Motore controllato da NE555

Descrizione

Questo progetto è un regolatore di velocità PWM per motori DC basato su un timer NE555, un potenziometro da 100 kΩ, due diodi 1N4001, un MOSFET IRFZ44N e un motore in corrente continua. Il circuito genera un segnale PWM regolabile, consentendo di controllare la velocità del motore modificando il duty cycle invece di ridurre semplicemente la tensione di alimentazione. Il potenziometro e i due diodi permettono di controllare separatamente i tempi di carica e scarica del condensatore di temporizzazione, mentre il MOSFET agisce come interruttore di potenza per il motore. Questo progetto rappresenta un'eccellente introduzione alla generazione PWM analogica, ai circuiti con timer 555, alla commutazione tramite MOSFET e al controllo della velocità dei motori DC. Può essere utilizzato come base per regolatori di velocità per ventole, piccoli veicoli robotici, pompe a velocità variabile, motori per modellismo o altre applicazioni con motori DC a bassa tensione.

Componenti necessari:

1x NE555
2x Resistenza da 1kΩ
1x Resistore da 10kΩ
2x Condensatore ceramico da 10nF
1x Potenziometro da 100kΩ
2x Diodo 1N4001 (o altri diodi adatti)
1x MOSFET n-channel IRFZ44N
1x Motore DC

Schema:

Come funziona:

Questo progetto utilizza un timer NE555 per generare un segnale PWM che controlla la velocità di un motore in corrente continua. PWM significa Pulse Width Modulation. Invece di modificare la tensione del motore in modo lineare, il circuito accende e spegne il motore molto rapidamente. Se il tempo di accensione è più lungo, il motore riceve più potenza media e gira più velocemente. Se il tempo di spegnimento è più lungo, il motore riceve meno potenza media e gira più lentamente.

Il NE555 è alimentato tramite pin 8 (VCC) e pin 1 (GND). Il pin 8 è collegato all'alimentazione positiva, mentre il pin 1 è collegato a massa. Anche il pin di reset, pin 4 è collegato a VCC. Questo mantiene il NE555 sempre abilitato, così può generare continuamente il segnale PWM.

Il pin di controllo della tensione, pin 5 è collegato a massa tramite un condensatore da 10 nF. Questo condensatore non è il condensatore di temporizzazione. Il suo scopo è filtrare il rumore elettrico sulla tensione di riferimento interna del NE555. In questo modo il timer diventa più stabile e si riducono le variazioni indesiderate nel segnale PWM.

La sezione di temporizzazione del circuito è costruita attorno al potenziometro da 100 kΩ, ai due diodi 1N4001, alla resistenza da 1 kΩ e al condensatore di temporizzazione sinistro da condensatore di temporizzazione da 10 nF. Il condensatore di temporizzazione è collegato ai pin trigger e threshold del NE555, cioè pin 2 (TR) e pin 6 (THR). Questi due pin monitorano la tensione sul condensatore.

All'interno del NE555 ci sono due soglie di tensione. Quando la tensione del condensatore scende sotto circa 1/3 di VCC, l'ingresso trigger attiva il timer e l'uscita va HIGH. Quando la tensione del condensatore sale sopra circa 2/3 di VCC, l'ingresso threshold resetta il timer e l'uscita va LOW. Questa carica e scarica continua del condensatore crea la forma d'onda PWM.

Il pin di scarica, pin 7 è collegato alla rete di temporizzazione. All'interno del NE555, questo pin è collegato a un transistor interno. Quando l'uscita è LOW, il transistor di scarica si attiva e collega il pin 7 a massa. Quando l'uscita è HIGH, il transistor di scarica si spegne, permettendo al condensatore di temporizzazione di caricarsi di nuovo.

Il potenziometro da 100 kΩ è il principale elemento di controllo della velocità. Non viene usato semplicemente come partitore di tensione. In questo circuito funziona come due resistenze variabili: una parte del potenziometro controlla il tempo di carica del condensatore e l'altra parte controlla il tempo di scarica del condensatore. Il cursore del potenziometro è collegato al condensatore di temporizzazione e ai pin 2 e 6 del NE555.

I due diodi 1N4001 sono molto importanti perché separano il percorso di carica da quello di scarica. Durante la fase di carica, la corrente fluisce da VCC attraverso la resistenza da 1 kΩ, attraverso un diodo, attraverso un lato del potenziometro e infine nel condensatore di temporizzazione. L'altro diodo è polarizzato inversamente, quindi non conduce durante questa fase.

Durante la fase di scarica accade l'opposto. Il condensatore di temporizzazione si scarica attraverso l'altro lato del potenziometro, attraverso l'altro diodo e nel pin 7 del NE555, dove il transistor di scarica interno porta la corrente a massa. In questa fase, il primo diodo è polarizzato inversamente e non conduce.

Questa configurazione con i diodi è ciò che rende il circuito un buon controllore PWM. Ruotando il potenziometro, una resistenza diventa più piccola mentre l'altra diventa più grande. Di conseguenza, il condensatore può caricarsi rapidamente e scaricarsi lentamente, oppure caricarsi lentamente e scaricarsi rapidamente. Questo modifica il rapporto tra tempo di accensione e tempo di spegnimento, cioè il duty cycle del segnale PWM.

Senza i due diodi, un normale circuito astabile con NE555 di solito carica e scarica il condensatore attraverso percorsi che non sono completamente indipendenti. Questo rende il duty cycle più difficile da controllare e spesso impedisce al circuito di raggiungere un ampio intervallo di regolazione. Con i due diodi, i percorsi di carica e scarica sono separati, ottenendo un controllo della velocità del motore più fluido ed efficace.

La resistenza da 1 kΩ vicino alla rete di temporizzazione limita la corrente attraverso i diodi, il potenziometro e il transistor di scarica del NE555. Questo è particolarmente importante quando il potenziometro viene ruotato vicino a una delle posizioni estreme, dove una parte della resistenza può diventare molto piccola.

L'uscita PWM viene prelevata dal pin 3 del NE555. Questo pin genera un'onda quadra che passa tra LOW e HIGH. Il segnale di uscita passa attraverso una resistenza da 1 kΩ prima di arrivare al gate del MOSFET IRFZ44N. Questa resistenza limita la corrente di carica del gate e aiuta a rendere la commutazione più stabile.

La resistenza da 10 kΩ collegata tra il gate del MOSFET e massa funziona come resistenza di pull-down. Il suo compito è mantenere il MOSFET spento quando l'uscita del NE555 non sta pilotando attivamente il gate, ad esempio durante l'avvio o in condizioni instabili. Senza questa resistenza, il gate del MOSFET potrebbe restare flottante e il motore potrebbe accendersi in modo inatteso.

L'IRFZ44N è usato come interruttore elettronico sul lato basso. Il terminale positivo del motore è collegato a VCC, mentre il terminale negativo del motore è collegato al drain del MOSFET. Il source del MOSFET è collegato a massa. Quando l'uscita del NE555 è HIGH, il MOSFET si accende e la corrente fluisce da VCC, attraverso il motore, attraverso il MOSFET e infine a massa. Quando l'uscita del NE555 è LOW, il MOSFET si spegne e la corrente del motore viene interrotta.

Poiché questa commutazione avviene molto rapidamente, il motore non si ferma e riparte visibilmente a ogni impulso. Invece, risponde alla potenza media fornita dal segnale PWM. Un duty cycle più alto significa che il motore rimane acceso per una parte maggiore di ogni ciclo, quindi gira più velocemente. Un duty cycle più basso significa che il motore rimane acceso per una parte minore di ogni ciclo, quindi gira più lentamente.

Nel complesso, il circuito funziona usando il NE555 per creare un segnale PWM regolabile, il potenziometro e i diodi per controllare il duty cycle e il MOSFET per commutare in modo efficiente la corrente del motore. Questo permette di controllare la velocità del motore con un'efficienza molto migliore rispetto a un semplice resistore in serie, perché il MOSFET lavora principalmente come interruttore ON/OFF invece di dissipare potenza sotto forma di calore.

Per un uso reale dell'hardware, si consiglia di aggiungere un diodo di flyback o un altro dispositivo di protezione in parallelo al motore per proteggere il MOSFET dai picchi di tensione generati dalla bobina del motore. Assicurati inoltre che l'alimentatore possa fornire abbastanza corrente per il motore, che le masse siano collegate correttamente e che il MOSFET riceva una tensione di gate sufficiente per accendersi correttamente.

Formula Duty Cycle:

\( D(\%) = \frac{R_1 + R_2}{R_1 + 2R_2}\cdot 100 \)

In questo progetto \(R_1\) è la resistenza da 1 kΩ e \(R_2\) è il potenziometro da 100kΩ