Contrôleur de Vitesse Moteur DC PWM avec Timer 555 - Guide de Conception et PCB

Dans ce tutoriel, nous allons apprendre comment réaliser un contrôleur de vitesse de moteur DC PWM en utilisant le circuit intégré Timer 555. Nous examinerons en détail comment fonctionne le circuit générateur PWM du Timer 555, comment l'utiliser pour contrôler la vitesse d'un moteur DC et comment concevoir un PCB personnalisé pour cela.

Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le tutoriel écrit ci-dessous.

Vue d'Ensemble

Nous pouvons contrôler la vitesse du moteur DC en contrôlant sa tension d'entrée. Pour cela, on peut utiliser le PWM, ou modulation de largeur d'impulsion.

Contrôle de Vitesse Moteur DC par PWM

Le PWM est une méthode qui permet de générer une tension variable en allumant et éteignant l'alimentation qui va vers le dispositif électronique à un rythme rapide. La tension moyenne dépend du cycle de service du signal, c'est-à-dire la proportion de temps où le signal est ALLUMÉ par rapport au temps où il est ÉTEINT sur une seule période.

Circuit Générateur PWM avec Timer 555

Le Timer 555 est capable de générer un signal PWM lorsqu'il est configuré en mode astable. Si vous n'êtes pas familier avec le Timer 555, vous pouvez consulter mon tutoriel précédent où j'expliquais en détail ce qu'il y a à l'intérieur et comment fonctionne le Timer 555.

Voici un circuit de base du Timer 555 fonctionnant en mode astable, et on remarque que la sortie est HAUTE quand le condensateur C1 se charge à travers les résistances R1 et R2.

D'autre part, la sortie du CI est BASSE quand le condensateur C1 se décharge mais seulement à travers la résistance R2. On remarque donc que si on change les valeurs de l'un de ces trois composants, on obtiendra des temps ALLUMÉ et ÉTEINT différents, ou un cycle de service différent du signal de sortie carré. Une façon facile et instantanée de faire cela est de remplacer la résistance R2 par un potentiomètre, et d'ajouter deux diodes dans le circuit.

Dans cette configuration, le temps ALLUMÉ dépendra de la résistance R1, du côté gauche du potentiomètre et du condensateur C1, tandis que le temps ÉTEINT dépendra du condensateur C1 et du côté droit du potentiomètre. On remarque aussi que dans cette configuration, la période d'un cycle, donc la fréquence, restera toujours la même, car la résistance totale, pendant la charge et la décharge, restera la même.

Généralement, la résistance R1 est beaucoup plus petite que la résistance du potentiomètre, par exemple 1kΩ comparé à 100kΩ du potentiomètre. Ainsi, on a 99% de contrôle sur la résistance de charge et décharge dans le circuit. La broche de contrôle du Timer 555 n'est pas utilisée mais elle est connectée à un condensateur de 100nF pour éliminer tout bruit externe sur ce terminal. La broche de reset, broche 4, est active à l'état bas, donc elle est connectée à VCC pour éviter tout reset indésirable de la sortie.

La sortie du Timer 555 peut absorber ou fournir un courant de 200mA à la charge. Si le moteur qu'on veut contrôler dépasse cette valeur, il faut utiliser un transistor ou un MOSFET pour piloter le moteur. Dans cet exemple, j'ai utilisé un transistor Darlington (TIP122) qui peut gérer un courant jusqu'à 5A.

La sortie du CI doit être connectée à la base du transistor à travers une résistance, et dans mon cas j'ai utilisé 1kΩ. Pour prévenir les pics de tension produits par le moteur, il faut utiliser une diode de roue libre connectée en parallèle avec le moteur.

Conception d'un PCB pour le Contrôleur de Vitesse Moteur DC PWM

Maintenant, nous pouvons passer à la conception d'un PCB personnalisé pour ce circuit. Pour cela, j'utiliserai le logiciel gratuit en ligne EasyEDA. Ici, on peut commencer par rechercher et placer les composants sur la toile vierge. La bibliothèque contient des centaines de milliers de composants, donc je n'ai eu aucun problème pour trouver tous les composants requis pour ce circuit de contrôleur de vitesse PWM.

Après avoir inséré les composants, il faut créer le contour de la carte et commencer à disposer les composants. Les deux condensateurs doivent être placés le plus près possible du Timer 555, tandis que les autres composants peuvent être placés où on veut, mais toujours dans une disposition logique selon le schéma de circuit.

Avec l'outil de routage, il faut connecter tous les composants. L'outil de routage est assez intuitif et facile à utiliser. On peut utiliser à la fois la couche supérieure et la couche inférieure pour éviter les croisements et raccourcir les pistes.

Les plots des composants qui doivent être connectés à la masse sont mis à la masse via l'onglet Propriétés du Plot, où il faut taper GND dans l'étiquette "Net" quand le plot est sélectionné.

On peut utiliser la couche Silk pour ajouter du texte sur la carte. On peut aussi insérer un fichier image, donc j'ai ajouté une image de mon logo de site web à imprimer sur la carte. À la fin, avec l'outil de zone de cuivre, il faut créer la zone de masse du PCB.

Vous pouvez trouver les fichiers de projet EasyEDA de ce projet ici.

Une fois la conception terminée, il suffit de cliquer sur le bouton "Sortie Gerber", sauvegarder le projet et on pourra télécharger les fichiers Gerber utilisés pour la fabrication du PCB. On peut commander le PCB chez JLCPCB qui sont le service de fabrication PCB d'EasyEDA, et ils sont aussi les sponsors de cette vidéo.

Ici, on peut simplement glisser-déposer le fichier zip téléchargé des fichiers Gerber. Après le téléchargement, on peut revoir une fois de plus notre PCB dans le visualiseur Gerber. Si tout va bien, on peut alors sélectionner jusqu'à 10 PCB et les obtenir pour seulement 2 dollars.

Assemblage du PCB du Contrôleur de Vitesse Moteur DC PWM

Néanmoins, après une semaine, les PCB sont arrivés et je dois avouer que c'est assez satisfaisant d'avoir son propre design de PCB fabriqué. La qualité des PCB est excellente et tout est exactement comme dans le design.

OK, maintenant on peut passer à l'insertion des composants sur le PCB.

Vous pouvez vous procurer les composants nécessaires pour cet exemple via les liens ci-dessous :

• CI Timer NE555P
• R1 = R2 = 1kΩ
• C1 = C2 = 100nF
• D1 = D2 = D3 = 1N4004
• Potentiomètre = 100kΩ
• Transistor – Darlington TIP122
• 2 Borniers à vis

D'abord, j'ai inséré les composants les plus petits : les résistances, les diodes et les condensateurs.

J'ai plié leurs pattes de l'autre côté pour qu'ils restent en position quand je retourne la carte pour souder. Pour les gros composants, j'ai utilisé du ruban adhésif pour les maintenir en place lors du retournement.

Voici l'apparence finale de la carte et il ne reste plus qu'à connecter un moteur DC et une alimentation adaptée.

J'ai utilisé un moteur DC à couple élevé 12V que j'ai alimenté avec trois batteries Li-ion 3.7V connectées en série, donnant environ 12V. Ainsi, en utilisant le potentiomètre, on peut contrôler la vitesse du moteur DC, ou le signal PWM produit par le Timer 555.

J'espère que vous avez apprécié ce tutoriel et appris quelque chose de nouveau. N'hésitez pas à poser vos questions dans la section commentaires ci-dessous.