H桥式驱动电路原理解析

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发表于 2018-11-30 11:00:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

一、H桥原理

图1中所示为一个典型的直流电机控电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(注意:图1及随后的两个图都只是示意图,而不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。

如图所示,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控电机的转向。

图1 H桥式电机驱动电路要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。例如,如图2所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。  当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。

图2 H桥电路驱动电机顺时针转动图3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况,电流将从右至左流过电机。  当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。

图3 H桥电路驱动电机逆时针转动

二、使能控和方向逻辑驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直回到负极。此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限),甚至烧坏三极管。  基于上述原因,在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控三极管的开关。  图4所示就是基于这种考虑的改进电路,它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相,这样,用这一个信号就能控整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人,可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。(与本节前面的示意图一样,图4所示也不是一个完整的电路图,特别是图中与门和三极管直连是不能正常工作的。)

图4 具有使能控和方向逻辑的H桥电路

采用以上方法,电机的运转就只需要用三个信号控:两个方向信号和一个使能信号。如果DIR-L信号为0,DIR-R信号为1,并且使能信号是1,那么三极管Q1和Q4导通,电流从左至右流经电机(如图4.16所示);如果DIR-L信号变为1,而DIR-R信号变为0,那么Q2和Q3将导通,电流则反向流过电机。

图5 使能信号与方向信号的使用

实际使用的时候,用分立件作H桥式是很麻烦的,好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路,上电源、电机和控信号就可以使用了,在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

三、MOS管H桥1、上臂PMOS,下臂NMOS它由2 个P型场效应管Q1、Q2 与2 个N 型场效应管Q3、Q3 组成,所以它叫P-NMOS 管H 桥。 桥臂上的4 个场效应管相当于四个开关,P 型管在栅极为低电平时导通,高电平时关闭;N 型管在栅极为高电平时导通,低电平时关闭。场效应管是电压控型元件,栅极通过的电流几乎为“零”。 正因为这个特点,在连好下图电路后,控臂1 置高电平(U=VCC)、控臂2 置低电平(U=0)时,Q1、Q4 关闭,Q2、Q3 导通,电机左端低电平,右端高电平,所以电流沿箭头方向流动。设为电机正转。

图6 控臂1高电平,控臂2低电平,正转

控臂1 置低电平、控臂2 置高电平时,Q2、Q3 关闭,Q1、Q4 导通,电机左端高电平,右端低电平,所以电流沿箭头方向流动。设为电机反转。

图7 控臂1低电平,控臂2高电平,反转

当控臂1、2 均为低电平时,Q1、Q2 导通,Q3、Q4 关闭,电机两端均为高电平,电机不转;当控臂1、2 均为高电平时,Q1、Q2 关闭,Q3、Q4 导通,电机两端均为低电平,电机也不转,所以,此电路有一个优点就是无论控臂状态如何(绝不允许悬空状态),H 桥都不会出现“共态导通”(短路)。

2、4 个 N 型场效应管的 H 桥

另外还有 4 个 N 型场效应管的 H 桥,内阻更小,有“共态导通”现象,栅极驱动电路较杂,或用专用驱动芯片,如 MC33883,原理基本相似,不再赘述。下面是由与非门 CD4011 组成的栅极驱动电路,因为单片机输出电压为 0~5V,而我们小车使用的 H 桥的控臂需要 0V 或 7.2V 电压才能使场效应管完全导通, PWM 输入 0V 或 5V时,栅极驱动电路输出电压为 0V 或 7.2V, 前提是 CD4011 电源电压为 7.2V 。 切记!!故 CD4011 仅做“电压放大”之用。之所以用两级与非门是为了与 MC33886 兼容。

两者结合就是下面的电路:调试时两个 PWM 输入端其中一个地,另一个悬空(上拉置 1),电机转为正常。监视 MOS 管温度,如发热立即切断电源检查电路。CD4011 的 14 引脚 7.2V,7引脚地。

使用时单片机 PWM 输出信号:1 路为 PWM 方波信号,另一路为高电平(置 1)。反转亦然。

原文标题:H桥电路原理

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发表于 2018-12-9 20:40:43 | 显示全部楼层
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