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橋式電路是一種常見電路，其中2個電路支路（通常彼此關(guān)聯(lián)）通過在前2個支路的某個中間點處連接在前2個支路之間的第三支路”橋接“。
一、H橋電路
非常簡單的橋式電路為H橋電路，具體的如下所示，圖中間的導(dǎo)電路徑，R2 兩端的電壓等于 R4 兩端的電壓，R1 兩端的電壓等于 R3 處的電壓，與四個電阻的電阻值無關(guān)。
如果兩個分支之間沒有電橋，中點的電位取決于電阻值的比率。如果 R1 :R2 等于 R3 : R4 ，即使沒有電橋，電勢差也為零。
H橋電路
二、惠斯通電橋
惠斯通電橋用于平衡H電橋的2條橋臂來測來位置電阻。
兩個恒定電阻（R1和R3）電位計和未知電阻形成電路的2條支路，并通過電壓表或者電流表橋接。只要左側(cè)的電路之比等于右側(cè)的電阻，電橋兩點之間的電路以及流過路徑的電流就為0。當(dāng)使用電壓表時，改變電位計直到2個中點之間的電壓降為0。
而當(dāng)使用電流表時，則沒有電流流過儀器。電位器滑動觸點的位置與未知電阻的阻值之間存在線性關(guān)系。因此可以校準(zhǔn)電位器的刻度，便于讀取未知電阻的阻值。
惠斯通電橋
三、2個電位器組成的H橋
2個電位器組成的H橋可以將+VIn和 -VIn之間的任何電壓施加到連接在兩個電位器之間的負載。
雖然電位器適合手動調(diào)節(jié)低功率設(shè)備的電壓，但晶體管甚至可以通過幾乎任何電子電路來控制高功率設(shè)備。
2個電位器組成的H橋
四、由兩個NPN和兩個PNP晶體管組成的H橋
由兩個NPN和兩個PNP晶體管組成的H橋，下部NPN晶體管的電阻不斷減小，而接地（=負端子）與X2和X4之間的電位不斷增加。如果輸入鉗位處的電勢等于電路的輸入電壓，則電阻最小。連接到基極引腳的串聯(lián)電阻限制基極電流。
相反，當(dāng)?shù)嘏cX1和X3之間的電位為0V時，PNP晶體管的電阻最小，而如果輸入鉗位的電位等于輸入電壓，則PNP晶體管的電阻最大。
T2和T4被稱為低側(cè)晶體管，而T1和T3被稱為高側(cè)晶體管。
由兩個NPN和兩個PNP晶體管組成的H橋
1、X1和X2分別接地， X3和X4連接到正電源電壓
當(dāng)X1和X2分別接地，將 X3和X4連接到正電源電壓時，T2和T3的電阻處于最大值，而T1和T4的電阻處于最小值。
結(jié)果電路左側(cè)中點的電位幾乎等于電源電壓，而右側(cè)中點的電位幾乎為0。電流從正極經(jīng)過T1從左向右流經(jīng)負載，最后流經(jīng)T4到電壓源的負極端子，正極端子位于負載的左側(cè)。
X1和X2分別接地， X3和X4連接到正電源電壓
2、X1和X2連接到正電源電壓，同時X3和X4連接到地
如果X1和X2連接到正電源電壓，同時X3和X4連接到地，情況會發(fā)生變化?，F(xiàn)在正極端子位于負載的右側(cè)，電流分別流過T3和T2。
X1和X2連接到正電源電壓，同時X3和X4連接到地
3、4個輸入鉗位連接到地
將所有4個輸入鉗位連接到地時，上方的PNP晶體管導(dǎo)通，而下方的NPN晶體管關(guān)閉。負載2個鉗位處的電位幾乎等于正電源電壓，因為沒有電流流過負載。
4個輸入鉗位連接到地
4、4個輸入鉗位連接到電源電壓的正極端子
將所有4個輸入鉗位連接到電源電壓的正極端子時，上方的PNP晶體管關(guān)斷，而下方的NPN晶體管導(dǎo)通，負載兩個鉗位處的電位幾乎等于負電源電壓，因此也沒有電流流過負載。
4個輸入鉗位連接到電源電壓的正極端子
5、通常只有2個輸入鉗位
2個輸入鉗位
| + | - | 負端子位于負載左側(cè) |
| - | + | 負端子位于負載右側(cè) |
| + | + | 負載兩端無電壓 |
| - | - | 負載兩端無電壓 |
| X1 | X2 | 輸出 |
|---|
五、半橋H橋電路
由4個晶體管組成的H橋電路稱為全橋。因此由2個晶體管組成的H橋電路為半橋。對于分離電源，半橋就可以控制交流負載，下圖種使用了2節(jié)電池。
半橋H橋電路
1、2個晶體管的基極引腳通過串聯(lián)連接到正極端子
如果2個晶體管的基極引腳通過串聯(lián)連接到正極端子，因此輸入端有一個高信號，上方的PNP類型將關(guān)閉，而下方的NPN類型將打開。電流從下部電池的正極端子流出，從右向左流過負載，并通過晶體管T2在負極端子處重新進入電池。
2個晶體管的基極引腳通過串聯(lián)連接到正極端子
2、半橋的2個輸入連接到負端子
如果半橋的兩個輸入都連接到負端子，則上方的NPN類型將打開，下方的NPN類型將關(guān)閉。電流從上部電池的正極端子流過晶體管T1，現(xiàn)在從左向右流過負載，然后返回電池的負極端子。使用半橋的優(yōu)點時所需晶體管數(shù)量少，缺點是電源更復(fù)雜。
半橋的2個輸入連接到負端子
六、MOS管組成的H橋電路
當(dāng)使用MOS管組成H橋時，必須考慮使晶體管進入飽和模式所需的基極電流。R1-R4的尺寸取決于電源電壓。當(dāng)電路的輸入電壓為12V而不是6V時，電阻值必須要加倍。如果電阻值適用較高的電壓，則電阻消耗的功率也會加倍，否則會增加4倍，因此必須要牢記最大功耗。
使用N溝道和P溝道MOS管代替NPN或PNP類型也有一些好處。
僅需要兩個上拉或下拉電阻，并且 R1 和 R2 的值并不重要，只需使用相對較高的值即可避免在接近最大功耗的情況下工作。
電路的最小輸入電壓受到可靠“導(dǎo)通”MOS管所需的源極柵極電壓的影響（必須略高于閾值電壓 V GS(th)）。
最大輸入電壓應(yīng)明顯低于最大源極柵極電壓，以避免在極限下運行。切換感性負載時請記住電壓峰值。
MOS管組成的H橋電路
如果電源電壓超過MOS管的最大源極柵極電壓，則應(yīng)插入4個分壓器，每個分壓器由齊納二極管和恒定電阻組成。齊納電壓必須大于導(dǎo)通晶體管所需的閾值電壓。
現(xiàn)在，最大源極漏極電壓通常明顯高于最大源極柵極電壓，限制了電路的輸入電壓。
如果電源電壓超過MOS管的最大源極柵極電壓，則應(yīng)插入4個分壓器
鉗位器必須始終連接到正電源電壓或者負電源電壓。如果X1連接到正電源電壓，而X2僅連接一半電源電壓（+6V），則T1和T2之間的電位接近0V，T3和T4之間的電位約為6V，因為T3的電阻等于T4的電阻?？傊撦d上從左到右有6V的電位。
但這里要記住，T3和T4的電阻相對較低，因此高電流電流過電阻的右側(cè)，
X1連接到正電源電壓，而X2僅連接一半電源電壓（+6V）
在H橋開關(guān)運行器件，意味著只要其中一個鉗位處的電位從正電源電壓變?yōu)?（反之亦然），總會有高電流在短時間內(nèi)流過電路的支路，重疊的導(dǎo)通時間稱為交叉?zhèn)鲗?dǎo)或者直通。
1、由曲線性RC電阻實現(xiàn)的開啟延遲
每當(dāng)X1處的電壓從正電源電壓變?yōu)?V時，C1就會通過R1緩慢充電，因此T1的導(dǎo)通過程倍延遲，相反，C2通過正向偏置D2快速放電，因此T2幾乎沒有延遲地關(guān)閉。R5和R6是下拉電阻。
由曲線性RC電阻實現(xiàn)的開啟延遲
兩個線性RC電路（每個電路由47KΩ電阻和1nF電容組成）延遲MOS管的開啟過程，高側(cè)MOS管（黃色曲線）立即關(guān)斷，因此C1的放電電流流過正向偏置二極管（D1）。由于C2的充電電流流經(jīng)R2，低側(cè)MOS管的導(dǎo)通過程被延遲。在信號的下降沿，低側(cè)MOS管（紅色曲線）的關(guān)閉過程比高側(cè)MOS管的開啟過程更快。因此現(xiàn)在D2正向偏置。
兩個線性RC電路（每個電路由47KΩ電阻和1nF電容組成）延遲MOS管的開啟過程
七、脈寬調(diào)制H橋
如果負載需要部分功率，可以通過脈寬調(diào)制來控制H橋。為了避免脈寬信號開關(guān)運行期間發(fā)生交叉?zhèn)鲗?dǎo)，必須更改電路，如下圖：
脈寬調(diào)制H橋
P溝道MOS管仍然由X1和X2處的信號直接開關(guān)，而N溝道MOS管分別由X1和脈沖寬度信號X2和脈沖寬度處的信號控制信號。
如果正電源電壓連接到X1，則T1被關(guān)閉，直到脈沖寬度信號也處于高電平時，T2才會接通。如果其中一個鉗位接地，T2將關(guān)閉，因為D1和D2或者2者正向偏置，拉動T2的柵極接地。另一方面，如果X1處于低電平，則即使脈沖寬度信號也是如此。利用X1和X2，可以控制負載兩端電壓的極性，而功率控制則通過第3個輸入鉗位處的脈沖寬度信號來完成。
二極管形成一個與門。每當(dāng)改變極性時，如果脈寬信號處于高電平，就會發(fā)生擊穿，在改變極性之前，確保PWM信號設(shè)置為低電平。
八、電壓電平轉(zhuǎn)換H橋
當(dāng)H橋在12V輸入電壓下運行時，輸入鉗位的高電平必須為12V，例如：計算機僅提供5V或者3.3V的輸出電壓，解決問題的辦法是插入3個放大電路：
電壓電平轉(zhuǎn)換H橋
通過使用MOS管，流經(jīng)輸入鉗位的電流最小化為流經(jīng)下拉電阻R6-R8的電流。請記住，電壓電平會被放大級反轉(zhuǎn)。例如：脈沖寬度信號輸入鉗位的高電平在D2和D4處變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼嗽诘碗娖叫枰}沖寬度信號的電平來為H橋中點之間的負載供電。
反之亦然，在改變H橋的極性時，需要脈沖寬度信號處于高電平以防止交叉導(dǎo)通。
九、反激二極管H橋
反激二極管可以用于最大限度地減少感性負載引起的失真。這些二極管必須與負載相連，但極性相反。當(dāng)使用H橋控制負載時，極性可以改變，因此二極管將變得正向偏置，為了避免這種清理，需要4個二極管才能在單個開關(guān)上產(chǎn)生單個反擊二極管所需的效果：
反激二極管H橋-4個二極管
如果感應(yīng)電壓的正電位位于負載左側(cè)，則流經(jīng) D5 和 D8 的電流將消除電壓尖峰。反之亦然，如果正電勢在右側(cè)，負電勢在左側(cè)，則電流流經(jīng) D6 和 D7。二極管的最大電流不應(yīng)低于 MOS管的最大漏極電流。
正向偏置肖特基二極管的電壓降（0.15-0.45V）低于硅類型二極管（0.6-1.7V），因此器件消耗的功率明顯較低。
上面H橋電路的元件：
T2、T4 = N 溝道 MOSFET IRLZ24N
T5 - T7 = N 溝道 MOSFET 2N7000
R1 - R8 = 12kΩ
D1 - D4 = 低功耗硅二極管
D5 - D8 = 肖特基二極管 例如 SB2040
電路可以在5-12V的電源電壓下工作。輸入鉗位處的電壓電平應(yīng)高于 3V。當(dāng)晶體管在沒有散熱器的情況下運行時，通過負載的電流應(yīng)低于 5A。
十、控制簡單
當(dāng)移除X2處的下拉電阻并將這些輸入鉗位連接到T5的漏極引腳（T5是用于放大X1信號的MOS管）時，兩個輸入引腳可以控制H橋。
X1控制H橋的極性：正極在負載左側(cè)，X1接高電平，正極在右側(cè)，X1接低電平等級。第二個引腳是脈寬信號，用于控制提供負載的功率。
H橋的輸入鉗位越少，控制設(shè)備所需的計算機或者微控制器的輸出鉗位就越少。缺點是靈活性較低。
移除X2處的下拉電阻并將這些輸入鉗位連接到T5的漏極引腳
十一、動態(tài)制動H橋
為了激活制動力能，至少需要三個輸入鉗位（X 1、X 2和PWM）。
當(dāng)通過H橋開關(guān)電動汽車的電機時，必須考慮反激二極管的另一個影響：由于慣性，如果不再向電機提供動力，車輛不會立即停止。電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并開始作為發(fā)電機運行。
由此產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的極性與預(yù)先施加到電機上的電壓的極性相同。流經(jīng)反激二極管和電機繞組的電流現(xiàn)在正在減慢車輛的速度，請記住機械能會轉(zhuǎn)化為電能。這些過程稱為動態(tài)制動。
所產(chǎn)生的電力的一部分作為熱量消散在反激二極管和電機電線中，而其余部分則返回到電源線。需要更復(fù)雜的電路來安全地返回所產(chǎn)生的電力到車輛的電池，這稱為再生制動。
沒有反激二極管，動態(tài)制動可以由 H 橋控制：如果所有晶體管都“關(guān)閉”，則沒有電流流過電機的繞組，因此車輪會旋轉(zhuǎn)，而不會因動態(tài)而減慢速度制動。
當(dāng)然，必須考慮感應(yīng)電壓的峰值。要激活動態(tài)制動過程，必須“打開”兩個低側(cè)或兩個高側(cè) MOSFET。
現(xiàn)在，電機的夾具之間存在一條導(dǎo)電路徑，車輛在發(fā)電時會主動減速。電力在晶體管和電機電線中以熱量的形式耗散，這就是為什么這種制動被稱為變阻制動。
變阻制動。
十二、N溝道 MOS管H橋
p 溝道 MOSFET 的主要載流子是空穴，其遷移率低于電子（n 溝道類型內(nèi)部的主要載流子）。因此，假設(shè)器件尺寸相同，p 溝道 MOSFET 的導(dǎo)通電阻通常高于 n 溝道 MOSFET 的導(dǎo)通電阻。
為了最大限度地減少 H 橋消耗的功率，可以使用四個 n 溝道 MOSFET，而不是在低壓側(cè)使用兩個 n 溝道類型和在高壓側(cè)使用兩個 p 溝道類型。
N溝道 MOS管H橋
假設(shè)電路連接到輸出為 +12V 的電源。X 3接地，因此T 3被“關(guān)閉”。X 4連接到+12V，因此T 4被“接通”。右側(cè)中點電位接近0V。
左半橋的情況很棘手：X 2接地，因此 T 2被“關(guān)閉”。X 1連接到+12V，那么T 1的源極和柵極之間的電位是多少？
如果 T 1“接通”時，左半橋中點的電位約為 12V。因此T 1的源極和柵極之間的差值接近0V，使T 1 “關(guān)閉”。如果T 1和T 2都“關(guān)閉”，則中點處的電勢將約為+6V，導(dǎo)致T 1處的源極柵極電壓為6V ，這足以將這些器件“打開”。所以真相是在兩個極值之間。
如果n溝道MOSFET的閾值電壓約為2V，則系統(tǒng)將在T 1部分“導(dǎo)通” 時在中點趨向于約10V的電勢。
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為了能夠完全“導(dǎo)通”T 1，高端 MOS管 的柵極引腳處的電位高于 14V（12V + 2V 閾值），因此需要第二個電源。驅(qū)動 MOS管的電路比高端 p 溝道 MOSFET 組成的 H 橋更復(fù)雜。
完全“導(dǎo)通”T 1，連接第二個電源
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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