零電完全理解(11) DCモーター

(※ニコニコ動画「零からの電子工作」シリーズは私の作ではなく、剣菱P氏という別の方です。私は動画を見て学ぶ側です。)



モーターは、電池につなげて遊ぶだけなら特にケアは必要ありませんが、
電子回路と組み合わせるには電気的ノイズのケアや電圧の管理が必要になります。
この回では、その辺も分かりやすく説明されています。
この辺を理解していなかったので、以前モーターの回路にレーザーLEDを並列にしてオシャカにしたりしました。

零からの電子工作 第11回:DCモーター
http://www.nicovideo.jp/watch/sm12909936




1)DCモーター


11_1.jpg
ミニ四駆などでおなじみのモーター



2)今回の回路

11_2.jpg
トランジスタに関して、
今までの2SC1815の最大定格のコレクタ電流が150mA。
モーターを回すのにはパワー不足なので、少し大きいタイプの
2SC3422を使う。こちらはコレクタ電流が3,000mA。



3)モーターに流れる電流。

11_3.jpg
これが、FA130モーターの性能線図。
緑が電流の量。
黄色がスピード。
赤が電力出力。
青が効率。
を表す。
これは、モーターにかかる電圧が3Vの時の図。

電圧を下げれば、図も変わる。
(性能線図は、マブチのカタログから起動できる。)
たとえば、
ここのカタログの18100という数字をクリックすると、
こちらが開く。



4)モーターの負荷と電流の関係

11_4.jpg
モーターに負荷がかかっていない時、(=トルクがゼロの時)、
電流は0.15A。
今回の実験の負荷では500mA程度を想定。
負荷を高くしていくと、最大で2Aほど流れることがグラフから分かる。



5)トランジスターの検証

11_5.jpg
モーターの定格は3Vだが、6Vで使用する。
モーターには500mA流れるとする。余裕をみて1Aを想定。

トランジスターのコレクター電流の最大値は3A。半分としても1.5Aまでいけるので合格。
許容損失について、
十分な放熱板を付けた場合=10W
放熱板を付けなかった場合=1.5W

W=VI=6×1=6Wは欲しい。


11_6.jpg
安全を考慮した計算だと放熱板が必要だが、
・実際に流れるのは500mA程度。
・スイッチを一度オンにしたらしばらく切らないので、
 トランジスタにかかる電圧は0.3V程度になる。
(→理由がよくわからない。)
・少し余裕を見て0.6Vと考えると、
 W=0.6V×1A=0.6W 倍にしても1.2Wなのでセーフとする。

※実際に使う場合は、モーターがロックするなど、
 電流値が上がる場合があるので、定格を守る。



6)なぜ6Vにするか。5Vをそのまま使えないのか。

なぜ、三端子レギュレータ7805の5Vをそのまま使えないのか。

11_7.jpg
モーターは大量に電流を消費するが、
7805もさほど大きな電流を供給できるものでもない。
結果、モーターに電流が回り、
ICへの電流が不足する事態になる。
また、モーターがノイズの発生源となるので、悪影響もある。

11_8.jpg
そこで、ICにはICの電源、モーターにはモーターの電源が必要になる。



7)2つの電源の基準点に注意。

11_10.jpg
5Vの電源と6Vの電源を混ぜて使う場合、基準点を合わせる必要がある。
それには、5Vのマイナスと6Vのマイナスを接続し、基準点を合わせればよい。



8)コイルと電磁誘導について。

コイルの特性として「変化をいやがる」というものがある。

11_12.jpg
11_12b.jpg
コイルに磁石を入れようとすると、
コイルは磁石をいれまいとして、N・Sが発生する。(右ネジの法則

この時は親指の向きはN←Sを示す。

11_15.jpg
11_14.jpg
逆に、
コイルから磁石を抜こうとすると、
コイルは磁石を逃すまいとして、S・Nが発生する。



9)フレミング左手の法則

磁石の間にコイルを置く。
矢印の向きに電流を流すとすると、
フレミング左手の法則。

11_15a.jpg

親指が力の向き。
人差し指が磁界の向き。
中指が電流の向き。

(これが覚えられない。
 親指を力、力を運動と置き換え、
 順に「親のうん・ち・出ん」とでも覚えておく。
 これでたぶんもう忘れない。
 左手がモーター、右手が発電機を示すことについては、
 「み」が「でんりょく」と覚えるらしい。)


磁界の向きはN→Sを示す。(←右ネジの法則と逆で混乱。あとでまとめる。)

11_16.jpg
コイルの左側では力が下、
コイルの右側では力が上になる。



10)フレミング右手の法則

11_17.jpg
発電機の場合にはフレミング右手の法則を使う。



11)モーターのツンデレ属性

モーターもコイルなので、変化を嫌う傾向を示す。


11_19.jpg
電流を流し、モーターに働けと命令すると、
モーターは「働きたくない」と抵抗する。

11_19b.jpg
電流を止め、モーターに働くなと命令すると、
モーターは、「じゃあ働く」と抵抗する。
この時、トランジスタは閉じているので、
モーターで発電された電力は行き場がなくなる。

トランジスターは命令通りに働いているのに、
命令を聞かないモーターのせいでトランジスタに負担がかかり
かわいそうなことになってしまう。

そこで、助っ人を呼んでくる。



12)ダイオード

11_21.jpg

11_23.jpg
ダイオードは、片方の向きの電流しか流さない。
ダイオードの白い線が、回路図の縦棒と一致し、電流を流す方向を示している。

11_25.jpg
モーターのプラスマイナスの間に挟むことで、
モーターが発電した電力を逃がすことができる。



13)逆起電力

モーターが電流を流そうとする力のことを「逆起電力」と言うが、
実に紛らわしい日本語である。

11_26.jpg
多くの人が「モーターが止まった瞬間に、電池と逆向きの力が発生する」と
説明するが、これは間違い。
(その説明通りだとすると、逆起電力を逃がすためのダイオードの向きは逆のはず。)
「電気を止めてモーターに止まれと命令したのに、
 命令とは逆に、モーターが回り、発電してしまう。」
という認識が正しい。



14)整流子

11_27.jpg
コイルが180度回転すると、
流れが変わってモーターは回らないことになる。

11_28.jpg
そこに、「整流子」という仕組みが入ってくる。
ブラス(画面の緑色の棒)というものを当てて、
磁石に対する電流の向きが一定になるようにしている。

11_29.jpg
この整流子が入れ替わる度に、大きなノイズが発生する。



15)ノイズキラーコンデンサ


11_30.jpg
コンデンサは、直流成分は流さないので、
充電されてしまえば、モーターのみに電気が流れる。
また、モーターに発生するノイズは、交流なので、
コンデンサが消費してくれる。



16)実験回路

電源は2つ用意。
今回はICを使っていないので1電源でよいが、後々のために。

11_31.jpg
9V用のGND(マイナス)を、5VのGND(マイナス)とつなげる。

11_31b.jpg
こちらがモーターとギアボックス。
ノイズ対策用のコンデンサをつけている。



17)実験

11_33.jpg
モーター電源は、乾電池4本で6V。


11_34.jpg
エミッタとコレクタの電圧は、
ベース電源が流れていない時、6V。
ベース電流を流すと、0.2Vぐらいになる。

ということは、モーターが回っている時の電圧は、
6-0.2で5.8Vぐらいが予想される。

11_35.jpg
実際には、予想に反し、4.5Vぐらいの電圧がモーターにかかっている。
なぜか。その理由は19)へ。



18)実験2:電源を1つにすると?

11_36.jpg

電力不足で、モーターも弱まる。
結論。モーターにはモーター用の電気があるとよい。



19)訂正の回
http://www.nicovideo.jp/watch/sm12919915

電圧降下の原因は、逆起電力に思えるが、実はそうではない。
逆起電力はモーター内部で完結するものであり、
モーターの外部で観測されるものではない。

では、電圧が降下した原因はなにか?

11_38.jpg
電池には、電源の成分以外に、抵抗の成分も入っている。(内部抵抗)
電池の内部抵抗は、かなり小さい。

V=IRで考えると、
電池に流れる電流が少ないうちは、
小さいものと小さいものの掛け算なので影響も小さい。

11_39.jpg
しかし、電流がどんどん大きくなっていくと、
内部抵抗にかかる電圧も無視できなくなる。



20)突入電流

モーターが回転を始める瞬間、「突入電流」が流れる。
「ラッシュ電流」とか、モーターの場合には「起動電流」とも言う。

突入電流で大量に電流が流れた後、モーターが回転を始めると、
逆起電力で逆向きの電流が流れ、電流量は下がっていくことになる。

11_42.jpg
実際、
突入電流で1Aまで上がり、回転中は500mA程度に落ち着く。
また、電源電圧は、5V程度まで下がる。

11_43.jpg
また、ギアボックスに負荷がかかった状態で回転させると、
電流は1A程度まで上昇してしまうのが分かる。



21)大きな抵抗をつなぐと?

11_44.jpg
モーターに限らず、
セメント抵抗のような大電流が流れる抵抗をつなぐことで、
電池の電圧がさがるのが分かる。
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テーマ : 自然科学
ジャンル : 学問・文化・芸術

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ありがとうございます!ノートをミスったんだと思います。あとで復習がてら見直しておきます!わからなかったら質問させてください!

赤が出力ですよ、
出力も単位がW(ワット)です。
電力でしたら負荷かけたら電流と同じで右肩上がりです。
プロフィール

二名川(ニナガワ)

Author:二名川(ニナガワ)
ホビーロボットをレトロゲームが発展したものと捉えて楽しく遊び倒します。
子供が夢を見ている時間帯に稼働します。

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■作成中の機体
汎用ヒト型決戦遊具 ~RX計画~
RX-7.5 ゼロタンク
RRf-0.6 ゼニィ
RXM-7.9 ゼムネス
RX-7.5R 量産型ゼロタンク
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以下続く

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