H桥电路

H桥是一种电子电路，它允许通过简单地改变施加在电机端子上的电压来实现直流电机的双向旋转，从而提供正向和反向电机速度控制。

什么是H桥电路

直流电机是高功率设备，我们可以在许多不同的应用和项目中使用它们，因此需要特殊电路来驱动直流电机也就不足为奇了。H桥电路是一种简单的直流电机驱动配置，它允许我们通过使用固定直流电压或脉宽调制（PWM）来控制这种电机的旋转速度和方向。

除了让灯闪烁之外，你可以用电子电路做的最有趣的事情之一就是让物体移动，特别是无人机和机器人，而让物体移动的最流行方式是使用电动机。

小型直流电机

典型的小型直流电机

电子爱好者或制造商可以使用许多类型的电动机，其中两种主要类型是：永磁直流电机和四（或更多）场线圈步进电机。永磁伺服电机也可用。

典型的直流电机具有廉价和简单的优点，使其成为许多类型电子电路的理想选择。

小型直流电机（低于12V）通常是永磁直流（PMDC）电机，即它们的恒定内部磁场是使用永磁体创建的。

现在让我们假设我们有一个无刷PMDC电机通过按钮开关（控制）连接到电池（直流电源）。然后通过操作机械开关，无论是打开还是关闭，我们都可以控制直流电机的操作，从而控制其旋转速度，如图所示。

简单的直流电机控制

简单的直流电机控制

当按钮开关闭合时，电能从电池供应到电机，当开关打开时，电池断开。因此，通过重复操作开关并改变ON（闭合）时间与OFF（打开）时间的比率，我们可以有效地将施加到电机的电压在0V（开关打开）和6V（开关闭合）之间变化。

虽然功能正常，但这里的缺点是，在这个简单的开/关示例中，直流电机只能在一个方向上旋转。然而，如果我们反转电池极性，我们可以使电机在另一个方向上旋转。

但是，如果我们想要在不手动按下按钮或交换电池连接的情况下以不同方向和不同速度旋转直流电机，该怎么办。显然，如果我们想要控制直流电机的开/关持续时间和速度，使用机械开关（或继电器触点）是不合适的。这就是H桥电路发挥作用的地方。

双向H桥电机控制

我们之前说过，如果我们想改变直流电机的旋转方向，我们只需要改变电池电压的极性。实现这一点的一种方法是使用H桥电路，它允许我们的直流电机以任一方向旋转，正向（FWD）或反向（REV）。

这是通过使用机械或固态开关的配置来实现的，这些开关允许在任一方向上向电机端子施加固定的直流电池电压。也就是说，H桥电路允许从固定电压电源对直流电机进行双向控制。

H桥电路（或全桥电路）之所以如此命名，是因为使用机电开关、继电器或固态器件（通常是BJT或MOSFET）的四个开关元件的基本配置在绘制电路时，电机位于中心条上，类似于字母“H”。

这种H形配置是一种简单而有效的方式来操作任何直流电机以任一方向旋转。考虑以下基本的“H”桥配置。

H桥电机控制拓扑

H桥电机控制拓扑

我们可以使用这种开关的H桥配置来控制电机，通过将开关元件“打开”或“关闭”成对角相对的开关对。

例如，如果开关S1和S4都闭合，而S2和S3打开，电流将从左到右（橙色线）通过直流电机在一个方向上流动。

现在通过打开S1和S4并闭合开关S2和S3，电流将以相反的方向从右到左（蓝色线）通过电机流动，从而反转电机的方向。

因此，为了控制电机的旋转方向，对角相对的开关闭合，而其他两个开关打开。然而，由于四个开关中的每一个都可以打开或关闭，因此有16（2^4）种可能的开关设置组合。必须注意不要同时闭合桥一侧的开关。

例如，如果开关S1和S3（或S2和S4）同时闭合，这将导致电源短路，从而导致高电流通过开关从+VDC流向地。这不是我们想要的。

之前的H桥电路中的简单机械开关可以用离散的固态功率开关器件（如双极结型晶体管（BJT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或绝缘栅双极晶体管（IGBT））替换，从而让我们更好地控制功率开关元件的操作。

使用双极晶体管的H桥电路

我们已经看到，H桥配置是从固定直流电源实现双向电机操作的一个巧妙解决方案。但我们可以通过使用互补的晶体管对来改进这一点，一个是NPN器件，另一个是PNP器件作为我们的开关元件。

如前所述，通过打开或关闭不同的对角晶体管对，可以使用固定电源实现电机端子上的可逆电压切换，如图所示。

使用双极晶体管的直流电机控制

使用晶体管的直流电机控制

在这里，四个双极晶体管TR1、TR2、TR3和TR4创建了经典的H桥配置，电机位于中心。晶体管TR1和TR2是PNP类型，而晶体管TR3和TR4是NPN类型。

晶体管TR5和TR6配置为反相器（NOT门），电阻R9和R10用于TR5，电阻R11和R12用于TR6，分别提供所需的基极电流和集电极电流。如果需要，转向晶体管TR5和TR6可以用TTL或CMOS反相器（74LS04、74LS14或4049、4069等）替换。

当开关S1处于其上部位置（A）时，反相晶体管TR6导通，将点“D”短路到地（0V）。因此，对角晶体管对TR2和TR3（通过R9和R3）导通，电机在一个方向上旋转。当开关S1处于其下部位置（B）时，反相晶体管TR5导通，将点“C”短路到地。

因此，对角晶体管对TR1和TR4（通过R11和R4）导通，电机在相反方向上旋转。基极偏置电阻R1、R2、R3和R4用于限制每个双极晶体管的基极驱动电流。

显然，双极结型晶体管（BJT）必须能够处理所使用的直流电机所需的电流。如果电机需要大量电流，可以使用达林顿对，如5安培NPN TIP120和PNP TIP125，以替换单个H桥晶体管TR1、TR2、TR3和TR4。对于中等功率的直流电机，也可以使用3安培NPN晶体管TIP31A（或TIP41A）及其PNP对应物TIP32A（或TIP42A）。

对于高功率直流电机，25安培NPN晶体管TIP35A及其PNP对应物TIP36A在使用散热片时可以处理高达125瓦的功率。此外，普遍可用的2N3055及其PNP对应物2N2955可以处理高达10安培（115瓦）的电流。然而，无论应用如何，选择不当的直流电机和偏置电阻组合将导致任何H桥电路效率低下或无法工作。

使用MOSFET晶体管的H桥电路

除了使用双极结型晶体管（BJT）外，我们还可以使用互补的（PMOS和NMOS）功率MOSFET，甚至绝缘栅双极晶体管（IGBT）来构建基于晶体管的电池供电电机H桥电路。

金属氧化物半导体场效应晶体管，简称MOSFET，是另一种常见的固态开关器件，我们可以用于我们的H桥电路。就像双极晶体管一样，MOSFET器件有两种类型：N沟道和P沟道，它们还可以根据其导电状态进一步分类：耗尽型和增强型。这些操作模式通常取决于它们的偏置电压。

MOSFET H桥的基本操作模式与之前的双极H桥电路完全相同。这次的不同之处在于，我们使用N沟道和P沟道增强型MOSFET作为我们的主要电机开关元件。因为它们是非常好的固态开关。

我们使用增强型器件是因为它们需要栅源偏置电压来导电。也就是说，像双极晶体管一样，增强型MOSFET（或E-MOSFET）通常是“关闭”（开路）的，因此需要在其栅极端子上施加正电压（对于N沟道MOSFET）或负电压（对于P沟道MOSFET）来打开它们。请注意，“增强型”MOSFET的名称来源于这样一个事实，即需要在其栅极端子上施加电压来“增强”或增加通过其导电沟道的电流。

使用E-MOSFET驱动直流电机

使用E-MOSFET的直流电机控制

根据所需的电压和电机电流，IRF-5xx系列（IRF-530或等效）N沟道功率E-MOSFET和IRF-95xx（IRF-9530或等效）P沟道功率E-MOSFET可用于大多数应用。

由于增强型MOSFET的栅极端子与其主要载流漏源沟道电气隔离，我们可以使用低功率数字逻辑IC来驱动桥。在这里，我们使用了来自74HC14 IC的两个TTL施密特触发反相器的输出来驱动功率FET的栅极。

因此，当U1的输出为高电平（S1在位置B）时，U2的输出为低电平，因此E-MOSFET FET1和FET4被切换为“打开”，像闭合的开关一样，而FET2和FET3“关闭”，像打开的开关一样。因此，电机在一个方向上旋转。

同样，当U1的输出为低电平（S1在位置A）时，FET1和FET4改变状态为关闭，FET2和FET3被切换为“打开”，允许电机在相反方向上旋转。从而产生直流电机的双向旋转。

虽然在这个简单的示例中我们使用了机械SPDT开关来控制电机的方向。施密特触发器74HC14反相器（或CMOS等效）的输入A和B可以连接到数字逻辑电路、Raspberry Pi、Arduino或任何其他此类数字控制设备，从而允许使用脉宽调制（PWM）对直流电机进行四象限方向和速度控制。

直流电机控制

因此，参考我们之前的四开关H形电路拓扑。我们希望使用基于E-MOSFET的H桥电路控制小型直流电机，并为我们的电动机提供四种操作功能：正向、反向、高侧开关（制动）和滑行（自由旋转）。这四种功能应使用两个输入控制线A和B来选择。

1. 所有四个开关都“打开”——没有电源施加到电机，因此可以自由旋转（自由旋转）。

2. 开关S1和S4一起闭合——电流将从左到右流动（正向）。

3. 开关S2和S3一起闭合——电流将从右到左流动（反向）。

4. 开关S1和S2一起闭合——相同的电位施加到电机的两个端子（制动）。

然后，通过将逻辑电平“1”或“0”应用于输入A和B，可以控制电机的旋转方向，下面的真值表显示了输入状态的可能组合及其结果。

直流电机H桥真值表

操作模式

请注意，由于我们将使用P沟道MOSFET或P-MOS作为开关S1和S2，必须向栅极（G）施加低于源极（S）端子的电压才能将其“打开”。也就是说，逻辑0（低电平）将使其“打开”，而逻辑1（高电平）将使其“关闭”。因此，对于动态制动，高侧开关对S1和S2都将闭合（逻辑0）。

有许多不同的方法可以将此真值表实现为使用数字逻辑门的物理电路。一种简单的方法是选择真值表的每一行，并使用布尔代数生成开关S1到S4的每个输出状态的表达式，如下所示。

开关S1表达式

开关S2表达式

开关S3表达式

开关S4表达式

因此，我们可以使用组合逻辑2输入与门和非门来实现四个开关元件的布尔表达式，如下所示：

开关逻辑控制

MOSFET控制逻辑

根据您可用的数字逻辑门，以及使用NPN和PNP双极晶体管，或仅使用NPN晶体管，或仅使用N沟道E_MOSFET作为您的功率开关器件，您可以重新设计控制电路以使用不同类型的逻辑门，使用与之前相同的布尔代数步骤。

现在我们可以将我们的数字逻辑电路连接到控制MOSFET，与我们的H桥电机电路示例的配置如下所示：

E-MOSFET H桥电机电路

E-MOSFET H桥电机电路

请注意，在这里我们建议使用N沟道IRF530N和P沟道IRF9530功率MOSFET器件，这些器件本身具有制造商内置的飞轮二极管保护。如果您使用其他类型的MOSFET或双极晶体管，则需要在H桥电路中并联连接二极管，以帮助抑制电机线圈在启动、停止或旋转时产生的瞬态电压尖峰。

如今，有许多不同类型的功率MOSFET可用，如VMOS、hexFET、功率MOS和LDMOS，它们都可以用于切换从几安培到数百安培的各种功率等级的直流电机电流。

H桥IC驱动器

L293D H桥电机控制器

由于H桥电路非常常见且有用，用于驱动直流电机和其他此类负载。市面上有可用的IC，它们将所有四个开关元件、各种控制输入和传感元件集成在一个单一的IC封装中，用于驱动小型爱好直流电机。

其中一个设备是L293D，它是一个双H桥IC，广泛用于驱动高达36伏和每电机绕组1安培的小型直流电机。或者更大的L298N，它可以处理每电机绕组高达2安培的电流。

国家半导体的LMD18200 H桥IC也可用，它可以处理每电机绕组高达3安培的电流。但对于需要数十伏或安培的大型直流电机控制，需要离散的高功率H桥电机电路。

教程总结

直流电机通常用于各种电气电路、控制系统和系统中，例如玩具、无人机和机器人。直流电机易于驱动、完全可控，并且可以以许多不同的电压和功率尺寸和配置广泛使用。

虽然有许多直流电机驱动电路可用于控制电动机，但H桥直流电机驱动电路是控制任何直流电机速度和旋转方向的非常简单和容易的方法。

“H桥”的名称来源于控制电机的四个开关元件的实际“H”形形状。虽然H桥实际上是两个“半桥”通过电机（或负载）连接在一起，但它也可以被称为“全桥电路”。

这种全桥、H桥或双半桥电路通常用于通过选择对角相对的开关对来允许直流电机向前和向后旋转。这导致电池极性在直流电机上交换。推挽式电磁铁和反转继电器也可以使用H桥拓扑驱动。

H桥电路可以使用高功率双极晶体管、达林顿晶体管或功率E-MOSFET构建。对于小型低功率爱好电机，直流电机控制芯片（如L293D）是一个很好的选择，每电机绕组可吸收高达1安培的电流，最高可达36伏。它不仅可以控制电机的方向和功率，还可以使用脉宽调制（PWM）控制其旋转速度。

然后我们在这里看到，H桥电机驱动电路是使用四个双极晶体管或E-MOSFET控制直流电机双向旋转的绝佳方式，是任何电子学生或爱好者的必备品。