Mostek H to jeden z najpowszechniejszych układów w robotyce i elektronice, umożliwiający sterowanie kierunkiem oraz prędkością silników prądu stałego (DC). Jego nazwa pochodzi od charakterystycznego, „literowego” układu czterech kluczy, pomiędzy którymi silnik znajduje się na przekątnej.

W tym opracowaniu znajdziesz przejrzome wyjaśnienie budowy mostka H z tranzystorami MOSFET, zasady jego pracy, dobre praktyki sterowania oraz praktyczne wskazówki integracji z mikrokontrolerem.

Czym jest mostek H?

Mostek H to układ elektryczny zbudowany z czterech kluczy (styków), najczęściej implementowanych jako tranzystory MOSFET lub IGBT. Układ umożliwia zmianę kierunku przepływu prądu przez silnik, a tym samym zmianę kierunku jego obrotu.

Podstawowa zasada działania polega na inteligentnym przełączaniu czterech kluczy w celu sterowania biegunowością napięcia podawanego na silnik. Kiedy styki S1 i S4 są zamknięte, a S2 i S3 otwarte, przez silnik płynie prąd w jednym kierunku – silnik obraca się. Po zamknięciu S2 i S3 oraz otwarciu S1 i S4 zmieniamy kierunek przepływu prądu, a tym samym kierunek obrotu wirnika.

Budowa mostka H z tranzystorami MOSFET

Struktura podstawowa

Nowoczesny mostek H składa się z czterech tranzystorów MOSFET przełączających biegunowość napięcia na silniku. Dwa górne tranzystory (high‑side, T1 i T3) są połączone z dodatnim zasilaniem, a dwa dolne (low‑side, T2 i T4) z masą (GND).

Konfiguracje MOSFET

W wydajnych mostkach H stosuje się cztery tranzystory N‑channel (zarówno po stronie wysokiej, jak i niskiej). Zapewnia to bardzo niską rezystancję kanału RDS(on) i mniejsze straty mocy, ale wymaga zaawansowanych sterowników bramek (gate drivers) do zasilania bramek „pływających” tranzystorów high‑side.

W prostszych, hobbystycznych konstrukcjach często używa się konfiguracji mieszanej: P‑channel na high‑side i N‑channel na low‑side. Umożliwia to sterowanie bez rozbudowanych driverów kosztem większych strat mocy.

Praktycznym przykładem jest IRF7307 – podwójny MOSFET w obudowie SO‑8, zawierający tranzystor z kanałem P oraz z kanałem N.

Schemat elektryczny – wejścia i wyjścia

Rozmieszczenie wyprowadzeń mostka H

Typowy moduł mostka H posiada następujące wejścia i wyjścia:

  • enable – służy do sterowania prędkością obrotów silnika (podłączamy do pinu PWM mikrokontrolera);
  • input 1, 2, 3, 4 – wejścia sterujące czterema kluczami mostka (np. z Arduino);
  • output 1, 2, 3, 4 – wyjścia poszczególnych kluczy prowadzące do zacisków silnika;
  • vs – zasilanie części mocy (silnika);
  • vss – zasilanie części logicznej układu;
  • gnd – masa wspólna dla logiki i mocy.

Uwaga: nazewnictwo pinów VS/VSS może się różnić między producentami – zawsze sprawdź dokumentację modułu.

Połączenie z mikrokontrolerem

Cztery wejścia mostka podłączamy do pinów cyfrowych mikrokontrolera, natomiast wyjścia do zacisków silnika. Zasilanie mocy doprowadzamy zgodnie z napięciem roboczym silnika (np. 6–12 V), a zasilanie logiki zgodnie z poziomami mikrokontrolera (np. 3,3 V lub 5 V).

Zasady działania – cztery scenariusze

Dla szybkiego wglądu w tryby pracy mostka H przedstawiamy zestawienie kluczowych kombinacji:

Stan Zamknięte klucze Otwarte klucze Wejścia (I1–I4) Efekt
Obrót w lewo S1, S4 S2, S3 I1=HIGH, I4=HIGH; I2=LOW, I3=LOW Prąd przez silnik w kierunku A→B
Obrót w prawo S2, S3 S1, S4 I2=HIGH, I3=HIGH; I1=LOW, I4=LOW Prąd przez silnik w kierunku B→A
Zatrzymanie (coast) S1, S2, S3, S4 I1–I4=LOW Wirnik swobodnie wybiega
Hamowanie (regeneracyjne/slow decay) T1 (przykładowo) Pozostałe rozwarte Zależnie od implementacji Prąd cyrkuluje przez tranzystor i diodę powrotną

1. Obrót w lewo

Zamykamy S1 i S4, otwieramy S2 i S3. Na sterowniku: Input 1 i Input 4 = HIGH, Input 2 i Input 3 = LOW.

2. Obrót w prawo

Zamykamy S2 i S3, otwieramy S1 i S4. Na sterowniku: Input 2 i Input 3 = HIGH, Input 1 i Input 4 = LOW.

3. Zatrzymanie

Otwieramy wszystkie cztery klucze – prąd nie płynie, wirnik wybiega bez aktywnego hamowania.

4. Hamowanie regeneracyjne (slow decay)

Technika ta występuje, gdy załączony jest wybrany tranzystor (np. T1), a pozostałe są rozwarte. Prąd silnika wolno zanika, płynąc przez T1 i diodę tranzystora T3, co umożliwia kontrolowane hamowanie.

Sterowanie prędkością – modulacja PWM

Mostek H steruje kierunkiem, a prędkość kontrolujemy sygnałem PWM (Pulse Width Modulation) podawanym zwykle na pin Enable lub bezpośrednio na wejścia kluczy. Im wyższy duty cycle, tym większa moc średnia i szybsze obroty.

Przykład: dla ruchu w lewo ustaw I1 = HIGH i I4 = HIGH, a prędkość reguluj PWM na Enable.

Sterowanie z mikrokontrolera

Implementując mostek H, mikrokontroler realizuje następujące zadania:

  1. Konfiguracja pinów – przypisanie wyjść cyfrowych do wejść mostka i pinu PWM;
  2. Sekwencja włączania – unikanie jednoczesnego włączania tranzystorów w tej samej gałęzi (np. S1 i S2), które spowodowałoby zwarcie;
  3. Sterowanie PWM – modulacja sygnału w celu płynnej regulacji prędkości;
  4. Obsługa sensorów – opcjonalny odczyt czujników prądu lub enkoderów do pętli sprzężenia zwrotnego.

Przykładowy kod (Arduino)

Poniżej prosty przykład sterowania kierunkiem i prędkością jednego silnika z użyciem mostka H i PWM:

// Piny sterujące
const int IN1 = 5; // kierunek A
const int IN2 = 6; // kierunek B
const int ENA = 9; // PWM (Enable)

void setup() {
pinMode(IN1, OUTPUT);
pinMode(IN2, OUTPUT);
pinMode(ENA, OUTPUT);
}

void stopMotor() {
digitalWrite(IN1, LOW);
digitalWrite(IN2, LOW);
analogWrite(ENA, 0); // brak zasilania
}

void forward(byte speed) { // 0..255
digitalWrite(IN1, HIGH);
digitalWrite(IN2, LOW);
analogWrite(ENA, speed);
}

void reverse(byte speed) { // 0..255
digitalWrite(IN1, LOW);
digitalWrite(IN2, HIGH);
analogWrite(ENA, speed);
}

void loop() {
forward(180); // w przód ze stałą prędkością
delay(2000);
stopMotor();
delay(500);
reverse(180); // w tył ze stałą prędkością
delay(2000);
stopMotor();
delay(1000);
}

Praktyczne przykłady zastosowania

Robot mobilny

Najprostszy przypadek to robot oparty na Arduino: wejścia mostka łączymy z pinami cyfrowymi, PWM z pinem Enable, wyjścia mostka z silnikami DC. Ruch do przodu/tyłu realizujemy przez odpowiednie ustawienie par wejść dla każdego mostka, a skręty – różnicując prędkość (PWM) lewego i prawego silnika.

Wzmacniacz audio klasy D

Wzmacniacze mocy klasy D wykorzystują topologię mostka H w stopniu wyjściowym, zapewniając bardzo wysoką sprawność. MOSFET-y pracują w trybie przełączającym z wysoką częstotliwością, a po filtracji dolnoprzepustowej na obciążeniu uzyskujemy sygnał analogowy odpowiadający wejściu.

Parametry i ograniczenia praktyczne

Zasilanie

Mostki H dla hobbystów typowo pracują w przedziale napięć 3–12 V DC. Zakres ten limitują m.in. maksymalne napięcia bramka–źródło (VGS) oraz parametry tranzystorów.

Pobór prądu

W stanie ustalonym, bez obciążenia, moduł może pobierać bardzo niewielki prąd jałowy – jego wartość zależy od topologii sterowania (rezystory pull‑up/pull‑down, bramki logiczne, drivery).

Wymiary i obudowa

Typowe moduły hobbystyczne mają rozmiary rzędu 24×56 mm, a sekcja mocy akceptuje zwykle 5–24 V DC.

Elementy pomocnicze

Bramki logiczne NAND

W prostych projektach do sterowania bramkami MOSFET wykorzystuje się bramki NAND 4093 ze Schmittem. Dropout rzędu ~50 mV jest wystarczający do pewnego przełączania kanału MOSFET w większości niskonapięciowych aplikacji.

Rezystory i złącza

W torze sterowania stosuje się rezystory 10 kΩ lub 1 kΩ do kontroli ładunku bramki i polaryzacji. Dla kompaktowości montażowej popularne są złącza goldpin w wersji kątowej.

Zaawansowane aspekty sterowania

Zjawisko shoot‑through

Jedno z kluczowych wyzwań to shoot‑through – jednoczesne przewodzenie tranzystorów high‑side i low‑side w tej samej gałęzi, co powoduje zwarcie zasilania. Należy wprowadzić „martwy czas” (dead time) przy przełączaniu stanów oraz stosować odpowiednie drivery bramek.

Kontrola prądu

W zaawansowanych konstrukcjach prąd w gałęziach (np. T2 i T4) kontroluje się za pomocą tranzystorów pomocniczych, rezystorów pomiarowych i komparatorów, co umożliwia precyzyjne ograniczanie prądu i ochronę napędu przed przeciążeniem.