a (phía d i) là ký hi u c a m t r le mà b n có th g p trong các ướ ệ ủ ộ ờ ạ ể ặ
ph n m m thi t k m ch i n t . Trong ký hi u này, chân 1 là chân C, chân ầ ề ế ế ạ đ ệ ử ệ
2 là ti p i m NC và chân 3 là ti p i m NO, trong khi ó hai chân 4 và 5 là ế đ ể ế đ ể đ
2 u c a cu n solenoid. Chúng ta sđầ ủ ộ ẽ dùng ký hi u này khi v m ch c u H ệ ẽ ạ ầ
dùng r le. S m t m ch c u H u dùng r le c minh h a trong ờ ơ đồ ộ ạ ầ đầ đủ ờ đượ ọ
hình 4.
Hình 4. Mạch cầu H dùng rờ le.
Trong m ch c u H dùng r le hình 4, 4 diode c dùng ch ng hi n ạ ầ ờ ở đượ để ố ệ
t ng dòng ng c (nh t là khi i u khi n ng c ). Các ng kích solenoidượ ượ ấ đ ề ể độ ơ đườ
không c n i tr c ti p v i chip i u khi n mà thông qua các transistor, đượ ố ự ế ớ đ ề ể
vi c kích các transistor l i c th c hi n qua các i n tr . T m th i chúng ệ ạ đượ ự ệ đ ệ ở ạ ờ
ta g i t h p i n tr + transistor là “m ch kích”, tôi s gi i thích rõ h n ọ ổ ợ đ ệ ở ạ ẽ ả ơ
ho t ng c a m ch kích trong ph n ti p theo.ạ độ ủ ạ ầ ế
M ch c u H dùng r le có u i m là d ch t o, ch u dòng cao, c bi t ạ ầ ờ ư đ ể ễ ế ạ ị đặ ệ
n u thay r le b ng các linh ki n t ng ng nh contactor, dòng i n t i ế ờ ằ ệ ươ đươ ư đ ệ ả
có th lên n hàng tr m ampere. Tuy nhiên, do là thi t b “c khí” nên t c ể đế ă ế ị ơ ố
óng/m c a r le r t ch m, n u óng m quá nhanh có th d n n hi n độđ ở ủ ờ ấ ậ ế đ ở ể ẫ đế ệ
t ng “dính” ti p i m và h h ng. Vì v y, m ch c u H b ng r le không ượ ế đ ể ư ỏ ậ ạ ầ ằ ờ
c dùng trong ph ng pháp i u khi n t c ng c b ng PWM. Trong đượ ươ đ ề ể ố độđộ ơ ằ
ph n ti p theo chúng ta s tìm hi u các linh i n có th thay th r le trong ầ ế ẽ ể đ ệ ể ế ờ
m ch c u H, g i là các “khóa i n t ” v i kh n ng óng/m lên n hàng ạ ầ ọ đ ệ ử ớ ả ă đ ở đế
nghìn ho c tri u l n trên m i giây.ặ ệ ầ ỗ
II. Mạch cầu H dùng BJT công suất.

BJT là vi t t t c a t Bipolar Junction Transistor là m t linh ki n bán ế ắ ủ ừ ộ ệ
d n (semiconductor device) có 3 c c t ng ng v i 3 l p bán d n trong c u ẫ ự ươ ứ ớ ớ ẫ ấ
t o. Trong t t c các tài li u v i n t c b n u gi i thích v bán d n và ạ ấ ả ệ ềđ ệ ử ơ ả đề ả ề ẫ
BJT, trong tài li u này tôi ch gi i thi u khái quát c u t o c a transistor và ệ ỉ ớ ệ ấ ạ ủ
ch y u là các ch ho t ng c a transistor.ủ ế ếđộ ạ độ ủ
Bán d n là các nguyên t thu c nhóm IV trong b ng tu n hoàn hóa h c, ẫ ố ộ ả ầ ọ
Silic (Si) là m t ví d i n hình, các nguyên t này có 4 electron l p ngoài ộ ụ đ ể ố ở ớ
cùng. tr ng thái th ng, Si là ch t d n i n kém (g n nh không d n Ở ạ ườ ấ ẫ đệ ầ ư ẫ
i n), khi nhi t t ng, các electron dao ng m nh và d dàng b “b t” ra đ ệ ệ độ ă độ ạ ễ ị ứ
kh i tinh th và do ó tính d n i n c a bán d n s t ng. Tuy nhiên, bán d n ỏ ể đ ẫ đ ệ ủ ẫ ẽ ă ẫ
c dùng ch t o linh ki n i n t không ph i là các tinh th thu n khi t đượ để ế ạ ệ đ ệ ử ả ể ầ ế
mà có pha “t p ch t”. N u pha nguyên t nhóm V (nh Photpho) vào Si, 4 ạ ấ ế ố ư
electron l p ngoài cùng c a P t o liên k t công hóa tr v i Si và có 1 electronớ ủ ạ ế ị ớ
c a P b “th a” (vì P có 5 electron l p ngoài cùng). Ch t bán d n có pha ủ ị ừ ớ ấ ẫ
Photpho vì th r t d d n i n và có tính ch t “âm” nên g i là bán d n lo i n ế ấ ễ ẫ đ ệ ấ ọ ẫ ạ
(Negative), “h t d n” trong bán d n lo i n là electron (e th a). Tr ng h p ạ ẫ ẫ ạ ừ ườ ợ
nguyên t nhóm III, nh Bo (Boron), c pha vào Si, 3 electron l p ngoài ố ư đượ ớ
cùng c a Bo k t h p v i 4 electron c a Si tuy nhiên v n còn 1 “ch tr ng” ủ ế ợ ớ ủ ẫ ỗ ố
s n sàng nh n electron. “Chẵ ậ ỗ tr ng” này c g i là “l tr ng” và có tính ố đượ ọ ỗ ố
ch t nh 1 lo i h t d n d ng. Bán d n lo i này vì th g i là bán d n lo i p ấ ư ạ ạ ẫ ươ ẫ ạ ế ọ ẫ ạ
(Positive). M c pha t p ch t quy t nh d n c a bán d n. Tuy nhiên, ứ độ ạ ấ ế đị độ ẫ ủ ẫ
bán d n có pha t p ch t dù ã c i thi n tính d n i n v n không có nhi u tác ẫ ạ ấ đ ả ệ ẫ đ ệ ẫ ề
d ng, “ i u k di u” ch x y ra khi ghép chúng l i v i nhau.ụ đ ề ỳ ệ ỉ ả ạ ớ
Khi ghép bán d n lo i p và lo i n v i nhau t o thành ti p xúc p-n (p-n ẫ ạ ạ ớ ạ ế