Схема и принцип работы H-моста для управления двигателями

В различных электронных схемах часто возникает необходимость менять полярность напряжения, прикладываемого к нагрузке, в процессе работы. Схемотехника таких устройств реализуется с помощью ключевых элементов. Ключи могут быть выполнены на переключателях, электромагнитных реле или полупроводниковых приборах. Н-мост на транзисторах позволяет с помощью управляющих сигналов переключать полярность напряжения поступающего на исполнительное устройство.

Что такое Н-мост

H-мост

В различных электронных игрушках, некоторых бытовых приборах и робототехнике используются коллекторные электродвигатели постоянного тока, а также двухполярные шаговые двигатели. Часто для выполнения какого-либо алгоритма нужно с помощью электрического сигнала быстро поменять полярность питающего напряжения с тем, чтобы двигатель технического устройства стал вращаться в противоположную сторону. Так робот-пылесос, наткнувшись на стену, мгновенно включает реверс и задним ходом отъезжает от препятствия. Такой режим реализуется с помощью Н-моста. Схема Н-моста позволяет так же изменять скорость вращения электродвигателя. Для этого на один из двух ключей подаются импульсы от широтно-импульсного модулятора (ШИМ).

Схемой управления режимами двигателя является h-мост. Это несложная электронная схема, которая может быть выполнена на следующих элементах:

• Биполярные транзисторы
• Полевые транзисторы
• Интегральные микросхемы

Основным элементом схемы является электронный ключ. Принципиальная схема моста напоминает латинскую букву «Н», отсюда название устройства. В схему входят 4 ключа расположенных попарно, слева и справа, а между ними включена нагрузка.

H-мост

На схеме видно, что переключатели должны включаться попарно и по диагонали. Когда включен 1 и 4 ключ, электродвигатель вращается по часовой стрелке. 2 и 3 ключи обеспечивают работу двигателя в противоположном направлении.  При включении двух ключей по вертикали слева или справа произойдёт короткое замыкание. Каждая пара по горизонтали закорачивает обмотки двигателя и вращения не произойдёт. На следующем рисунке проиллюстрировано, что происходит, когда мы меняем положение переключателей:

Схема работы H-моста

Если мы заменем в схеме переключатели на транзисторы, то получим такой вот (крайне упрощенный) вариант:

H-мост

Для того чтобы исключить возможное короткое замыкание h-мост на транзисторах дополняется входной логикой, которая исключает появление короткого замыкания. В современных электронных устройствах мостовые схемы изменения полярности дополняются устройствами, обеспечивающими плавное и медленное торможение перед включением реверсного режима.

Н-мост на биполярных транзисторах

Транзисторы в ключевых схемах работают по принципу вентилей в режиме «открыт-закрыт», поэтому большая мощность на коллекторах не рассеивается, и тип применяемых транзисторов определяется, в основном, питающим напряжением. Несложный h-мост на биполярных транзисторах можно собрать самостоятельно на кремниевых полупроводниковых приборах разной проводимости.

H-мост на биполярных транзисторах

Такое устройство позволяет управлять электродвигателем постоянного тока небольшой мощности.  Если использовать транзисторы КТ816 и КТ817 с индексом А, то напряжение питания не должно превышать 25 В. Аналогичные транзисторы с индексами Б или Г допускают работу с напряжением до 45 В и током не превышающим 3 А. Для корректной работы схемы транзисторы должны быть установлены на радиаторы. Диоды обеспечивают защиту мощных транзисторов от обратного тока. В качестве защитных диодов можно использовать КД105 или любые другие, рассчитанные на соответствующий ток.

Недостатком такой схемы является то, что нельзя подавать на оба входа высокий потенциал, так как открытие обоих ключей одновременно вызовет короткое замыкание источника питания. Для исключения этого в интегральных мостовых схемах предусматривается входная логика, полностью исключающая некорректную комбинацию входных сигналов.

Схему моста можно изменить, поставив в неё более мощные транзисторы.

Н-мост на полевых транзисторах

Кроме использования биполярных транзисторов в мостовых схемах управления питанием, можно использовать полевые (MOSFET) транзисторы. При выборе полупроводниковых элементов обычно учитывается напряжение, ток нагрузки и частота переключения ключей, при использовании широтно-импульсной модуляции. Когда полевой транзистор работает в ключевом режиме, у него присутствуют только два состояния – открыт и закрыт. Когда ключ открыт, то сопротивление канала ничтожно мало и соответствует резистору очень маленького номинала. При подборе полевых транзисторов для ключевых схем следует обращать внимание на этот параметр. Чем больше это значение, тем больше энергии теряется на транзисторе. При минимальном сопротивлении канала выше КПД моста и лучше его температурные характеристики.

Дополнительным негативным фактором является зависимость сопротивления канала от температуры. С увеличением температуры этот параметр заметно растёт, поэтому при использовании мощных полевых транзисторов следует предусмотреть соответствующие радиаторы или активные схемы охлаждения. Поскольку подбор полевых транзисторов для моста связан с определёнными сложностями, гораздо лучше использовать интегральные сборки. В каждой находится комплементарная пара из двух мощных MOSFET транзисторов, один из которых с P каналом, а другой с N каналом. Внутри корпуса также установлены демпферные диоды, предназначенные для защиты транзисторов.

В конструкции использованы следующие элементы:

• VT 1,2 – IRF7307
• DD 1 – CD4093
• R 1=R 2= 100 ком

Интегральные микросхемы с Н-мостом

В ключах Н-моста желательно использовать комплементарные пары транзисторов разной проводимости, но с одинаковыми характеристиками. Этому условию в полной мере отвечают интегральные микросхемы, включающие в себя один, два или более h-мостов. Такие устройства широко применяются в электронных игрушках и робототехнике. Одной из самых простых и доступных микросхем является L293D. Она содержит два h-моста, которые позволяют управлять двумя электродвигателями и допускают управление от ШИМ контроллера. Микросхема имеет следующие характеристики:

• Питание – + 5 В
• Напряжение питания электромотора – + 4,5-36 В
• Выходной номинальный ток – 500 мА
• Ток в импульсе – 1,2 А

Микросхема L298 так же имеет в своём составе два h-моста, но гораздо большей мощности. Максимальное напряжение питания, подаваемое на двигатель, может достигать + 46 В, а максимальный ток соответствует 4,0 А. Н-мост TB6612FNG допускает подключение двух коллекторных двигателей или одного шагового. Ключи выполнены на MOSFET транзисторах и имеют защиту по превышению температуры, перенапряжению и короткому замыканию. Номинальный рабочий ток равен 1,2 А, а максимальный пиковый – 3,2 А. Максимальная частота широтно-импульсной модуляции не должна превышать 100 кГц.

Мостовые устройства управления электродвигателями часто называют драйверами.  Драйверами так же называют микросхемы, только обеспечивающие управление мощными ключевыми каскадами. Так в схеме управления мощным электродвигателем используется драйвер HIP4082. Он обеспечивает управление ключами, собранными на дискретных элементах. В них используются MOSFET транзисторы IRF1405 с N-каналами. Компания Texas Instruments выпускает большое количество интегральных драйверов предназначенных для управления электродвигателями разных конструкций. К ним относятся:

• Драйверы для шаговых двигателей – DRV8832, DRV8812, DRV8711
• Драйверы для коллекторных двигателей – DRV8816, DRV8848, DRV8412/32
• Драйверы для бесколлекторных двигателей – DRV10963, DRV11873, DRV8332

На рынке имеется большой выбор интегральных мостовых схем для управления любыми электродвигателями. Сделать конструкцию можно и самостоятельно, применив качественные дискретные элементы.

Что такое H-мост и зачем он нужен. Пример расчёта H-моста на биполярных транзисторах

Сегодня мы рассмотрим схему, позволяющую изменять полярность прикладываемого к нагрузке постоянного напряжения.

Необходимость изменять полярность напряжения часто возникает при управлении двигателями или в схемах мостовых преобразователей напряжения. Например, для двигателей постоянного тока это необходимо для изменения направления вращения, а шаговые двигатели или импульсные мостовые DC-DC преобразователи без решения этой задачи вообще не будут работать.

Итак, ниже вы можете видеть схему, которую за внешнюю схожесть с буквой H принято называть H-мостом.

К1, К2, К3, К4 — управляемые ключи

A, B, C, D — сигналы управления ключами

Идея этой схемы очень проста:

Если ключи K1 и К4 замкнуты, а ключи К2 и К3 разомкнуты, то к точке h2 оказывается приложено напряжение питания, а точка h3 замыкается на общий провод. Ток через нагрузку в этом случае течёт от точки h2 к точке h3.

Если сделать наоборот, — ключи К1 и К4 разомкнуть, а ключи К2 и К3 замкнуть, то полярность напряжения на нагрузке изменится на противоположную, — точка h2 окажется замкнута на общий провод, а точка h3 — на шину питания. Ток через нагрузку теперь будет течь от точки h3 к точке h2.

Кроме смены полярности, h-мост, в случае управления электродвигателем, добавляет нам и ещё один бонус — возможность закоротить концы обмоток, что ведёт к резкому торможению нашего движка. Такой эффект можно получить замкнув одновременно либо ключи К1 и К3, либо ключи К2 и К4. Назовём такой случай «режимом торможения». Справедливости ради стоит отметить, что этот бонус H-моста используется значительно реже, чем просто смена полярности (позже будет понятно почему).

В качестве ключей может выступать всё, что угодно: реле, полевые транзисторы, биполярные транзисторы. Промышленность делает H-мосты встроенными в микросхемы (например, микросхема LB1838, драйвер шагового двигателя, содержит два встроенных H-моста) и выпускает специальные драйверы для управления H-мостами (например драйвер IR2110 для управления полевиками). В этом случае, разработчики микросхем конечно стараются выжать максимум бонусов и устранить максимум нежелательных эффектов. Понятно, что такие промышленные решения справляются с задачей лучше всего, но радиохламеры народ бедный, а хорошие микросхемы стоят денег, поэтому мы, ясен пень, будем рассматривать чисто самопальные варианты мостов и схем управления ими.

В самопальщине (то бишь в радиолюбительской практике) чаще всего используют H-мосты либо на мощных MOSFET-ах (для больших токов), либо на биполярных транзисторах (для небольших токов).

Довольно часто сигналы управления ключами попарно объединяют. Объединяют их таким образом, чтобы от одного внешнего сигнала управления формировалось сразу два сигнала управления в нашей схеме (то есть сразу на два ключа). Это позволяет сократить количество внешних сигналов управления с четырёх до двух штук (и сэкономить 2 ноги контроллера, если у нас контроллерное управление).

Объединяют сигналы чаще всего двумя способами: либо A объединяют с B, а C объединяют с D, либо A объединяют с D, а B объединяют с C. Чтобы обозначить и зафиксировать различия, — назовём способ, когда образуют пары AB и CD «общим управлением противофазными ключами» (эти ключи для изменении полярности прикладываемого к нагрузке напряжения должны работать в противофазе, т.е. если один открывается — другой должен закрываться), а способ, когда образуются пары AD и BC назовём «общим управлением синфазными ключами» (эти ключи для изменении полярности работают синфазно, т.е. либо оба должны открываться, либо оба закрываться).

Чтобы было понятнее о чём идёт речь, — смотрим на рисунок справа. Договоримся далее высокий уровень напряжения считать единицей, а низкий — нулём. В левой части рисунка транзисторы управляются независимо друг от друга. Чтобы открыть верхний транзистор — нужно подать сигнал управления А=0, а чтобы его закрыть — нужно подать А=1. Для открытия и закрытия нижнего транзистора нужно подавать B=1 или В=0. Если с помощью дополнительного транзистора объединить сигналы A и В (смотрим правую часть рисунка), то управлять верхним и нижним транзистором можно одним общим сигналом АВ. Когда АВ=1 оба транзистора открываются, а когда АВ=0 — оба закрываются.

На рисунке слева показан H-мост с общим управлением противофазными ключами, а на рисунке справа — с общим управлением синфазными ключами. У1 и У2 — это узлы, позволяющие из одного внешнего общего сигнала сформировать отдельный сигнал на каждый из работающих в паре ключей.

Теперь давайте подумаем что нам даёт каждый из этих двух способов управления.

При общем управлении противофазными ключами мы легко можем сделать так, чтобы оба верхних или оба нижних ключа оказались открыты (если схема такая, как у нас слева, то это произойдёт при AB=CD), то есть нам доступен режим торможения. Однако минус в том, что при таком способе управления мы практически наверняка получим сквозные токи через транзисторы, вопрос будет только в их величине. В проиышленных микрухах для борьбы с этой проблемой вводят специальную цепь задержки для одного из транзисторов.

При общем управлении синфазными ключами мы легко можем побороть сквозные токи (просто нужно сначала подавать сигнал на выключение той пары транзисторов, которая используется в настоящий момент, а уже потом сигнал на включение той пары, которую мы планируем использовать). Однако при таком управлении про режим торможения можно забыть (даже более того, если мы случайно одновременно подадим на оба внешних управляющих сигнала единицу — мы устроим в схеме КЗ).

Поскольку получить сквозные токи гораздо более кислый вариант (бороться с ними непросто), то обычно предпочитают забыть про режим торможения.

Кроме всего вышеперечисленного необходимо понимать, что при частых постоянных переключениях (в преобразователях или при управлении шаговиками), для нас будет принципиально важно не только избежать возникновения сквозных токов, но и добиться максимальной скорости переключения ключей, поскольку от этого зависит их нагрев. Если же мы используем h-мост просто для реверса двигателя постоянного тока, то тут скорость переключения не имеет такого критического значения, поскольку переключения не имеют систематического характера и ключи даже в случае нагрева скорее всего успеют остыть до следующего переключения.

Вот в общем-то и вся теория, если вспомню ещё что-нибудь важное — обязательно напишу.

Как вы понимаете, практических схем H-мостов, как и вариантов управления ими, можно придумать достаточно много, поскольку, как мы уже разобрались, важно учитывать и максимальный ток, и скорость переключения ключей, и варианты объединения управления ключами (а также вообще возможность такого объединения), поэтому для каждой практической схемы нужна отдельная статья (с указанием того, где эту конкретную схему целесообразно использовать). Здесь же я приведу для примера лишь простую схемку на биполярных транзисторах, годящуюся, скажем, для управления не очень мощными двигателями постоянного тока (зато покажу, как её рассчитывать).

Итак, пример:

Сам H-мост выполнен на транзисторах T1, T2, T3, T4, а с помощью дополнительных транзисторов T5, T6 выполнено объединение управления синфазными ключами (сигнал A управляет транзисторами T1 и T4, сигнал B — транзисторами T2 и T3).

Работает эта схема следующим образом:

Когда уровень сигнала A становится высоким — начинает течь ток через резистор R2 и p-n переходы БЭ транзисторов T5 и T4, эти транзисторы открываются, в результате чего появляется ток через переход БЭ транзистора T1, резистор R1 и открытый транзистор T5, в результате чего открывается транзистор T1.

Когда уровень сигнала A становится низким — запираются p-n переходы БЭ транзисторов T5 и T4, эти транзисторы закрываются, прекращает течь ток через переход БЭ транзистора T1 и он тоже закрывается.

Как такую схему рассчитать? Очень просто. Пусть у нас напряжение питания 12В, максимальный ток двигателя 1А и сигнал управления также 12-ти вольтовый (состоянию «1» соответствует уровень напряжения около 12В, состоянию «0» — уровень около нуля вольт).

Сначала выбираем транзисторы T1, T2, T3, T4. Подойдут любые транзисторы, способные выдержать напряжение 12В и ток 1А, например, КТ815 (npn) и его комплиментарная пара — КТ814 (pnp). Эти транзисторы рассчитаны на ток до 1,5 Ампер, напряжение до 25 Вольт и имеют коэффициент усиления 40.

Рассчитываем минимальный ток управления транзисторов T1, T4: 1А/40=25 мА.

Рассчитываем резистор R1, полагая, что на p-n переходах БЭ транзисторов T1, T4 и на открытом транзисторе T5 падает по 0,5В: (12-3*0,5)/25=420 Ом. Это максимальное сопротивление, при котором мы получим нужный ток управления, поэтому мы выберем ближайшее меньшее значение из стандартного ряда: 390 Ом. При этом наш ток управления будет (12-3*0,5)/390=27 мА, а рассеиваемая на резисторе мощность: U²/R=283 мВт. То есть резистор надо ставить на 0,5 Вт (ну или поставить несколько 0,125 ваттных параллельно, но чтоб их общее сопротивление получилось 390 Ом)

Транзистор T5 должен выдерживать всё те же 12В и ток 27 мА. Подойдёт, например, КТ315А (25 Вольт, 100 мА, минимальный коэффициент усиления 30).

Рассчитываем его ток управления: 27 мА / 30 = 0,9 мА.

Рассчитываем резистор R2, полагая, что на переходах БЭ транзисторов T5 и T4 падает по 0,5 В: (12-2*0,5)/0,9 = 12 кОм. Опять выбираем ближайшее меньшее значение из стандартного ряда: 10 кОм. При этом ток управления T5 будет 1,1 мА и на нём будет рассеиваться 12,1 мВт тепла (то есть подойдёт обычный резистор на 0,125 Вт).

Вот и весь расчёт.

Далее хотелось бы поговорить вот о чём. В приведённых в статье теоретических схемах H-мостов у нас нарисованы только ключи, однако в рассматриваемом примере, кроме ключей присутствуют ещё одни элементы — диоды. Каждый наш ключ шунтирован диодом. Зачем это сделано и можно ли сделать как-то иначе?

В нашем примере мы управляем элетродвигателем. Нагрузкой, на которой мы переключаем полярность с помощью H-моста, является обмотка этого двигателя, то есть нагрузка у нас индуктивная. А у индуктивности есть одна интересная особенность — ток через неё не может измениться скачком.

Индуктивность работате как маховик — когда мы его раскручиваем — он запасает энергию (и мешает раскручиванию), а когда мы его отпускаем — он продолжает крутиться (расходуя
запасённую энергию). Так и катушка, — когда к ней прикладывают внешнее напряжение — через неё начинает течь ток, но он не резко вырастает, как через резистор, а постепенно, поскольку часть передаваемой источником питания энергии не расходуется на разгон электронов, а запасается катушкой в магнитном поле. Когда мы это внешнее напряжение убираем, — ток через катушку тоже не спадает мгновенно, а продолжает течь, уменьшаясь постепенно, только теперь уже на поддержание этого тока расходуется запасённая ранее в магнитном поле энергия.

Так вот. Посмотрим ещё раз наш самый первый рисунок (вот он, справа). Допустим у нас были замкнуты ключи К1 и К4. Когда мы эти ключи размыкаем, у нас через обмотку продолжает течь ток, то есть заряды продолжают перемещаться от точки h2 к точке h3 (за счёт энергии, накопленной обмоткой в магнитном поле). В результате этого перемещения зарядов, потенциал точки h2 падает, а потенциал точки h3 вырастает. Возникновение разности потенциалов между точками h2 и h3 при отключении катушки от внешнего источника питания известно также как ЭДС самоиндукции. За то время, пока мы открываем ключи K3 и К2, потенциал точки h2 может упасть значительно ниже нуля, также как и потенциал точки h3 может вырасти значительно выше потенциала шины питания. То есть наши ключи могут оказаться под угрозой пробоя высоким напряжением.

Как с этим бороться? Есть два пути.

Первый путь. Можно зашунтировать ключи диодами, как в нашем примере. Тогда при падении потенциала точки h2 ниже уровня общего провода откроется диод D3, через который с общего провода в точку h2 потечёт ток, и дальнейшее падение потенциала этой точки прекратиться. Аналогично, при росте потенциала точки h3 выше потенциала шины питания откроется диод D2, через который потечёт ток из точки h3 на шину питания, что опять же предотвратит дальнейший рост потенциала точки h3.

Второй путь основан на том факте, что при перекачивании зарядов из одной точки схемы в другую, изменение потенциалов между этими двумя точками будет зависеть от ёмкости схемы между этими точками. Чем больше ёмкость — тем больший заряд нужно переместить из одной точки в другую для получения одной и той же разности потенциалов (подробнее читайте в статье «Как работают конденсаторы»). Исходя из этого можно ограничить рост разности потенциалов между концами обмотки двигателя (а, соответственно, и рост разности потенциалов между точками h2, h3 и шинами питания и земли), зашунтировав эту обмотку конденсатором. Это, собственно, и есть второй путь.

На этом на сегодня всё, удачи!

Низковольтный H-мост на полевых транзисторах IRF7307

На рынке электронных компонентов видна четкая ниша в виде отсутствия интегрированных H-мостов, которые могли бы управлять нагрузкой, потребляющей значительный ток (порядка 2 А) при малом напряжении питания (порядка 3 В). Этот проект может стать решением этой проблемы. В качестве исполнительных элементов в Н-мосте использованы транзисторы IRF7307 производства International Rectifier.

В корпусе SO-8 размещены два транзистора типа MOSFET: один с каналом P, а другой с каналом N. Эти транзисторы очень хорошо подходят для применения в системах, работающих при низких напряжениях. Кроме того, малое сопротивление открытого канала обеспечивает малое падение напряжения: нагрузка, потребляющая ток 1 А  создает падение напряжения не более 140 мВ при напряжении питания 4,5 В, то есть всего 3% от общего питающего напряжения.

Hantek 2000 — осциллограф 3 в 1

Портативный USB осциллограф, 2 канала, 40 МГц….

Помимо этого IRF7307 в своем составе имеет демпферный диод, который предназначен для защиты транзистора от выбросов энергии при коммутации индуктивных нагрузок.

H-мост на полевых транзисторах IRF7307

На рисунке ниже приведена принципиальная схема низковольтного мощного H-моста. Для управления использованы логические элементы «И-НЕ» микросхемы CD4093, которые содержат в своей структуре триггер Шмитта. Максимальное напряжение на выходах логических элементов около 50 мВ (по данным Texas Instruments). Это значение достаточно, чтобы вызвать полное открытие или закрытие каналов MOSFET-транзисторов, независимо от входного управляющего напряжения.

В случае  если логические элементы будут без триггера Шмитта, то есть риск, что одновременная подача управляющего напряжения выведет из строя транзисторы одной из ветви схемы, а так же испортит источник питания из-за короткого замыкания. Резисторы R1 и R2 формируют входное напряжение при отсутствии сигнала управления.

После сборки не требуются какие-либо настройки, устройство сразу готово к работе. Напряжение питания находится в диапазоне 3-12 вольт и строго ограничено максимальным напряжением MOSFET-транзисторов. В исходном состоянии, при отсутствии нагрузки схема потребляет ток меньше чем 1 мА.

Время переключения логических элементов относительно большое, поэтому желательно чтобы частота коммутации нагрузки не превышала нескольких сотен герц. При большей частоте есть вероятность, что оба канала транзисторов окажутся открытыми, что приведет к большому потреблению тока.

Создание бюджетного Н-моста

В этой статье будет рассмотрено создание бюджетного Н-моста для подключения коллекторного двигателя. Область применения, ну скажем для само балансирующих роботов с эл. двигателями 36 В и выше. Возможно эта схема уже существует, но я не встречал.

В моём проекте надо было заставить коллекторный двигатель работать в реверсивном режиме для поддержания само баланса при напряжении 36 вольт.  В интернете можно найти огромное количество схем на эту тему.

Но при повторении их лично я спалил не один десяток полевых транзисторов,  причем одни выгорали сразу при включении питания, другие после подключения нагрузки. Пробовал мосфеты и только N-P-N и в сочетании с P-N-P, как то не шло.

 Дошло дело до того, что стал подумывать о замене двигателя на 24 В. Есть в продаже драйвера способные управлять мощной нагрузкой и не надо голову ломать заплати и твори …даже прикупил драйвер двигателя BTS7960 43 А

Но решение пришло как то само собой. Я почему то решил заменить мосфеты верхнего плеча  P-N-P на тиристоры. Тиристор после включения не отключится пока не разорвешь питание, это может делать мосфет когда управляющее напряжении переходит в 0

Для построения Н-моста мне понадобилось:
1- два тиристора ( я взял ку-202 н) 400 В, 10 А
2- мосфеты N-P-N 2 шт- irfp-240 (200 В 20 А) 2 шт- irfs-740 (400 В 10 А)
3- сопротивления 100 ом -8 шт , 10 к- 8 шт
4- два кремниевых транзистора N-P-N КТ-815 и два P-N-P КТ-816
5- два диода д- 226Б

Выходы А и В управляются ардуино, Положительный сигнал «А» поступает на мосфет irfp-240  который управляет напряжением и на кремниевые транзисторы КТ-815 и КТ-816 которые полностью открывают мосфет и тиристор тем самым запуская электромотор.

 Диод нужен для того, чтобы отключить тиристор, он прерывает запитку мосфета irfs-740 при отключении сигнала с ардуино и цепь разрывается, без него тиристор подпитывает мосфет даже когда сигнал «А» с ардуино отсутствует.

  Мосфеты, управляющие оборотами электродвигателя, я поставил два, хотя можно было поставить и один отсечь сигнал диодами, но с ардуино напряжение ШИМ небольшое, а усилитель при потерях не хотелось строить. 
Если положительный сигнал будет на «В» вращение будет противоположное.

В итоге задача была решена, коллекторный электродвигатель работает в реверсном режиме и имеет регулятор оборотов, конечно крупный получился драйвер, но в будущем планирую применить на более высокое напряжение.

При нагрузке больше 5-7 А, тиристоры и мосфеты нужно подобрать соответствующей мощности.

Как работает эта схема H-моста?

Я пытаюсь отремонтировать старый радиоуправляемый игрушечный автомобиль. Это будет идти только назад, а движение вперед заикается. После некоторых исследований выяснилось, что один из транзисторов NPN с H-мостом неисправен. Поскольку прямую замену получить сложно, я нашел замену. Я не слишком беспокоился о параметрах, я думал, что транзисторы в H-мосте работают в области насыщения, и там должно быть много возможностей.

Вот схема, переработанная с печатной платы:

Я заменил оригинальный Q14 (2SD882, обозначенный как NEC D882) на BD238. BD238 имеет более низкий hFE (> 40 вместо> 80) и более низкий Ic, что, я думаю, не имеет значения. [ Править : как правильно указали люди, довольно нелепая ошибка, которую я совершил, заключалась в том, что BD238 является транзистором PNP! Нет ничего похожего на другую пару глаз. Так что, по крайней мере, на эту часть вопроса уже дан ответ.]

Ну, оказывается, замена не работает. Это заставило меня исследовать схему ближе, что заставило меня понять, что я действительно не понимаю, как она работает, тем более, почему замена не работает. И схема довольно интересная и использует очень мало компонентов. Обратите внимание, например, на отсутствие улавливающих диодов. Я думаю, именно поэтому использовались транзисторы с Vceo = 30 В, в надежде, что они выдержат скачки напряжения.

После замены неисправного транзистора двигатель никогда не поворачивается в направлении, которое обрабатывается этой ветвью H-моста.

Я попробовал несколько вещей. Я сузил его до единого направления не работает. Замена NPN-транзистора в этой ветви на 2SD882 заставляет это направление работать снова. Я также попытался удвоить базовые токи (чтобы компенсировать низкое значение hFE), подключив другой резистор 47 Ом параллельно с резистором 51 Ом в ответвлении. Без изменений.

Я думал о падении напряжения BE нового транзистора BD238 — в конце концов, цепь питается от примерно 5 вольт, чего должно быть достаточно для 3 переходов (BE из Q12, EC из Q10 и BE из Q14), но я могу не вижу, как это может быть достаточно высоко, чтобы предотвратить работу схемы.

Я ищу ответы на следующие вопросы:

• Как работает эта схема? В нем удивительно мало компонентов. Установка низкого уровня на один из входов должна включать три транзистора (например, Q10, Q12 и Q14), но я не вижу, как это можно сделать, просто потянув основание минимума Q10. Откуда берется напряжение на базе Q12? Нет смещения, нет подтягивания. Достаточно ли низка база Q10, чтобы запустить ток, протекающий через Q12 (EB)?
• Почему замена 2SD882 на BD238 не работает? Я должен понять это, прежде чем идти искать другие замены. [ Редактировать : эта часть уже получена, я сделал глупую ошибку, заменив транзистор PNP, не заметив этого.]
• Насколько важно сопоставление дополнительных пар PNP / PNP в H-мосте? Я не мог найти никакой информации об этом. Все говорят, что хорошо иметь подходящую пару, но никакого объяснения не дано. Я не понимаю, как незначительные различия в hFE могут (или должны) влиять на поведение простой схемы управления двигателем.

Игрушечный автомобиль питается от 4-х батарей D (так что чуть выше 5 вольт), и двигатель потребляет около 0,4 А в нормальном режиме. Я также измерил базовый ток для транзисторов H-моста NPN при активации: он составляет 60 мА, когда установлен 2SD882, и 2,2 мА, когда установлен BD238.

Ссылки на соответствующие таблицы данных для облегчения доступа:

Орта

Вы в значительной степени имеете правильное представление о том, как работает схема. Когда вы потянете Q10 вниз, вы получите Vcc через резисторы Vbe_12 + Vbe_10 +. Vbe обычно около 0,7 вольт, так что вы получите Vcc-1,4 В = Vresistors. Зная напряжение на резисторах, вы можете рассчитать ток, проходящий по этому пути от VCC до базы Q10. Как только вы узнаете ток, проходящий через Q10_base с известным Hfe, вы узнаете, сколько тока течет в базу Q14. Этот ток в Q14 включит его, и его Hfe должен позволить достаточному току протекать через него от коллектора к эмиттеру.

Повышение уровня входного сигнала на Q10 приводит к тому, что падение напряжения на резисторах Vbe + Vbe + становится равным 0. Так как нет падения напряжения, PNP отсекаются, и по этому пути ток не протекает. Поскольку по этому пути ток не течет, ток не может течь от эмиттера к коллектору PNP Q10. Отсутствие тока по этому пути предотвращает протекание тока в базу Q14. Без тока, протекающего в основание Q14, он предотвращает ток, протекающий от двигателя к земле по этому пути.

Ваш третий вопрос несколько падает в серое пространство. Если у вас есть согласованные транзисторы, то вы можете ожидать, что каждый комплемент будет позволять одинаковую величину тока, вы можете ожидать, что время нарастания и спада будет примерно одинаковым, и вы можете ожидать, что сопротивление включения транзистора будет примерно одинаковым. Если у вас есть несоответствие в этой паре, вы должны убедиться, что вы не идете на компромисс ни по одному из этих пунктов. Если один включается быстрее, чем другой успевает отключиться, у вас останется больше времени, когда оба Q11 и Q14 включены одновременно. Это вызывает прямое короткое замыкание, часто приводящее к сгоревшим чипам. Если один транзистор не сможет справиться с величиной тока, который может подать другой, это либо помешает вашему двигателю работать оптимально, либо может вызвать преждевременный выход из строя транзистора меньшего размера. По сути, если вы правильно укажете некомплементарный транзистор (в идеале, немного переоцениваете его), то у вас не должно возникнуть никаких проблем.

Мостовая схема управления вращением двигателя постоянного тока

Полная мостовая схема (Н-образный мост) содержит четыре выключателя, соединенных последовательно-параллельно. Широко распространен электронный вариант моста, где обычно используются транзисторы, работающие в режиме переключения. Такая схема часто служит для управления двигателем постоянного тока и позволяет изменять скорость и направление вращения.

Схема, приведенная на рис. 1 а, иллюстрирует управление двигателем, который можно привести в одно из четырех различных состояний: вращения в одном или в другом направлении, отключения и принудительной остановки (торможения). Последний вариант осуществляется путем одновременного замыкания двух нижних выключателей. В результате происходит закорачивание обмотки двигателя. Схема часто используется для управления двигателями в радиоуправляемых моделях. Последовательность сигналов должна быть достаточно точной: нужно избежать одновременного замыкания двух переключателей в одной ветви, что привело бы к закорачиванию источника питания. Чтобы выполнить это условие, для формирования управляющих сигналов обычно применяется специальное устройство. Путем периодического прерывания тока в ветвях моста можно изменять среднее значение тока, протекающего через двигатель, а следовательно, и скорость его вращения.

Другим интересным примером использования полной мостовой схемы является генерация импульсного сигнала, у которого полный перепад уровней равен удвоенной величине напряжения источника питания (рис. 1 б).

Рис. 1. Мостовая схема управления вращением двигателя

Для решения этой задачи периодически чередуют токи в двух противоположных ветвях, выполняя вышеуказанное условие. В зависимости от типа нагрузки, включенной на выходе моста (индуктивной или емкостной), время паузы в подаче сигналов подбирают так, чтобы ток успевал снизиться до прихода сигнала противоположной полярности. Описанная схема может использоваться для подачи сигнала повышенного напряжения на громкоговоритель или в выходных каскадах инвертора.

В качестве переключающих элементов все чаще применяются МОП транзисторы благодаря малому току, потребляемому по цепи управления. Однако переключение мощных транзисторов является непростой задачей, поскольку для этого необходимо располагать управляющим напряжением порядка 10 В относительно истока, который в данном случае является точкой с плавающим потенциалом. Есть несколько возможных решений данной проблемы, в частности подача управляющего сигнала через трансформатор, использование источника питания с незаземленным выходом или применение специализированных схем.

Это хороший дизайн для MOSFET H-Bridge?

Я не уверен, почему вы думаете, что BJT значительно медленнее, чем мощные MOSFET; это, конечно, не присущая характеристика. Но нет ничего плохого в использовании FET, если вы предпочитаете именно это.

А для затворов MOSFET действительно необходим значительный ток, особенно если вы хотите быстро их переключать, заряжать и разряжать емкость затвора — иногда до нескольких ампер! Ваши резисторы 10K затвора значительно замедлят ваши переходы. Обычно для стабильности вы бы использовали резисторы всего 100 Ом или около того последовательно с затворами.

Если вы действительно хотите быстрое переключение, вы должны использовать специализированные ИС драйвера затвора между выходом ШИМ MCU и мощными полевыми транзисторами. Например, International Rectifier имеет широкий спектр микросхем драйверов, и есть версии, которые обрабатывают детали привода верхней стороны для полевых транзисторов P-канала.

Дополнительно:

Как быстро вы хотите переключить FET? Каждый раз, когда он включается или выключается, он будет рассеивать импульс энергии во время перехода, и чем короче вы можете сделать это, тем лучше. Этот импульс, умноженный на частоту цикла ШИМ, является одним из компонентов средней мощности, которую должен рассеивать FET — часто доминирующий компонент. Другие компоненты включают питание во _{включенном} состоянии (I _D ² × R _{DS (ON),} умноженное на рабочий цикл ШИМ) и любую энергию, сбрасываемую в диод корпуса в выключенном состоянии.

Один простой способ смоделировать потери при переключении состоит в том, чтобы предположить, что мгновенная мощность является примерно треугольной формой волны, пик которой (V _CC / 2) × (I _D / 2) и основание которой равно времени перехода T _RISE или T _FALL. , Площадь этих двух треугольников — это общая энергия переключения, рассеиваемая в течение каждого полного цикла ШИМ: (T _RISE + T _FALL ) × V _CC × I _D / 8. Умножьте это на частоту цикла ШИМ, чтобы получить среднюю мощность потерь на переключение.

Главное, что доминирует во время нарастания и спада, это то, как быстро вы можете перемещать заряд затвора на затвор MOSFET и с него. Типичный MOSFET среднего размера может иметь общую зарядку затвора порядка 50-100 нКл. Если вы хотите переместить этот заряд, скажем, в 1 мкс, вам нужен драйвер затвора, способный по крайней мере 50-100 мА. Если вы хотите, чтобы он переключался в два раза быстрее, вам нужно в два раза больше тока.

Если мы включим все числа для вашего дизайна, мы получим: 12 В × 3 А × 2 мкс / 8 × 32 кГц = 0,288 Вт (для MOSFET). Если предположить, что R _{DS (ON)} составляет 20 мОм, а рабочий цикл — 50%, то потери I ² R будут равны 3A ² × 0,02 Ом × 0,5 = 90 мВт (опять же, для каждого MOSFET). Вместе два активных полевых транзистора в любой данный момент будут рассеивать около 2/3 Вт мощности из-за переключения.

В конечном счете, это компромисс между эффективностью схемы и тем, сколько усилий вы хотите приложить для ее оптимизации.

низкоразмерная топология — Мостовое представление узла

Наиболее распространенное определение представления моста — это минимальное количество локальных максимумов по всем диаграммам узла. Точно так же будет такое же количество локальных минимумов. При этом мы можем думать, что все максимумы находятся на одной высоте, а все минимумы находятся на одной высоте, ниже максимума.

Вот схема с 3 мостами. В коробке не хватает того, что называется тесьмой.Косы спускаются только сверху вниз. Иначе был бы другой мост.

Проблема здесь в том, что вы можете заплести косу, чтобы полученный узел не нуждался во всех трех перемычках, поэтому номер перемычки может быть меньше 3.

Специально для двух мостовидных узлов используйте только два полукруга сверху и снизу. Но с двумя узлами моста становится еще проще. (Опять же, будьте осторожны, это всего лишь два узла моста, которые обладают следующим свойством.)
В косе для узла с двумя перемычками можно считать, что одна прядь представляет собой вертикальную линию.Тогда остальная часть косы состоит только из трех прядей, которые чередуются между участками скручивания. См. Изображение ниже.

Чтобы узнать больше о том, почему это возможно, посмотрите рациональные узлы, которые аналогичны узлам с двумя мостами, и вы можете увидеть больше здесь и здесь.

Дополнение

Раз уж вы спросили, вот старый нарисованный от руки пример того, что вы просили. Узел, с которого мы начинаем, — это $ 7_7 $, который является рациональным узлом $ 8/21 $. Это означает, что мы помещаем эти наклонные линии на квадрат $ I \ times I $ и $ -8 / 21 $ на обратной стороне.Но для миллиметровой бумаги мы сделали наклон 1 на прямоугольнике 8 на 21. Итак, первый клубок в верхнем левом углу, мы получаем узел, прикрепляя два левых конца клубка, а затем то же самое для правого. Теперь у нас есть две соответствующие вещи, которые происходят между каждым изображением. Мы модифицируем диаграмму и модифицируем дробь.

Чтобы перейти к следующему изображению вверху, мы видим, что мы можем перетащить красную часть обратно туда, где они встречаются на одной трети пути вниз по изображению. Затем мы можем повторить это для всех остальных дуг, пока не останутся только дуги, пересекающие два верхних угла.Точно так же мы можем просто повторить весь этот процесс для средней трети, чтобы получить второе изображение.

Для дроби мы используем разложение на частичную дробь, чтобы увидеть, что
$$ \ frac {8} {21} = \ frac {1} {\ frac {21} {8}} = \ frac {1} {2+ \ frac {5} {8}} $$
2 представляет собой два целых квадрата, которые мы изолировали, каждый из которых имеет только 1 пересечение.

Теперь мы повторяем весь процесс, но с $ \ frac {5} {8} $ и всем остальным, пока мы не получим только единицы в числителях и клубок не распадется на последнее изображение в правом нижнем углу и частичное дробное разложение (которое отрезал) должно быть

$$ \ frac {1} {2+ \ frac {1} {1+ \ frac {1} {1+ \ frac {1} {1 + 1/2}}}} $$

Чтобы перейти от последнего изображения к квадратной башне (как на рисунке 2 в статье Хэтчера и Терстона), вы используете планарную изотопию, которая показана на рисунке 8 в статье Кауфмана и Ламбропулу.

Bridge Formula Weights — FHWA Freight Management and Operations

Версия для печати [ PDF 3.2 MB ]
Вам может понадобиться Adobe® Reader® для просмотра файлов PDF s на этой странице.
Контактная информация: обратная связь с операциями по адресу [email protected]

Министерство транспорта США
Федеральное управление шоссейных дорог
Офис операций
1200 New Jersey Avenue, SE
Вашингтон, округ Колумбия 20590
опс.fhwa.dot.gov

Август 2019
FHWA-HOP-19-028

Примечание

Федеральное управление шоссейных дорог (FHWA) пересматривает брошюру с указаниями по формуле веса федерального моста (май 2015 г.). Предыдущие издания этой брошюры с инструкциями отменены и более недействительны. Это руководство перефразирует положения 23 Свода законов США. § 127 и 23 C.F.R. § 658 только в целях иллюстрации. В случае разногласий закон и постановление имеют преимущественную силу в отношении максимально допустимых весов по формуле Federal Bridge.

Бридж Формула Весов

За некоторыми исключениями, указанными в этой брошюре, Формула моста устанавливает максимальный вес, который любой комплект осей автомобиля может нести на межштатной автомагистрали. В этой брошюре описывается формула моста, почему она была создана и как она используется.

Что это?

Конгресс принял формулу моста в 1975 году, чтобы ограничить отношение веса к длине транспортного средства, пересекающего мост. Это достигается либо за счет распределения веса на дополнительные оси, либо за счет увеличения расстояния между осями.

Соответствие ограничениям веса по формуле моста определяется по следующей формуле:

W = общий вес брутто на любой группе из двух или более последовательных осей с точностью до 500 фунтов.

L = расстояние в футах между внешними осями любой группы из двух или более последовательных осей.

N = количество осей в рассматриваемой группе.

В дополнение к ограничениям по массе Bridge Formula, Федеральный закон гласит, что одиночные оси ограничены до 20 000 фунтов, а оси, расположенные на расстоянии более 40 дюймов и не более 96 дюймов друг от друга (тандемные оси), ограничены до 34 000 фунтов.Полная масса автомобиля ограничена 80 000 фунтов (23 USC 127).

Нужна ли формула?

Мосты на автомагистралях Interstate System спроектированы так, чтобы выдерживать широкий спектр транспортных средств и их ожидаемую нагрузку. Поскольку в 1950-х и 1960 годах грузовики становились все тяжелее, необходимо было что-то делать для защиты мостов. Решением было привязать допустимый вес к количеству и расстоянию между осями.

Рисунок 1

Расстояние между осями так же важно, как и вес оси при проектировании мостов.На Рисунке 1A нагрузка на элементы моста при проезде более длинного грузовика намного меньше, чем у короткого транспортного средства, как показано на Рисунке 1B, даже несмотря на то, что оба грузовика имеют одинаковый общий вес и веса отдельных осей. Вес более длинного транспортного средства распределяется, в то время как более короткое транспортное средство сосредоточено на меньшей площади.

Как используется формула?

Необходимо проверить вес на различных конфигурациях осей, чтобы определить соответствие формуле моста. Для правильного использования формулы моста необходимы три определения.

• Вес брутто — Вес транспортного средства или автопоезда и любого груза на нем. Федеральный предел веса брутто на межштатной системе составляет 80 000 фунтов, если Формула моста не требует более низкого предела веса.
• Вес одной оси — Общий вес одной или нескольких осей, расстояние между центрами которых не превышает 40 дюймов. Федеральный предел веса одной оси на межгосударственной системе составляет 20 000 фунтов.
• Вес тандемной оси — Общий вес двух или более последовательных осей, центры которых расположены на расстоянии более 40 дюймов друг от друга, но не более 96 дюймов.Федеральный предел веса тандемной оси на межгосударственной системе составляет 34 000 фунтов.

Межгосударственная система ограничения веса в некоторых государствах может быть выше, чем цифры, указанные выше, из-за «дедушкиных» прав. Когда в 1956 г. были приняты ограничения по осям и полной массе Межгосударственной системы, а в 1975 г. были внесены поправки, штатам было разрешено сохранять или «дедушкины» пределы веса, которые были выше.

Расчеты по формуле моста

дают серию весов (Таблица мостов, страницы 5-6).Важно отметить, что ограничение веса одной оси заменяет ограничение веса по формуле моста для осей, расстояние между которыми не превышает 40 дюймов, а ограничение веса тандемной оси заменяет ограничение по весу по формуле моста для осей более 40, но не более 96 дюймов. раздельно. Например, на расстоянии 97 дюймов друг от друга две оси могут нести 38 000 фунтов (Рисунок 2A), а три оси могут нести 42 000 фунтов, как показано на Рисунке 2B.

Рисунок 2

Федеральный закон гласит, что любые две или более следующих друг за другом оси не могут превышать вес, рассчитанный по формуле моста, даже если отдельные оси, сдвоенные оси и полная масса находятся в установленных законом пределах.В результате группа осей, которая включает в себя весь грузовик, иногда называемую группой «внешнего моста», должна соответствовать формуле моста. Однако внутренние комбинации осей, такие как «мост трактора» (оси 1, 2 и 3) и «мост прицепа» (оси 2, 3, 4 и 5), также должны соответствовать весам, рассчитанным по формуле моста. (Рисунок 3).

Рисунок 3

На рис. 3 показан наиболее распространенный автомобиль, проверенный на соответствие требованиям по предельной массе. Хотя формула моста применяется к каждой комбинации двух или более осей, опыт показывает, что комбинации осей с 1 по 3, с 1 по 5 и со 2 по 5 имеют решающее значение и должны быть проверены.Если эти комбинации будут признаны удовлетворительными, то все остальные на этом типе транспортного средства, как правило, будут удовлетворительными.

Транспортное средство с массой и размерами оси, показанными на Рисунке 4, используется для иллюстрации проверки по формуле моста.

Рисунок 4

Допустимая полная нагрузка для автомобилей в штатном режиме ¹

Перед проверкой соответствия формуле моста необходимо проверить одноосную, сдвоенную ось и полную массу транспортного средства.Здесь одиночная ось (номер 1) не превышает 20 000 фунтов, тандемы 2-3 и 4-5 не превышают 34 000 фунтов каждый, а общий вес не превышает 80 000 фунтов. Таким образом, эти предварительные требования выполнены. Первая комбинация Формулы Бриджа проверяется следующим образом:

Рисунок 5

Проверить оси с 1 по 3 (Рисунок 5)

Фактический вес = 12000 + 17000 + 17000 = 46000 фунтов.

N = 3 оси

L = 20 футов

Максимальный вес (Вт) = 51 000 фунтов, что больше фактического веса в 46 000 фунтов.Таким образом, требование формулы моста выполнено.

Пример из таблицы мостов (страницы 5 и 6)

Это же число (51000 фунтов) могло быть получено из таблицы мостов, читая слева вниз до L = 20 и поперек направо, где N = 3.

Рисунок 6

Теперь проверьте оси с 1 по 5 (Рисунок 6)

Фактический вес = 12000 + 17000 + 17000 + 17000 + 17000 = 80000 фунтов.

Максимальный вес (W) = 80 000 фунтов (мостовой стол для «L» 51 фут и «N» для 5 осей).

Следовательно, такое расстояние между осями является удовлетворительным.

Рисунок 7

Теперь проверьте оси 2-5 (Рисунок 7)

Фактический вес = 17000 + 17000 + 17000 + 17000 = 68000 фунтов.

Максимальный вес (W) = 65 500 фунтов (мостовой стол для L для 35 футов и N для 4 осей).

Это нарушение, потому что фактический вес превышает вес, разрешенный Формулой Бриджа. Чтобы исправить ситуацию, необходимо снять часть груза с автомобиля или увеличить расстояние между осями (35 футов).

Исключение из таблицы формул и мостов

В дополнение к примечаниям о правах дедушки на странице 3, Федеральный закон (23 USC 127) включает еще одно исключение из Формулы моста и Таблицы моста — два последовательных набора тандемных осей могут нести 34 000 фунтов каждый, если общее расстояние между первыми и последняя ось этих тандемов составляет 36 футов или более. Например, пятиосный трактор-полуприцеп может нести 34 000 фунтов как на тандеме трактора (оси 2 и 3), так и на тандеме прицепа (оси 4 и 5), при условии, что оси 2 и 5 разнесены друг от друга на расстояние не менее 36 футов.Без этого исключения Формула моста допускает фактический вес только от 66 000 до 67 500 фунтов на тандемах, расположенных на расстоянии от 36 до 38 футов друг от друга.

Применение формулы моста к грузовым автомобилям с одной единицей

Описанная выше процедура может использоваться для проверки любых комбинаций осей, но несколько близко расположенных осей обычно создают наиболее критическую ситуацию.

Рисунок 8

Грузовик, показанный на Рисунке 8, удовлетворяет пределу веса одной оси (12000 фунтов меньше 20000 фунтов), пределу тандемной оси (30 000 фунтов меньше 34000 фунтов) и пределу полной массы (57000 фунтов меньше 80000 фунтов).При соблюдении этих ограничений выполняется проверка требований формулы моста для осей с 1 по 4.

Фактический вес = 12000 + 15000 + 15000 + 15000 = 57000 фунтов.

Максимальный вес (W) = 57 500 фунтов (мостовой стол для L — 23 фута и N — 4-х осей).

Поскольку оси с 1 по 4 являются удовлетворительными, проверьте оси со 2 по 4:

Фактический вес = 15000 + 15000 + 15000 = 45000 фунтов.

Максимальный вес (W) = 42 500 фунтов (мостовой стол для «L» 9 футов и «N» для 3 осей.

Это нарушение, потому что фактический вес превышает вес, разрешенный Формулой Бриджа. Чтобы соответствовать формуле моста, необходимо либо уменьшить нагрузку, либо добавить оси, либо увеличить расстояние.

Заявление об обеспечении качества

Федеральное управление шоссейных дорог (FHWA) предоставляет высококачественную информацию для обслуживания правительства, промышленности и общественности таким образом, чтобы это способствовало общественному пониманию. Стандарты и политики используются для обеспечения и максимального повышения качества, объективности, полезности и целостности информации.FHWA периодически рассматривает вопросы качества и корректирует свои программы и процессы для обеспечения постоянного улучшения качества.

типов мостов. 7 основных типов

Всего существует 7 основных типов мостов : Арочный мост, Балочный мост, Вантовый мост, Консольный мост, Висячий мост, Ферменный мост, Связанный арочный мост. Способ управления вертикальными / горизонтальными напряжениями определяет структуру различных мостов. В одних случаях несущим элементом будет площадь палубы, в других — башни.Существуют также конструкции, которые передают напряжение через мостовые тросы, что обеспечивает определенную гибкость для различных местностей.

Интересным фактором при рассмотрении различных конструкций мостов является их долговечность и то, что они существуют на протяжении веков. Многие из величайших инженеров мира за прошедшие годы не смогли внести никаких существенных улучшений в основные несущие конструкции. Теперь мы рассмотрим различные типы мостов и то, как они работают.

Типы мостов

7 основных типов мостов:

1. Арочный мост

2. Балочный мост

3. Вантовый мост

4. Консольный мост

5. Подвесной мост

6. Ферменный мост

7. Связанный арочный мост

5 основных типов мостов:

1. Арочный мост

2. Балочный мост

3. Вантовый мост

4. Подвесной мост

5. Ферменный мост

Балочные мосты

Балочный мост — один из самых простых типов мостов.Прекрасным примером является простой бревенчатый мост — то, что вы можете увидеть во время загородной прогулки.

Площадка палубы традиционно состоит из деревянных досок или каменных плит (часто называемых мостом с хлопушкой). Они поддерживаются с обеих сторон двумя балками, проходящими между опорами / опорами.

Очень часто можно встретить другие балки, расположенные между главными балками, обеспечивающие дополнительную поддержку и устойчивость.

Зона, по которой перемещаются люди или транспортные средства, будет представлять собой простой настил, расположенный вертикально поперек лежащих ниже балок.Это часто называют «просто поддерживаемой» структурой. Нет передачи напряжения, которое вы видите в арочных конструкциях и других типах мостов.

Пример балочного моста: мост через реку Айова. Источник: см. Примечание 1.

Мосты ферменные

Мост с фермами существует буквально веками и представляет собой несущую конструкцию, которая включает ферму с высокоэффективной, но очень простой конструкцией. Вы заметите множество различных вариаций простого ферменного моста, но все они имеют треугольные секции.Роль этих треугольных элементов важна, потому что они эффективно поглощают растяжение и сжатие, создавая напряженную конструкцию, способную выдерживать динамические нагрузки. Эта смесь напряжения и сжатия обеспечивает сохранность конструкции моста, а площадь настила остается неизменной даже при относительно сильном ветре.

Пример ферменного моста: мост Фрэнсиса Скотта Ки, Балтимор. Источник: см. Примечание 2.

Мост консольный

Когда был спроектирован первый консольный мост, это было большим инженерным прорывом.Мост работает с использованием консолей, которые могут быть простыми балками или фермами. Они изготавливаются из предварительно напряженного бетона или конструкционной стали, когда используются для размещения транспортных средств. Если учесть, что горизонтальные балки, составляющие консоль, поддерживаются только с одной стороны, это действительно начинает казаться немного опасным. Однако два консольных рычага соединены между собой так называемым «подвесным пролетом», который фактически является центральной частью, не имеющей прямой опоры снизу. Нагрузка на мост поддерживается посредством диагональных связей с горизонтальными балками, в отличие от обычных вертикальных распорок.Чрезвычайно безопасная и очень надежная конструкция консольных мостов существует до сих пор.

Пример консольного моста: Форт-Бридж, Шотландия. Источник: см. Примечание 3.

Arch Bridges

Пример арочного моста: Гаолянский мост Летнего дворца. Источник: примечание 4.

Существует много разных типов арочных мостов, но все они имеют общие центральные элементы. У каждого моста есть опоры, которые используются для поддержки изогнутой арочной конструкции под мостом. Самый распространенный тип арочного моста — это виадук, длинный мост, состоящий из множества арок.Боковое давление, создаваемое арочным пролетом, передается на опорные опоры. Поэтому важно, чтобы эти части моста оставались прочными, неповрежденными и хорошо обоснованными. Вы увидите множество арочных мостов с декоративной кирпичной кладкой, которая является неотъемлемой частью конструкции. Простой, но очень эффективный арочный мост может перевезти все, от пешеходов до тяжелого рельса.

Арочные мосты арочные

Пример связанного арочного моста: Бесконечный мост в Стоктон-он-Тис. Источник: см. Примечание 5.

Связанный арочный мост представляет собой увлекательную конструкцию, которая включает в себя арочную конструкцию (обычно металлическую), поддерживаемую вертикальными связями между аркой и настилом. Концы арочной конструкции соединяются нижним поясом. Это действует аналогично тетиве лука. Давление, направленное вниз от арочной конструкции к настилу моста, преобразуется в растяжение вертикальными стяжками. Многие полагают, что опоры гарантируют, что связанный арочный мост и арочная конструкция останутся на месте.Однако именно настил / усиленный пояс соединяет кончики каждого конца арки вместе. Лучшим примером этого является тетива, которая поглощает давление, удерживая обе стороны лука в контакте, пока она в конечном итоге не станет плоской.

Сравнение арочного моста и связанного арочного моста.

Мосты подвесные

Пример подвесного моста: Хромолитография «Висячего моста Грейт-Ист-Ривер» (Бруклинский мост), сделанная Карриером и Айвсом, 1883 г.

Структура стереотипного подвесного моста выглядит очень простой, но конструкция чрезвычайно эффективна.Настил подвесного моста является несущим элементом конструкции. Он удерживается на месте вертикальными подвесками, поддерживающими тросы. Подвесные тросы выходят за пределы каждой стороны моста и прочно закреплены в земле. Это будет зависеть от размера моста, но будет установлено несколько опор для удержания подвесных тросов. Любая нагрузка, приложенная к мосту, преобразуется в натяжение подвесных тросов, которые являются неотъемлемой частью конструкции.Поскольку в подвесных тросах есть некоторая «просадка», это может привести к небольшому, но размеренному смещению моста в сложных погодных условиях.

Вантовые мосты

Пример вантового моста: мост Рио-Антиррио в Греции.

Вантовый мост зависит от опор / опор, которые являются несущим элементом конструкции. Кабели подключаются от пилонов к нижней палубе. Либо прямо с вершины башни, либо в разных точках колонны.При соединении в разных точках колонны это создает веероподобный узор. Это особенность, которую многие люди ассоциируют с вантовыми мостами. Этот тип конструкции обычно используется для расстояний, превышающих те, которые достигаются с помощью консольного моста, но меньше, чем у подвесного моста. Одна из основных проблем с этим типом моста заключается в том, что центральное соединение кабелей может оказывать горизонтальное давление на настил. Следовательно, конструкция палубы должна быть усилена, чтобы выдерживать это постоянное давление.

Сравнение схемы подвесных и вантовых мостов.

Какой мост строить наиболее дорого?

Если вы посмотрите на подавляющее большинство дорогих мостов, вы увидите закономерность, это, как правило, подвесные мосты. Итак, ответ на вопрос, какой мост строить наиболее дорого, прост — висячий мост!

Есть ряд причин, по которым они такие дорогие. Во-первых, они предлагают возможность преодолевать огромные расстояния (до 7000 футов) — пролет, недоступный для других конструкций мостов.Размер башен, используемые материалы и установка так называемой палубной фермы под настилом моста — все это приводит к значительным затратам. Мы прошли долгий путь от первых подвесных мостов, которые, по всей видимости, были сделаны из скрученной травы. Стоимость сегодняшних более крупных подвесных мостов регулярно превышает 1 миллиард долларов!

Какой мост самый лучший?

С точки зрения прочности, мост из фермы обеспечивает наилучшее соотношение прочности и веса. Другими словами, он может выдерживать наибольший вес на вес своих строительных материалов.В следующем разделе приводится более подробная информация.

Какой тип моста самый прочный?

Несмотря на то, что конструкция моста с ферменной конструкцией существует буквально столетия, она широко считается самым прочным типом мостов. Сама конструкция выглядит чрезвычайно простой, так что же делает его самым прочным типом моста и почему?

Несущий мост, состоящий из массива треугольных конструкций. Интересно, что треугольные балочные конструкции закреплены на месте, а не жестко связаны, что важно при распределении нагрузки.Вибрации, вызванные движением транспорта по мосту или даже погодными условиями, не изолированы; вместо этого они распространяются прямо по конструкции моста, перемещаясь между треугольными секциями. Поскольку нагрузка распределяется прямо по мосту, это также увеличивает общую устойчивость и снижает изгиб.

Какой тип моста самый распространенный?

Балочный мост — самый распространенный тип мостов. Кроме того, он самый простой в сборке — см. Подробное описание выше.

Заключение

Когда вы смотрите на различные типы мостов и на то, как они работают, это открывает совершенно новую область проектирования. То, что многие из нас считают эстетической особенностью современного моста, часто является неотъемлемой частью конструкции. Эти функции часто помогают контролировать напряжение и стресс разными способами. Также интересно видеть, что разные конструкции мостов подходят для разных местностей. Тот факт, что многие из этих базовых конструкций насчитывают столетия, говорит об их жизнеспособности, долговечности и безопасности.

Читайте также:

___________

Источники изображений:

1. Дуглас У. Джонс, Викимедиа
2. Автор Dharrah87, Викимедиа
3. Эндрю Шива, Викимедиа
4. Автор: Хеннесси, Викимедиа
5. Автор: Mrs Logic, Викимедиа

В чем разница между концентраторами, коммутаторами и мостами?

Концентраторы обеспечивают выделенное физическое соединение для каждого устройства, что помогает снизить вероятность того, что отказ одного компьютера приведет к потере связи на всех компьютерах.Однако, поскольку концентратор по-прежнему является устройством с общей полосой пропускания, возможность подключения ограничена полудуплексом. Коллизии также остаются проблемой, поэтому концентраторы не помогают улучшить производительность сети.

Концентраторы по сути являются многопортовыми повторителями. Они игнорируют содержимое кадра Ethernet и просто повторно отправляют каждый кадр, который они получают из каждого интерфейса на концентраторе. Проблема заключается в том, что кадры Ethernet будут отображаться на каждом устройстве, подключенном к концентратору, а не только в предполагаемом месте назначения (брешь в безопасности), а входящие кадры часто конфликтуют с исходящими кадрами (проблема производительности).

Что такое мост?

В физическом мире мост соединяет дороги на разных сторонах реки или железнодорожных путей. В техническом мире мосты соединяют два физических сегмента сети. Каждый сетевой мост отслеживает MAC-адреса в сети, подключенные к каждому из его интерфейсов. Когда сетевой трафик поступает на мост и его целевой адрес является локальным для этой стороны моста, мост фильтрует этот кадр Ethernet, поэтому он остается только на локальной стороне моста.

Если мост не может найти целевой адрес на стороне, получившей трафик, он пересылает кадр через мост, надеясь, что пункт назначения будет в другом сегменте сети. Иногда приходится пересекать несколько мостов, чтобы добраться до конечной системы.

Большая проблема заключается в том, что широковещательный и многоадресный трафик должен пересылаться через каждый мост, поэтому каждое устройство имеет возможность читать эти сообщения. Если сетевой менеджер создает избыточные каналы, это часто приводит к потоку широковещательного или многоадресного трафика, предотвращая поток одноадресного трафика.

Что такое коммутатор?

Коммутаторы

играют жизненно важную роль в передаче данных с одного устройства на другое. В частности, коммутаторы значительно улучшают производительность сети по сравнению с концентраторами, предоставляя выделенную полосу пропускания для каждого конечного устройства, поддерживая полнодуплексное соединение, используя таблицу MAC-адресов для принятия решений о пересылке и используя таблицы ASIC и CAM для увеличения скорости, с которой могут передаваться кадры. быть обработанным.

Коммутаторы

используют лучшее из концентраторов и мостов, добавляя при этом больше возможностей.Они используют многопортовые возможности концентратора с фильтрацией моста, позволяя только адресату видеть одноадресный трафик. Коммутаторы позволяют использовать резервные каналы, а благодаря протоколу Spanning Tree Protocol (STP), разработанному для мостов, широковещательные и многоадресные передачи выполняются без возникновения штормов.

Коммутаторы

отслеживают MAC-адреса в каждом интерфейсе, поэтому они могут быстро отправлять трафик только к месту назначения кадра.

Вот некоторые из преимуществ использования переключателей:

• Коммутаторы являются устройствами plug-and-play.Они начинают изучать интерфейс или порт, чтобы достичь желаемого адреса, как только приходит первый пакет.

Коммутаторы

• повышают безопасность, отправляя трафик только на адресуемое устройство.

Коммутаторы

• обеспечивают простой способ подключения сегментов, работающих с разной скоростью, например сетей 10 Мбит / с, 100 Мбит / с, 1 гигабит и 10 гигабит.

Коммутаторы

• используют специальные микросхемы для принятия аппаратных решений, обеспечивающие низкие задержки обработки и более высокую производительность.

Коммутаторы

• заменяют маршрутизаторы внутри сетей, поскольку они более чем в 10 раз быстрее пересылают кадры в сетях Ethernet.

Узнайте больше о том, как работают переключатели.

Сопутствующие курсы для развития этих навыков

Введение в интерфейсы Linux для виртуальных сетей

Linux имеет богатые возможности виртуальных сетей, которые используются в качестве основы для размещения виртуальных машин и контейнеров, а также облачных сред. В этом посте я кратко расскажу обо всех обычно используемых типах виртуальных сетевых интерфейсов. Здесь нет анализа кода, только краткое введение в интерфейсы и их использование в Linux.Этот пост в блоге может заинтересовать всех, кто имеет опыт работы в сети. Список интерфейсов можно получить с помощью команды ip link help .

В этом посте рассматриваются следующие часто используемые интерфейсы и некоторые интерфейсы, которые можно легко спутать друг с другом:

Прочитав эту статью, вы узнаете, что это за интерфейсы, в чем разница между ними, когда их использовать и как их создавать.
Для других интерфейсов, таких как туннель, см. Введение в виртуальные интерфейсы Linux: туннели.

Мост

Мост Linux ведет себя как сетевой коммутатор.Он пересылает пакеты между подключенными к нему интерфейсами. Обычно он используется для пересылки пакетов на маршрутизаторах, на шлюзах или между виртуальными машинами и сетевыми пространствами имен на хосте. Он также поддерживает STP, фильтр VLAN и отслеживание многоадресной рассылки.

Используйте мост, если вы хотите установить каналы связи между виртуальными машинами, контейнерами и вашими хостами.

Вот как создать мост:

 # ip link добавить мост типа br0
# ip link set eth0 master br0
# ip link set tap1 master br0
# ip link set tap2 master br0
# ip link set veth2 master br0
 

Это создает мостовое устройство с именем br0 и устанавливает два устройства TAP ( tap1 , tap2 ), устройство VETH ( veth2 ) и физическое устройство ( eth0 ) в качестве подчиненных, как показано на диаграмма выше.

Связанный интерфейс

Драйвер связывания Linux предоставляет метод объединения нескольких сетевых интерфейсов в один логический «связанный» интерфейс. Поведение связанного интерфейса зависит от режима; вообще говоря, режимы предоставляют услуги горячего резервирования или балансировки нагрузки.

Используйте связанный интерфейс, если вы хотите увеличить скорость соединения или выполнить аварийное переключение на сервере.

Вот как создать связанный интерфейс:

 ip link добавить bond1 type bond miimon 100 mode active-backup
набор IP-ссылок eth0 master bond1
набор IP-ссылок eth2 master bond1
 

Это создает связанный интерфейс с именем bond1 с режимом активного резервного копирования.Информацию о других режимах см. В документации ядра.

Устройство команды

Подобно связному интерфейсу, назначение группового устройства — предоставить механизм для группировки нескольких сетевых адаптеров (портов) в один логический (teamdev) на уровне L2.

Главное понимать, что командное устройство не пытается воспроизвести или имитировать связанный интерфейс. Он решает ту же проблему с использованием другого подхода, например, с использованием безблокирующего (RCU) пути TX / RX и модульной конструкции.

Но есть и некоторые функциональные различия между объединенным интерфейсом и командой. Например, группа поддерживает балансировку нагрузки LACP, мониторинг каналов NS / NA (IPV6), интерфейс D-Bus и т. Д., Которые отсутствуют в связывании. Дополнительные сведения о различиях между объединением и командой см. В разделе Функции объединения и команды.

Используйте команду, если вы хотите использовать некоторые функции, которых нет в объединении.

Вот как создать команду:

 # teamd -o -n -U -d -t team0 -c '{"runner": {"name": "activebackup"}, "link_watch": {"name": "ethtool"}}'
# ip link отключил eth0
# ip link отключил eth2
# teamdctl team0 порт добавить eth0
# teamdctl team0 порт добавить eth2
 

Это создает командный интерфейс с именем team0 с режимом active-backup и добавляет eth0 и eth2 в качестве подчиненных интерфейсов team0 .

Недавно в Linux был добавлен новый драйвер net_failover. Это еще одно устройство главной сети аварийного переключения для виртуализации, которое управляет основным (проходное / VF [виртуальное устройство] устройство) подчиненным сетевым устройством и резервным (исходный паравиртуальный интерфейс) подчиненным сетевым устройством.

VLAN

VLAN, также известная как виртуальная LAN, разделяет широковещательные домены путем добавления тегов к сетевым пакетам. VLAN позволяют администраторам сети группировать узлы под одним и тем же коммутатором или между разными коммутаторами.

Заголовок VLAN выглядит так:

Используйте VLAN, если вы хотите разделить подсеть на виртуальные машины, пространства имен или хосты.

Вот как создать VLAN:

 # ip link добавить ссылку eth0 name eth0.2 type vlan id 2
# ip link добавить ссылку eth0 name eth0.3 type vlan id 3
 

Это добавляет VLAN 2 с именем eth0.2 и VLAN 3 с именем eth0.3 . Топология выглядит так:

Примечание : При настройке VLAN необходимо убедиться, что коммутатор, подключенный к хосту, может обрабатывать теги VLAN, например, установив порт коммутатора в транковый режим.24 (16 777 216) виртуальных локальных сетей, что в 4096 раз превышает емкость VLAN.

VXLAN инкапсулирует кадры уровня 2 с заголовком VXLAN в пакет UDP-IP, который выглядит следующим образом:

VXLAN обычно развертывается в центрах обработки данных на виртуализированных хостах, которые могут быть распределены по нескольким стойкам.

Вот как использовать VXLAN:

 # ip link add vx0 type vxlan id 100 local 1.1.1.1 remote 2.2.2.2 dev eth0 dstport 4789
 

Для справки вы можете прочитать документацию по ядру VXLAN или это введение в VXLAN.

MACVLAN

С помощью VLAN вы можете создать несколько интерфейсов поверх одного и фильтровать пакеты на основе тега VLAN. С помощью MACVLAN вы можете создать несколько интерфейсов с разными адресами уровня 2 (то есть Ethernet MAC) поверх одного.

До MACVLAN, если вы хотели подключиться к физической сети из виртуальной машины или пространства имен, вам нужно было бы создать устройства TAP / VETH и одновременно подключить одну сторону к мосту и подключить физический интерфейс к мосту на хосте. , как показано ниже.

Теперь с помощью MACVLAN вы можете связать физический интерфейс, связанный с MACVLAN, непосредственно с пространствами имен без необходимости в мосте.

Существует пять типов MACVLAN:

1. Частный: не разрешает связь между экземплярами MACVLAN на одном физическом интерфейсе, даже если внешний коммутатор поддерживает режим закрепления.

2. VEPA: данные от одного экземпляра MACVLAN к другому на том же физическом интерфейсе передаются через физический интерфейс.Либо подключенный коммутатор должен поддерживать режим шпильки, либо должен быть маршрутизатор TCP / IP, пересылающий пакеты для обеспечения связи.

3. Мост: все конечные точки напрямую связаны друг с другом простым мостом через физический интерфейс.

4. Passthru: позволяет одной виртуальной машине подключаться напрямую к физическому интерфейсу.

5. Источник: режим источника используется для фильтрации трафика на основе списка разрешенных MAC-адресов источника для создания ассоциаций VLAN на основе MAC.См. Сообщение о фиксации.

Тип выбирается в зависимости от потребностей. Чаще всего используется мостовой режим.

Используйте MACVLAN, если вы хотите напрямую подключиться к физической сети из контейнеров.

Вот как настроить MACVLAN:

 # ip link add macvlan1 link eth0 type macvlan mode bridge
# ip link добавить ссылку macvlan2 eth0 тип мост в режиме macvlan
# ip netns добавить net1
# ip netns добавить net2
# ip link set macvlan1 netns net1
# ip link set macvlan2 netns net2
 

Это создает два новых устройства MACVLAN в режиме моста и назначает эти два устройства двум различным пространствам имен.

IPVLAN

IPVLAN похож на MACVLAN с той разницей, что конечные точки имеют одинаковый MAC-адрес.

IPVLAN поддерживает режимы L2 и L3. Режим L2 IPVLAN действует как MACVLAN в режиме моста. Родительский интерфейс выглядит как мост или коммутатор.

В режиме IPVLAN L3 родительский интерфейс действует как маршрутизатор, и пакеты маршрутизируются между конечными точками, что обеспечивает лучшую масштабируемость.

Что касается того, когда использовать IPVLAN, документация ядра IPVLAN говорит, что MACVLAN и IPVLAN «очень похожи во многих отношениях, и конкретный вариант использования вполне может определить, какое устройство выбрать.если одна из следующих ситуаций определяет ваш вариант использования, вы можете выбрать использование ipvlan —
(a) На хосте Linux, подключенном к внешнему коммутатору / маршрутизатору, настроена политика, разрешающая только один Mac на порт.
(b) Ни одно из виртуальных устройств, созданных на главном сервере, не превышает возможности Mac и переводит сетевой адаптер в беспорядочный режим, и снижение производительности вызывает беспокойство.
(c) Если подчиненное устройство должно быть помещено во враждебное / ненадежное сетевое пространство имен, где L2 на подчиненном устройстве может быть изменен / неправильно использован.»

Вот как настроить экземпляр IPVLAN:

 # ip netns добавить ns0
# ip ссылка добавить имя ipvl0 ссылка eth0 тип ipvlan mode l2
# ip link set dev ipvl0 netns ns0
 

Это создает устройство IPVLAN с именем ipvl0 с режимом L2, назначенным пространству имен ns0 .

MACVTAP / IPVTAP

MACVTAP / IPVTAP — это новый драйвер устройства, предназначенный для упрощения виртуализированных мостовых сетей. Когда экземпляр MACVTAP / IPVTAP создается поверх физического интерфейса, ядро ​​также создает символьное устройство / dev / tapX, которое будет использоваться так же, как устройство TUN / TAP, которое может напрямую использоваться KVM / QEMU.

С MACVTAP / IPVTAP вы можете заменить комбинацию драйверов TUN / TAP и моста одним модулем:

Как правило, MACVLAN / IPVLAN используется для того, чтобы гостевая и хост-сеть отображались непосредственно на коммутаторе, к которому этот хост подключен. Разница между MACVTAP и IPVTAP такая же, как и между MACVLAN / IPVLAN.

Вот как создать экземпляр MACVTAP:

 # ip link добавить ссылку eth0 имя macvtap0 type macvtap
 

MACsec

MACsec (Media Access Control Security) — это стандарт IEEE для безопасности в проводных локальных сетях Ethernet.Подобно IPsec, как спецификация уровня 2, MACsec может защищать не только IP-трафик, но также ARP, обнаружение соседей и DHCP. Заголовки MACsec выглядят так:

Основным вариантом использования MACsec является защита всех сообщений в стандартной локальной сети, включая сообщения ARP, NS и DHCP.

Вот как настроить конфигурацию MACsec:

 # ip link добавить macsec0 ссылку eth2 type macsec
 

Примечание : добавляется только устройство MACsec с именем macsec0 на интерфейсе eth2 .Для получения более подробных сведений о конфигурации см. Раздел «Пример конфигурации» во введении Сабрины Дуброка по MACsec.

VETH

Устройство VETH (виртуальный Ethernet) представляет собой локальный туннель Ethernet. Устройства создаются парами, как показано на схеме ниже.

Пакеты, передаваемые на одном устройстве в паре, немедленно принимаются на другом устройстве. Когда какое-либо устройство не работает, соединение пары не работает.

Используйте конфигурацию VETH, когда пространства имен должны взаимодействовать с основным пространством имен хоста или между собой.

Вот как настроить конфигурацию VETH:

 # ip netns добавить net1
# ip netns добавить net2
# ip link add veth2 netns net1 type veth peer name veth3 netns net2
 

Это создает два пространства имен, net1 и net2 , и пару устройств VETH, и назначает veth2 пространству имен net1 и veth3 пространству имен net2 . Эти два пространства имен связаны с этой парой VETH. Назначьте пару IP-адресов, и вы сможете пинговать и связываться между двумя пространствами имен.

VCAN

Подобно сетевым устройствам обратной связи, драйвер VCAN (виртуальный CAN) предлагает виртуальный локальный интерфейс CAN (сеть контроллеров), поэтому пользователи могут отправлять / получать сообщения CAN через интерфейс VCAN. В настоящее время CAN в основном используется в автомобильной сфере.

Дополнительную информацию о протоколе CAN см. В документации ядра CAN.

Используйте VCAN, если вы хотите протестировать реализацию протокола CAN на локальном хосте.

Вот как создать VCAN:

 # ip link add dev vcan1 type vcan
 

VXCAN

Подобно драйверу VETH, VXCAN (виртуальный туннель CAN) реализует локальный туннель трафика CAN между двумя сетевыми устройствами VCAN.Когда вы создаете экземпляр VXCAN, два устройства VXCAN создаются как пара. Когда один конец получает пакет, он появляется в паре устройства и наоборот. VXCAN может использоваться для связи между пространствами имен.

Используйте конфигурацию VXCAN, если вы хотите отправить сообщение CAN через пространства имен.

Вот как настроить экземпляр VXCAN:

 # ip netns добавить net1
# ip netns добавить net2
# ip link add vxcan1 netns net1 type vxcan peer name vxcan2 netns net2
 

Примечание : VXCAN еще не поддерживается в Red Hat Enterprise Linux.

IPOIB

Устройство IPOIB поддерживает протокол IP-over-InfiniBand. Он передает IP-пакеты через InfiniBand (IB), поэтому вы можете использовать свое IB-устройство в качестве быстрой сетевой карты.

Драйвер IPoIB поддерживает два режима работы: дейтаграммный и подключенный. В режиме дейтаграммы используется транспорт IB UD (ненадежная дейтаграмма). В подключенном режиме используется транспорт IB RC (Reliable Connected). В подключенном режиме используется связный характер транспорта IB и максимальный размер IP-пакета может достигать 64 КБ.

Дополнительные сведения см. В документации ядра IPOIB.

Используйте устройство IPOIB, если у вас есть устройство IB и вы хотите связаться с удаленным хостом через IP.

Вот как создать устройство IPOIB:

 # ip link добавить имя ib0 ipoib0 type ipoib pkey Режим IB_PKEY подключен
 

NLMON

NLMON — это устройство мониторинга Netlink.

Используйте устройство NLMON, если вы хотите отслеживать системные сообщения Netlink.

Вот как создать устройство NLMON:

 # ip link add nlmon0 type nlmon
# ip link set nlmon0 up
# tcpdump -i nlmon0 -w nlmsg.pcap
 

Это создает устройство NLMON с именем nlmon0 и настраивает его. Используйте сниффер пакетов (например, tcpdump ) для перехвата сообщений Netlink. В последних версиях Wireshark есть функция декодирования сообщений Netlink.

Фиктивный интерфейс

Фиктивный интерфейс полностью виртуален, как, например, интерфейс обратной связи. Назначение фиктивного интерфейса — предоставить устройство для маршрутизации пакетов без их фактической передачи.

Используйте фиктивный интерфейс, чтобы неактивный адрес SLIP (Serial Line Internet Protocol) выглядел как реальный адрес для локальных программ.В настоящее время фиктивный интерфейс в основном используется для тестирования и отладки.

Вот как создать фиктивный интерфейс:

 # ip link добавить фиктивный тип 1 фиктивный
# ip addr add 1.1.1.1/24 dev dummy1
# ip link set dummy1 up
 

IFB

Драйвер IFB (промежуточный функциональный блок) предоставляет устройство, которое позволяет концентрировать трафик из нескольких источников и формировать входящий трафик вместо его отбрасывания.

Используйте интерфейс IFB, если вы хотите поставить в очередь и сформировать входящий трафик.

Вот как создать интерфейс IFB:

 # ip ссылка добавить ifb0 type ifb
# установка IP-ссылки ifb0 up
# tc qdisc add dev ifb0 root sfq
# tc qdisc add dev eth0 handle ffff: ingress
# tc filter add dev eth0 parent ffff: u32 match u32 0 0 action mirred egress redirect dev ifb0
 

Это создает устройство IFB с именем ifb0 и заменяет корневой планировщик qdisc на SFQ (Stochastic Fairness Queuing), который представляет собой бесклассовый планировщик очередей. Затем он добавляет планировщик входящего qdisc на eth0 и перенаправляет весь входящий трафик на ifb0 .

Дополнительные примеры использования qdisc IFB см. В этой вики Linux Foundation на IFB.

Дополнительные ресурсы

интерфейс netdevsim

netdevsim — смоделированное сетевое устройство, которое используется для тестирования различных сетевых API. В настоящее время он особенно сосредоточен на тестировании аппаратного обеспечения разгрузки
, tc / XDP BPF и SR-IOV.

Устройство netdevsim можно создать следующим образом

 # ip link add dev sim0 type netdevsim
# ip link set dev sim0 up
 

Чтобы включить разгрузку tc:

 # ethtool -K sim0 hw-tc-offload on
 

Чтобы загрузить программы XDP BPF или tc BPF:

 # ip link set dev sim0 xdpoffload obj prog.о
 

Чтобы добавить VF для тестирования SR-IOV:

 # эхо 3> / sys / class / net / sim0 / device / sriov_numvfs
# ip link set sim0 vf 0 mac
 

Чтобы изменить числа vf, вам нужно сначала полностью отключить их:

 # эхо 0> / sys / class / net / sim0 / device / sriov_numvfs
# эхо 5> / sys / class / net / sim0 / device / sriov_numvfs
 

Примечание : netdevsim не компилируется в RHEL по умолчанию

Последнее обновление:
11 сентября 2019

Пожалуйста, включите JavaScript, чтобы просматривать комментарии от Disqus.

Разница между мостом и маршрутизатором (со сравнительной таблицей)

Основное различие между Bridge и маршрутизатором заключается в том, что мост — это сетевое устройство, в основном работающее на уровне канала передачи данных модели OSI с возможностями фильтрации и пересылки.

Маршрутизатор — это межсетевое устройство, работающее на сетевом уровне модели OSI. Маршрутизатор подключен к двум или более сетям и пересылает пакеты из одной сети в другую.

Содержимое: мост против маршрутизатора

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнительная таблица

Определение моста

Мост — это сетевое устройство для соединения двух сегментов сети и передачи данных между ними. Мосты работают как на физическом уровне, так и на уровне канала передачи данных модели OSI.Существует необходимость использования идентичных протоколов для взаимодействия сегментов. Основное использование моста заключается в отправке, фильтрации или лавинной рассылке любого поступающего кадра в зависимости от MAC-адреса этого конкретного кадра.

Кадры могут передаваться между двумя изначально отдельными локальными сетями с помощью моста. Однако мосты включают логику, которая позволяет им сохранять трафик для каждого сегмента отдельно. Когда кадр входит в интерфейс моста, он проверяет MAC-адрес назначения и пересылает последнюю копию в сегмент, которому принадлежит адрес.Мосты также очевидны для конечных станций.

Мосты

основаны на аппаратном обеспечении и используют специализированное оборудование, называемое микросхемой ASIC (интегральная схема для конкретных приложений), для ведения таблицы MAC-адресов и принятия решения о фильтрации. Мостовая сеть фрагментирует конфликтные домены, но не фрагментирует широковещательные домены, а пересылает все широковещательные сообщения.

Типы мостов

• Простые мосты являются предшественниками других своих типов и являются наименее дорогостоящими типами мостов.Простой мост соединяет два сегмента и содержит таблицу, в которой перечислены адреса всех станций, входящих в каждый из них. Что делает его примитивным, так это то, что эти адреса нужно вводить вручную.
• Многопортовый мост используется, когда мы хотим связать более двух LAN, и каждая таблица содержит физические адреса станций, доступных через определенный порт.
• Прозрачный мост выполняет свои функции моста и создает собственную таблицу адресов станций.

Определение маршрутизатора

Маршрутизатор может быть определен как механизм сетевого уровня, будь то программный или аппаратный, использующий метрики для определения наилучшего пути для передачи сетевого трафика. Маршрутизатор — это устройство, которое направляет или пересылает данные из одной сети в другую на основе их IP-адреса.

Когда пакет данных получен от маршрутизатора, маршрутизатор проверяет IP-адрес данных и определяет, предназначен ли пакет для его собственной сети, затем он получает данные, или, если данные предназначены для другой сети, он передает данные в другая сеть.Это означает, что маршрутизаторы пересылают данные только в том случае, если целевой компьютер является предполагаемым пользователем.

Маршрутизаторы

имеют доступ к адресам сетевого уровня и содержат программное обеспечение, которое позволяет им определять, какой из нескольких возможных путей между этими адресами является наилучшим для конкретной передачи. Маршрутизаторы разделяют широковещательные и конфликтные домены. Это означает, что по умолчанию широковещательные рассылки не проходят через маршрутизатор. Он также обеспечивает соединения для виртуальных локальных сетей (VLAN).

Ключевые различия между мостом и маршрутизатором

1. Мост функционирует на уровне канала передачи данных, в то время как маршрутизатор работает на сетевом уровне модели OSI.
2. Мост может ретранслировать кадр из одного сегмента в другой, тогда как маршрутизатор сохраняет и пересылает пакеты.
3. Маршрутизаторы не прозрачны для конечных станций. Напротив, мосты прозрачны для конечных станций и не зависят от протокола.
4. В мосте кадры пересылаются на основе MAC-адреса кадра. В отличие от этого, маршрутизатор проверяет логический адрес (то есть IP-адрес) пакетов.
5. Маршрутизатор может работать не только в широковещательном домене, а мост — в одном широковещательном домене.

Заключение

И мост, и маршрутизатор работают на разных уровнях модели OSI и также различаются по функциональности. Но маршрутизатор является более интеллектуальным устройством, чем мост, потому что маршрутизаторы могут при необходимости обеспечивать функции моста 2-го уровня и могут одновременно маршрутизировать через один и тот же интерфейс. Хотя он не может исключить использование моста, причина в том, что он не может регенерировать сигналы, как мост.

мостовых схем | Цепи измерения постоянного тока

Ни один текст по электросчетам нельзя назвать полным без раздела о мостовых схемах.Эти гениальные схемы используют измеритель нулевого баланса для сравнения двух напряжений, точно так же, как лабораторные весы сравнивают два веса и указывают, когда они равны. В отличие от схемы «потенциометра», используемой для простого измерения неизвестного напряжения, мостовые схемы могут использоваться для измерения всех видов электрических величин, не последней из которых является сопротивление.

Мост Уитстона

Стандартная мостовая схема, часто называемая мостом Уитстона , выглядит примерно так:

Когда напряжение между точкой 1 и отрицательной стороной батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательной стороной батареи, детектор нуля покажет ноль, а мост называется «сбалансированным».«Состояние баланса моста зависит исключительно от соотношений R _a / R _b и R ₁ / R ₂ и совершенно не зависит от напряжения питания (батареи).

Для измерения сопротивления с помощью моста Уитстона вместо R _a или R _b подключается неизвестное сопротивление, в то время как три других резистора представляют собой прецизионные устройства известного значения. Любой из трех других резисторов можно заменить или отрегулировать до тех пор, пока мост не будет сбалансирован, и когда баланс будет достигнут, неизвестное значение резистора может быть определено из соотношений известных сопротивлений.

Требование, чтобы это была измерительная система, — это наличие набора переменных резисторов, сопротивление которых точно известно, чтобы они служили эталоном. Например, если мы подключим мостовую схему для измерения неизвестного сопротивления R _x , нам нужно будет знать точных значения остальных трех резисторов в балансе, чтобы определить значение R _x :

.

Каждое из четырех сопротивлений в мостовой схеме обозначается как плечами .Резистор, включенный последовательно с неизвестным сопротивлением R _x (это будет R _a на приведенной выше схеме), обычно называется реостатом моста , в то время как два других резистора называют плечом передаточного числа моста. мост.

К счастью, создать точные и стабильные эталоны сопротивления не так уж и сложно. Фактически, они были одними из первых электрических «стандартных» устройств, созданных для научных целей. Вот фотография старинного эталона сопротивления:

Показанный здесь стандарт сопротивления может изменяться дискретными шагами: величина сопротивления между соединительными клеммами может изменяться в зависимости от количества и типа съемных медных вилок, вставляемых в розетки.

Мосты

Уитстона считаются лучшим средством измерения сопротивления по сравнению с последовательной схемой измерителя сопротивления движения батареи, описанной в последнем разделе. В отличие от этой схемы, со всеми ее нелинейностями (нелинейным масштабом) и связанными с ними неточностями, мостовая схема является линейной (математика, описывающая ее работу, основана на простых соотношениях и пропорциях) и довольно точна.

При наличии стандартных сопротивлений достаточной точности и достаточной чувствительности нуль-детектора, точность измерения сопротивления не менее +/- 0.05% достижимы с мостом Уитстона. Это предпочтительный метод измерения сопротивления в калибровочных лабораториях из-за его высокой точности.

Существует множество вариантов базовой схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, в то время как мосты, питаемые переменным током (AC), могут использоваться для измерения различных электрических величин, таких как индуктивность, емкость и частота.

Двойной мост Кельвина

Интересной разновидностью моста Уитстона является двойной мост Кельвина , используемый для измерения очень низких сопротивлений (обычно менее 1/10 Ом).Его принципиальная схема такая:

Низкие резисторы обозначены жирными линиями, а провода, соединяющие их с источником напряжения (протекающие с большим током), также показаны толстыми на схеме. Этот мост странной конфигурации, возможно, лучше всего понять, начав со стандартного моста Уитстона, настроенного для измерения низкого сопротивления, и постепенно развивая его до окончательной формы, чтобы преодолеть определенные проблемы, встречающиеся в стандартной конфигурации Уитстона.Если бы мы использовали стандартный мост Уитстона для измерения низкого сопротивления, это выглядело бы примерно так:

Когда нулевой детектор показывает нулевое напряжение, мы знаем, что мост сбалансирован и что отношения R _a / R _x и R _M / R _N математически равны друг другу. Таким образом, зная значения Ra, R _M и R _N , мы получаем необходимые данные для определения R _x . . . почти.

У нас есть проблема в том, что соединения и соединительные провода между R _a и R _x также обладают сопротивлением, и это паразитное сопротивление может быть значительным по сравнению с низкими сопротивлениями R _a и R _x . . Эти паразитные сопротивления будут значительно снижать напряжение, учитывая большой ток через них, и, таким образом, повлияют на показания нуль-детектора и, следовательно, на баланс моста:

Поскольку мы не хотим измерять эти паразитные провода и сопротивления соединений, а измеряем только R _x , мы должны найти способ подключить нуль-детектор, чтобы на него не влияло падение напряжения на них.Если мы подключим нуль-детектор и рычаги соотношения R _M / R _N непосредственно через концы R _a и R _x , это приблизит нас к практическому решению:

Теперь два верхних E _{провода} падения напряжения не влияют на нуль-детектор и не влияют на точность измерения сопротивления R _x . Однако два оставшихся провода E _{, падение напряжения} вызовут проблемы, поскольку провод, соединяющий нижний конец R _и с верхним концом R _x , теперь шунтирует эти два падения напряжения и будет проводить значительный ток. , что также вносит паразитные падения напряжения по его длине.

Зная, что левая сторона нуль-детектора должна подключаться к двум ближним концам R _a и R _x , чтобы избежать попадания этих падений напряжения на проводе E в контур нуль-детектора, и что любой прямой провод соединение этих концов R _, и R _x само по себе будет пропускать значительный ток и создавать больше паразитных падений напряжения, единственный выход из этой затруднительной ситуации — сделать соединительный путь между нижним концом R _, и верхним. конец R _x существенно резистивный:

Мы можем управлять паразитными падениями напряжения между R _a и R _x , подбирая размеры двух новых резисторов так, чтобы их отношение от верхнего к нижнему было таким же, как у двух плеч отношения на другой стороне нуль-детектора.Вот почему эти резисторы были обозначены R _m и R _n на оригинальной схеме двойного моста Кельвина: чтобы обозначить их пропорциональность с R _M и R _N .

При соотношении R _m / R _n , установленном равным соотношению R _M / R _N , резистор плеча реостата R _a регулируется до тех пор, пока нулевой детектор не покажет баланс, и тогда мы можем сказать, что R _a / R _x равно R _M / R _N , или просто найдите R _x по следующему уравнению:

Фактическое уравнение баланса двойного моста Кельвина выглядит следующим образом (провод R — это сопротивление толстого соединительного провода между стандартом низкого сопротивления R _a и испытательным сопротивлением R _x ):

Пока соотношение между R _M и R _N равно отношению Rm и Rn, уравнение баланса не более сложное, чем у обычного моста Уитстона с R _x / R _a равно R _N / R _M , потому что последний член в уравнении будет равен нулю, что отменяет влияние всех сопротивлений, кроме R _x , R _a , R _M и R _N .

Во многих схемах с двойным мостом Кельвина R _M = R _m и R _N = R _n . Однако чем ниже сопротивления R _m и R _n , тем более чувствительным будет нуль-детектор, потому что последовательно с ним будет меньшее сопротивление. Повышенная чувствительность детектора — это хорошо, поскольку позволяет обнаруживать меньшие дисбалансы и, таким образом, достигать более точной степени балансировки моста.

Таким образом, некоторые высокоточные двойные мосты Кельвина используют значения R _m и R _n , составляющие всего 1/100 от их аналогов с передаточным плечом (R _M и R _N , соответственно).К сожалению, чем ниже значения R _m и R _n , тем больший ток они будут проводить, что увеличит влияние любых сопротивлений перехода, присутствующих там, где R _m и R _n подключаются к концам. от _до и _x рандов. Как видите, высокая точность прибора требует учета всех факторов, приводящих к ошибкам, и часто лучшее, что может быть достигнуто, — это компромисс, сводящий к минимуму два или более различных типа ошибок.

ОБЗОР:

• В мостовых схемах используются чувствительные измерители нулевого напряжения для сравнения двух напряжений на равенство.
• Мост Уитстона можно использовать для измерения сопротивления путем сравнения неизвестного резистора с прецизионными резисторами известного номинала, подобно тому, как лабораторные весы измеряют неизвестный вес, сравнивая его с известными стандартными весами.
• A Двойной мост Кельвина — это вариант моста Уитстона, используемый для измерения очень низких сопротивлений.Его дополнительная сложность по сравнению с базовой конструкцией Уитстона необходима для избежания ошибок, которые в противном случае возникают из-за паразитных сопротивлений на пути тока между эталоном с низким сопротивлением и измеряемым сопротивлением.