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:
- Konfiguracja pinów – przypisanie wyjść cyfrowych do wejść mostka i pinu PWM;
- Sekwencja włączania – unikanie jednoczesnego włączania tranzystorów w tej samej gałęzi (np. S1 i S2), które spowodowałoby zwarcie;
- Sterowanie PWM – modulacja sygnału w celu płynnej regulacji prędkości;
- 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.