H橋
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/電流逆向。這類電路可用於機械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、步進電機控制（雙極型步進電機還必須要包含兩個H橋的電機控制器）[1]，電能變換中的大部分直流-交流變換器（如變流器及變頻器）、部分直流-直流變換器（推挽式變換器）等[2]，以及其它的功率電子裝置。
H橋電路，既可以分立元元件形式搭建，也可以整合到集成電路上。[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
[編輯]作為直流電動機驅動器
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在一個H橋中有四個開關（S1~S4）。如H橋電路圖（圖2）所示，當開關S1和S4閉合，S2和S3斷開時，中間橋接的直流電動機兩端加上順向電壓，，電動機M正轉工作；當開關S1和S4斷開，S2和S3閉合時，，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：
- 註：以下的「電動機」均指直流電動機
- 註：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* |
作為變流器驅動器
[編輯]當以頻率交替切換開關S1、S4和S2、S3時，即可在負載M上獲得正負交替的方波波形，其周期。這樣，就將直流電壓E變成了交流電壓uo。uo含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波獲得[需要解釋]。
電路中的四個開關可以是機械式開關，也可以是各種半導體固態元件。逆變電路中常用的開關元件有快速閘流體、可關斷閘流體（GTO）、功率電晶體（GTR）、功率場效應電晶體（MOSFET）、絕緣柵電晶體（IGBT）等。在實際運用中，開關元件存在損耗：導通損耗（conduction losses），換相損耗（commutation losses）和門極損耗（gate losses）。其中門極損耗極小可忽略不計，而導通損耗和換相損耗隨着開關頻率的增加而增加。
三相橋式（可控）整流電路/逆變電路的工作原理和H橋類似：兩者都是通過開關元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
[編輯]H橋的控制主要分為近似方波控制和脈衝寬度調變（PWM）和級聯多電平控制。
近似方波控制
[編輯]近似方波控制即quasi-square-wave-control, 輸出波形比正負交替方波多了一個零電平（3-level），諧波大為減少。優點是開關頻率較低，缺點是諧波成分高，需要濾波器的成本大。
脈衝寬度調變
[編輯]脈衝寬度調變即Pulse width modulation,分為單極性和雙極性pwm. 隨着開關頻率的升高，輸出電壓電流波形趨於正弦，諧波成分減小，但是高開關頻率帶來一系列問題：開關損耗大，電機絕緣壓力大，發熱等等。
級聯多電平控制
[編輯]級聯多電平控制即multi-level inverter，採用級聯H橋的方式，使得在同等開關頻率下諧波失真降到最小，甚至不需要用濾波器，獲得良好的近似正弦輸出波形。
搭建實作
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參見
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ 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. （原始內容存檔於2017-02-16）.
- ^ 劉鳳君. 环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器. 電子工業出版社. 2010-05 [2014-12-31]. ISBN 9787121106361. （原始內容存檔於2014-12-31）.
外部連結
[編輯]- Video tutorial on H-bridges and example bidirectional motor speed controller circuitArchive.is的存檔，存檔日期2014-12-20
- H-Bridge Theory and Practice（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Brief H-Bridge Theory of Operation（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- H-bridge tutorial discussing various driving modes and using back-EMF（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- PWM DC Motor Controller Using MOSFETs and IR2110 H-Bridge Driver（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- 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.（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
專案
[編輯]- 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（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Using the L293D H bridge for DC motor control
- A simple circuit designed around L293D motor driver IC（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）