使用MOSFET的简单h桥电机驱动电路

一开始，驱动电机似乎是一项简单的任务——只要把电机连接到合适的电压轨道上，它就会开始旋转。但这并不是驱动电机的完美方式，特别是当电路中涉及到其他组件时。这里我们将讨论一种最常用和最有效的直流电机驱动方式——h桥电路。

汽车驾驶

在低功率应用的爱好者圈子中，最常见的电机类型是下图所示的3V直流电机。这种电机是为两个1.5V电池的低电压操作而优化的。

运行起来很简单，只要把它连接到两个电池上，马达就会立即启动，只要连接上电池就能运行。虽然这种设置对于像微型风车或风扇这样的“静态”应用很好，但对于像机器人这样的“动态”应用，就需要更高的精度——以变速和扭矩控制的形式。

很明显，降低电机上的电压会降低速度，电池耗尽会导致电机变慢，但如果电机由多个设备共用的轨道供电，则需要适当的驱动电路。

这甚至可以以可变线性调节器的形式，如LM317 -电机上的电压可以改变，以增加或减少速度。如果需要更大的电流，这个电路可以用几个双极晶体管谨慎地构建。这种设置的最大缺点是效率——就像其他负载一样，晶体管会消耗掉所有不必要的功率。

解决这个问题的方法是一种称为PWM或脉冲宽度调制的方法。在这里，电机由一个方波驱动，具有可调的占空比(接通时间与信号周期的比率)。输出的总功率与占空比成正比。换句话说，电机在一小段时间内供电，因此随着时间的推移，电机的平均功率很低。占空比为0%时，电机关闭(无电流流动);占空比为50%时，电机以一半功率运行(电流消耗的一半)，100%代表最大电流消耗的全功率。

这是通过连接电机高侧并使用n沟道MOSFET驱动来实现的，后者再次由PWM信号驱动。

这有一些有趣的含义- 3V电机可以使用12V电源驱动，使用低占空比，因为电机只看到平均电压。精心设计，这消除了需要一个单独的电机电源。

如果我们需要反转电机的方向呢?这通常是通过开关电机端子来完成的，但这也可以用电来完成。

一种选择是使用另一个场效应管和一个负电源来切换方向。这要求电机的一端永久接地，另一端连接到正极或负极电源。在这里，mosfet充当SPDT开关。

然而，存在一种更优雅的解决方案。

H桥电机驱动电路

这个电路被称为H桥，因为mosfet形成两个垂直笔画，而电机形成字母“H”的水平笔画。它是所有电机驱动问题的简单而优雅的解决方案。方向可随意改变，速度可控制。

在h桥配置中，只有对角相反的mosfet对被激活来控制方向，如下图所示：

当激活一对mosfet(对角线相反)时，电机看到电流朝一个方向流动，当另一对mosfet被激活时，电流通过电机的方向相反。

mosfet可以打开以获得全功率或PWM-ed以进行功率调节或关闭以使电机停止。激活底部和顶部mosfet(但从不一起)制动电机。

实现H-Bridge的另一种方法是使用555计时器，我们在前一个教程中讨论过。

组件的要求

对于H桥

•直流电机

•2个IRF3205 n沟道mosfet或等效器件

•2个IRF5210 p沟道mosfet或等效器件

•2个10K电阻(下拉)

•2个100uF电解电容(去耦)

•2个100nF陶瓷电容器(去耦)

控制电路

•1x 555定时器(任何变体，最好是CMOS)

•1x TC4427或任何合适的栅极驱动器

•2x 1N4148或任何其他信号/超快二极管

•1个10K电位器(定时)

•1x 1K电阻(定时)

•4.7nF电容器(定时)

•4.7uF电容(去耦)

•100nF陶瓷电容器(去耦)

•10uF电解电容器(去耦)

•SPDT开关

简单h桥电路原理图

既然我们已经有了理论，现在是时候动手制作一个h桥电机驱动器了。该电路有足够的功率来驱动中等大小的电机高达20A和40V与适当的结构和散热。一些功能得到了简化，比如使用SPDT开关来控制方向。

此外，为了简单起见，高侧mosfet为p沟道。使用适当的驱动电路(带自举)，也可以使用n沟道mosfet。

使用mosfet的h桥的完整电路图如下：

解释工作

1. 555定时器

定时器是一个简单的555电路，产生约10%至90%的占空比。频率由R1， R2和C2设定。高频率是首选，以减少可听到的呜呜声，但这也意味着需要一个更强大的栅极驱动器。占空比由电位器R2控制。在这里了解更多关于在不稳定模式下使用555定时器的信息。

该电路可以由任何其他PWM源(如Arduino)代替。

2. 门驱动器

栅极驱动器是标准的双通道TC4427，每个通道有1.5A的接收/源。在这里，两个通道都并联以获得更大的驱动电流。同样，如果频率更高，栅极驱动器需要更强大。

SPDT开关用于选择控制方向的h桥支腿。

3. H桥

这是控制电机的电路的工作部分。MOSFET栅极通常被下拉电阻拉低。这导致两个P沟道mosfet打开，但这不是一个问题，因为没有电流可以流动。当PWM信号被施加到一个支路的栅极时，N和p通道mosfet交替打开和关闭，控制功率。

H桥电路构造技巧

这种电路最大的优点是它可以扩展到驱动各种大小的电机，而不仅仅是电机——任何需要双向电流信号的东西，比如正弦波逆变器。

当使用这个电路时，即使在低功率下，适当的局部去耦是必须的，除非你想让你的电路出现故障。

此外，如果在PCB等更永久的平台上构建此电路，建议使用大的接地平面，使低电流部件远离高电流路径。

因此，这种简单的h桥电路可以解决许多电机驱动问题，如双向，电源管理和效率。

本文编译自circuitdigest