微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理分析及實(shí)驗(yàn)

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。