楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

DCモーターの回転数を変えてみる

  

前のページでブラシ付きDCモーターは、加える電圧で回転数が変わるということがわかりました。

そしてさらに、回転数と電流値はあまり関係なく、電流値を変えても回転数を変えることは難しそうなこともわかりました。

また、トランジスタのページで試したように、電流増幅用のモノポーラトランジスタを使って、エミッタ接地回路でベースに加える電流値をボリュームを使って変えることで、100mA程度の電流を制御できそうだということがわかりました。このことから、100mA以下で回転するDCモータ(FA130)を使って、実際に簡単に速度制御ができるのかどうかを試してみたいと思います。



ただ、ここで残念な「ネタバラシ」をしておきますが、ボリュームを使って、徐々に電圧を加えるという方法では、最初の回転を起こすところで問題が出ました。

うまく低速から、回りだしてくれませんので、実際にこの考え方を使ってDCモーターを使って何かを動かす場合は、MOS-FETによるスイッチ機能を使うなどの、さらに検討が必要になりそうですが、その方法は後にして、失敗談ですが、やったことを紹介します。

失敗内容はともかく、、ボリュームでトランジスタのベース電流を変化させると、モーターの回転数が変化することがわかりましたので、これは、何かのヒントになるでしょう。

当初は、ボリュームを使って、モーターの正転と逆転と速度コントロールを行おう・・・ということを目論んでいたのですが、低速からの起動時の問題のために、スムーズな動作は多分できないので、ここでは、その考え方だけを紹介します。

トランジスタを使った基本回路   

手持ちのDCモーター(FA130)は、どうも純正ではなさそうですが、100mA以下の消費電流で、1.5~3Vで動作することから、基本回路で考えることができそうです。これが基本回路です。

モーターを回す回路例

この回路は、LEDを使って明るさを変えたときのものですが、LEDをDCモーターに変えると、トランジスタのベースに加えるための抵抗(LEDのときには33kΩを使用)を考え直す必要があります。

LEDではコレクタ電流が20mA程度でしたが、モーターではコレクタ電流を100mA以上を流したいので、抵抗値を変更します。

この計算は、何回か出てきているので、覚えていただいたと思うのですが、忘れた方は、こちらのページを見て確認ください。

電流増幅率を100とすると、コレクタに流したい電流が100mAとするとベース電流を10mA程度流してやる必要があります。そこで、可変抵抗の100kΩからアースに流れる電流は微小なので無視するとして、必要な抵抗値を求めると ・・・

R=E/I=(5-0.7)/0.001=4300Ω になります。しかし、使用しているモーターは、コレクタ電流は50mA程度もあれば充分回ってくれたので、ここでは、10kΩの抵抗器を使うことにしました。

これでいいのかどうかを検算(逆算)をすると、I=E/R=(5-0.7)/10000=0.43mAですので、増幅率が100であれば、0~43mAの電流が制御できることになります。(ちょっと不安そうなので、余裕を見て5kΩ程度にしたほうがよかったと思っていますが・・・)

【参考】

もしも、コレクターに異常な過大電流が流れそうなら、モーターに直列に、電流制限抵抗を入れてやればいいですね。

このように、最初は、いろいろな不安がありますので、テスターなどで電流を測定するクセをつけるようにしましょう。

この場合は、モーターの適正電圧は1.5~3Vですので、電源は5Vなので、抵抗器によって2Vを低下させて100mAを流してやればいいので、 R=E/I =2/0.1=20Ω の抵抗を使えばいいことになります。 

このときの消費電力はP=IE から、0.02Wなので、1/8W型の小さい抵抗器で問題ありません。

以上、今までのおさらいを兼ねての計算ですが、OKでしょうか?

ブレッドボードで回路を組んでみます

ブレッドボードに組んでみた

ベース電流とモーターにかかる電圧、モーターに流れる電流をテスターを利用して測ります。テスターが2つしか無いので、別々に測りました。

測定中

テスターのマイナス表示は気にしないでください。結線を入れ替えればいいだけですから。

結果1

この結果から、(単純計算ですが) 電流増幅率は1.5Vで254、3.5Vで195 です。
もちろん、安価なテスターの値ですので、正確ではありませんが、最初は100と仮定したのですが、その値以上になっているので、結果的にはうまく行ったようです。

ただ、モーターが回転していると、このようなグラフが得られるのですが、モーターが止まっている状態からボリュームを回して回転させようとすると、ベース電流はどんどん上がるのですが、モーターが回ってくれずに、止まったままのために、モーターにかかる電圧が「0」のままです。

電圧がかからなければ、電流が流れないということで、これはちょっと問題です。

手で少しモーターを回してやると、ベース電流に見合った電圧が加わります。

このようにボリュームによって徐々にコレクタ電流を高めるのではなく、いっきにモーターに1.5V加えれば確実に回ってくれるのですが、徐々に加えると回り出さないのには困ってしまいました。

ここでの電気の流れは「水流」に例えられるのですが、電圧がかかっていなければ電流が流れないという、まさにこの状態がこれです。

そのために、たとえば、トランジスタをスイッチのようにして電圧がかかるようにすることなどで考える予定ですが、この方法ではうまく行かないようで、計画失敗です。

当初は、ボリュームを回すことで正転と逆転、さらに、速度コントロールをしよう・・・という目論見があったのですが、モーターが低速からスムーズに回ってくれなければ、どうもうまくいきそうにないので、ここでは、最初に考えていたイメージだけを示して、このあとの回路の組み立てや実験は断念します。

考えていた回路 (ここでは、製作や動作確認はしていません)

これは、電源を2つ用意して、さらに、コンプリメンタリ・ペアのトランジスタを用いることで電流の方向をボリュームによって変えようとして考えていた方法やNPNとPNPを2個づつ(計4個)を使ってHブリッジ回路を考えるというやり方が考えられます。

コンプリを使った回路例

コンプリメンタリ・ペアとは、特性のよく似たNPNとPNPトランジスタの組み合わせのことですが、今まで使っている2SC1815に対しては、(カタログにも書いていますが) 2SA1015が対応しています。

これを使って、ボリュームを回す位置で電流の流れ方と大きさを変えてやろう・・・という考え方ですが、この図は書きやすいように、コレクタ接地の図になってしまいましたが、エミッタ接地にするといいでしょう。

しかしともかく、回りはじめの不安やトランジスタ間のばらつき調整が面倒なことなども考えられるので、これを実際に組んでテストをしても、多分、いろいろな不安要素がありそうなので、ここでは、イメージだけしか示していません。

その対策は、別の機会に考えようと思っていますが、例えば、ある電流で1.5V以上になるタイミングで電流を流すとか、手動のスイッチを用いて回転方向を切り替えるようにしておいて、スイッチを切り替えたときには、すくなくともモーターが回転する1.5V以上が一気に加わるようにして、モーターが回ってからは、ボリュームで電流調整して電圧が加わるようにするとか・・・・などを考えないといけない感じがしています。さらに、FETなどを使うことで、トランジスタをスイッチのように使う方法もやってみる方法も考えられますし、モータードライバーをアナログ的に使うことなどもやってみたいと思うのですが、ともかく、いったん中断します。

以上、ここでは、小型でたまたま消費電流が少ないDCモーターが手元にあったので、安価なバイポーラトランジスタを使って何かできないかを考えて記事を書いてきましたが、中途半端で終わり申し訳ありませんでした。

このように、電子工作では、自分で考えたことがうまく行かない・・・というような問題は通常的に起こります。それが楽しみと考えて、いろいろな方法を試すことも面白いことです。

今回使ったFA130が正規のモーターであれば、150mA以上の電流値が必要なので、使うトランジスタも2SC1815ではダメでしたし、ここで示した数字も、大幅に変わってきたはずです。

このように、このHPでは、誰かが考えた設計図ややり方をそのまま真似るのではなく、いろいろやってみてヒントややり方を探ったり考えたりするのが目的ですので、その趣旨を理解して、オリジナルな電子工作を楽しめるようになっていただけたら・・・と考えています。中途半端な点はお許しください。


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