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用PMOS跟NMOS做H橋控制直流電機的正反轉

CHANBAEK ? 來源:創客e工坊 ? 作者:創客e工坊 ? 2022-11-11 17:10 ? 次閱讀

大家好,今天講解用PMOS跟NMOS做H橋控制直流電機的正反轉。

我們先來看一個簡單的由機械開關組成的電路,如下圖:

poYBAGNuD3WAeqd1AADCf9zd7Bc496.png

四個開關ABCD這樣子接,一個直流電機橫接在中間,上邊AB開關一端接電源正極,下邊CD開關一端接電源負極。

這樣的一個電路就可以控制直流電機的正反轉。如果AD開關同時閉合,BC開關同時斷開,那么電源正極的電流就會流過A開關,流過電機,再流過D開關,然后回到電源負極,這就產生了一條電流回路,電機就會旋轉,我們姑且記為正轉,電流回路如下圖:

pYYBAGNuD4mAZFV5AACkJTFkof8423.png

如果AD開關同時斷開,BC開關同時閉合,那么電源正極的電流就會流過B開關,流過電機,再流過C開關,然后回到電源負極,這就又產生了一條電流回路,電機也會旋轉,這時候的轉動方向就跟剛才相反了,這就實現了對電機的正反轉控制。電機反轉的電流回路如下圖:

pYYBAGNuD5mAcjPuAACpLZtlX2E075.png

這樣的電路看起來像不像一個大寫的英文字母H,中間的直流電機像一座橋一樣架在橋臂的兩邊,所以我們就把這樣的驅動電路叫作H橋。

我們知道三極管和MOS管都可以當作開關來用,所以我們就可以用三極管或者MOS管來代替這些機械開關,做成一個由電子開關組成的H橋。

pYYBAGNuD7yAJx2gAACIwa8SAjo503.png

MOS管都可以當作開關來用,所以我們就可以用三極管或者MOS管來代替這些機械開關,做成一個由電子開關組成的H橋。

講一下由MOS管組成的H橋,看到電路圖:

poYBAGNuD6aAT41pAACnxwd8uNA404.png

兩個PMOS接在上邊作為上橋臂,兩個NMOS接在下邊作為下橋臂,經過上一期教程的學習我們知道,要想讓PMOS導通,那么PMOS柵極的電壓就要低于源極的電壓,而且柵源之間的電壓要低于開啟電壓。由于這個PMOS的源極接了電源正極,所以我們只要將它的柵極接地,拉低到0V或者接近于0V,那么就足以讓它完全導通了。下橋臂的NMOS源極接地,要讓它導通,那么柵極給的電壓就要大于源極的電壓,而且要大于開啟電壓,用一般常見的MOS管,給到10V左右就能完全導通了。

所以,這個由MOS管組成的H橋它的控制邏輯是這樣的:

poYBAGNuEAOAKJp1AACp9c2LBow782.png

左上角這個PMOS給0V,右下角這個NMOS給10V,這樣形成電流通路電機就能轉動起來了,假設現在電機是正轉。

poYBAGNuD_eAdLEDAACwKpxGSUM495.png

右上角的PMOS給0V,左下角的NMOS給10V,同樣形成電流通路,電機的轉動方向就與剛才相反了。

如果是這樣控制的話就得占用單片機或者遙控模塊4個端口,有點浪費IO口,而且單片機IO口的電平一般是3.3V或者5V,不足以使NMOS完全導通,那么我們把電路改成下圖這樣:

poYBAGNuEBaAQJynAAEPRboWpcY522.png

將PMOS和NMOS的柵極接到一起,然后接個100K的電阻上拉到電源,再用一個NPN三極管來控制它們的柵極,這樣就可以將這個H橋控制引腳簡化為兩個,而且可以用3.3V或者5V的單片機來控制。

poYBAGNuECGAPklaAAGZbD5EIo0559.png

它的原理是這樣的:左邊的三極管給高電平,右邊的三極管給低電平,那么左邊的三極管導通,兩個MOS管的柵極就會被拉低接地,接近于0V,此時PMOS導通,NMOS關閉。右邊的三極管給低電平截止不通,此時兩個MOS管的柵極得到的是接近于電源的電壓,這時PMOS關閉,NMOS導通,對角的兩個MOS導通了,那么就有電流流過電機,電機就轉動起來了。

同樣的道理,當左邊的三極管給低電平,右邊的三極管給高電平,那么電機就會反轉了。

poYBAGNuECuAS5JjAAFnZ1v9BE0047.png

如果左右兩邊的三極管都給低電平,那么是底下的兩個NMOS導通。

如果左右兩邊的三極管都給高電平,那么是上邊的兩個PMOS導通。

用MOS管或者三極管搭H橋驅動電路一定要注意,千萬不要讓同側的管子同時導通,同側的管子同時導通相當于直接將電源的正負短接,輕則燒MOS,重則燒電源,很危險的。

poYBAGNuEEKAcS0BAACtrnBngWA134.png

最后來講講這個H橋為什么上橋臂要用PMOS,下臂要用NMOS,簡單來說就是這樣做好控制。如果上下臂全都用NMOS的話,由于漏極接電源正極,而源極的電壓是不固定的,這就無法確定控制NMOS導通的柵極電壓,因為源極對地的電壓有兩種狀態,當這個NMOS截止時為低電平,而導通時又接近于電源電壓,這樣上橋臂的NMOS就沒辦法正常工作了。

pYYBAGNuEEyAEt9TAAC2bNCn8k4689.png

當然也不是說NMOS就不可以當上管,NMOS是可以當上管的,只是控制電路會比較復雜,需要用到半橋驅動芯片或者用隔離電源控制。如果所控制的電機功率不是很大,而使用PMOS當上管就能解決我們的問題,就沒必要增加電路難度使得電路復雜化。

由于電機是感性負載,所以為了使得電機在啟動和停止的瞬間不損壞MOS管,我們需要在接電機的地方加上四個二極管,提供一個泄放回路,如下圖:

poYBAGNuEFeAbGvFAAE99sFxrjs133.png

上圖這個電路中給出的各元件的參數都是可以直接用的,我按照這個電路圖也做了兩個H橋,用來控制我的漫游車,經過測試,在12V供電的情況下,控制兩個百來瓦的電機,不暴力駕駛,正反轉切換的頻率不是很高的話,這個電路是可以穩定的工作的。

pYYBAGNuEGOAPNaRAAEAjS7pvsE317.png

上圖是用433MHz無線遙控模塊輸出控制信號接自己做的H橋控制775電機的正反轉,正反轉控制非常方便。

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poYBAGNuEH6AAsIaAACR6s1Oxg4593.png

上面兩圖是用自己做的兩個H橋控制這么大的車子,電機是120W的直流減速電機,正反轉控制相當靈活。

附上個動圖:

pYYBAGNuETeAPa99AGpcreHoMHo466.png

好的,本期教程就到這里,喜歡我的文章請點贊評論支持我,感謝大家的觀看,我們下期再見,拜拜~

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