H橋式驅(qū)動(dòng)電路原理解析

一、H橋原理

圖1中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注意：圖1及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來）。

如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

圖1 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖2所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向）。

圖2 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖3所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）。

圖3 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)

二、使能控制和方向邏輯驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。圖4所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。（與本節(jié)前面的示意圖一樣，圖4所示也不是一個(gè)完整的電路圖，特別是圖中與門和三極管直接連接是不能正常工作的。）

圖4 具有使能控制和方向邏輯的H橋電路

采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR－L信號(hào)為0，DIR－R信號(hào)為1，并且使能信號(hào)是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)（如圖4.16所示）；如果DIR－L信號(hào)變?yōu)?，而DIR－R信號(hào)變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)。

圖5 使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用

實(shí)際使用的時(shí)候，用分立件制作H橋式是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

三、MOS管H橋1、上臂PMOS，下臂NMOS它由2 個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2 與2 個(gè)N 型場(chǎng)效應(yīng)管Q3、Q3 組成，所以它叫P-NMOS 管H 橋。 橋臂上的4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于四個(gè)開關(guān)，P 型管在柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通，高電平時(shí)關(guān)閉；N 型管在柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)閉。場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為“零”。 正因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，在連接好下圖電路后，控制臂1 置高電平（U=VCC）、控制臂2 置低電平（U=0）時(shí)，Q1、Q4 關(guān)閉，Q2、Q3 導(dǎo)通，電機(jī)左端低電平，右端高電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)。設(shè)為電機(jī)正轉(zhuǎn)。

圖6 控制臂1高電平，控制臂2低電平，正轉(zhuǎn)

控制臂1 置低電平、控制臂2 置高電平時(shí)，Q2、Q3 關(guān)閉，Q1、Q4 導(dǎo)通，電機(jī)左端高電平，右端低電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)。設(shè)為電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖7 控制臂1低電平，控制臂2高電平，反轉(zhuǎn)

當(dāng)控制臂1、2 均為低電平時(shí)，Q1、Q2 導(dǎo)通，Q3、Q4 關(guān)閉，電機(jī)兩端均為高電平，電機(jī)不轉(zhuǎn)；當(dāng)控制臂1、2 均為高電平時(shí)，Q1、Q2 關(guān)閉，Q3、Q4 導(dǎo)通，電機(jī)兩端均為低電平，電機(jī)也不轉(zhuǎn)，所以，此電路有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是無論控制臂狀態(tài)如何（絕不允許懸空狀態(tài)），H 橋都不會(huì)出現(xiàn)“共態(tài)導(dǎo)通”（短路）。

2、4 個(gè) N 型場(chǎng)效應(yīng)管的 H 橋

另外還有 4 個(gè) N 型場(chǎng)效應(yīng)管的 H 橋，內(nèi)阻更小，有“共態(tài)導(dǎo)通”現(xiàn)象，柵極驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜，或用專用驅(qū)動(dòng)芯片，如 MC33883，原理基本相似，不再贅述。下面是由與非門 CD4011 組成的柵極驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)?a target="_blank">單片機(jī)輸出電壓為 0~5V，而我們小車使用的 H 橋的控制臂需要 0V 或 7.2V 電壓才能使場(chǎng)效應(yīng)管完全導(dǎo)通， PWM 輸入 0V 或 5V時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓為 0V 或 7.2V， 前提是 CD4011 電源電壓為 7.2V 。 切記??！故 CD4011 僅做“電壓放大”之用。之所以用兩級(jí)與非門是為了與 MC33886 兼容。

兩者結(jié)合就是下面的電路：調(diào)試時(shí)兩個(gè) PWM 輸入端其中一個(gè)接地，另一個(gè)懸空（上拉置 1），電機(jī)轉(zhuǎn)為正常。監(jiān)視 MOS 管溫度，如發(fā)熱立即切斷電源檢查電路。CD4011 的 14 引腳接 7.2V，７引腳接地。

使用時(shí)單片機(jī) PWM 輸出信號(hào)：1 路為 PWM 方波信號(hào)，另一路為高電平（置 1）。反轉(zhuǎn)亦然。