微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)分析
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以下所述電路用于3V供電的微型直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),這種電機(jī)有兩根引線,更換兩根引線的極性,電機(jī)換向。該驅(qū)動(dòng)電路要求能進(jìn)行正反轉(zhuǎn)和停止控制。
電路一
如下圖所示,些電路是作者最初設(shè)計(jì)的電路,P1.3、P2.2和P2.4分別是51單片機(jī)的IO引腳。設(shè)計(jì)的工作原理是:當(dāng)P1.3高電平、P2.2和P2.4都為低電平時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)。此時(shí),Q1和Q4導(dǎo)通,Q2和Q3截止,電流注向?yàn)椋?VàR1àQ1àMàQ4;當(dāng)P1.3低電平、P2.2和P2.4都為高電平時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)。此時(shí),Q2和Q3導(dǎo)通,Q1和Q4截止。P2.2為高電平同時(shí)P2.4為低電平時(shí),電路全不通,電機(jī)停止。
圖中電阻:R1=20Ω,R2=R3=R4=510Ω
但實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況去出人意料,即電機(jī)正向和反向都不轉(zhuǎn)。經(jīng)測(cè)量,當(dāng)P1.3高電平,P2.2和P2.4都為低電平時(shí),Q4導(dǎo)通,但Q1不導(dǎo)通,P1.3的電平只有0.67V左右,這樣Q1無(wú)法導(dǎo)通。
經(jīng)分析原因如下:51的P1、P2、P3各引腳都是內(nèi)部經(jīng)電阻上拉,對(duì)地接MOSFET管,所謂高電平,是MOSFET截止,引腳上拉電阻拉為高電平。若此內(nèi)部上拉電阻很大,比如20K,則當(dāng)上圖電路接上后,則流過(guò)Q1的b極的電流最大為(5-0.7)/20mA=0.22mA,難以動(dòng)Q1導(dǎo)通。所以此電路不通。
總結(jié):51單片機(jī)的引腳上拉能力弱,不足以驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通。
電路二
如下圖所示:這個(gè)電路中四個(gè)三極管都采用PNP型,這樣,導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)是控制引腳輸出低電平,而51的低電平時(shí),是通過(guò)MOSFET接地,所以下拉能力極強(qiáng)。
但此電路的Q1和Q3需要分別控制,所需控制引腳較多。如果要用一個(gè)IO腳控制則可以加一個(gè)反相器。但此電路的Q1和Q3需要分別控制,所需控制引腳較多。如果要用一個(gè)IO腳控制則可以加一個(gè)反相器。如圖3所示。圖中標(biāo)有各點(diǎn)實(shí)測(cè)電壓值。
電路三
在電路二中,由于Q2和Q4的發(fā)射極高出基極一個(gè)0.7V,而基極最低為0V,實(shí)際由于CPU引腳內(nèi)部有MOSFET管壓降,所以Q2和Q4的發(fā)射極不會(huì)低于1V,這樣使M兩端的有效電壓范圍減小。
要解決這一問(wèn)題,則Q2和Q4需換成NPN管。但NPN管的驅(qū)動(dòng)如電路一所示,只靠CPU引腳的上拉是不行了,所以需要另加上拉電阻,如下圖所示。
上圖中,與電路一不同的是兩只NPN管移到了下方,PNP在上方,這樣,Q1和Q3的集電極的電位最低可達(dá)到一個(gè)管壓降(0.3V)。這樣增加了M的壓降范圍。
但為了保證對(duì)NPN管的足夠的驅(qū)動(dòng),P1.3和P2.2必須加上拉電阻,如圖所示。圖中,R2、R5、R6都不可少。所以這種電路的元件用量比較大。
還有,R5應(yīng)該比R6大幾倍,比如10倍,這樣,當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),P1.3處的電壓可以分得較大,不致于使Q2導(dǎo)通。如果R5太小或?yàn)?,則當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),由于P1.3處的壓降只有0.7V左右,將使Q2也導(dǎo)通。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn),R2、R6、R3、R4可取510Ω,R5取5.1kΩ。這種值下各處的電壓如下(R1為20歐):
U1:4.04 U2:2.99 U3:3.87 U4:4.00 U5:0.06 U7:0.79
電路四
這個(gè)電路由電路一改造而來(lái),如下圖5,圖中標(biāo)有各點(diǎn)實(shí)測(cè)電壓值:
此圖中基極的限流電阻都去掉了,因?yàn)樽髡咴O(shè)計(jì)的電路對(duì)元件要求要少。從電路上分析,不要沒(méi)什么關(guān)系,有R1起著總的限流作用,而且引腳內(nèi)部有上拉電阻,這樣保證電路不會(huì)通過(guò)太大的電流。
這個(gè)電路可以使電機(jī)運(yùn)行。
但在R2的選擇上,比較講究,因?yàn)镽2的上拉作用不但對(duì)Q1有影響,而且對(duì)Q2的導(dǎo)通也有影響。如果R2選的過(guò)小,則雖然對(duì)Q1的導(dǎo)通有利,但對(duì)Q2的導(dǎo)通卻起到抵制作用,因?yàn)镽2越小,上拉作用越強(qiáng),Q2的導(dǎo)通是要P1.3電位越低越好,所以這是矛盾的。也就是說(shuō),Q1的導(dǎo)通條件和Q2的導(dǎo)通條件是矛盾的。
經(jīng)實(shí)驗(yàn),R2取5.1k歐比較合適。由此可見(jiàn),這個(gè)電路雖然很省元件和CPU引腳,但驅(qū)動(dòng)能力有個(gè)最大限,即Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)相互制約下,只能取個(gè)二者都差不多的折中方案。否則如果一個(gè)放大倍數(shù)大,則另一個(gè)則會(huì)變小。
總結(jié):以上電路各有利蔽,要視應(yīng)用場(chǎng)而選用。