In questo tutorial impareremo come fare un regolatore di velocità del motore DC PWM usando il 555 Timer IC. Daremo un’occhiata dettagliata a come funziona il circuito generatore PWM del timer 555, come usarlo per controllare la velocità del motore DC e come fare un PCB personalizzato per esso.
Possiamo controllare la velocità del motore DC controllando la tensione di ingresso del motore. Per questo scopo possiamo usare PWM, o modulazione di larghezza d’impulso.
PWM DC Motor Speed Control
PWM è un metodo attraverso il quale possiamo generare una tensione variabile accendendo e spegnendo la potenza che va al dispositivo elettronico ad un ritmo veloce. La tensione media dipende dal duty cycle del segnale, o la quantità di tempo in cui il segnale è acceso rispetto alla quantità di tempo in cui il segnale è spento in un singolo periodo di tempo.
5555 Timer PWM Generator Circuit
Il timer 555 è capace di generare un segnale PWM quando è impostato in modalità astabile. Se non hai familiarità con il 555 Timer puoi controllare il mio precedente tutorial dove ho spiegato in dettaglio cosa c’è dentro e come funziona il 555 Timer IC.
Ecco un circuito di base del 555 Timer che funziona in modalità astabile e possiamo notare che l’uscita è ALTA quando il condensatore C1 si carica attraverso le resistenze R1 e R2.
D’altra parte, l’uscita del CI è BASSA quando il condensatore C1 si sta scaricando ma solo attraverso la resistenza R2. Quindi possiamo notare che se cambiamo i valori di uno qualsiasi di questi tre componenti otterremo diversi tempi di ON e OFF, o diversi duty cycle del segnale di uscita dell’onda quadra. Un modo facile e immediato per fare questo è quello di sostituire la resistenza R2 con un potenziometro, e inoltre aggiungere due diodi nel circuito.
In questa configurazione il tempo On dipenderà dalla resistenza R1, il lato sinistro del potenziometro e il condensatore C1, mentre il tempo Off dipenderà dal condensatore C1 e il lato destro del potenziometro. Possiamo anche notare che in questa configurazione il periodo di un ciclo, quindi la frequenza, sarà sempre la stessa, perché la resistenza totale, mentre si carica e si scarica, rimarrà la stessa.
Di solito la resistenza R1 è molto più piccola della resistenza del potenziometro, per esempio, 1K rispetto ai 100K del potenziometro. In questo modo abbiamo il 99% di controllo sulla resistenza di carica e scarica del circuito. Il pin di controllo del timer 555 non è utilizzato ma è collegato a un condensatore da 100nF per eliminare qualsiasi rumore esterno da quel terminale. Il reset, pin numero 4, è attivo basso quindi è collegato a VCC per evitare qualsiasi reset indesiderato dell’uscita.
L’uscita del timer 555 può affondare o generare una corrente di 200mA al carico. Quindi, se il motore che vogliamo controllare supera questo valore, dobbiamo usare un transistor o un MOSFET per pilotare il motore. In questo esempio, ho usato un transistor Darlington (TIP122) che può gestire una corrente fino a 5A.
L’uscita dell’IC deve essere collegata alla base del transistor attraverso una resistenza, e nel mio caso ho usato una resistenza da 1k. Per prevenire qualsiasi picco di tensione prodotto dal motore abbiamo bisogno di usare un diodo flyback che è collegato in parallelo con il motore.
Progettazione di un PCB per il regolatore di velocità PWM DC Motor
Ora possiamo andare avanti e progettare un PCB personalizzato per questo circuito. Per questo scopo userò il software online gratuito EasyEDA. Qui possiamo iniziare cercando e mettendo i componenti sulla tela bianca. La libreria ha centinaia di migliaia di componenti quindi non ho avuto alcun problema a trovare tutti i componenti necessari per questo circuito PWM DC Motor Speed Controller.
Dopo aver inserito i componenti abbiamo bisogno di creare il contorno della scheda e iniziare a disporre i componenti. I due condensatori dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile al timer 555, mentre gli altri componenti possono essere posizionati dove vogliamo, ma sempre in una disposizione logica secondo lo schema del circuito.
Utilizzando lo strumento di tracciamento dobbiamo collegare tutti i componenti. Lo strumento di tracciamento è abbastanza intuitivo e facile da usare. Possiamo usare sia il livello superiore che quello inferiore per evitare incroci e rendere le tracce più corte.
I pad dei componenti che devono essere collegati a terra sono impostati a terra attraverso la scheda Pad Properties, dove dobbiamo digitare GND nell’etichetta “Net” quando il pad è selezionato.
Possiamo usare il livello Silk per aggiungere testo alla scheda. Inoltre siamo in grado di inserire un file immagine, quindi aggiungo un’immagine del logo del mio sito web da stampare sulla scheda. Alla fine usando lo strumento area di rame abbiamo bisogno di creare l’area di terra del PCB.
Puoi trovare i file di progetto EasyEDA di questo progetto qui.
Una volta che abbiamo finito con il design abbiamo solo bisogno di cliccare sul pulsante “Gerber output”, salvare il progetto e saremo in grado di scaricare i file Gerber che sono usati per produrre il PCB. Possiamo ordinare il PCB da JLCPCB che è il servizio di fabbricazione di PCB di EasyEDA, e sono anche lo sponsor di questo video.
Qui possiamo semplicemente trascinare il file zip scaricato dei file gerber. Dopo il caricamento possiamo ancora una volta rivedere il nostro PCB nel visualizzatore Gerber. Se tutto è a posto possiamo selezionare fino a 10 PCB e ottenerli per soli 2 dollari.
Assemblaggio del PWM DC Motor Speed Controller PCB
Nonostante, dopo una settimana i PCB sono arrivati e devo ammettere che è abbastanza soddisfacente avere il proprio design PCB prodotto. La qualità dei PCB è ottima e tutto è esattamente come nel progetto.
Ok , quindi ora possiamo passare all’inserimento dei componenti sul PCB.
È possibile ottenere i componenti necessari per questo esempio dai link qui sotto:
- NE555P Timer IC…………………………… Amazon / Banggood / AliExpress
- R1 = R2 = 1k Ohm…………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
- C1 = C2 = 100nF…………………………….. Amazon / Banggood / AliExpress
- D1 = D2 = D3 = 1N4004…………………. Amazon / Banggood / AliExpress
- Potenziometro = 100k Ohm……………. Amazon / Banggood / AliExpress
- Transistor – Darlington TIP122………. Amazon / Banggood / AliExpress
- 2 terminali a blocco …………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
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Prima ho inserito i componenti più piccoli, le resistenze, i diodi e i condensatori.
Ho piegato i loro cavi dall’altro lato in modo che rimangano in posizione quando giro la scheda per saldare. Per quanto riguarda i componenti più grandi ho usato un nastro adesivo per tenerli in posizione quando capovolgo la scheda.
Ecco l’aspetto finale della scheda e ciò che resta ora è collegare un motore DC e un alimentatore adatto per esso.
Ho usato un motore DC da 12V ad alta coppia che ho alimentato usando delle batterie Li-ion da 3.7V collegate in serie che danno circa 12V. Così ora usando il potenziometro siamo in grado di controllare la velocità del motore DC, o il segnale PWM prodotto dal 555 Timer IC.
