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    四種微型直流電機驅動電路對比分析

    發布時間:2013-02-25 責任編輯:abbywang

    【導讀】本文所分析的四種電路均用于3V供電的微型直流電機的驅動,這種電機有兩根引線,更換兩根引線的極性,電機換向,并且該驅動電路要求能進行正反轉和停止控制。

    電路一

    如下圖所示,些電路是作者最初設計的電路,P1.3、P2.2和P2.4分別是51單片機的IO引腳。設計的工作原理是:當P1.3高電平、P2.2和P2.4都為低電平時,電機正轉。此時,Q1和Q4導通,Q2和Q3截止,電流注向為+5VàR1àQ1àMàQ4;當P1.3低電平、P2.2和P2.4都為高電平時,電機反轉。此時,Q2和Q3導通,Q1和Q4截止。P2.2為高電平同時P2.4為低電平時,電路全不通,電機停止。圖中電阻:R1=20Ω,R2=R3=R4=510Ω

    圖1

    但實際實驗情況去出人意料,即電機正向和反向都不轉。經測量,當P1.3高電平,P2.2和P2.4都為低電平時,Q4導通,但Q1不導通,P1.3的電平只有0.67V左右,這樣Q1無法導通。

    經分析原因如下:51的P1、P2、P3各引腳都是內部經電阻上拉,對地接MOSFET管,所謂高電平,是MOSFET截止,引腳上拉電阻拉為高電平。若此內部上拉電阻很大,比如20K,則當上圖電路接上后,則流過Q1的b極的電流最大為(5-0.7)/20mA=0.22mA,難以動Q1導通。所以此電路不通。

    總結:51單片機的引腳上拉能力弱,不足以驅動三極管導通。

    電路二

    如下圖所示:這個電路中四個三極管都采用PNP型,這樣,導通的驅動是控制引腳輸出低電平,而51的低電平時,是通過MOSFET接地,所以下拉能力極強。

    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IO腳控制則可以加一個反相器。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IO腳控制則可以加一個反相器。如圖3所示。圖中標有各點實測電壓值。

    圖2
     
    圖3

    電路三

    在電路二中,由于Q2和Q4的發射極高出基極一個0.7V,而基極最低為0V,實際由于CPU引腳內部有MOSFET管壓降,所以Q2和Q4的發射極不會低于1V,這樣使M兩端的有效電壓范圍減小。

    要解決這一問題,則Q2和Q4需換成NPN管。但NPN管的驅動如電路一所示,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。

    圖4

    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到一個管壓降(0.3V)。這樣增加了M的壓降范圍。

    但為了保證對NPN管的足夠的驅動,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應該比R6大幾倍,比如10倍,這樣,當Q1導通時,P1.3處的電壓可以分得較大,不致于使Q2導通。如果R5太小或為0,則當Q1導通時,由于P1.3處的壓降只有0.7V左右,將使Q2也導通。

    經過試驗,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

    這個電路由電路一改造而來,如下圖5,圖中標有各點實測電壓值:

    圖5

    此圖中基極的限流電阻都去掉了,因為作者設計的電路對元件要求要少。從電路上分析,不要沒什么關系,有R1起著總的限流作用,而且引腳內部有上拉電阻,這樣保證電路不會通過太大的電流。

    這個電路可以使電機運行,但在R2的選擇上,比較講究,因為R2的上拉作用不但對Q1有影響,而且對Q2的導通也有影響。如果R2選的過小,則雖然對Q1的導通有利,但對Q2的導通卻起到抵制作用,因為R2越小,上拉作用越強,Q2的導通是要P1.3電位越低越好,所以這是矛盾的。也就是說,Q1的導通條件和Q2的導通條件是矛盾的。

    經實驗,R2取5.1k歐比較合適。由此可見,這個電路雖然很省元件和CPU引腳,但驅動能力有個最大限,即Q1和Q2的驅動相互制約下,只能取個二者都差不多的折中方案。否則如果一個放大倍數大,則另一個則會變小。

    總結:以上電路各有利蔽,要視應用場而選用。
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