带h桥单片机什么是H桥？一篇很用心的H桥驱动扫盲文章|技术文档|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

什么是H桥？一篇很用心的H桥驱动扫盲文章

什么是H桥？

H桥是一个比较简单的电路，通常它会包含四个独立控制的开关元器件（例如MOS-FET）,它们通常用于驱动电流较大的负载，比如电机，至于为什么要叫H桥（H-Bridge），因为长得比较像字母H，具体如下图所示；

这里有四个开关元器件Q1，Q2，Q3，Q4，另外还有一个直流电机M，D1，D2，D3，D4是MOS-FET的续流二极管；

开关状态

下面以控制一个直流电机为例，对H桥的几种开关状态进行简单的介绍，其中正转和反转是人为规定的方向，实际工程中按照实际情况进行划分即可；

正转

通常H桥用来驱动感性负载，这里我们来驱动一个直流电机；

打开Q1和Q4；

关闭Q2和Q3；

此时假设电机正转，这电流依次经过Q1，M，Q4，在图中使用黄色线段进行标注，具体如下图所示；

正转

反转

另外一种状态则是电机反转；此时四个开关元器件的状态如下；

关闭Q1和Q4；

打开Q2和Q3；

此时电机反转（与前面介绍的情况相反），这电流依次经过Q2，M，Q3，在图中使用黄色线段进行标注，具体如下图所示；

反转

调速

如果要对直流电机调速，其中的一种方案就是；

关闭Q2，Q3；

打开Q1，Q4上给它输入50%占空比的PWM波形，这样就达到了降低转速的效果，如果需要增加转速，则将输入PWM的占空比设置为100%；

具体如下所示；

停止状态

这里以电机从正转切换到停止状态为例；

正转情况下；Q1和Q4是打开状态；

这时候如果关闭Q1和Q4，直流电机内部可以等效成电感，也就是感性负载，电流不会突变，那么电流将继续保持原来的方向进行流动，这时候我们希望电机里的电流可以快速衰减；

这里有两种办法：

第一种：关闭Q1和Q4，这时候电流仍然会通过反向续流二极管进行流动，此时短暂打开Q1和Q3从而达到快速衰减电流的目的；

第二种：准备停止的时候，关闭Q1，打开Q2，这时候电流并不会衰减地很快，电流循环在Q2，M，Q4之间流动，通过MOS-FET的内阻将电能消耗掉；

应用

实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，市面上已经有很多比较常用的IC方案，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。接上电源、电机，通过输入控制信号就可以驱动电机了；

下面是某宝上的L298N模块，比较常见，对于新手玩家非常友好，接线也十分简单；

L298N模块

这个模块有一个板载5V稳压器，该稳压器可使用跳线的方式进行使能。

如果电机电源电压高达12V，我们可以启用5V稳压器，并且5V引脚可以用作输出，例如给Arduino板供电。

但是，如果电动机电压大于12V，则必须断开跳线，因为这些电压会损坏板载5V稳压器。

在这种情况下，5V引脚将用作输入，因为我们需要将其连接到5V电源，以使IC正常工作。

我们在这里可以注意到，该IC的电压降约为2V。因此，如果使用12V电源，则电动机端子上的电压约为10V，这意味着我们将无法从12V直流电动机中获得最大速度。

这里使用Arduino为例，这是一个Demo整体的框架如下图所示；

架构

简单描述一下：首先我们需要定义程序所需的引脚和变量。

在setup()中，我们需要设置引脚模式和电机的初始旋转方向。

在loop()中，我们先读取电位器值，然后将从中获得的值从0到1023变化，线性映射到PWM信号的0到255的值，将其从0到100％的占空比。

然后使用analogWrite()函数将PWM信号发送到L298N板的Enable引脚，该引脚实际上驱动电动机。

接下来，我们检查是否按下了按钮，如果是的话，我们将输入1和输入2的状态反置，从而改变电动机的旋转方向。该按钮将用作切换按钮，每次按下该按钮都会改变电动机的旋转方向。

某宝上这种小车很多，如下图所示；主控可以换成51单片机或者STM32，当然Arduino也没问题，使用L298N就可以快速搭建一个小车了；

总结

本文简单介绍了H桥的原理，并以直流电机为例简单介绍了驱动的状态，整体比较简单，适合新手玩家，最后给出了基于Arduino和L298N的驱动示例，仅供参考。

#电机##科技曼曼谈##电流##元器件##半导体#

H桥电路原理

一、H桥原理

图1中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图1及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。

如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图1 H桥式电机驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图2 H桥电路驱动电机顺时针转动

图3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。

当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图3 H桥电路驱动电机逆时针转动

二、使能控制和方向逻辑

驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。

基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。

图4所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图4所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。）

图4 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路

采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。

图5 使能信号与方向信号的使用

实际使用的时候，用分立件制作H桥式是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

三、MOS管H桥

1、上臂PMOS，下臂NMOS

它由2 个P型场效应管Q1、Q2 与2 个N 型场效应管Q3、Q3 组成，所以它叫P-NMOS 管H 桥。

桥臂上的4 个场效应管相当于四个开关，P 型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭；N 型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”。

正因为这个特点，在连接好下图电路后，控制臂1 置高电平（U=VCC）、控制臂2 置低电平（U=0）时，Q1、Q4 关闭，Q2、Q3 导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机正转。

图6 控制臂1高电平，控制臂2低电平，正转

控制臂1 置低电平、控制臂2 置高电平时，Q2、Q3 关闭，Q1、Q4 导通，电机左端高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机反转。

图7 控制臂1低电平，控制臂2高电平，反转

当控制臂1、2 均为低电平时，Q1、Q2 导通，Q3、Q4 关闭，电机两端均为高电平，电机不转；

当控制臂1、2 均为高电平时，Q1、Q2 关闭，Q3、Q4 导通，电机两端均为低电平，电机也不转，

所以，此电路有一个优点就是无论控制臂状态如何（绝不允许悬空状态），H 桥都不会出现“共态导通”（短路）。

2、4 个 N 型场效应管的 H 桥

另外还有 4 个 N 型场效应管的 H 桥，内阻更小，有“共态导通”现象，栅极驱动电路较复杂，或用专用驱动芯片，如 MC33883，原理基本相似，不再赘述。

下面是由与非门 CD4011 组成的栅极驱动电路，因为单片机输出电压为 0~5V，而我们小车使用的 H 桥的控制臂需要 0V 或 7.2V 电压才能使场效应管完全导通， PWM 输入 0V 或 5V时，栅极驱动电路输出电压为 0V 或 7.2V，前提是 CD4011 电源电压为 7.2V 。切记！！

故 CD4011 仅做“电压放大”之用。之所以用两级与非门是为了与 MC33886 兼容。