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第90期

本期由叶老师为大家带来

制作Arduino智能小车（二）

电机的驱动与开关控制

在上节讲解电机的课程中，我们了解到电机均有自身额定参数，要让电机正常运行，就需要为其提供相应的驱动电压与电流。

那么我们使用的arduino开发板，它的各个引脚能够输出多少功率，是否符合驱动电机的要求呢？根据官方手册，arduino开发板中输出电压为5V，而每个信号引脚的额定最大电流为40mA，Vcc和地的额定最大电流为200mA。更详细的可以参考下图：

图中标明了开发板的主控芯片各个引脚的电流限制，各引脚组的灌电流（sink）总上限为100mA，拉电流（source）总上限为150mA，而单个引脚，最大额定值为40mA，建议值为20mA。

而看回电机，就算是玩具常用的微型130电机，其额定电流的需求也得200mA左右。直接将电机连接上开发板来驱动，是不现实的，就算能勉强驱动起来一个，也会过分占用板，导致其他引脚不能正常工作，甚至会令芯片烧坏。

通过开发板控制电机的驱动

事实上，不仅仅是Arduino，其他类型开发板的各个引脚的输出功率也是很低，这是因为对于开发板而言，其引脚的输出是作为控制信号来使用，而非作为元器件的驱动电源来使用。

那么要如何通过开发板来实现对电机的驱动控制呢？这时可以使用三极管、MOS管这类电流控制元件搭建一个开关电路，从而实现开发板的小功率输出信号对大功率驱动电源的控制：

NPN型三极管开关电路

三极管具有三个电极：基极（b），集电极（c），发射极（e）。基极就像是一个阀门，阻隔着集电极与发射极之间的通道，这道阀门由小功率电源控制：当电压Ub符合条件时，阀门打开，大功率电源的电流得以在通道间流通；这时基极电流Ib越大，阀门打得越开，流过通道的电流便越大，此时为三极管的放大状态；当Ib大到一定程度，阀门完全打开时，流过通道的电流达到了最大值，此时为三极管的饱和状态。

而三极管又分为NPN型与PNP型，主要差别在于电流方向与电压正负的不同：

在NPN型中，当基极电压比发射极电压大于导通值（一般为0.7V）时,三极管就导通，电源电流从集电极流向发射极（VCC→GND）；而PNP型则相反，发射极电压比基极电压大于导通值时才会导通，电源电流由发射极流向集电极；

下图就是通过NPN型三极管搭建的一个简单的开关电路：

其程序代码很简单，就是令引脚输出高电平信号，从而令三极管导通，使得9V电池的输出电源能够驱动电机运转：

MOS管开关电路

MOS管也称为场效应管，是基于三极管的基础上开发出来的电子元件。与三极管对应，MOS管也有三个极：栅极（G）、漏极（D）和源极（S），对应三极管的基极（b），集电极（c）和发射极（e）；基于内部结构，分为N沟道型和P沟道型(对应三极管的NPN与PNP)：

N沟道型MOS管原理图，通过对GS两极之间施加正电压（如对栅极输入高电平信号），令载流子（带负电的电子）在N型导体间集中，进而构成D、S两极之间的N型导电沟道，实现导通。

P沟道型MOS管原理图，如同三极管的NPN与PNP，在极性上相反：通过对GS两极之间施加负电压（如对栅极输入低电平信号），令载流子（带正电的空穴）在P型导体间集中，进而构成D、S两极之间的P型导电沟道，实现导通。

MOS管与三极管最大的不同在于，三极管是通过基极电流Ib来控制阀门的开关程度，而MOS管是通过栅极电压进行控制，所需功耗远低于三极管，灵活性更佳，更适用于大功率、大电流的电路。

下图就是通过N沟道型MOS管搭建的开关电路：

本期文章就到这里，通过本期文章，希望大家对开发板如何实现对大功率元器件的控制有一定理解。当然，本文仅提及了简单的开关控制，要如何实现电机的正反转切换、速度调节，请继续关注公共号收看哦。