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H桥

2018-08-21 09:53:00     所属分类:电路
H桥电路图(以红色高亮显示)

H桥是一种电子电路,可使其连接的负载或输出端两端电压反相/电流反向。这类电路可用于机器人及其它实作场合中直流电动机的顺反向控制及转速控制、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(如逆变器及变频器)、部分直流-直流变换器(推挽式变换器)等[2],以及其它的功率电子装置。

H桥是一个典型的直流电机控制电路,因为它的电路形状酷似字母H,故得名与“H桥”。4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠

H桥电路,既可以分立元器件形式搭建,也可以整合到集成电路上。[1]“H桥”的名称起源于其电路,两个并联支路和一个负载接入/电路输出支路,看上去构成了形如“H”字母的电路结构。

目录

  • 1 工作原理
  • 2 工作方式
    • 2.1 脉冲宽度调制
    • 2.2 级联多电平控制
  • 3 搭建实作
  • 4 参见
  • 5 参考资料
  • 6 外部链接
    • 6.1 专案

工作原理

H桥的工作原理(图1)
H桥工作时的两种状态(有电流部分以红色表示,图2)

如图1所示单相桥式逆变电路工作原理开关T1、T4闭合,T2、T3断开:u0=Ud; 开关T1、T4断开,T2、T3闭合:u0=- Ud; 当以频率fS交替切换开关T1、T4和 T2 、T3 时 , 则 在 负载电 阻 R上 获 得交变电压波形(正负交替的方波),其周期 Ts=1/fS,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。

主电路开关T1~T4,它实际是各种半导体开关器件的 一种理想模型。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)。

在实际运用中,开关器件存在损耗:导通损耗(conduction losses) 和换相损耗(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。

一个H桥有四个开关器件(可以是固态器件,也可以是机械式开关),如H桥电路图(图2)所示,当开关S1和S4闭合时,开关S2和S3断开,此时中间桥接的直流电动机两端加上正向电压正转工作。当S1、S4断开,同时闭合S2、S3时,电动机两端电压反相,使电动机反转工作。在这个电路中,正常工作情况下,一个并联支路侧的开关S1、S2不可能同时闭合,同样另一侧支路的开关S3、S4也是如此,如果某一侧支路的开关同时闭合,会将供电电源的正负两极短路,称为直通短路。

H桥也可以刹停电动机,来使电动机停转,具体做法是在电动机运转时断开S2、S4,将S1、S3闭合(或断开S1、S3,将S2、S4闭合)。也可以全部开关断开,让电动机自由停转。下表将S1~S4分别作为一个0/1输入变量,运行状态作为一个0/1输出变量,列出一个逻辑功能表:

  • 注:以下的“电动机”均指直流电动机
S1 S2 S3 S4 工作状态
1 0 0 1 电动机正向(反向)转动
0 1 1 0 电动机反向(正向)转动
0 0 0 0 电动机自由停止
0 1 0 1 电动机制动
1 0 1 0 电动机制动
1 1 0 0 短路直通
0 0 1 1 短路直通
1 1 1 1 短路直通

三相桥式(可控)整流电路/逆变电路,工作原理和H桥类似,都是通过半控式器件/开关器件通断状态的改变来实现电能变换。但严格来说它们并不完全属于H桥的范围。

工作方式

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

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

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。

搭建实作

L298双H桥电动机驱动芯片


参见

  • 逆变器

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 Al Williams. Microcontroller projects using the Basic Stamp 2nd. Focal Press. 2002: 344. ISBN 978-1-57820-101-3. 
  2. ^ 刘凤君. 环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器. 电子工业出版社. 2010-5. ISBN 9787121106361. 

外部链接

  • Video tutorial on H-bridges and example bidirectional motor speed controller circuit
  • H-Bridge Theory and Practice
  • Brief H-Bridge Theory of Operation
  • H-bridge tutorial discussing various driving modes and using back-EMF
  • PWM DC Motor Controller Using MOSFETs and IR2110 H-Bridge Driver
  • H-Bridges on the BEAM Robotics Wiki
  • Derivation of formulas to estimate H-bridge controller current (Vex, JAGUAR,Victor). Discusses why some H-bridges used in robotics have non-linear current and speed responses.

专案

  • Tutorial: Build a 5A H-Bridge motor controller
  • Building an H-bridge-controlled motor with photocells to track light
  • H-bridge motor control with 4017 (in Turkish)
  • Using the HIP4081A for H-bridge control
  • Using the L293D H bridge for DC motor control
  • A simple circuit designed around L293D motor driver IC

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