H桥式驱动电路原理解析

一、H桥原理

图1中所示为一个典型的直流电机控制电路。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，从而控制电机的转向。

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、使能控制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接回到负极。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制），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制三极管的开关。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”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。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接连接是不能正常工作的。）

图4 具有使能控制和方向逻辑的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制：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，用分立件制作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，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，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。场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”。 正因为这个特点，在连接好下图电路后，控制臂1 置高电平（U=VCC）、控制臂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 控制臂1高电平，控制臂2低电平，正转

控制臂1 置低电平、控制臂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 控制臂1低电平，控制臂2高电平，反转

当控制臂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；当控制臂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制臂状态如何（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，栅极驱动电路较复杂，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 桥的控制臂需要 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 输入端其中一个接地，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 引脚接 7.2V，７引脚接地。

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。