H-Köprüsü Nedir?

Bu yazımızda elektrik elektronik mühendislerinin ve teknikerlerinin çok sık duyduğu ve kullandığı H-bridge devresini inceledik. Özellikle “motor sürme” denilince akla ilk gelen H-bridge devresinin nasıl çalıştığı ve tüm ayrıntılar yazımızın devamında.

A- A+

17.04.2016 tarihli yazı 49445 kez okunmuştur.

Genel olarak H-bridge, dört tane anahtarlama elemanı içeren ve ortasında bir yük bulunan H şeklinde bir devredir.

►İlginizi Çekebilir: Ölçme Teknikleri | 1. Bölüm

Yukarıdaki resimde Q1, Q2, Q3 ve Q4 anahtarlama elemanlarıdır. Bu anahtarlama elemanları genellikle bi-polar ya da FET transistörlerdir. Yüksek voltajlı uygulamalarda ise bu anahtarlama elemanları IGBT olabilir. D1, D2, D3 ve D4 ise Schottky tipi diyotlardır. Devrenin en üst kısmı ise güç kaynağına bağlanıp, en alt kısmı da topraklanmıştır.

Dört anahtarlama elemanı, bazı kısıtlamalar olsa da genel olarak bağımsız olarak açılıp kapanabilirler. Teorik olarak ortadaki yük kısmı herhangi bir şey olsa da, şu ana kadar H-bridge, genelde fırçalı DC veya bipolar step motor sürmek için kullanılmıştır. Bu yazımızda H-bridge devresini anlatırken DC motor uygulamasından yola çıkacağız.

H-Köprüsü Nasıl Çalışır?

H-bridge devresi ile motor sürmenin temel amacı, anahtarlama elemanlarının açılıp kapanma kombinasyonları ile motora yön vermektir. İlk olarak Q1 ve Q4 anahtarlarının kapandığını düşünelim. Aşağıdaki şekilden de akımı takip edeceğiniz gibi akım motorun güç kaynağı tarafından başlayıp motorun üzerinden geçerek toprağa doğru akar. Böylece motor belirtilen yönde dönmüş olur.

►İlginizi Çekebilir: SMPS (Anahtarlamalı Güç Kaynağı) Nedir?

Motorun diğer yöne dönemsini sağlamak içinse, bu sefer Q2 ve Q3 anahtarlama elemanlarının kapatılması gerekmektedir. Bu sefer aşağıdaki resimde de görüldüğü gibi akım ters yönden akar ve motor ters yönde dönmeye başlar.

H-bridge devresinde kesinlikle yapılmaması gereken anahtarlama kombinasyonu; Q1 ve Q2 ya da Q3 ve Q4 anahtarlarını aynı anda kapatmaktır. Eğer böyle bikombinasyon yaparsanız, güç kaynağı ile topraklamayı kısa devre yapmış olursunuz ve devrenizi yakabilirsiniz. Aşağıdaki resimde devre üzerinde akımın nasıl akacağını ve kısa devreyi görebilirsiniz.

Bu kısıtlamalar için bir tablo çizelim. Önce A tarfını sonra B tarafını inceleyelim. Devrenin A tarafı için sadece şu kombinasyonları yapabiliriz:

Aynı şekilde B tarafı içinde uygulanabilir kombinasyonlar şunlardır:

Yapılabilecek bütün kombinasyonları bir arada yazarsak da şöyle bir tablo çıkarabilir:

H-bridge için bu temel bilgileri öğrendikten sonra sürülen DC motor hakkında da bir şeyler yazmak gerekir.

H-Köprüsü ile Sürülen Motorun Mekanizması Nasıl İşler?

Yazımızda H-bridge devresinin üzerinde durduğumuz için DC motoru çok basit bir şekilde anlatacağız. DC motor bir enerji dönüşüm aygıtıdır. En basit haliyle elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirmek için kullanılır. Eğer jeneratör olarak kullanılacaksa tam tersini yaparak, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir.

Bu basit DC motor modelimizde mekanik tüm parametreleri ihmal edeceğiz. Elektriksel olarak baktığımızda, motor temel olarak manyetik alanda hareket eden bobinler içerir. Bobinler de kendi içinde endüktans ve iç dirence sahiptirler. Manyetik alandaki hareketleri voltaj üretir ve buna jeneratör voltajı denir, Vg ile gösterilir. Bu modeli aşağıdaki gibi gösterebiliriz:

Çoğu zaman üstteki resimde de görülen iç direnç ihmal edilir. İki durumda da elemanların hepsi seri bağlanır ve üzerlerinden aynı akım geçse de üzerlerindeki voltajlar farklıdır. Jeneratör voltajı (Vg), manyetik alanda hareket eden bobinin hızına bağlıdır. Bir başka deyişle, motorun dönme hızına bağlıdır.

Eğer motorun dönme hızını değiştirmek istiyorsak, uygulanan voltajı azaltıp çoğaltarak motorun hızını azaltıp arttırabiliriz. Böylelikle, H-bridge ile motorun hem yönünü hem de hızını kontrol edebiliriz. Hızını nasıl kontrol edebileceğinizi merak ediyorsanız PWM ile ilgili yazımızı okuyarak ayrıntılı bir bilgiye ulaşabilirsiniz.

Kaynak:

►wikipedia
►dprg.org
►talkingelectronics