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H橋式電機驅(qū)動電路工作原理。

內(nèi)容簡介:H型橋式驅(qū)動器有著廣泛的應用,如磁盤驅(qū)動、點秒機、汽車電子、伺服系統(tǒng)、玩具等等。這種驅(qū)動器在單電源情況下可以提供雙向輸出--由邏輯IC或微控制器進行控制。綜通常使用2個NPN和2個PNP晶體管。如果接通一個NPN晶體管和對角線的PNP晶體管(比舅NPN1和PNP1),則實際上所有的上加電壓都將加到電機負載上。
      以前,如果表面安裝產(chǎn)品設計師需要高于幾百毫安電流的話,就不得不采用體積較大的穿孔器件就是價格較高的SOT89,SOT223和D-PAK封裝的表面安裝晶體管。隨著Zetex FMMT718和FMMT719系列NPN,PNP雙極晶體管的推出,SOT23封裝器件也可以驅(qū)動峰值電流達到6A,工作電流達到2.5A的負載了。這些SuperSOT器件具有很多優(yōu)點,例如顯著提高電路效率,節(jié)省器件數(shù)量和空間,提高可靠性??梢哉f,這些最先進器件的性能超過了現(xiàn)有的所有SOT23器件和許多SOT89及SOT223器件。

      H型橋式驅(qū)動器有著廣泛的應用,如磁盤驅(qū)動、點秒機、汽車電子、伺服系統(tǒng)、玩具等等。這種驅(qū)動器在單電源情況下可以提供雙向輸出--由邏輯IC或微控制器進行控制。綜通常使用2個NPN和2個PNP晶體管。所有晶體管都是發(fā)射極接地(見圖1)。如果接通一個NPN晶體管和對角線的PNP晶體管(比舅NPN1和PNP1),則實際上所有的上加電壓都將加到電機負載上。接通另一對晶體管則使負載上的電壓方向相反。H型橋式晶體管常常要求附加的集電極-發(fā)射極保護二極管,以防止負載電機可能產(chǎn)生的瞬態(tài)電流和反饋電流損壞晶體管。

      在電池供電的情況中,關鍵是使電源電壓盡可能全部通過負載,以使通過提高效率和使最低可用電壓減小來延長電池壽命,圖2所示的橋式電路可以提供1.5A的負載電流。通過基極電阻就可以很容易的調(diào)整電流(對PNP,將IB設定到最大電流的1/50,對NPN管IB設定為1/100)。電流為1.5A時,無論NPN或PNP管的飽和壓降都僅為0.3V,電流更小時,飽和壓降將再將低一半。

      通過低飽和損耗和低基極驅(qū)動電平,F(xiàn)MMT618/718可以提高電機的性能和壽命。因為它們的反負hFE足夠高,能夠?qū)ǚ答侂娏骱退矐B(tài)電流,通常不通需要并聯(lián)保護二極管。使用體積小的SOT23封裝和少的器件數(shù)量意味著減少PCB的面積和降低成本。

一、H橋式電機驅(qū)動電路

      圖1中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋式驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿,而電機就是H中的橫杠(注意:圖1及隨后的兩個圖都只是示意圖,而不是完整的電路圖,其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來)。

      在電路設計當中,全橋的作用非常重要,當橋式整流電路當中的四個二極管封裝在一起時就構成了全橋電路,而全橋電路實際上就是我們常說的H橋電路。本篇文章將主要介紹H橋電機驅(qū)動的工作原理,從逆時針和順時針兩個方面來進行全面的分析。


      如圖所示,H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉,必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況,電流可能會從左至右或從右至左流過電機,從而控制電機的轉向。

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圖1 H橋式電機驅(qū)動電路


      要使電機運轉,必須使對角線上的一對三極管導通。例如,如圖2所示,當Q1管和Q4管導通時,電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機,然后再經(jīng)Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示,該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉動。

      當三極管Q1和Q4導通時,電流將從左至右流過電機,從而驅(qū)動電機按特定方向轉動(電機周圍的箭頭指示為順時針方向)。

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圖2 H橋電路驅(qū)動電機順時針轉動


      圖3所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況,電流將從右至左流過電機。

      當三極管Q2和Q3導通時,電流將從右至左流過電機,從而驅(qū)動電機沿另一方向轉動(電機周圍的箭頭表示為逆時針方向)。

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圖3  H橋電路驅(qū)動電機逆時針轉動


二、使能控制和方向邏輯

      驅(qū)動電機時,保證H橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導通,那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時,電路中除了三極管外沒有其他任何負載,因此電路上的電流就可能達到最大值(該電流僅受電源性能限制),甚至燒壞三極管。

      基于上述原因,在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。

      圖4所示就是基于這種考慮的改進電路,它在基本H橋電路的基礎上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導通信號相接,這樣,用這一個信號就能控制整個電路的開關。而2個非門通過提供一種方向輸人,可以保證任何時候在H橋的同側腿上都只有一個三極管能導通。(與本節(jié)前面的示意圖一樣,圖4.15所示也不是一個完整的電路圖,特別是圖中與門和三極管直接連接是不能正常工作的。)

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圖4  具有使能控制和方向邏輯的H橋電路


      采用以上方法,電機的運轉就只需要用三個信號控制:兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR-L信號為0,DIR-R信號為1,并且使能信號是1,那么三極管Q1和Q4導通,電流從左至右流經(jīng)電機(如圖5所示);如果DIR-L信號變?yōu)?,而DIR-R信號變?yōu)?,那么Q2和Q3將導通,電流則反向流過電機。

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圖5  使能信號與方向信號的使用


      實際使用的時候,用分立件制作H橋式是很麻煩的,好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路,接上電源、電機和控制信號就可以使用了,在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

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