555 타이머 PWM DC 모터 속도 제어기 제작 & PCB 설계 가이드

이 튜토리얼에서는 555 타이머 IC를 사용해 PWM DC 모터 속도 제어기를 만드는 방법을 배워보겠습니다. 555 타이머 PWM 발생 회로 작동 원리, DC 모터 속도 제어 활용법, 맞춤 PCB 제작법까지 자세히 살펴보겠습니다.

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개요

모터 입력 전압을 제어해 DC 모터 속도를 제어할 수 있습니다. 이를 위해 PWM(펄스 폭 변조)을 사용할 수 있습니다.

PWM DC 모터 속도 제어

PWM은 전자 장치로 가는 전원을 빠른 속도로 켜고 끄며 가변 전압을 생성하는 방법입니다. 평균 전압은 신호의 듀티 사이클, 즉 한 주기 동안 신호가 ON인 시간과 OFF인 시간의 비율에 따라 달라집니다.

555 타이머 PWM 발생 회로

555 타이머는 어스테이블(astable) 모드로 설정 시 PWM 신호를 생성할 수 있습니다. 555 타이머에 익숙하지 않다면 내 이전 튜토리얼에서 555 타이머 IC 내부와 작동 원리를 자세히 설명했습니다.

555 타이머가 어스테이블 모드로 동작하는 기본 회로입니다. 출력 HIGH는 커패시터 C1이 저항 R1, R2를 통해 충전될 때이고,

출력 LOW는 커패시터 C1이 저항 R2만 통해 방전될 때입니다. 이 세 구성 요소 중 아무 값이나 변경하면 다른 ON/OFF 시간, 즉 다른 듀티 사이클의 구형파 출력을 얻습니다. 쉽고 즉각적인 방법은 R2 저항을 포텐셔미터로 교체하고 다이오드 두 개를 회로에 추가하는 것입니다.

이 구성에서 ON 시간은 저항 R1, 포텐셔미터 왼쪽, 커패시터 C1에 의존하고, OFF 시간은 커패시터 C1과 포텐셔미터 오른쪽에 의존합니다. 이 구성에서는 충전과 방전 시 총 저항이 동일하게 유지되므로 한 주기, 즉 주파수는 항상 동일합니다.

보통 R1 저항은 포텐셔미터 저항보다 훨씬 작습니다(예: 1K 대 100K). 이렇게 하면 회로 충방전 저항의 99%를 제어할 수 있습니다. 555 타이머 제어 핀은 사용하지 않지만 외부 노이즈 제거를 위해 100nF 커패시터에 연결합니다. 리셋 핀(4번)은 액티브 로우이므로 원치 않는 출력 리셋 방지를 위해 VCC에 연결합니다.

555 타이머 출력은 부하에 200mA 전류를 싱크 또는 소스할 수 있습니다. 제어하려는 모터가 이 정격을 초과하면 트랜지스터나 MOSFET로 모터를 구동해야 합니다. 이 예제에서는 최대 5A까지 처리 가능한 달링턴 트랜지스터(TIP122)를 사용했습니다.

IC 출력을 저항을 통해 트랜지스터 베이스에 연결해야 하며, 제 경우 1k 저항을 사용했습니다. 모터가 생성하는 전압 스파이크 방지를 위해 플라이백 다이오드를 모터와 병렬로 연결합니다.

PWM DC 모터 속도 제어기 PCB 설계

이제 이 회로용 맞춤 PCB를 설계해 보겠습니다. 무료 온라인 소프트웨어 EasyEDA를 사용하겠습니다. 빈 캔버스에서 구성 요소를 검색해 배치하는 것으로 시작합니다. 라이브러리에 수십만 개 구성 요소가 있어 이 PWM DC 모터 속도 제어기 회로에 필요한 모든 구성 요소를 찾는 데 문제 없었습니다.

구성 요소를 배치한 후 보드 외곽선을 만들고 구성 요소를 배열합니다. 두 커패시터는 555 타이머에 최대한 가깝게 배치하고, 다른 구성 요소는 회로도에 따라 논리적 배열로 원하는 곳에 배치합니다.

트래킹 도구로 모든 구성 요소를 연결합니다. 트래킹 도구는 꽤 직관적이고 사용하기 쉽습니다. 탑 레이어와 바텀 레이어 모두 사용해 교차 방지와 트랙 단축이 가능합니다.

그라운드에 연결해야 하는 구성 요소 패드는 패드 속성 탭에서 패드 선택 시 "Net" 레이블에 GND를 입력해 그라운드로 설정합니다.

실크 레이어로 보드에 텍스트를 추가할 수 있습니다. 이미지 파일 삽입도 가능해 내 웹사이트 로고 이미지를 보드에 인쇄되게 추가했습니다. 마지막에 구리 영역 도구로 PCB 그라운드 영역을 만듭니다.

이 프로젝트의 EasyEDA 프로젝트 파일은 여기에서 찾을 수 있습니다.

설계가 완료되면 "Gerber output" 버튼을 클릭하고 프로젝트를 저장하면 제조용 거버 파일을 다운로드할 수 있습니다. EasyEDA의 PCB 제조 서비스인 JLCPCB에서 PCB를 주문할 수 있으며, 이 비디오의 스폰서이기도 합니다.

다운로드한 거버 파일 압축 파일을 드래그 앤 드롭합니다. 업로드 후 거버 뷰어에서 PCB를 다시 검토할 수 있습니다. 모든 게 괜찮으면 최대 10개 PCB를 2달러에 주문할 수 있습니다.

PWM DC 모터 속도 제어기 PCB 조립

일주일 후 PCB가 도착했고, 직접 설계한 PCB가 제조되는 건 꽤 만족스럽다고 인정해야겠습니다. PCB 품질이 훌륭하고 설계와 완전히 동일합니다.

자, 이제 PCB에 구성 요소를 실장해 보겠습니다.

이 예제에 필요한 부품은 아래 링크에서 구할 수 있습니다:

• NE555P 타이머 IC
• R1 = R2 = 1k 옴
• C1 = C2 = 100nF
• D1 = D2 = D3 = 1N4004
• 포텐셔미터 = 100k 옴
• 트랜지스터 – 달링턴 TIP122
• 2핀 터미널 블록

먼저 작은 구성 요소들인 저항, 다이오드, 커패시터를 실장했습니다.

뒷면에서 리드를 구부려 보드를 뒤집어 납땜할 때 제자리에 있게 했습니다. 큰 구성 요소들은 보드 뒤집을 때 제자리에 있게 마스킹 테이프로 고정했습니다.

보드 최종 모습이고, 이제 DC 모터와 적절한 전원을 연결하면 됩니다.

12V 고토크 DC 모터를 사용했고, 3.7V 리튬이온 배터리 3개를 직렬 연결해 약 12V로 전원 공급했습니다. 이제 포텐셔미터로 DC 모터 속도, 즉 555 타이머 IC가 생성하는 PWM 신호를 제어할 수 있습니다.

이 튜토리얼을 즐기시고 새로운 것을 배우셨길 바랍니다. 댓글 섹션에서 자유롭게 질문해 주세요.