图文| 12种桥式电路详解，电路图+工作原理

今天给大家介绍的是：12种桥式电路，附加电路图和工作原理。

桥式电路是一种常见电路，其中2个电路支路（通常彼此关联）通过在前2个支路的某个中间点处连接在前2个支路之间的第三支路”桥接“。

一、H桥电路

非常简单的桥式电路为H桥电路，具体的如下所示，图中间的导电路径，R2 两端的电压等于 R4 两端的电压，R1 两端的电压等于 R3 处的电压，与四个电阻的电阻值无关。

如果两个分支之间没有电桥，中点的电位取决于电阻值的比率。如果 R1 :R2 等于 R3 : R4 ，即使没有电桥，电势差也为零。

H桥电路

 二、惠斯通电桥

惠斯通电桥用于平衡H电桥的2条桥臂来测来位置电阻。

两个恒定电阻（R1和R3）电位计和未知电阻形成电路的2条支路，并通过电压表或者电流表桥接。只要左侧的电路之比等于右侧的电阻，电桥两点之间的电路以及流过路径的电流就为0。当使用电压表时，改变电位计直到2个中点之间的电压降为0。

而当使用电流表时，则没有电流流过仪器。电位器滑动触点的位置与未知电阻的阻值之间存在线性关系。因此可以校准电位器的刻度，便于读取未知电阻的阻值。

惠斯通电桥

三、2个电位器组成的H桥

2个电位器组成的H桥可以将+VIn和 -VIn之间的任何电压施加到连接在两个电位器之间的负载。

虽然电位器适合手动调节低功率设备的电压，但晶体管甚至可以通过几乎任何电子电路来控制高功率设备。

2个电位器组成的H桥

四、由两个NPN和两个PNP晶体管组成的H桥

由两个NPN和两个PNP晶体管组成的H桥，下部NPN晶体管的电阻不断减小，而接地（=负端子）与X2和X4之间的电位不断增加。如果输入钳位处的电势等于电路的输入电压，则电阻最小。连接到基极引脚的串联电阻限制基极电流。

相反，当地与X1和X3之间的电位为0V时，PNP晶体管的电阻最小，而如果输入钳位的电位等于输入电压，则PNP晶体管的电阻最大。

T2和T4被称为低侧晶体管，而T1和T3被称为高侧晶体管。

由两个NPN和两个PNP晶体管组成的H桥

1、X1和X2分别接地， X3和X4连接到正电源电压

当X1和X2分别接地，将 X3和X4连接到正电源电压时，T2和T3的电阻处于最大值，而T1和T4的电阻处于最小值。

结果电路左侧中点的电位几乎等于电源电压，而右侧中点的电位几乎为0。电流从正极经过T1从左向右流经负载，最后流经T4到电压源的负极端子，正极端子位于负载的左侧。

X1和X2分别接地， X3和X4连接到正电源电压

2、X1和X2连接到正电源电压，同时X3和X4连接到地

如果X1和X2连接到正电源电压，同时X3和X4连接到地，情况会发生变化。现在正极端子位于负载的右侧，电流分别流过T3和T2。

X1和X2连接到正电源电压，同时X3和X4连接到地

3、4个输入钳位连接到地

将所有4个输入钳位连接到地时，上方的PNP晶体管导通，而下方的NPN晶体管关闭。负载2个钳位处的电位几乎等于正电源电压，因为没有电流流过负载。

4个输入钳位连接到地

4、4个输入钳位连接到电源电压的正极端子

将所有4个输入钳位连接到电源电压的正极端子时，上方的PNP晶体管关断，而下方的NPN晶体管导通，负载两个钳位处的电位几乎等于负电源电压，因此也没有电流流过负载。

4个输入钳位连接到电源电压的正极端子

5、通常只有2个输入钳位

2个输入钳位

 

五、半桥H桥电路

由4个晶体管组成的H桥电路称为全桥。因此由2个晶体管组成的H桥电路为半桥。对于分离电源，半桥就可以控制交流负载，下图种使用了2节电池。

半桥H桥电路

1、2个晶体管的基极引脚通过串联连接到正极端子

如果2个晶体管的基极引脚通过串联连接到正极端子，因此输入端有一个高信号，上方的PNP类型将关闭，而下方的NPN类型将打开。电流从下部电池的正极端子流出，从右向左流过负载，并通过晶体管T2在负极端子处重新进入电池。

2个晶体管的基极引脚通过串联连接到正极端子

2、半桥的2个输入连接到负端子

如果半桥的两个输入都连接到负端子，则上方的NPN类型将打开，下方的NPN类型将关闭。电流从上部电池的正极端子流过晶体管T1，现在从左向右流过负载，然后返回电池的负极端子。使用半桥的优点时所需晶体管数量少，缺点是电源更复杂。

半桥的2个输入连接到负端子

六、MOS管组成的H桥电路

当使用MOS管组成H桥时，必须考虑使晶体管进入饱和模式所需的基极电流。R1-R4的尺寸取决于电源电压。当电路的输入电压为12V而不是6V时，电阻值必须要加倍。如果电阻值适用较高的电压，则电阻消耗的功率也会加倍，否则会增加4倍，因此必须要牢记最大功耗。

使用N沟道和P沟道MOS管代替NPN或PNP类型也有一些好处。

仅需要两个上拉或下拉电阻，并且 R1 和 R2 的值并不重要，只需使用相对较高的值即可避免在接近最大功耗的情况下工作。

电路的最小输入电压受到可靠“导通”MOS管所需的源极栅极电压的影响（必须略高于阈值电压 V GS(th)）。

最大输入电压应明显低于最大源极栅极电压，以避免在极限下运行。切换感性负载时请记住电压峰值。

MOS管组成的H桥电路

如果电源电压超过MOS管的最大源极栅极电压，则应插入4个分压器，每个分压器由齐纳二极管和恒定电阻组成。齐纳电压必须大于导通晶体管所需的阈值电压。

现在，最大源极漏极电压通常明显高于最大源极栅极电压，限制了电路的输入电压。

如果电源电压超过MOS管的最大源极栅极电压，则应插入4个分压器

钳位器必须始终连接到正电源电压或者负电源电压。如果X1连接到正电源电压，而X2仅连接一半电源电压（+6V），则T1和T2之间的电位接近0V，T3和T4之间的电位约为6V，因为T3的电阻等于T4的电阻。总之负载上从左到右有6V的电位。

但这里要记住，T3和T4的电阻相对较低，因此高电流电流过电阻的右侧，

X1连接到正电源电压，而X2仅连接一半电源电压（+6V）

在H桥开关运行器件，意味着只要其中一个钳位处的电位从正电源电压变为0（反之亦然），总会有高电流在短时间内流过电路的支路，重叠的导通时间称为交叉传导或者直通。

1、由曲线性RC电阻实现的开启延迟

每当X1处的电压从正电源电压变为0V时，C1就会通过R1缓慢充电，因此T1的导通过程倍延迟，相反，C2通过正向偏置D2快速放电，因此T2几乎没有延迟地关闭。R5和R6是下拉电阻。

由曲线性RC电阻实现的开启延迟

两个线性RC电路（每个电路由47KΩ电阻和1nF电容组成）延迟MOS管的开启过程，高侧MOS管（黄色曲线）立即关断，因此C1的放电电流流过正向偏置二极管（D1）。由于C2的充电电流流经R2，低侧MOS管的导通过程被延迟。在信号的下降沿，低侧MOS管（红色曲线）的关闭过程比高侧MOS管的开启过程更快。因此现在D2正向偏置。

两个线性RC电路（每个电路由47KΩ电阻和1nF电容组成）延迟MOS管的开启过程

七、脉宽调制H桥

如果负载需要部分功率，可以通过脉宽调制来控制H桥。为了避免脉宽信号开关运行期间发生交叉传导，必须更改电路，如下图：

脉宽调制H桥

P沟道MOS管仍然由X1和X2处的信号直接开关，而N沟道MOS管分别由X1和脉冲宽度信号X2和脉冲宽度处的信号控制信号。

如果正电源电压连接到X1，则T1被关闭，直到脉冲宽度信号也处于高电平时，T2才会接通。如果其中一个钳位接地，T2将关闭，因为D1和D2或者2者正向偏置，拉动T2的栅极接地。另一方面，如果X1处于低电平，则即使脉冲宽度信号也是如此。利用X1和X2，可以控制负载两端电压的极性，而功率控制则通过第3个输入钳位处的脉冲宽度信号来完成。

二极管形成一个与门。每当改变极性时，如果脉宽信号处于高电平，就会发生击穿，在改变极性之前，确保PWM信号设置为低电平。

八、电压电平转换H桥

当H桥在12V输入电压下运行时，输入钳位的高电平必须为12V，例如：计算机仅提供5V或者3.3V的输出电压，解决问题的办法是插入3个放大电路：

电压电平转换H桥

通过使用MOS管，流经输入钳位的电流最小化为流经下拉电阻R6-R8的电流。请记住，电压电平会被放大级反转。例如：脉冲宽度信号输入钳位的高电平在D2和D4处变为低电平。因此在低电平需要脉冲宽度信号的电平来为H桥中点之间的负载供电。

反之亦然，在改变H桥的极性时，需要脉冲宽度信号处于高电平以防止交叉导通。

九、反激二极管H桥

反激二极管可以用于最大限度地减少感性负载引起的失真。这些二极管必须与负载相连，但极性相反。当使用H桥控制负载时，极性可以改变，因此二极管将变得正向偏置，为了避免这种清理，需要4个二极管才能在单个开关上产生单个反击二极管所需的效果：

反激二极管H桥-4个二极管

如果感应电压的正电位位于负载左侧，则流经 D5 和 D8 的电流将消除电压尖峰。反之亦然，如果正电势在右侧，负电势在左侧，则电流流经 D6 和 D7。二极管的最大电流不应低于 MOS管的最大漏极电流。

正向偏置肖特基二极管的电压降（0.15-0.45V）低于硅类型二极管（0.6-1.7V），因此器件消耗的功率明显较低。

上面H桥电路的元件：

• T1、T3 = P 沟道 MOSFET IRF9Z34N

• T2、T4 = N 沟道 MOSFET IRLZ24N

• T5 - T7 = N 沟道 MOSFET 2N7000

• R1 - R8 = 12kΩ

• D1 - D4 = 低功耗硅二极管

• D5 - D8 = 肖特基二极管 例如 SB2040

电路可以在5-12V的电源电压下工作。输入钳位处的电压电平应高于 3V。当晶体管在没有散热器的情况下运行时，通过负载的电流应低于 5A。

十、控制简单

当移除X2处的下拉电阻并将这些输入钳位连接到T5的漏极引脚（T5是用于放大X1信号的MOS管）时，两个输入引脚可以控制H桥。

X1控制H桥的极性：正极在负载左侧，X1接高电平，正极在右侧，X1接低电平等级。第二个引脚是脉宽信号，用于控制提供负载的功率。

H桥的输入钳位越少，控制设备所需的计算机或者微控制器的输出钳位就越少。缺点是灵活性较低。

移除X2处的下拉电阻并将这些输入钳位连接到T5的漏极引脚

十一、动态制动H桥

为了激活制动力能，至少需要三个输入钳位（X 1、X 2和PWM）。

当通过H桥开关电动汽车的电机时，必须考虑反激二极管的另一个影响：由于惯性，如果不再向电机提供动力，车辆不会立即停止。电机继续旋转并开始作为发电机运行。

由此产生的感应电压的极性与预先施加到电机上的电压的极性相同。流经反激二极管和电机绕组的电流现在正在减慢车辆的速度，请记住机械能会转化为电能。这些过程称为动态制动。

所产生的电力的一部分作为热量消散在反激二极管和电机电线中，而其余部分则返回到电源线。需要更复杂的电路来安全地返回所产生的电力到车辆的电池，这称为再生制动。

 

没有反激二极管，动态制动可以由 H 桥控制：如果所有晶体管都“关闭”，则没有电流流过电机的绕组，因此车轮会旋转，而不会因动态而减慢速度制动。

当然，必须考虑感应电压的峰值。要激活动态制动过程，必须“打开”两个低侧或两个高侧 MOSFET。

现在，电机的夹具之间存在一条导电路径，车辆在发电时会主动减速。电力在晶体管和电机电线中以热量的形式耗散，这就是为什么这种制动被称为变阻制动。

变阻制动。

十二、N沟道 MOS管H桥

p 沟道 MOSFET 的主要载流子是空穴，其迁移率低于电子（n 沟道类型内部的主要载流子）。因此，假设器件尺寸相同，p 沟道 MOSFET 的导通电阻通常高于 n 沟道 MOSFET 的导通电阻。

为了最大限度地减少 H 桥消耗的功率，可以使用四个 n 沟道 MOSFET，而不是在低压侧使用两个 n 沟道类型和在高压侧使用两个 p 沟道类型。

N沟道 MOS管H桥

假设电路连接到输出为 +12V 的电源。X 3接地，因此T 3被“关闭”。X 4连接到+12V，因此T 4被“接通”。右侧中点电位接近0V。

左半桥的情况很棘手：X 2接地，因此 T 2被“关闭”。X 1连接到+12V，那么T 1的源极和栅极之间的电位是多少？

如果 T 1“接通”时，左半桥中点的电位约为 12V。因此T 1的源极和栅极之间的差值接近0V，使T 1 “关闭”。如果T 1和T 2都“关闭”，则中点处的电势将约为+6V，导致T 1处的源极栅极电压为6V ，这足以将这些器件“打开”。所以真相是在两个极值之间。

如果n沟道MOSFET的阈值电压约为2V，则系统将在T 1部分“导通” 时在中点趋向于约10V的电势。

T

为了能够完全“导通”T 1，高端 MOS管 的栅极引脚处的电位高于 14V（12V + 2V 阈值），因此需要第二个电源。驱动 MOS管的电路比高端 p 沟道 MOSFET 组成的 H 桥更复杂。

完全“导通”T 1，连接第二个电源

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