555タイマーPWM DCモーター速度コントローラー - 製作&PCB設計ガイド

このチュートリアルでは、555タイマーICを使ったPWM DCモーター速度コントローラーの作り方を学びます。555タイマーPWM発生回路の仕組み、DCモーター速度制御への応用、カスタムPCBの作り方を詳しく解説します。

以下の動画を見るか、書面チュートリアルをお読みください。

概要

DCモーターの速度は、モーターへの入力電圧を制御することで調整できます。そのためにPWM（パルス幅変調）を使用します。

PWM DCモーター速度制御

PWMは、電子デバイスへの電源を高速でオン・オフすることで可変電圧を生成する手法です。平均電圧は信号のデューティサイクル、つまり1周期あたりのオン時間とオフ時間の比率に依存します。

555タイマーPWM発生回路

555タイマーは、アステーブルモードで動作させるとPWM信号を生成できます。555タイマーに慣れていない場合は、内部構造と動作を詳しく解説した以前のチュートリアルをご覧ください。

こちらが555タイマーをアステーブルモードで動作させた基本回路です。コンデンサC1が抵抗R1とR2を通って充電されている間、ICの出力はHIGHになります。

一方、コンデンサC1が放電されるとき（抵抗R2のみを通って）、ICの出力はLOWになります。これら3つのコンポーネントのいずれかの値を変えると、オン/オフ時間が変わり、つまり出力方形波のデューティサイクルが変わります。これを簡単かつ瞬時に行うには、R2抵抗をポテンショメーターに置き換え、さらに2つのダイオードを回路に追加します。

この構成では、オン時間は抵抗R1、ポテンショメーターの左側、コンデンサC1に依存し、オフ時間はコンデンサC1とポテンショメーターの右側に依存します。また、充電時と放電時の総抵抗が常に同じであるため、1サイクルの周期、つまり周波数は常に一定になります。

通常、R1抵抗はポテンショメーター抵抗よりはるかに小さく、例えば1kΩ対100kΩとします。これにより、回路の充放電抵抗の99%を制御できます。555タイマーの制御ピンは使用しませんが、外部ノイズを除去するため100nFコンデンサに接続します。リセット端子（ピン4）はアクティブローなので、望まない出力リセットを防ぐためVCCに接続します。

555タイマーの出力は負荷に200mAまでの電流をシンク/ソースできます。制御したいモーターがこの定格を超える場合、トランジスタやMOSFETでドライブする必要があります。この例では、（TIP122）ダーリントントランジスタを使用し、最大5Aまで対応可能です。

ICの出力を抵抗経由でトランジスタのベースに接続し、ここでは1kΩ抵抗を使用しました。モーターによる電圧スパイクを防ぐため、フライバックダイオードをモーターと並列に接続します。

PWM DCモーター速度コントローラー用PCB設計

この回路のカスタムPCBを設計します。無料オンラインソフトEasyEDAを使用します。ここではブランクキャンバスでコンポーネントを検索・配置から始めます。ライブラリには数十万のコンポーネントがあり、このPWM DCモーター速度コントローラー回路に必要なすべてのコンポーネントを問題なく見つけられました。

コンポーネント配置後、ボードアウトラインを作成し、コンポーネントを配置します。2つのコンデンサは555タイマーのできるだけ近くに配置し、他のコンポーネントは回路図に従った論理的な配置でどこにでも置けます。

配線ツールで全コンポーネントを接続します。配線ツールは直感的で使いやすく、トップ層とボトム層の両方を使ってクロッシングを避け、配線を短くできます。

GNDに接続する必要のあるコンポーネントパッドは、パッドプロパティタブでパッド選択時に「Net」ラベルに「GND」と入力してGNDに設定します。

シルク層でボードにテキストを追加できます。画像ファイルも挿入できるので、私のウェブサイトロゴの画像をボードに印刷するよう追加しました。最後に銅エリアツールでPCBのグランドエリアを作成します。

このプロジェクトのEasyEDAプロジェクトファイルはこちらから。

設計が完了したら「Gerber出力」ボタンをクリックし、プロジェクトを保存すれば、PCB製造用のGerberファイルをダウンロードできます。JLCPCB（EasyEDAのPCB製造サービス、この動画のスポンサーでもあります）からPCBを発注できます。

ここではダウンロードしたGerberファイルのzipをドラッグ&ドロップするだけです。アップロード後、GerberビューアーでPCBを再確認できます。問題なければ最大10枚まで選択し、わずか2ドルで入手できます。

PWM DCモーター速度コントローラーPCBの組み立て

1週間後、PCBが届きました。自分のPCB設計が製造品として届くのは非常に満足感があります。PCBの品質は素晴らしく、設計通り完璧です。

では、コンポーネントをPCBに実装しましょう。

この例に必要なコンポーネントは以下のリンクから入手できます：

• NE555P タイマーIC
• R1 = R2 = 1kΩ
• C1 = C2 = 100nF
• D1 = D2 = D3 = 1N4004
• ポテンショメーター = 100kΩ
• トランジスタ - ダーリントン TIP122
• 2ピンブロックターミナル

まず小型コンポーネント（抵抗、ダイオード、コンデンサ）を実装します。

裏面でリードを曲げて、基板をひっくり返してはんだ付けする際に位置がずれないようにします。大型コンポーネントはマスキングテープで固定してひっくり返します。

完成した基板の外観はこちら。あとはDCモーターとそれに適した電源を接続するだけです。

12V高トルクDCモーターを使用し、3.7Vリチウムイオン電池3個を直列接続して約12Vで駆動しました。これでポテンショメーターを使って、555タイマーICが生成するPWM信号でDCモーターの速度を制御できます。

このチュートリアルを楽しんでいただき、何か新しいことを学んでいただけたら幸いです。ご質問は下のコメント欄でお気軽にお尋ねください。