Мостовые схемы: измерения, выпрямители и мосты Н
Объяснение мостовых схем: измерение, выпрямление и управление нагрузкой
Мостовые схемы — это не взаимозаменяемая группа. Измерительный мост сравнивает электрические величины, диодный мост преобразует переменное напряжение в постоянное, а H-мост управляет напряжением, подаваемым на нагрузку. Понимание этой разницы — первый этап проектирования: для балансированного датчика и переключающего привода двигателя требуются совершенно разные компоненты, разводка печатных плат и тестирование.
Начните с необходимого выхода
Измерительная схема моста генерирует дифференциальный сигнал, связанный с отношением сопротивления или импеданса. Выпрямитель обеспечивает постоянную полярность выходного сигнала при переменном входном сигнале. Схема двигателя (H-мост) выбирает режимы переключения для подачи одного из двух направлений напряжения на нагрузку. Эти функции могут сосуществовать на одной плате, но их выходные узлы нельзя рассматривать одинаково.
Например, подключение сигнала датчика микровольтного уровня через тот же медный участок, что и возврат тока двигателя, может привести к погрешности, даже если обе принципиальные схемы по отдельности корректны. Следовательно, классификация функций должна выполняться до выбора и размещения компонентов.
Мост Витстона с однозначными узлами
Мост Витстона сравнивает два резистивных делителя. Его выходное напряжение — это разница между напряжениями в средних точках, поэтому при равных напряжениях в средних точках дифференциальный выходной сигнал равен нулю. Сопротивление измерительных датчиков намеренно отклоняется от этого сбалансированного состояния при изменении измеряемой величины. Analog Devices объясняет основное соотношение моста.
Определите соединения до применения формулы:
- Подайте напряжение возбуждения VEX между верхним узлом питания и нижним узлом, определённым как 0 В.
- Разместите R1 выше середины A, а R2 — ниже A в левой ветви.
- Разместите R3 выше середины точки B, а R4 — ниже точки B в правой ветви. Измерьте VOUT = VA − VB с помощью дифференциального приемника с высоким входным сопротивлением.
Для идеальных резисторов и пренебрежимо малой нагрузки приемника:
VA = VEX × R2 / (R1 + R2)
VB = VEX × R4 / (R3 + R4)
Мост уравновешивается при условии R1 × R4 = R2 × R3. Обозначения резисторов являются локальными для данного объяснения; в другой схеме обозначения плеч могут отличаться.
Рабочий пример: Небольшое увеличение сопротивления
Предположим, что напряжение возбуждения составляет 3,3 В и используются четыре резистора номиналом 1000 Ом. Изначально точки А и В находятся на уровне 1,65 В. Теперь увеличим только R4 до 1001 Ом, оставив три остальных без изменений:
VB = 3,3 × 1001 / 2001 ≈ 1,650825 В
VOUT = 1,650000 − 1,650825 ≈ −0,825 мВ
Это иллюстративный расчет, а не спецификация датчика или измеренный результат. Переключение входов приемника меняет знак сигнала. Инженерный урок заключается в том, что полезный сигнал менее 1 мВ может накладываться на уровень общего режима, близкий к половине напряжения возбуждения. Приемнику необходимо учитывать оба параметра, включая смещения и перегрузки.
Точность измерений требует больше, чем просто баланс
Сбалансированная мостовая схема не устраняет все помехи. Несоответствие сопротивлений, неравномерные изменения температуры, входное смещение, шум и сопротивление проводов по-прежнему могут повлиять на результат. Увеличение возбуждения повышает чувствительность, но также увеличивает рассеивание мощности в резисторах; необходимо проверить ограничения датчика и самонагрев.
Ратиометрический интерфейс использует напряжение возбуждения моста в качестве опорного напряжения для АЦП. В идеале изменения пропорционального возбуждения влияют одновременно на измеряемый сигнал и опорное напряжение. Это специфическая схема компенсации, а не устойчивость ко всем видам шумов. Руководство по возбуждению и измерению от Analog Devices также различает ошибки подключения от ошибок возбуждения.
Для измерения малых сопротивлений отдельные выводы для подачи тока и измерения напряжения предотвращают попадание падения напряжения на силовом проводе в измеряемую величину. Объяснение четырёхпроводного измерения сопротивления от Keithley описывает этот принцип Кельвина. Подключение по методу Кельвина не означает автоматически, что используется схема двойного моста Кельвина; терминология описывает родственные, но разные конфигурации.
Мосты также могут содержать реактивные компоненты. Цепь Вина является частотно-селективной и может использоваться в составе генератора. Её поведение зависит от ёмкости, сопротивления и частоты; соотношение баланса только с резисторами, приведённое выше, нельзя просто перенять. Убедитесь, что цепь сравнивает измеряемую величину или обеспечивает обратную связь, прежде чем выбирать метод анализа.
Диодный мост выпрямляет; он не измеряет баланс
Традиционный однофазный мостовой выпрямитель использует четыре диода, при этом пара диодов проводит ток в каждый проводящий полупериод. Нагрузка видит одинаковую полярность независимо от полярности входного сигнала. Выпрямление по схеме моста является формой двухполупериодного выпрямления, а не альтернативной категорией; Vishay указывает на эту функцию в своей документации по однофазным мостовым выпрямителям.
Без фильтрации результат остается пульсирующим. Резервуарный конденсатор преобразует ток заряда в импульсы, поэтому при выборе диода, конденсатора, медных проводников и разъема необходимо учитывать форму тока. Проверьте номинал обратного напряжения, условия импульсных нагрузок, рассеивание мощности и фактическую нагрузку. На печатной плате располагайте пути тока заряда подальше от чувствительных цепей измерений. Одна только схема выпрямителя не обеспечивает гальванической развязки.
H-мост выбирает полярность нагрузки
H-мост использует два переключающих плеча, при этом нагрузка подключается между их серединами. Выбор противоположных диагональных переключателей меняет полярность приложенного к нагрузке напряжения; широтно-импульсная модуляция (ШИМ) позволяет управлять его средним поведением. Мгновенный ток в двигателе также зависит от индуктивности, обратной ЭДС и выбранного режима рекуперации. Примечание по управлению H-мостом от TI описывает рабочие состояния и компромиссы при измерении тока.
Включение верхнего и нижнего ключей одной ветви одновременно может привести к короткому замыканию источника питания. Риск «пробоя» (shoot-through) устраняется за счёт правильного управления временем работы драйверов, защиты и использования подходящего времени задержки (dead time). При переключении также необходимо обеспечить контролируемый путь для индуктивного тока. Локальные элементы декуплирования источника питания должны располагаться как можно ближе к силовой стадии, а контуры переключения следует анализировать отдельно от маршрутов измерения тока.
Часто задаваемые вопросы
Требуется ли регулировка нулевого напряжения для каждой мостовой схемы?
Нет. Измерительная схема моста может использовать нулевое состояние или измерять отклонение от баланса. Диодные мосты и мосты для двигателей выполняют функции преобразования мощности и не используют регулировку баланса по схеме Витстона.
Можно ли подключать выход датчика моста непосредственно к АЦП?
Иногда, если дифференциальный диапазон АЦП, ограничения по общему режиму, входная нагрузка, шум, схема опорного напряжения и защита соответствуют требованиям датчика. Одна только разрешающая способность не определяет совместимость.
Вам нужна помощь с производством печатных плат или сборкой PCBA?
Поделитесь своими требованиями к производству печатных плат или сборке плат с мостовыми схемами через нашу специализированную страницу запроса котировок.
