橋式電路是一種常見(jiàn)電路，其中2個(gè)電路支路（通常彼此關(guān)聯(lián)）通過(guò)在前2個(gè)支路的某個(gè)中間點(diǎn)處連接在前2個(gè)支路之間的第三支路”橋接“。

一、H橋電路

非常簡(jiǎn)單的橋式電路為H橋電路，具體的如下所示，圖中間的導(dǎo)電路徑，R2 兩端的電壓等于 R4 兩端的電壓，R1 兩端的電壓等于 R3 處的電壓，與四個(gè)電阻的電阻值無(wú)關(guān)。

如果兩個(gè)分支之間沒(méi)有電橋，中點(diǎn)的電位取決于電阻值的比率。如果 R1 :R2 等于 R3 : R4 ，即使沒(méi)有電橋，電勢(shì)差也為零。

H橋電路

二、惠斯通電橋

惠斯通電橋用于平衡H電橋的2條橋臂來(lái)測(cè)來(lái)位置電阻。

兩個(gè)恒定電阻（R1和R3）電位計(jì)和未知電阻形成電路的2條支路，并通過(guò)電壓表或者電流表橋接。只要左側(cè)的電路之比等于右側(cè)的電阻，電橋兩點(diǎn)之間的電路以及流過(guò)路徑的電流就為0。當(dāng)使用電壓表時(shí)，改變電位計(jì)直到2個(gè)中點(diǎn)之間的電壓降為0。

而當(dāng)使用電流表時(shí)，則沒(méi)有電流流過(guò)儀器。電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置與未知電阻的阻值之間存在線性關(guān)系。因此可以校準(zhǔn)電位器的刻度，便于讀取未知電阻的阻值。

惠斯通電橋

三、2個(gè)電位器組成的H橋

2個(gè)電位器組成的H橋可以將+VIn和 -VIn之間的任何電壓施加到連接在兩個(gè)電位器之間的負(fù)載。

雖然電位器適合手動(dòng)調(diào)節(jié)低功率設(shè)備的電壓，但晶體管甚至可以通過(guò)幾乎任何電子電路來(lái)控制高功率設(shè)備。

2個(gè)電位器組成的H橋

四、由兩個(gè)NPN和兩個(gè)PNP晶體管組成的H橋

由兩個(gè)NPN和兩個(gè)PNP晶體管組成的H橋，下部NPN晶體管的電阻不斷減小，而接地（=負(fù)端子）與X2和X4之間的電位不斷增加。如果輸入鉗位處的電勢(shì)等于電路的輸入電壓，則電阻最小。連接到基極引腳的串聯(lián)電阻限制基極電流。

相反，當(dāng)?shù)嘏cX1和X3之間的電位為0V時(shí)，PNP晶體管的電阻最小，而如果輸入鉗位的電位等于輸入電壓，則PNP晶體管的電阻最大。

T2和T4被稱為低側(cè)晶體管，而T1和T3被稱為高側(cè)晶體管。

由兩個(gè)NPN和兩個(gè)PNP晶體管組成的H橋

1、X1和X2分別接地， X3和X4連接到正電源電壓

當(dāng)X1和X2分別接地，將 X3和X4連接到正電源電壓時(shí)，T2和T3的電阻處于最大值，而T1和T4的電阻處于最小值。

結(jié)果電路左側(cè)中點(diǎn)的電位幾乎等于電源電壓，而右側(cè)中點(diǎn)的電位幾乎為0。電流從正極經(jīng)過(guò)T1從左向右流經(jīng)負(fù)載，最后流經(jīng)T4到電壓源的負(fù)極端子，正極端子位于負(fù)載的左側(cè)。

X1和X2分別接地， X3和X4連接到正電源電壓

2、X1和X2連接到正電源電壓，同時(shí)X3和X4連接到地

如果X1和X2連接到正電源電壓，同時(shí)X3和X4連接到地，情況會(huì)發(fā)生變化。現(xiàn)在正極端子位于負(fù)載的右側(cè)，電流分別流過(guò)T3和T2。

X1和X2連接到正電源電壓，同時(shí)X3和X4連接到地

3、4個(gè)輸入鉗位連接到地

將所有4個(gè)輸入鉗位連接到地時(shí)，上方的PNP晶體管導(dǎo)通，而下方的NPN晶體管關(guān)閉。負(fù)載2個(gè)鉗位處的電位幾乎等于正電源電壓，因?yàn)闆](méi)有電流流過(guò)負(fù)載。

4個(gè)輸入鉗位連接到地

4、4個(gè)輸入鉗位連接到電源電壓的正極端子

將所有4個(gè)輸入鉗位連接到電源電壓的正極端子時(shí)，上方的PNP晶體管關(guān)斷，而下方的NPN晶體管導(dǎo)通，負(fù)載兩個(gè)鉗位處的電位幾乎等于負(fù)電源電壓，因此也沒(méi)有電流流過(guò)負(fù)載。

4個(gè)輸入鉗位連接到電源電壓的正極端子

5、通常只有2個(gè)輸入鉗位

2個(gè)輸入鉗位

五、半橋H橋電路

由4個(gè)晶體管組成的H橋電路稱為全橋。因此由2個(gè)晶體管組成的H橋電路為半橋。對(duì)于分離電源，半橋就可以控制交流負(fù)載，下圖種使用了2節(jié)電池。

半橋H橋電路

1、2個(gè)晶體管的基極引腳通過(guò)串聯(lián)連接到正極端子

如果2個(gè)晶體管的基極引腳通過(guò)串聯(lián)連接到正極端子，因此輸入端有一個(gè)高信號(hào)，上方的PNP類型將關(guān)閉，而下方的NPN類型將打開(kāi)。電流從下部電池的正極端子流出，從右向左流過(guò)負(fù)載，并通過(guò)晶體管T2在負(fù)極端子處重新進(jìn)入電池。

2個(gè)晶體管的基極引腳通過(guò)串聯(lián)連接到正極端子

2、半橋的2個(gè)輸入連接到負(fù)端子

如果半橋的兩個(gè)輸入都連接到負(fù)端子，則上方的NPN類型將打開(kāi)，下方的NPN類型將關(guān)閉。電流從上部電池的正極端子流過(guò)晶體管T1，現(xiàn)在從左向右流過(guò)負(fù)載，然后返回電池的負(fù)極端子。使用半橋的優(yōu)點(diǎn)時(shí)所需晶體管數(shù)量少，缺點(diǎn)是電源更復(fù)雜。

半橋的2個(gè)輸入連接到負(fù)端子

六、MOS管組成的H橋電路

當(dāng)使用MOS管組成H橋時(shí)，必須考慮使晶體管進(jìn)入飽和模式所需的基極電流。R1-R4的尺寸取決于電源電壓。當(dāng)電路的輸入電壓為12V而不是6V時(shí)，電阻值必須要加倍。如果電阻值適用較高的電壓，則電阻消耗的功率也會(huì)加倍，否則會(huì)增加4倍，因此必須要牢記最大功耗。

使用N溝道和P溝道MOS管代替NPN或PNP類型也有一些好處。

僅需要兩個(gè)上拉或下拉電阻，并且 R1 和 R2 的值并不重要，只需使用相對(duì)較高的值即可避免在接近最大功耗的情況下工作。

電路的最小輸入電壓受到可靠“導(dǎo)通”MOS管所需的源極柵極電壓的影響（必須略高于閾值電壓 V GS(th)）。

最大輸入電壓應(yīng)明顯低于最大源極柵極電壓，以避免在極限下運(yùn)行。切換感性負(fù)載時(shí)請(qǐng)記住電壓峰值。

MOS管組成的H橋電路

如果電源電壓超過(guò)MOS管的最大源極柵極電壓，則應(yīng)插入4個(gè)分壓器，每個(gè)分壓器由齊納二極管和恒定電阻組成。齊納電壓必須大于導(dǎo)通晶體管所需的閾值電壓。

現(xiàn)在，最大源極漏極電壓通常明顯高于最大源極柵極電壓，限制了電路的輸入電壓。

如果電源電壓超過(guò)MOS管的最大源極柵極電壓，則應(yīng)插入4個(gè)分壓器

鉗位器必須始終連接到正電源電壓或者負(fù)電源電壓。如果X1連接到正電源電壓，而X2僅連接一半電源電壓（+6V），則T1和T2之間的電位接近0V，T3和T4之間的電位約為6V，因?yàn)門(mén)3的電阻等于T4的電阻。總之負(fù)載上從左到右有6V的電位。

但這里要記住，T3和T4的電阻相對(duì)較低，因此高電流電流過(guò)電阻的右側(cè)，

X1連接到正電源電壓，而X2僅連接一半電源電壓（+6V）

在H橋開(kāi)關(guān)運(yùn)行器件，意味著只要其中一個(gè)鉗位處的電位從正電源電壓變?yōu)?（反之亦然），總會(huì)有高電流在短時(shí)間內(nèi)流過(guò)電路的支路，重疊的導(dǎo)通時(shí)間稱為交叉?zhèn)鲗?dǎo)或者直通。

1、由曲線性RC電阻實(shí)現(xiàn)的開(kāi)啟延遲

每當(dāng)X1處的電壓從正電源電壓變?yōu)?V時(shí)，C1就會(huì)通過(guò)R1緩慢充電，因此T1的導(dǎo)通過(guò)程倍延遲，相反，C2通過(guò)正向偏置D2快速放電，因此T2幾乎沒(méi)有延遲地關(guān)閉。R5和R6是下拉電阻。

由曲線性RC電阻實(shí)現(xiàn)的開(kāi)啟延遲

兩個(gè)線性RC電路（每個(gè)電路由47KΩ電阻和1nF電容組成）延遲MOS管的開(kāi)啟過(guò)程，高側(cè)MOS管（黃色曲線）立即關(guān)斷，因此C1的放電電流流過(guò)正向偏置二極管（D1）。由于C2的充電電流流經(jīng)R2，低側(cè)MOS管的導(dǎo)通過(guò)程被延遲。在信號(hào)的下降沿，低側(cè)MOS管（紅色曲線）的關(guān)閉過(guò)程比高側(cè)MOS管的開(kāi)啟過(guò)程更快。因此現(xiàn)在D2正向偏置。

兩個(gè)線性RC電路（每個(gè)電路由47KΩ電阻和1nF電容組成）延遲MOS管的開(kāi)啟過(guò)程

七、脈寬調(diào)制H橋

如果負(fù)載需要部分功率，可以通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)控制H橋。為了避免脈寬信號(hào)開(kāi)關(guān)運(yùn)行期間發(fā)生交叉?zhèn)鲗?dǎo)，必須更改電路，如下圖：

脈寬調(diào)制H橋

P溝道MOS管仍然由X1和X2處的信號(hào)直接開(kāi)關(guān)，而N溝道MOS管分別由X1和脈沖寬度信號(hào)X2和脈沖寬度處的信號(hào)控制信號(hào)。

如果正電源電壓連接到X1，則T1被關(guān)閉，直到脈沖寬度信號(hào)也處于高電平時(shí)，T2才會(huì)接通。如果其中一個(gè)鉗位接地，T2將關(guān)閉，因?yàn)镈1和D2或者2者正向偏置，拉動(dòng)T2的柵極接地。另一方面，如果X1處于低電平，則即使脈沖寬度信號(hào)也是如此。利用X1和X2，可以控制負(fù)載兩端電壓的極性，而功率控制則通過(guò)第3個(gè)輸入鉗位處的脈沖寬度信號(hào)來(lái)完成。

二極管形成一個(gè)與門(mén)。每當(dāng)改變極性時(shí)，如果脈寬信號(hào)處于高電平，就會(huì)發(fā)生擊穿，在改變極性之前，確保PWM信號(hào)設(shè)置為低電平。

八、電壓電平轉(zhuǎn)換H橋

當(dāng)H橋在12V輸入電壓下運(yùn)行時(shí)，輸入鉗位的高電平必須為12V，例如：計(jì)算機(jī)僅提供5V或者3.3V的輸出電壓，解決問(wèn)題的辦法是插入3個(gè)放大電路：

電壓電平轉(zhuǎn)換H橋

通過(guò)使用MOS管，流經(jīng)輸入鉗位的電流最小化為流經(jīng)下拉電阻R6-R8的電流。請(qǐng)記住，電壓電平會(huì)被放大級(jí)反轉(zhuǎn)。例如：脈沖寬度信號(hào)輸入鉗位的高電平在D2和D4處變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼嗽诘碗娖叫枰}沖寬度信號(hào)的電平來(lái)為H橋中點(diǎn)之間的負(fù)載供電。

反之亦然，在改變H橋的極性時(shí)，需要脈沖寬度信號(hào)處于高電平以防止交叉導(dǎo)通。

九、反激二極管H橋

反激二極管可以用于最大限度地減少感性負(fù)載引起的失真。這些二極管必須與負(fù)載相連，但極性相反。當(dāng)使用H橋控制負(fù)載時(shí)，極性可以改變，因此二極管將變得正向偏置，為了避免這種清理，需要4個(gè)二極管才能在單個(gè)開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生單個(gè)反擊二極管所需的效果：

反激二極管H橋-4個(gè)二極管

如果感應(yīng)電壓的正電位位于負(fù)載左側(cè)，則流經(jīng) D5 和 D8 的電流將消除電壓尖峰。反之亦然，如果正電勢(shì)在右側(cè)，負(fù)電勢(shì)在左側(cè)，則電流流經(jīng) D6 和 D7。二極管的最大電流不應(yīng)低于 MOS管的最大漏極電流。

正向偏置肖特基二極管的電壓降（0.15-0.45V）低于硅類型二極管（0.6-1.7V），因此器件消耗的功率明顯較低。

上面H橋電路的元件：

T1、T3 = P 溝道 MOSFET IRF9Z34N

T2、T4 = N 溝道 MOSFET IRLZ24N

T5 - T7 = N 溝道 MOSFET 2N7000

R1 - R8 = 12kΩ

D1 - D4 = 低功耗硅二極管

D5 - D8 = 肖特基二極管 例如 SB2040

電路可以在5-12V的電源電壓下工作。輸入鉗位處的電壓電平應(yīng)高于 3V。當(dāng)晶體管在沒(méi)有散熱器的情況下運(yùn)行時(shí)，通過(guò)負(fù)載的電流應(yīng)低于 5A。

十、控制簡(jiǎn)單

當(dāng)移除X2處的下拉電阻并將這些輸入鉗位連接到T5的漏極引腳（T5是用于放大X1信號(hào)的MOS管）時(shí)，兩個(gè)輸入引腳可以控制H橋。

X1控制H橋的極性：正極在負(fù)載左側(cè)，X1接高電平，正極在右側(cè)，X1接低電平等級(jí)。第二個(gè)引腳是脈寬信號(hào)，用于控制提供負(fù)載的功率。

H橋的輸入鉗位越少，控制設(shè)備所需的計(jì)算機(jī)或者微控制器的輸出鉗位就越少。缺點(diǎn)是靈活性較低。

移除X2處的下拉電阻并將這些輸入鉗位連接到T5的漏極引腳

十一、動(dòng)態(tài)制動(dòng)H橋

為了激活制動(dòng)力能，至少需要三個(gè)輸入鉗位（X 1、X 2和PWM）。

當(dāng)通過(guò)H橋開(kāi)關(guān)電動(dòng)汽車的電機(jī)時(shí)，必須考慮反激二極管的另一個(gè)影響：由于慣性，如果不再向電機(jī)提供動(dòng)力，車輛不會(huì)立即停止。電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并開(kāi)始作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

由此產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的極性與預(yù)先施加到電機(jī)上的電壓的極性相同。流經(jīng)反激二極管和電機(jī)繞組的電流現(xiàn)在正在減慢車輛的速度，請(qǐng)記住機(jī)械能會(huì)轉(zhuǎn)化為電能。這些過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)制動(dòng)。

所產(chǎn)生的電力的一部分作為熱量消散在反激二極管和電機(jī)電線中，而其余部分則返回到電源線。需要更復(fù)雜的電路來(lái)安全地返回所產(chǎn)生的電力到車輛的電池，這稱為再生制動(dòng)。

沒(méi)有反激二極管，動(dòng)態(tài)制動(dòng)可以由 H 橋控制：如果所有晶體管都“關(guān)閉”，則沒(méi)有電流流過(guò)電機(jī)的繞組，因此車輪會(huì)旋轉(zhuǎn)，而不會(huì)因動(dòng)態(tài)而減慢速度制動(dòng)。

當(dāng)然，必須考慮感應(yīng)電壓的峰值。要激活動(dòng)態(tài)制動(dòng)過(guò)程，必須“打開(kāi)”兩個(gè)低側(cè)或兩個(gè)高側(cè) MOSFET。

現(xiàn)在，電機(jī)的夾具之間存在一條導(dǎo)電路徑，車輛在發(fā)電時(shí)會(huì)主動(dòng)減速。電力在晶體管和電機(jī)電線中以熱量的形式耗散，這就是為什么這種制動(dòng)被稱為變阻制動(dòng)。

變阻制動(dòng)。

十二、N溝道 MOS管H橋

p 溝道 MOSFET 的主要載流子是空穴，其遷移率低于電子（n 溝道類型內(nèi)部的主要載流子）。因此，假設(shè)器件尺寸相同，p 溝道 MOSFET 的導(dǎo)通電阻通常高于 n 溝道 MOSFET 的導(dǎo)通電阻。

為了最大限度地減少 H 橋消耗的功率，可以使用四個(gè) n 溝道 MOSFET，而不是在低壓側(cè)使用兩個(gè) n 溝道類型和在高壓側(cè)使用兩個(gè) p 溝道類型。

N溝道 MOS管H橋

假設(shè)電路連接到輸出為 +12V 的電源。X 3接地，因此T 3被“關(guān)閉”。X 4連接到+12V，因此T 4被“接通”。右側(cè)中點(diǎn)電位接近0V。

左半橋的情況很棘手：X 2接地，因此 T 2被“關(guān)閉”。X 1連接到+12V，那么T 1的源極和柵極之間的電位是多少？

如果 T 1“接通”時(shí)，左半橋中點(diǎn)的電位約為 12V。因此T 1的源極和柵極之間的差值接近0V，使T 1 “關(guān)閉”。如果T 1和T 2都“關(guān)閉”，則中點(diǎn)處的電勢(shì)將約為+6V，導(dǎo)致T 1處的源極柵極電壓為6V ，這足以將這些器件“打開(kāi)”。所以真相是在兩個(gè)極值之間。

如果n溝道MOSFET的閾值電壓約為2V，則系統(tǒng)將在T 1部分“導(dǎo)通” 時(shí)在中點(diǎn)趨向于約10V的電勢(shì)。

T

為了能夠完全“導(dǎo)通”T 1，高端 MOS管 的柵極引腳處的電位高于 14V（12V + 2V 閾值），因此需要第二個(gè)電源。驅(qū)動(dòng) MOS管的電路比高端 p 溝道 MOSFET 組成的 H 橋更復(fù)雜。

完全“導(dǎo)通”T 1，連接第二個(gè)電源

　　審核編輯：湯梓紅