DC모터와 트랜지스터

안녕하세요. 메카럽입니다.

이번 포스팅에서는 DC모터와 트랜지스터에 대해 알아보려합니다. 구동부에 대해 조금씩 알아가다보면 적용할 수 있는 분야가 넓어질 수 있다는 뜻도 됩니다. 자동차, 드론과 같이 구동을 하는 제품의 기초가 되기 때문입니다. 이 때문에 저도 역시 이 부분을 배우는 동안은 열심히 한 글자도 놓치지 않으려 열심히 배웠습니다.

DC 소형모터

DC모터를 구동시키고 그 회전 방향(시계방향 또는 반시계방향)과 회전속도를 제어하는 방법을 알아보겠습니다. 모터는 배터리에서 얻은 전기 에너지를 직선 운동이나 회전운동고 같은 운동 에너지로 변환시켜 주는 액추에이터입니다. 서보 모터는 아두이노를 활용한 애플리케이션에도 범용적으로 사용하는 액추에이터이며 서보 모터는 아두이노의 디지털 포트에서 출력되는 PWM 신호를 직접 제어가 가능하지만, DC 모터는 아두이노의 PWM 출력 외에도 별도의 모터 드라이버가 필요하다는 차이가 있습니다.

초등학교 자연 과목에 1.5V 건전지 몇 개와 작은 DC 모터를 구동시키는 실습이 있었던 것으로 기억합니다. 당시 교재로 사용했던 소형 DC 모터 또는 미니카 등에도 사용되는 DC 모터 모두 크기나 전원사양에 있어서 유사한 모터들입니다. 다만 초등학교 자연 과목이나 미니카에서 사용했던 모터는 단순한 정회전, 역회전 정도로 활용했으나 모터의 속도도 함께 제어한다는 차이점이 있습니다. 또한 수 볼트 수준의 건전지로 작동시키는 DC 모터와 달리, RC카나 배틀로봇, 로봇 등에 사용되는 고용량 DC 모터는 12V, 24V 등으로 구동되기도 합니다.

주변에서 찾기 쉬운 사례로는 선풍기가 있습니다. 통상적인 가정용 선풍기는 220V AC 전원을 선풍기 내부 또는 외부 어댑터의 AC-DC 변환기를 통해 DC로 변환한 후, 선풍기 내부의 DC 모터를 구동시키는 구조입니다. 선풍기에는 강, 중, 약과 같이 DC 모터의 회전속도를 조절할 수 있는 스위치가 달려있으며, 이 스위치의 위치에 따라 회전속도가 바뀝니다. 스위치의 움직임은 저항을 선택하기 위함이며, 저항이 전류를 제한하여 회전날개의 속도를 조정합니다.

이러한 DC 모터에는 2개의 단자가 존재하는데 일반적으로 +극과 -극이며 여기에 전원을 연결하면 모터가 작동하게 됩니다. 여기에 극성을 반대로 바꿔 인가하면 반대 방향으로 회전합니다. LED는 극성을 반대로 하여 연결하면 작동을 하지 않거나 타서 못쓰게 되지만, DC 모터는 방향이 바뀐다는 차이점이 있습니다.

디지털 포트로 직접 제어

위 그림은 아두이노의 디지털 포트를 이용하여 DC 모터를 직접 제어하는 상황을 나타냅니다. digitalWrite( ) 함수로 HIGH, LOW 신호로 DC 모터를 제어하는 방법입니다. 가장 간단한 방법이지만, 디지털 포트로 출력되는 전루가 아주 소량이어서 모터를 구동하기에는 불충분합니다.

아두이노의 I/O 포트에서는 최대 40mA 수준의 전류가 발생합니다. 이 정도의 전류로는 아주 작은 DC 모터 정도만 구동시킬 수 있으며, 나아가 I/O 포트에 손상을 일으킬 수 있습니다.

DC 모터는 전류를 많이 사용하며, 작동 전압도 낮은 것은 1.8~3V 수준이지만, 높은 것은 5V에서 12V, 24V 등 아두이노의 I/O 포트가 감당할 수 없는 수준입니다. 이런 이유로 아두이노의 I/O 포트에서 발생한 낮은 전류로 트랜지스터를 작동시켜 DC모터를 제어하게 됩니다.

이번 포스팅에서는 DC모터와 트랜지스터에 대해 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 모터를 원활하게 작동시키기 위한 부가장치인 모터 드라이버에 대해 알아보도록 하겠습니다. 쌀쌀해진 날씨에 건강 조심하시고 행복한 하루 되세요.