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H桥

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H橋電路圖(以紅色高亮顯示)

H橋是一種電子電路,可使其連接的負載或輸出端兩端電壓反相/電流反向。這類電路可用於機器人及其它實作場合中直流電動機的順逆向控制及轉速控制、步进电机控制(双极型步进电机还必须要包含两个H桥的电机控制器)[1],电能变换中的大部分直流-交流变换器(如逆变器变频器)、部分直流-直流变换器(推挽式变换器)等[2],以及其它的功率電子裝置。

H橋電路,既可以分立元器件形式搭建,也可以整合到積體電路上。[1]「H橋」的名稱起源於其電路的形狀:兩個並聯支路和一個負載接入/電路輸出支路,看上去構成了形如「H」字母的電路結構。

工作原理[编辑]

作為直流電動機驅動器[编辑]

H桥的工作原理(图1)
H橋工作時的兩種狀態(有電流部分以紅色表示,图2)

在一个H桥中有四个开关(S1~S4)。如H橋電路圖(图2)所示,当开关S1和S4闭合,S2和S3断开时,中間橋接的直流電動機兩端加上正向電壓,,电動机M正轉工作;当开关S1和S4断开,S2和S3闭合时,,電動機兩端電壓反相,電動機M反轉工作。H橋也可以使運轉中的電動機停轉:在電動機運轉時,將S1和S3閉合或將S2和S4閉合(即短接電動機兩端),則電動機被剎停;將H橋的全部開關斷開,則電動機自由停轉。

在這個電路的正常工作情況下,一個並聯支路側的開關S1和S2不可以同時閉合,同樣另一側支路的開關S3和S4也是如此。如果某一側支路的開關同時閉合,會將供電電源的正負兩極短路。這個狀態稱為短路直通。短路直通狀態通常會對電源與開關元件造成危險。

下表是H橋的工作狀態表,其中以"1"代表開關接通,"0"代表開關斷路:

  • 注:以下的「電動機」均指直流電動機
  • 注:短路直通狀態通常被視為不允許的狀態,要避免這些狀態發生。
S1 S2 S3 S4 工作狀態
1 0 0 1 電動機順向(逆向)轉動
0 1 1 0 電動機逆向(順向)轉動
0 0 0 0 電動機自由停止
0 1 0 1 電動機剎停
1 0 1 0 電動機剎停
1 1 0 0 短路直通 *危險*
0 0 1 1 短路直通 *危險*
1 1 1 1 短路直通 *危險*

作為逆變器驅動器[编辑]

当以频率交替切换开关S1、S4和S2、S3时,即可在负载M上获得正负交替的方波波形,其周期。这样,就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波,如果想得到正弦波电压,则可通过滤波器滤波获得[不合逻辑]

电路中的四个开关可以是机械式开关,也可以是各种半导体固態器件。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)等。在实际运用中,开关器件存在损耗:导通损耗(conduction losses),换相损耗(commutation losses)和门极损耗(gate losses)。其中门极损耗极小可忽略不计,而导通损耗和换相损耗随着开关频率的增加而增加。

三相橋式(可控)整流電路/逆變電路的工作原理和H橋類似:兩者都是通過開關器件的通斷狀態的改變來實現電能變換。但嚴格來說它們並不完全屬於H橋的範圍。

工作方式[编辑]

H桥的控制主要分为近似方波控制和脉冲宽度调制(PWM)和级联多电平控制。

近似方波控制[编辑]

近似方波控制即quasi-square-wave-control, 输出波形比正负交替方波多了一个零电平(3-level),谐波大为减少。优点是开关频率较低,缺点是谐波成分高,需要滤波器的成本大。

脉冲宽度调制[编辑]

脉冲宽度调制即Pulse width modulation,分为单极性和双极性pwm. 随着开关频率的升高,输出电压电流波形趋于正弦,谐波成分减小,但是高开关频率带来一系列问题:开关损耗大,电机绝缘压力大,发热等等。

级联多电平控制[编辑]

级联多电平控制即multi-level inverter,采用级联H桥的方式,使得在同等开关频率下谐波失真降到最小,甚至不需要用滤波器,获得良好的近似正弦输出波形。

搭建實作[编辑]

L298雙H橋電動機驅動晶片


參見[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Al Williams. Microcontroller projects using the Basic Stamp 2nd. Focal Press. 2002: 344 [2014-12-31]. ISBN 978-1-57820-101-3. (原始内容存档于2017-02-16). 
  2. ^ 刘凤君. 环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器. 電子工業出版社. 2010-5 [2014-12-31]. ISBN 9787121106361. (原始内容存档于2014-12-31). 

外部連結[编辑]

專案[编辑]