使用MOSFET的簡單h橋電機(jī)驅(qū)動電路

時間：2024-12-12 19:47:43

關(guān)鍵字： MOSFET 驅(qū)動電機(jī) IRF3205 555定時器

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[導(dǎo)讀]一開始，驅(qū)動電機(jī)似乎是一項簡單的任務(wù)——只要把電機(jī)連接到合適的電壓軌道上，它就會開始旋轉(zhuǎn)。但這并不是驅(qū)動電機(jī)的完美方式，特別是當(dāng)電路中涉及到其他組件時。這里我們將討論一種最常用和最有效的直流電機(jī)驅(qū)動方式——H橋電路。

一開始，驅(qū)動電機(jī)似乎是一項簡單的任務(wù)——只要把電機(jī)連接到合適的電壓軌道上，它就會開始旋轉(zhuǎn)。但這并不是驅(qū)動電機(jī)的完美方式，特別是當(dāng)電路中涉及到其他組件時。這里我們將討論一種最常用和最有效的直流電機(jī)驅(qū)動方式——h橋電路。

汽車駕駛

在低功率應(yīng)用的愛好者圈子中，最常見的電機(jī)類型是下圖所示的3V直流電機(jī)。這種電機(jī)是為兩個1.5V電池的低電壓操作而優(yōu)化的。

運(yùn)行起來很簡單，只要把它連接到兩個電池上，馬達(dá)就會立即啟動，只要連接上電池就能運(yùn)行。雖然這種設(shè)置對于像微型風(fēng)車或風(fēng)扇這樣的“靜態(tài)”應(yīng)用很好，但對于像機(jī)器人這樣的“動態(tài)”應(yīng)用，就需要更高的精度——以變速和扭矩控制的形式。

很明顯，降低電機(jī)上的電壓會降低速度，電池耗盡會導(dǎo)致電機(jī)變慢，但如果電機(jī)由多個設(shè)備共用的軌道供電，則需要適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路。

這甚至可以以可變線性調(diào)節(jié)器的形式，如LM317 -電機(jī)上的電壓可以改變，以增加或減少速度。如果需要更大的電流，這個電路可以用幾個雙極晶體管謹(jǐn)慎地構(gòu)建。這種設(shè)置的最大缺點(diǎn)是效率——就像其他負(fù)載一樣，晶體管會消耗掉所有不必要的功率。

解決這個問題的方法是一種稱為PWM或脈沖寬度調(diào)制的方法。在這里，電機(jī)由一個方波驅(qū)動，具有可調(diào)的占空比(接通時間與信號周期的比率)。輸出的總功率與占空比成正比。換句話說，電機(jī)在一小段時間內(nèi)供電，因此隨著時間的推移，電機(jī)的平均功率很低。占空比為0%時，電機(jī)關(guān)閉(無電流流動);占空比為50%時，電機(jī)以一半功率運(yùn)行(電流消耗的一半)，100%代表最大電流消耗的全功率。

這是通過連接電機(jī)高側(cè)并使用n溝道MOSFET驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)的，后者再次由PWM信號驅(qū)動。

這有一些有趣的含義- 3V電機(jī)可以使用12V電源驅(qū)動，使用低占空比，因?yàn)殡姍C(jī)只看到平均電壓。精心設(shè)計，這消除了需要一個單獨(dú)的電機(jī)電源。

如果我們需要反轉(zhuǎn)電機(jī)的方向呢?這通常是通過開關(guān)電機(jī)端子來完成的，但這也可以用電來完成。

一種選擇是使用另一個場效應(yīng)管和一個負(fù)電源來切換方向。這要求電機(jī)的一端永久接地，另一端連接到正極或負(fù)極電源。在這里，mosfet充當(dāng)SPDT開關(guān)。

然而，存在一種更優(yōu)雅的解決方案。

H橋電機(jī)驅(qū)動電路

這個電路被稱為H橋，因?yàn)閙osfet形成兩個垂直筆畫，而電機(jī)形成字母“H”的水平筆畫。它是所有電機(jī)驅(qū)動問題的簡單而優(yōu)雅的解決方案。方向可隨意改變，速度可控制。

在h橋配置中，只有對角相反的mosfet對被激活來控制方向，如下圖所示：

當(dāng)激活一對mosfet(對角線相反)時，電機(jī)看到電流朝一個方向流動，當(dāng)另一對mosfet被激活時，電流通過電機(jī)的方向相反。

mosfet可以打開以獲得全功率或PWM-ed以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)或關(guān)閉以使電機(jī)停止。激活底部和頂部mosfet(但從不一起)制動電機(jī)。

實(shí)現(xiàn)H-Bridge的另一種方法是使用555計時器，我們在前一個教程中討論過。

組件的要求

對于H橋

?直流電機(jī)

?2個IRF3205 n溝道m(xù)osfet或等效器件

?2個IRF5210 p溝道m(xù)osfet或等效器件

?2個10K電阻(下拉)

?2個100uF電解電容(去耦)

?2個100nF陶瓷電容器(去耦)

控制電路

?1x 555定時器(任何變體，最好是CMOS)

?1x TC4427或任何合適的柵極驅(qū)動器

?2x 1N4148或任何其他信號/超快二極管

?1個10K電位器(定時)

?1x 1K電阻(定時)

?4.7nF電容器(定時)

?4.7uF電容(去耦)

?100nF陶瓷電容器(去耦)

?10uF電解電容器(去耦)

?SPDT開關(guān)

簡單h橋電路原理圖

既然我們已經(jīng)有了理論，現(xiàn)在是時候動手制作一個h橋電機(jī)驅(qū)動器了。該電路有足夠的功率來驅(qū)動中等大小的電機(jī)高達(dá)20A和40V與適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和散熱。一些功能得到了簡化，比如使用SPDT開關(guān)來控制方向。

此外，為了簡單起見，高側(cè)mosfet為p溝道。使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路(帶自舉)，也可以使用n溝道m(xù)osfet。

使用mosfet的h橋的完整電路圖如下：

解釋工作

1. 555定時器

定時器是一個簡單的555電路，產(chǎn)生約10%至90%的占空比。頻率由R1， R2和C2設(shè)定。高頻率是首選，以減少可聽到的嗚嗚聲，但這也意味著需要一個更強(qiáng)大的柵極驅(qū)動器。占空比由電位器R2控制。在這里了解更多關(guān)于在不穩(wěn)定模式下使用555定時器的信息。

該電路可以由任何其他PWM源(如Arduino)代替。

2. 門驅(qū)動器

柵極驅(qū)動器是標(biāo)準(zhǔn)的雙通道TC4427，每個通道有1.5A的接收/源。在這里，兩個通道都并聯(lián)以獲得更大的驅(qū)動電流。同樣，如果頻率更高，柵極驅(qū)動器需要更強(qiáng)大。

SPDT開關(guān)用于選擇控制方向的h橋支腿。

3. H橋

這是控制電機(jī)的電路的工作部分。MOSFET柵極通常被下拉電阻拉低。這導(dǎo)致兩個P溝道m(xù)osfet打開，但這不是一個問題，因?yàn)闆]有電流可以流動。當(dāng)PWM信號被施加到一個支路的柵極時，N和p通道m(xù)osfet交替打開和關(guān)閉，控制功率。