H橋電路

H橋是一種電子電路，它允許通過簡單地改變施加在電機端子上的電壓來實現直流電機的雙向旋轉，從而提供正向和反向電機速度控制。

什么是H橋電路

直流電機是高功率設備，我們可以在許多不同的應用和項目中使用它們，因此需要特殊電路來驅動直流電機也就不足為奇了。H橋電路是一種簡單的直流電機驅動配置，它允許我們通過使用固定直流電壓或脈寬調制（PWM）來控制這種電機的旋轉速度和方向。

除了讓燈閃爍之外，你可以用電子電路做的最有趣的事情之一就是讓物體移動，特別是無人機和機器人，而讓物體移動的最流行方式是使用電動機。

小型直流電機

典型的小型直流電機

電子愛好者或制造商可以使用許多類型的電動機，其中兩種主要類型是：永磁直流電機和四（或更多）場線圈步進電機。永磁伺服電機也可用。

典型的直流電機具有廉價和簡單的優點，使其成為許多類型電子電路的理想選擇。

小型直流電機（低于12V）通常是永磁直流（PMDC）電機，即它們的恒定內部磁場是使用永磁體創建的。

現在讓我們假設我們有一個無刷PMDC電機通過按鈕開關（控制）連接到電池（直流電源）。然后通過操作機械開關，無論是打開還是關閉，我們都可以控制直流電機的操作，從而控制其旋轉速度，如圖所示。

簡單的直流電機控制

簡單的直流電機控制

當按鈕開關閉合時，電能從電池供應到電機，當開關打開時，電池斷開。因此，通過重復操作開關并改變ON（閉合）時間與OFF（打開）時間的比率，我們可以有效地將施加到電機的電壓在0V（開關打開）和6V（開關閉合）之間變化。

雖然功能正常，但這里的缺點是，在這個簡單的開/關示例中，直流電機只能在一個方向上旋轉。然而，如果我們反轉電池極性，我們可以使電機在另一個方向上旋轉。

但是，如果我們想要在不手動按下按鈕或交換電池連接的情況下以不同方向和不同速度旋轉直流電機，該怎么辦。顯然，如果我們想要控制直流電機的開/關持續時間和速度，使用機械開關（或繼電器觸點）是不合適的。這就是H橋電路發揮作用的地方。

雙向H橋電機控制

我們之前說過，如果我們想改變直流電機的旋轉方向，我們只需要改變電池電壓的極性。實現這一點的一種方法是使用H橋電路，它允許我們的直流電機以任一方向旋轉，正向（FWD）或反向（REV）。

這是通過使用機械或固態開關的配置來實現的，這些開關允許在任一方向上向電機端子施加固定的直流電池電壓。也就是說，H橋電路允許從固定電壓電源對直流電機進行雙向控制。

H橋電路（或全橋電路）之所以如此命名，是因為使用機電開關、繼電器或固態器件（通常是BJT或MOSFET）的四個開關元件的基本配置在繪制電路時，電機位于中心條上，類似于字母“H”。

這種H形配置是一種簡單而有效的方式來操作任何直流電機以任一方向旋轉。考慮以下基本的“H”橋配置。

H橋電機控制拓撲

H橋電機控制拓撲

我們可以使用這種開關的H橋配置來控制電機，通過將開關元件“打開”或“關閉”成對角相對的開關對。

例如，如果開關S1和S4都閉合，而S2和S3打開，電流將從左到右（橙色線）通過直流電機在一個方向上流動。

現在通過打開S1和S4并閉合開關S2和S3，電流將以相反的方向從右到左（藍色線）通過電機流動，從而反轉電機的方向。

因此，為了控制電機的旋轉方向，對角相對的開關閉合，而其他兩個開關打開。然而，由于四個開關中的每一個都可以打開或關閉，因此有16（2^4）種可能的開關設置組合。必須注意不要同時閉合橋一側的開關。

例如，如果開關S1和S3（或S2和S4）同時閉合，這將導致電源短路，從而導致高電流通過開關從+VDC流向地。這不是我們想要的。

之前的H橋電路中的簡單機械開關可以用離散的固態功率開關器件（如雙極結型晶體管（BJT）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）或絕緣柵雙極晶體管（IGBT））替換，從而讓我們更好地控制功率開關元件的操作。

使用雙極晶體管的H橋電路

我們已經看到，H橋配置是從固定直流電源實現雙向電機操作的一個巧妙解決方案。但我們可以通過使用互補的晶體管對來改進這一點，一個是NPN器件，另一個是PNP器件作為我們的開關元件。

如前所述，通過打開或關閉不同的對角晶體管對，可以使用固定電源實現電機端子上的可逆電壓切換，如圖所示。

使用雙極晶體管的直流電機控制

使用晶體管的直流電機控制

在這里，四個雙極晶體管TR1、TR2、TR3和TR4創建了經典的H橋配置，電機位于中心。晶體管TR1和TR2是PNP類型，而晶體管TR3和TR4是NPN類型。

晶體管TR5和TR6配置為反相器（NOT門），電阻R9和R10用于TR5，電阻R11和R12用于TR6，分別提供所需的基極電流和集電極電流。如果需要，轉向晶體管TR5和TR6可以用TTL或CMOS反相器（74LS04、74LS14或4049、4069等）替換。

當開關S1處于其上部位置（A）時，反相晶體管TR6導通，將點“D”短路到地（0V）。因此，對角晶體管對TR2和TR3（通過R9和R3）導通，電機在一個方向上旋轉。當開關S1處于其下部位置（B）時，反相晶體管TR5導通，將點“C”短路到地。

因此，對角晶體管對TR1和TR4（通過R11和R4）導通，電機在相反方向上旋轉。基極偏置電阻R1、R2、R3和R4用于限制每個雙極晶體管的基極驅動電流。

顯然，雙極結型晶體管（BJT）必須能夠處理所使用的直流電機所需的電流。如果電機需要大量電流，可以使用達林頓對，如5安培NPN TIP120和PNP TIP125，以替換單個H橋晶體管TR1、TR2、TR3和TR4。對于中等功率的直流電機，也可以使用3安培NPN晶體管TIP31A（或TIP41A）及其PNP對應物TIP32A（或TIP42A）。

對于高功率直流電機，25安培NPN晶體管TIP35A及其PNP對應物TIP36A在使用散熱片時可以處理高達125瓦的功率。此外，普遍可用的2N3055及其PNP對應物2N2955可以處理高達10安培（115瓦）的電流。然而，無論應用如何，選擇不當的直流電機和偏置電阻組合將導致任何H橋電路效率低下或無法工作。

使用MOSFET晶體管的H橋電路

除了使用雙極結型晶體管（BJT）外，我們還可以使用互補的（PMOS和NMOS）功率MOSFET，甚至絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來構建基于晶體管的電池供電電機H橋電路。

金屬氧化物半導體場效應晶體管，簡稱MOSFET，是另一種常見的固態開關器件，我們可以用于我們的H橋電路。就像雙極晶體管一樣，MOSFET器件有兩種類型：N溝道和P溝道，它們還可以根據其導電狀態進一步分類：耗盡型和增強型。這些操作模式通常取決于它們的偏置電壓。

MOSFET H橋的基本操作模式與之前的雙極H橋電路完全相同。這次的不同之處在于，我們使用N溝道和P溝道增強型MOSFET作為我們的主要電機開關元件。因為它們是非常好的固態開關。

我們使用增強型器件是因為它們需要柵源偏置電壓來導電。也就是說，像雙極晶體管一樣，增強型MOSFET（或E-MOSFET）通常是“關閉”（開路）的，因此需要在其柵極端子上施加正電壓（對于N溝道MOSFET）或負電壓（對于P溝道MOSFET）來打開它們。請注意，“增強型”MOSFET的名稱來源于這樣一個事實，即需要在其柵極端子上施加電壓來“增強”或增加通過其導電溝道的電流。

使用E-MOSFET驅動直流電機

使用E-MOSFET的直流電機控制

根據所需的電壓和電機電流，IRF-5xx系列（IRF-530或等效）N溝道功率E-MOSFET和IRF-95xx（IRF-9530或等效）P溝道功率E-MOSFET可用于大多數應用。

由于增強型MOSFET的柵極端子與其主要載流漏源溝道電氣隔離，我們可以使用低功率數字邏輯IC來驅動橋。在這里，我們使用了來自74HC14 IC的兩個TTL施密特觸發反相器的輸出來驅動功率FET的柵極。

因此，當U1的輸出為高電平（S1在位置B）時，U2的輸出為低電平，因此E-MOSFET FET1和FET4被切換為“打開”，像閉合的開關一樣，而FET2和FET3“關閉”，像打開的開關一樣。因此，電機在一個方向上旋轉。

同樣，當U1的輸出為低電平（S1在位置A）時，FET1和FET4改變狀態為關閉，FET2和FET3被切換為“打開”，允許電機在相反方向上旋轉。從而產生直流電機的雙向旋轉。

雖然在這個簡單的示例中我們使用了機械SPDT開關來控制電機的方向。施密特觸發器74HC14反相器（或CMOS等效）的輸入A和B可以連接到數字邏輯電路、Raspberry Pi、Arduino或任何其他此類數字控制設備，從而允許使用脈寬調制（PWM）對直流電機進行四象限方向和速度控制。

直流電機控制

因此，參考我們之前的四開關H形電路拓撲。我們希望使用基于E-MOSFET的H橋電路控制小型直流電機，并為我們的電動機提供四種操作功能：正向、反向、高側開關（制動）和滑行（自由旋轉）。這四種功能應使用兩個輸入控制線A和B來選擇。

1. 所有四個開關都“打開”——沒有電源施加到電機，因此可以自由旋轉（自由旋轉）。

2. 開關S1和S4一起閉合——電流將從左到右流動（正向）。

3. 開關S2和S3一起閉合——電流將從右到左流動（反向）。

4. 開關S1和S2一起閉合——相同的電位施加到電機的兩個端子（制動）。

然后，通過將邏輯電平“1”或“0”應用于輸入A和B，可以控制電機的旋轉方向，下面的真值表顯示了輸入狀態的可能組合及其結果。

直流電機H橋真值表

操作模式

請注意，由于我們將使用P溝道MOSFET或P-MOS作為開關S1和S2，必須向柵極（G）施加低于源極（S）端子的電壓才能將其“打開”。也就是說，邏輯0（低電平）將使其“打開”，而邏輯1（高電平）將使其“關閉”。因此，對于動態制動，高側開關對S1和S2都將閉合（邏輯0）。

有許多不同的方法可以將此真值表實現為使用數字邏輯門的物理電路。一種簡單的方法是選擇真值表的每一行，并使用布爾代數生成開關S1到S4的每個輸出狀態的表達式，如下所示。

開關S1表達式

開關S2表達式

開關S3表達式

開關S4表達式

因此，我們可以使用組合邏輯2輸入與門和非門來實現四個開關元件的布爾表達式，如下所示：

開關邏輯控制

MOSFET控制邏輯

根據您可用的數字邏輯門，以及使用NPN和PNP雙極晶體管，或僅使用NPN晶體管，或僅使用N溝道E_MOSFET作為您的功率開關器件，您可以重新設計控制電路以使用不同類型的邏輯門，使用與之前相同的布爾代數步驟。

現在我們可以將我們的數字邏輯電路連接到控制MOSFET，與我們的H橋電機電路示例的配置如下所示：

E-MOSFET H橋電機電路

E-MOSFET H橋電機電路

請注意，在這里我們建議使用N溝道IRF530N和P溝道IRF9530功率MOSFET器件，這些器件本身具有制造商內置的飛輪二極管保護。如果您使用其他類型的MOSFET或雙極晶體管，則需要在H橋電路中并聯連接二極管，以幫助抑制電機線圈在啟動、停止或旋轉時產生的瞬態電壓尖峰。

如今，有許多不同類型的功率MOSFET可用，如VMOS、hexFET、功率MOS和LDMOS，它們都可以用于切換從幾安培到數百安培的各種功率等級的直流電機電流。

H橋IC驅動器

L293D H橋電機控制器

由于H橋電路非常常見且有用，用于驅動直流電機和其他此類負載。市面上有可用的IC，它們將所有四個開關元件、各種控制輸入和傳感元件集成在一個單一的IC封裝中，用于驅動小型愛好直流電機。

其中一個設備是L293D，它是一個雙H橋IC，廣泛用于驅動高達36伏和每電機繞組1安培的小型直流電機。或者更大的L298N，它可以處理每電機繞組高達2安培的電流。

國家半導體的LMD18200 H橋IC也可用，它可以處理每電機繞組高達3安培的電流。但對于需要數十伏或安培的大型直流電機控制，需要離散的高功率H橋電機電路。

教程總結

直流電機通常用于各種電氣電路、控制系統和系統中，例如玩具、無人機和機器人。直流電機易于驅動、完全可控，并且可以以許多不同的電壓和功率尺寸和配置廣泛使用。

雖然有許多直流電機驅動電路可用于控制電動機，但H橋直流電機驅動電路是控制任何直流電機速度和旋轉方向的非常簡單和容易的方法。

“H橋”的名稱來源于控制電機的四個開關元件的實際“H”形形狀。雖然H橋實際上是兩個“半橋”通過電機（或負載）連接在一起，但它也可以被稱為“全橋電路”。

這種全橋、H橋或雙半橋電路通常用于通過選擇對角相對的開關對來允許直流電機向前和向后旋轉。這導致電池極性在直流電機上交換。推挽式電磁鐵和反轉繼電器也可以使用H橋拓撲驅動。

H橋電路可以使用高功率雙極晶體管、達林頓晶體管或功率E-MOSFET構建。對于小型低功率愛好電機，直流電機控制芯片（如L293D）是一個很好的選擇，每電機繞組可吸收高達1安培的電流，最高可達36伏。它不僅可以控制電機的方向和功率，還可以使用脈寬調制（PWM）控制其旋轉速度。

然后我們在這里看到，H橋電機驅動電路是使用四個雙極晶體管或E-MOSFET控制直流電機雙向旋轉的絕佳方式，是任何電子學生或愛好者的必備品。