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Elettronica di potenza → Ponti ad H
Un ponte, nel contesto dei semiconduttori di potenza, è costituito da due
o più componenti connessi tra di loro per formare un'unica unità funzionale.
Alcuni esempi:
- Ponte di
Graetz utilizzato nel raddrizzatori e qui non trattato
- Half-Bridge costituito da una coppia di transistor o MOS. Può essere
considerato un blocco per costruire ponti ad H.
- H-Bridge o full-bridge, costituito da quattro transistor o MOS e
quattro diodi
Lo scopo di un ponte ad H è quello di permettere l'inversione del verso
della corrente in un carico. Per esempio, è utilizzato per impostare la rotazione di un
motore in corrente continua in verso orario piuttosto che in verso
anti-orario Per il suo
funzionamento, a differenza di altre soluzioni, è richiesta una alimentazione singola.
Un ponte ad H è realizzabile con:
In questa pagine verrà descritta solo il ponte ad H realizzato con
quattro MOS a canale N, in quanto soluzione più efficiente dal punto di
energetico e l'unica utilizzata in circuiti moderni per piccole potenze..
Di seguito lo schema di principio. Il carico è rappresentato dal
rettangolo al centro. In pratica si tratta di due circuiti simmetrici,
ciascuno costituito da un MOS high side
ed un MOS llow-side.
Il nome deriva, con un po' di fantasia, dalla somiglianza del circuito alla lettera maiuscola H, dove
il carico costituisce il segmento orizzontale ed i quattro MOS i quattro
segmenti verticali. Nello schema non sono disegnati i
gate-driver.
I due MOS inferiori (B e D nello schema) sono detti di sink in quanto
assorbono la corrente proveniente dal carico oppure
low side switch; i due
MOS A e C, connessi direttamente alla tensione di alimentazione, sono detti di source oppure
high side switch.
A seconda di quali MOS sono attivi, abbiamo diversi possibili
percorsi per la corrente:
- (linea rossa) Se è attivo il MOS C ed il MOS B abbiano passaggio di corrente nel
carico, da sinistra verso destra. Se il carico è un motore, ruota in un
verso
- (linea verde) Se è attivo il MOS A ed il MOS D abbiano passaggio di corrente nel
carico, da destra verso sinistra. Se il carico è un motore, ruota nel verso
opposto rispetto al punto precedente
- Se sono attivi entrambi i due MOS di sink il carico è cortocircuitato, attraverso
i due diodi corrispondenti. Se il
carico è un motore viene frenato e la corrente circola nel motore stesso da
destra a sinistra oppure da sinistra a destra a seconda del verso di
rotazione del motore stesso. Tale condizione viene a volte definita "brake"
(freno) oppure "slow decay" (in riferimento al passaggio di corrente
nell'induttore)
- Se sono attivi entrambi i due MOS di source il carico è cortocircuitato. Se il
carico è un motore viene frenato, situazione analoga alla precedente
- Se nessun MOS è attivo la corrente eventualmente generata dalla
rotazione del motore scorre attraverso i diodi e torna all'alimentazione. Se
il carico è un motore è possibile, attraverso appositi circuiti, recuperare
energia per la ricarica le batterie (oppure
per distruggere l'alimentatore, se non opportunamente gestita...) . Tale
condizione viene a volte definita "coast" (in riferimento alla rotazione
libera del motore, senza alimentazione e senza alcuna azione frenante) oppure
"free run"
- Se sono attivi il MOS di sink ed il MOS di source dello stesso ramo (A+B
oppure C+D) si crea un cortocircuito tra massa ed alimentazione, a volte
indicato col termine "shoot througt". Ciò porta alla distruzione del ponte o
dell'alimentatore. Questa condizione va evitata nella maniera più assoluta, in genere
attendendo un certo
tempo tra lo spegnimento di una coppia di MOS e l'accensione di un'altra
(tempo indicato come "dead time").
Un ponte ad H è realizzabile:
- Utilizzando MOS discreti (i diodi potrebbero essere, sotto opportune
condizioni, quelli già integrati nei quattro MOS). Questa soluzione è di
complessa progettazione, ma permette la scelta dei MOS e dei gate-driver
più adatti, potendo quindi pilotare motori con elevate correnti ed
elevate tensioni. In questo caso possono essere utilizzati circuiti
integrati specializzati che includono molti dei componenti necessari,
esclusi gli interruttori di potenza e, a volte, i gate driver.
- Utilizzando circuiti integrati completi. Questa scelta, più
semplice, è praticabile solo per carichi modesto (qualche ampere, poche
decine di volt). Qualche esempio di circuito di questo tipo sono gli
integrati della serie
LMD182xx oppure il
VNH3SP30
- Utilizzando due Half-Bridge integrati, uno per la coppia A-B ed uno
per la coppia C-D
