H橋是一種電子電路，它允許通過(guò)簡(jiǎn)單地改變施加在電機(jī)端子上的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)，從而提供正向和反向電機(jī)速度控制。

什么是H橋電路

直流電機(jī)是高功率設(shè)備，我們可以在許多不同的應(yīng)用和項(xiàng)目中使用它們，因此需要特殊電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)也就不足為奇了。H橋電路是一種簡(jiǎn)單的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置，它允許我們通過(guò)使用固定直流電壓或脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)控制這種電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(dòng)，特別是無(wú)人機(jī)和機(jī)器人，而讓物體移動(dòng)的最流行方式是使用電動(dòng)機(jī)。

小型直流電機(jī)

典型的小型直流電機(jī)

電子愛(ài)好者或制造商可以使用許多類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)，其中兩種主要類(lèi)型是：永磁直流電機(jī)和四（或更多）場(chǎng)線圈步進(jìn)電機(jī)。永磁伺服電機(jī)也可用。

典型的直流電機(jī)具有廉價(jià)和簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，使其成為許多類(lèi)型電子電路的理想選擇。

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

現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們有一個(gè)無(wú)刷PMDC電機(jī)通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)（控制）連接到電池（直流電源）。然后通過(guò)操作機(jī)械開(kāi)關(guān)，無(wú)論是打開(kāi)還是關(guān)閉，我們都可以控制直流電機(jī)的操作，從而控制其旋轉(zhuǎn)速度，如圖所示。

簡(jiǎn)單的直流電機(jī)控制

簡(jiǎn)單的直流電機(jī)控制

當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電能從電池供應(yīng)到電機(jī)，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電池?cái)嚅_(kāi)。因此，通過(guò)重復(fù)操作開(kāi)關(guān)并改變ON（閉合）時(shí)間與OFF（打開(kāi)）時(shí)間的比率，我們可以有效地將施加到電機(jī)的電壓在0V（開(kāi)關(guān)打開(kāi)）和6V（開(kāi)關(guān)閉合）之間變化。

雖然功能正常，但這里的缺點(diǎn)是，在這個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)示例中，直流電機(jī)只能在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。然而，如果我們反轉(zhuǎn)電池極性，我們可以使電機(jī)在另一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。

但是，如果我們想要在不手動(dòng)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(zhuǎn)直流電機(jī)，該怎么辦。顯然，如果我們想要控制直流電機(jī)的開(kāi)/關(guān)持續(xù)時(shí)間和速度，使用機(jī)械開(kāi)關(guān)（或繼電器觸點(diǎn)）是不合適的。這就是H橋電路發(fā)揮作用的地方。

雙向H橋電機(jī)控制

我們之前說(shuō)過(guò)，如果我們想改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，我們只需要改變電池電壓的極性。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是使用H橋電路，它允許我們的直流電機(jī)以任一方向旋轉(zhuǎn)，正向（FWD）或反向（REV）。

這是通過(guò)使用機(jī)械或固態(tài)開(kāi)關(guān)的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些開(kāi)關(guān)允許在任一方向上向電機(jī)端子施加固定的直流電池電壓。也就是說(shuō)，H橋電路允許從固定電壓電源對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行雙向控制。

H橋電路（或全橋電路）之所以如此命名，是因?yàn)槭褂脵C(jī)電開(kāi)關(guān)、繼電器或固態(tài)器件（通常是BJT或MOSFET）的四個(gè)開(kāi)關(guān)元件的基本配置在繪制電路時(shí)，電機(jī)位于中心條上，類(lèi)似于字母“H”。

這種H形配置是一種簡(jiǎn)單而有效的方式來(lái)操作任何直流電機(jī)以任一方向旋轉(zhuǎn)?？紤]以下基本的“H”橋配置。

H橋電機(jī)控制拓?fù)?/p>

H橋電機(jī)控制拓?fù)?/p>

我們可以使用這種開(kāi)關(guān)的H橋配置來(lái)控制電機(jī)，通過(guò)將開(kāi)關(guān)元件“打開(kāi)”或“關(guān)閉”成對(duì)角相對(duì)的開(kāi)關(guān)對(duì)。

例如，如果開(kāi)關(guān)S1和S4都閉合，而S2和S3打開(kāi)，電流將從左到右（橙色線）通過(guò)直流電機(jī)在一個(gè)方向上流動(dòng)。

現(xiàn)在通過(guò)打開(kāi)S1和S4并閉合開(kāi)關(guān)S2和S3，電流將以相反的方向從右到左（藍(lán)色線）通過(guò)電機(jī)流動(dòng)，從而反轉(zhuǎn)電機(jī)的方向。

因此，為了控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，對(duì)角相對(duì)的開(kāi)關(guān)閉合，而其他兩個(gè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)。然而，由于四個(gè)開(kāi)關(guān)中的每一個(gè)都可以打開(kāi)或關(guān)閉，因此有16（2^4）種可能的開(kāi)關(guān)設(shè)置組合。必須注意不要同時(shí)閉合橋一側(cè)的開(kāi)關(guān)。

例如，如果開(kāi)關(guān)S1和S3（或S2和S4）同時(shí)閉合，這將導(dǎo)致電源短路，從而導(dǎo)致高電流通過(guò)開(kāi)關(guān)從+VDC流向地。這不是我們想要的。

之前的H橋電路中的簡(jiǎn)單機(jī)械開(kāi)關(guān)可以用離散的固態(tài)功率開(kāi)關(guān)器件（如雙極結(jié)型晶體管（BJT）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(kāi)關(guān)元件的操作。

使用雙極晶體管的H橋電路

我們已經(jīng)看到，H橋配置是從固定直流電源實(shí)現(xiàn)雙向電機(jī)操作的一個(gè)巧妙解決方案。但我們可以通過(guò)使用互補(bǔ)的晶體管對(duì)來(lái)改進(jìn)這一點(diǎn)，一個(gè)是NPN器件，另一個(gè)是PNP器件作為我們的開(kāi)關(guān)元件。

如前所述，通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉不同的對(duì)角晶體管對(duì)，可以使用固定電源實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)控制

使用晶體管的直流電機(jī)控制

在這里，四個(gè)雙極晶體管TR1、TR2、TR3和TR4創(chuàng)建了經(jīng)典的H橋配置，電機(jī)位于中心。晶體管TR1和TR2是PNP類(lèi)型，而晶體管TR3和TR4是NPN類(lèi)型。

晶體管TR5和TR6配置為反相器（NOT門(mén)），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(zhuǎn)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(dāng)開(kāi)關(guān)S1處于其上部位置（A）時(shí)，反相晶體管TR6導(dǎo)通，將點(diǎn)“D”短路到地（0V）。因此，對(duì)角晶體管對(duì)TR2和TR3（通過(guò)R9和R3）導(dǎo)通，電機(jī)在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1處于其下部位置（B）時(shí)，反相晶體管TR5導(dǎo)通，將點(diǎn)“C”短路到地。

因此，對(duì)角晶體管對(duì)TR1和TR4（通過(guò)R11和R4）導(dǎo)通，電機(jī)在相反方向上旋轉(zhuǎn)?；鶚O偏置電阻R1、R2、R3和R4用于限制每個(gè)雙極晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電流。

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

對(duì)于高功率直流電機(jī)，25安培NPN晶體管TIP35A及其PNP對(duì)應(yīng)物TIP36A在使用散熱片時(shí)可以處理高達(dá)125瓦的功率。此外，普遍可用的2N3055及其PNP對(duì)應(yīng)物2N2955可以處理高達(dá)10安培（115瓦）的電流。然而，無(wú)論應(yīng)用如何，選擇不當(dāng)?shù)闹绷麟姍C(jī)和偏置電阻組合將導(dǎo)致任何H橋電路效率低下或無(wú)法工作。

使用MOSFET晶體管的H橋電路

除了使用雙極結(jié)型晶體管（BJT）外，我們還可以使用互補(bǔ)的（PMOS和NMOS）功率MOSFET，甚至絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來(lái)構(gòu)建基于晶體管的電池供電電機(jī)H橋電路。

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET，是另一種常見(jiàn)的固態(tài)開(kāi)關(guān)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(lèi)型：N溝道和P溝道，它們還可以根據(jù)其導(dǎo)電狀態(tài)進(jìn)一步分類(lèi)：耗盡型和增強(qiáng)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(qiáng)型MOSFET作為我們的主要電機(jī)開(kāi)關(guān)元件。因?yàn)樗鼈兪欠浅：玫墓虘B(tài)開(kāi)關(guān)。

我們使用增強(qiáng)型器件是因?yàn)樗鼈冃枰獤旁雌秒妷簛?lái)導(dǎo)電。也就是說(shuō)，像雙極晶體管一樣，增強(qiáng)型MOSFET（或E-MOSFET）通常是“關(guān)閉”（開(kāi)路）的，因此需要在其柵極端子上施加正電壓（對(duì)于N溝道MOSFET）或負(fù)電壓（對(duì)于P溝道MOSFET）來(lái)打開(kāi)它們。請(qǐng)注意，“增強(qiáng)型”MOSFET的名稱(chēng)來(lái)源于這樣一個(gè)事實(shí)，即需要在其柵極端子上施加電壓來(lái)“增強(qiáng)”或增加通過(guò)其導(dǎo)電溝道的電流。

使用E-MOSFET驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)

使用E-MOSFET的直流電機(jī)控制

根據(jù)所需的電壓和電機(jī)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(shù)應(yīng)用。

由于增強(qiáng)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(shù)字邏輯IC來(lái)驅(qū)動(dòng)橋。在這里，我們使用了來(lái)自74HC14 IC的兩個(gè)TTL施密特觸發(fā)反相器的輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)功率FET的柵極。

因此，當(dāng)U1的輸出為高電平（S1在位置B）時(shí)，U2的輸出為低電平，因此E-MOSFET FET1和FET4被切換為“打開(kāi)”，像閉合的開(kāi)關(guān)一樣，而FET2和FET3“關(guān)閉”，像打開(kāi)的開(kāi)關(guān)一樣。因此，電機(jī)在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。

同樣，當(dāng)U1的輸出為低電平（S1在位置A）時(shí)，F(xiàn)ET1和FET4改變狀態(tài)為關(guān)閉，F(xiàn)ET2和FET3被切換為“打開(kāi)”，允許電機(jī)在相反方向上旋轉(zhuǎn)。從而產(chǎn)生直流電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)。

雖然在這個(gè)簡(jiǎn)單的示例中我們使用了機(jī)械SPDT開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)的方向。施密特觸發(fā)器74HC14反相器（或CMOS等效）的輸入A和B可以連接到數(shù)字邏輯電路、Raspberry Pi、Arduino或任何其他此類(lèi)數(shù)字控制設(shè)備，從而允許使用脈寬調(diào)制（PWM）對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行四象限方向和速度控制。

直流電機(jī)控制

因此，參考我們之前的四開(kāi)關(guān)H形電路拓?fù)?。我們希望使用基于E-MOSFET的H橋電路控制小型直流電機(jī)，并為我們的電動(dòng)機(jī)提供四種操作功能：正向、反向、高側(cè)開(kāi)關(guān)（制動(dòng)）和滑行（自由旋轉(zhuǎn)）。這四種功能應(yīng)使用兩個(gè)輸入控制線A和B來(lái)選擇。

1. 所有四個(gè)開(kāi)關(guān)都“打開(kāi)”——沒(méi)有電源施加到電機(jī)，因此可以自由旋轉(zhuǎn)（自由旋轉(zhuǎn)）。

2. 開(kāi)關(guān)S1和S4一起閉合——電流將從左到右流動(dòng)（正向）。

3. 開(kāi)關(guān)S2和S3一起閉合——電流將從右到左流動(dòng)（反向）。

4. 開(kāi)關(guān)S1和S2一起閉合——相同的電位施加到電機(jī)的兩個(gè)端子（制動(dòng)）。

然后，通過(guò)將邏輯電平“1”或“0”應(yīng)用于輸入A和B，可以控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，下面的真值表顯示了輸入狀態(tài)的可能組合及其結(jié)果。

直流電機(jī)H橋真值表

操作模式

請(qǐng)注意，由于我們將使用P溝道MOSFET或P-MOS作為開(kāi)關(guān)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(kāi)”。也就是說(shuō)，邏輯0（低電平）將使其“打開(kāi)”，而邏輯1（高電平）將使其“關(guān)閉”。因此，對(duì)于動(dòng)態(tài)制動(dòng)，高側(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)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(shí)現(xiàn)為使用數(shù)字邏輯門(mén)的物理電路。一種簡(jiǎn)單的方法是選擇真值表的每一行，并使用布爾代數(shù)生成開(kāi)關(guān)S1到S4的每個(gè)輸出狀態(tài)的表達(dá)式，如下所示。

開(kāi)關(guān)S1表達(dá)式

開(kāi)關(guān)S2表達(dá)式

開(kāi)關(guān)S3表達(dá)式

開(kāi)關(guān)S4表達(dá)式

因此，我們可以使用組合邏輯2輸入與門(mén)和非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)四個(gè)開(kāi)關(guān)元件的布爾表達(dá)式，如下所示：

開(kāi)關(guān)邏輯控制

MOSFET控制邏輯

根據(jù)您可用的數(shù)字邏輯門(mén)，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(kāi)關(guān)器件，您可以重新設(shè)計(jì)控制電路以使用不同類(lèi)型的邏輯門(mén)，使用與之前相同的布爾代數(shù)步驟。

現(xiàn)在我們可以將我們的數(shù)字邏輯電路連接到控制MOSFET，與我們的H橋電機(jī)電路示例的配置如下所示：

E-MOSFET H橋電機(jī)電路

E-MOSFET H橋電機(jī)電路

請(qǐng)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(nèi)置的飛輪二極管保護(hù)。如果您使用其他類(lèi)型的MOSFET或雙極晶體管，則需要在H橋電路中并聯(lián)連接二極管，以幫助抑制電機(jī)線圈在啟動(dòng)、停止或旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓尖峰。

如今，有許多不同類(lèi)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(shù)百安培的各種功率等級(jí)的直流電機(jī)電流。

H橋IC驅(qū)動(dòng)器

L293D H橋電機(jī)控制器

由于H橋電路非常常見(jiàn)且有用，用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和其他此類(lèi)負(fù)載。市面上有可用的IC，它們將所有四個(gè)開(kāi)關(guān)元件、各種控制輸入和傳感元件集成在一個(gè)單一的IC封裝中，用于驅(qū)動(dòng)小型愛(ài)好直流電機(jī)。

其中一個(gè)設(shè)備是L293D，它是一個(gè)雙H橋IC，廣泛用于驅(qū)動(dòng)高達(dá)36伏和每電機(jī)繞組1安培的小型直流電機(jī)?；蛘吒蟮腖298N，它可以處理每電機(jī)繞組高達(dá)2安培的電流。

國(guó)家半導(dǎo)體的LMD18200 H橋IC也可用，它可以處理每電機(jī)繞組高達(dá)3安培的電流。但對(duì)于需要數(shù)十伏或安培的大型直流電機(jī)控制，需要離散的高功率H橋電機(jī)電路。

教程總結(jié)

直流電機(jī)通常用于各種電氣電路、控制系統(tǒng)和系統(tǒng)中，例如玩具、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人。直流電機(jī)易于驅(qū)動(dòng)、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(jī)驅(qū)動(dòng)電路可用于控制電動(dòng)機(jī)，但H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是控制任何直流電機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)方向的非常簡(jiǎn)單和容易的方法。

“H橋”的名稱(chēng)來(lái)源于控制電機(jī)的四個(gè)開(kāi)關(guān)元件的實(shí)際“H”形形狀。雖然H橋?qū)嶋H上是兩個(gè)“半橋”通過(guò)電機(jī)（或負(fù)載）連接在一起，但它也可以被稱(chēng)為“全橋電路”。

這種全橋、H橋或雙半橋電路通常用于通過(guò)選擇對(duì)角相對(duì)的開(kāi)關(guān)對(duì)來(lái)允許直流電機(jī)向前和向后旋轉(zhuǎn)。這導(dǎo)致電池極性在直流電機(jī)上交換。推挽式電磁鐵和反轉(zhuǎn)繼電器也可以使用H橋拓?fù)潋?qū)動(dòng)。

H橋電路可以使用高功率雙極晶體管、達(dá)林頓晶體管或功率E-MOSFET構(gòu)建。對(duì)于小型低功率愛(ài)好電機(jī)，直流電機(jī)控制芯片（如L293D）是一個(gè)很好的選擇，每電機(jī)繞組可吸收高達(dá)1安培的電流，最高可達(dá)36伏。它不僅可以控制電機(jī)的方向和功率，還可以使用脈寬調(diào)制（PWM）控制其旋轉(zhuǎn)速度。

然后我們?cè)谶@里看到，H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是使用四個(gè)雙極晶體管或E-MOSFET控制直流電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)的絕佳方式，是任何電子學(xué)生或愛(ài)好者的必備品。