双方向、可変速モーター向け制御回路：Design Ideas パワー関連と電源

小型モーターを含むシステムを開発する際には、速度の調整が可能な双方向モーター制御回路が役立つ。今回は、一般的なデバイスを使用し、低コストでありながら小型で、柔軟性が高く、すぐに活用できる双方向モーター制御回路の例を紹介する。

[Jean-Bernard Guiot，スイスDCS AG]

　小型モーターを含むシステムを開発する際には、速度の調整が可能な双方向モーター制御回路が役立つ。図1は、その制御回路の例である。この回路は、一般的なデバイスを使用している。デバイスの許容範囲や定格値は、電圧と電流、電力の要求値に収まっていればよく、それほど重要ではない。特徴は、低コストでありながら小型で、柔軟性が高く、すぐに活用できることである。

　75mm×100mm程度のプリント基板を使って、1時間以内に作成できる。高さは12mm以下と低い。

図1 双方向、可変速モーターの制御回路　簡単な回路で、モーターの回転方向や回転速度を設定できる （クリックで拡大）

　トランジスタを使ったHブリッジ^＊）を採用することで、双方向の回転を可能にした。チョッパー回路を使ってHブリッジの上部を制御し、これによって速度調整もできる。一方向に回転させるためには、入力（IN CW、もしくはIN CCW）のどちらかを0Vに接続する必要がある。スイッチか、トランジスタ、オープン・コレクタのTTL回路を使って接続すればよい。入力が共にハイレベルの場合は、トランジスタQ₂とQ₄はオンにならず、モーターは止まる。モーターは、パルス動作をしているトランジスタQ₁とQ₃からわずかなブレーキ作用を受ける。

＊）4つのトランジスタ（スイッチ）を使って、H型に接続したブリッジ回路。中央にモーターを接続し、トランジスタのオン/オフのタイミングを工夫することで、印加電圧の向きを反転させることができる。すなわち双方向の回転が可能になる。

　一方の入力がローレベル（0Vに接続）になると、対応するトランジスタQ₂とQ₄は導通状態になる。その際、ベース電流はR₁とR₄によって制限を受けることとなる。Q₁とQ₃のベースへのパルス信号は0Vに短絡したため、Q₁とQ₃は遮断される。これらの反対側にあるQ₄とQ₂は導通状態にはならないが、Q₃とQ₁は、D₂とR₆、もしくはD₁とR₅を介してチョッパーからパルス信号を受け取る。すなわちトランジスタQ₅がオンになるたびに、Q₃とQ₁もオンに変わる。

　チョッパー回路には555タイマーであるIC₁を採用し、これを無安定マルチバイブレーターとして接続した。定電圧ダイオードD₇と抵抗R₁₀は、IC₁への供給電圧を最大許容電圧である15Vに制限する役目を果たす。タイミング・コンデンサーC₂は、抵抗R₁₁とポテンショメーターR₁₂の上側、ツェナー・ダイオードD₇を介して充電され、ポテンショメーターR₁₂の下側を介して放電される。R₁₂の接点位置をβとすると（中央：β=0.5、最下部：β=0、最上部：β=1）、充電時間はT_ON=0.693C₂［R₁₁+R₁₂（1−β）］、放電時間はT_OFF=0.693βC₂R₁₂になる。

　従って、チョッパー回路の周期は、T_ON+T_OFF=0.693C₂［R₁₁+R₁₂（1−β+β）］=0.693C₂（R₁₁+R₁₂）となる。IC₁の3番ピンの出力信号は、周波数がほぼ固定でデューティー比を調整できる方形波である。図2（a）は、ポテンショメーターの接点が最下部にある場合（β=0）、図2（b）は最上部にある場合（β=1）である。

図2 チョッパー回路のデューティー比　ポテンショメーターの接点位置によってチョッパー回路のデューティー比が決まる。これを使って、回転速度を制御する。（a）がポテンショメーターの最下部に設定した場合（β=0）。（b）は最上部に設定した場合（β=1）。

　トランジスタQ₅とQ₆は、Q₁とQ₃のベースを駆動する電圧レベルに合わせてあり、555の出力（3番ピン）がハイレベル（T_ON）のときだけ導通状態になる。この導通状態を使って回転速度を調整する。

　ダイオードD₃〜D₆は、誘導電圧のピークからトランジスタQ₁〜Q₄を保護するために挿入した。ヒューズF₁は、過電流から回路全体を保護する役割を果たす。V_ccと接地の間に入れたコンデンサーC₃は、電流のピークをフィルタリングするエネルギー・タンクのように振る舞う。

　紹介した回路は、小型電動工具の試作品の試験や調整に使った。速度やギア比を決める際に役立った。なお、使用するトランジスタは、供給電圧とモーター電流に対応できるダーリントン型が望ましい（モーターが高インダクタンスであることを忘れてはならない）。R₁₀とツェナー・ダイオードは、供給電圧V_ccに応じて選択する必要がある。

Design Ideas〜回路設計アイデア集

【アナログ機能回路】：フィルタ回路や発振回路、センサー回路など

【パワー関連と電源】：ノイズの低減手法、保護回路など

【ディスプレイとドライバ】：LEDの制御、活用法など

【計測とテスト】：簡易テスターの設計例、旧式の計測装置の有効な活用法など

【信号源とパルス処理】：その他のユニークな回路

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事の中から200本を厳選し、5つのカテゴリに分けて収録した。