DC (Doğru Akım) Motorlar Nasıl Çalışır? Servo, Step, Fırçalı ve Fırçasız Motorlar  hakkında detaylı bilgilere yer vereceğiz.

DC Motor Nedir? Nasıl Çalışır?

DC motor, düz akım elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinedir. Motorun içinde yer alan sargılara elektrik akımı uygulandığında, yine motorun içerisinde bulunan sabit mıknatıslara zıt yönde oluşan manyetik kuvvetin etkisi ile hareket etme prensibine dayanır. Bu akımın yönünün, sürekli olarak sabit mıknatısa ters manyetik alan oluşturacak şekilde değiştirilmesi gereklidir. Bu değişim, fırçalı motorlarda motorun sarımlarına temas eden fırçalar ile, fırçasız motorlarda ise elektronik hız kontrol devresi tarafından yapılır.

DC Motor Çeşitlerinin Özellikleri ve Kullanım Alanları:

Temelde fırçalı DC motorlar, fırçasız DC motorlar, step motorlar ve servo motorlar olarak çeşitleyebileceğimiz DC motorların her birinin karakteristik olarak iyi yapabildikleri ve o kadar başarılı olmadıkları alanlar mevcuttur.

• Fırçalı DC Motorlar: En temel çeşit DC motor tipidir. Redüktör ile beraber veya redüktörsüz şekilde birçok projede kullanılırlar. Avantajları kolay bir şekilde sürülebilmeleri, dezavantajları ise fırça ya da kömür ismi verilen aşınan parçalarının periyodik olarak değiştirilmesi gerekliliğidir.
• Fırçasız DC Motorlar: Fırçalı DC motorların yerini almaları için tasarlanmıştır. Çalışmaları için ESC ismi verilen özel sürücü devreleri kullanılır. Avantajları, sürtünmenin en az düzeyde olması sayesinde verimliliklerinin çok yüksek olması ve fırça gibi aşınan parça olmaması sayesinde yüksek performans ihtiyaç duyulan uygulamalarda kullanılır. Dezavantajları ise sürücü ile sürülmek zorunda olmasıdır.
• Step Motorlar: Konumlama hassasiyeti en yüksek motor çeşididir. 2 ve 3 boyutlu yazıcılarda kullanılırlar. Çok hassas konumlama yapabilmelerine karşın fazla akım çekerler ve hareket hızları fırçalı ve fırçasız motorlara göre daha yavaştır.
• Servo Motorlar: 0 ile 180 derece arasında istenilen konumda yapabilecek motorlardır. RC (uzaktan kumandalı) araçlarda kullanılması için tasarlanmıştır. Sürekli dönebilen tipte servo motorlar piyasada bulunsa da, asıl amaçları RC uçak, helikopter, araba gibi araçlarda kanat, direksiyon, kontrol yüzeyi gibi parçaların açısını kontrol etmektir. Avantajları, harici bir sürücü devresine ihtiyaç duymamaları; dezavantajları ise hareket ettirmek için bir mikrokontrolcü veya RC kumanda alıcısına gerek duymalarıdır.

DC Motor Nedir? DC Motor Çeşitleri Nelerdir?

Fiziksel yapılarına ve farklı özelliklerine göre birçok farklı DC motor çeşidi bulunmaktadır. Projelerimizde farklı ihtiyaçlarımıza göre uygun DC motoru kullanmamız gerekir. Fakat hangi motoru nerede kullanmamız gerekiyor? Gelin beraber inceleyelim.

Projelerimizin çoğunda batarya veya DC adaptör kullandığımızdan kullandığımız motor çeşidi DC motordur. AC motorlar ise genellikle büyük çaplı uygulamalarda yer bulurlar. Peki DC motor çeşitleri nelerdir?

Fırçalı DC Motorlar:

En eski ve en sık kullanılan DC motor tipi fırçalı DC motordur. Şarjlı el matkaplarından oyuncak arabalara kadar birçok farklı alette kullanılır. Çalışma prensibi basitçe şu şekildedir: motorun ana milinin üzerinde bobinler bulunur. Motorun ana gövdesinin iç kısmında ise güçlü mıknatıslar yer alır. Şaft üzerinde yer alan bobinlere fırçalar (sanayi gibi ortamlarda “kömür”de denir) vasıtasıyla elektrik akımı uygulanır. Uygulanan elektrik akımıyla bobinlerde oluşan manyetik alan, mıknatısların manyetik alanıyla sürekli çakışacak şekilde bir etki gösterir ve bu sayede mil hareket etmiş olur.

Oldukça basit bir çalışma prensibine sahip olan fırçalı DC motorların, basit bir şekilde iki terminali arasındaki gerilim değiştirilerek hız kontrolü sağlanabilir. Motorun çalışma yönünü değiştirmek istersek, uygulanan gerilimin yönünü değiştirmemiz gerekir. Bu işlem için ise H-köprüsü ismi verilen devrelere ihtiyacımız vardır.

Bu tip motorlar doğrudan mil çıkışına sahip olabildikleri gibi, üzerlerinde redüktör (şanzıman, dişli kutusu) de barındırabilirler. Redüktörün kullanım amacı, genellikle motorun devir hızını azaltarak daha yüksek tork elde etmektir. Tam tersi şekilde çalışan, yani torku azaltan ve devir sayısını arttıran dişli sistemleri de mevcuttur.

Fırçalı DC motorların en büyük avantajı, motora uygulanan gerilimin büyüklüğü ve yönü değiştirilerek çok kolay bir biçimde hız ve yön kontrolü yapılabilir. Küçük boyutlu DC motorları mikrokontrolcü ile sürmek için L293D gibi uygun fiyatlı sürücü entegreler popüler olarak kullanılır.

Fırçalı motorların en büyük dezavantajı ise sürekli şafta sürtünen fırçaların aşınmasıdır. Bu fırçalar karbon veya bakırdan imal edilir ve performans beklenen uygulamalarda kullanılan motorların fırçaları kolayca değiştirilebilecek şekilde tasarlanır. Aynı zamanda bu sürtünme ısı yarattığından fırçalı motorların verimleri fırçasız motorlara göre daha düşüktür.

Fırçalı motorların:

• Artıları: Basit sürücü devresi, kullanım kolaylığı ve uygun fiyat
• Eksileri: Bakım gereksinimi ve verim

şeklinde özetlenebilir.

Redüktörlü DC Motorlar:

DC motorlar çoğunlukla yüksek devir çevirebilme özelliğine sahiptir. Yüksek devir yerine yüksek tork tercih edilen uygulamalarda, motorun miline bağlanan bir dişli seti sayesinde örnek olarak çıkış hızını 30’da 1’e düşürecek, fakat elde edilen torkun (tork: dönme kuvveti) teorik olarak 30 katına çıkması sağlanabilir.

Redüktörsüz DC Motorlar:

Yüksek devir gerektiren fan, dremel, uzaktan kumandalı oyuncak arabalar gibi cihazlarda çoğunlukla redüktörsüz DC motor kullanılır. Özellikle RC (uzaktan kumandalı) arabalarda kullanılan motorlar gövde çapına göre 380, 540, 550, 720 gibi kısaltmalar ile anılır. 380 boyutundaki bir motorun gövdesinin çapı 38mm’dir.

DC Motor Sürücü Kartları:

İster redüktörlü olsun ister redüktörsüz, fırçalı DC motorları sürmek için daha önce de bahsetmiş olduğum H-köprüsü adı verilen devreler kullanılır. Bu devreyi 4 adet transistör kullanarak kendimiz yapabileceğimiz gibi, hazır olarak H-köprüsü devresini barındıran entegreler ve bu entegrelerin ihtiyaç duyacağı ekstradan kapasitör, diyot vb. gibi devre elemanlarını barındıran en pratik çözüm olan motor sürücü kartlarını tercih edebiliriz.

Fırçasız DC Motorlar:

Fırçasız motorların yapısını çok basit şekilde fırçalı motorun tam tersi şeklinde düşünebiliriz. Burada, mıknatıs kısmı motorun milinde bulunur ve sargılar (yani bobinler) sabit durur.

Dikkatinizi çektiyse, fırçasız motorların 3 adet kablosu bulunur. Bu kablolar, motor içindeki sarımların farklı fazlarına bağlıdır. Farklı fazlara farklı sıralarla elektrik akımı verildiğinde, rotor (motorun dönen parçası) içindeki mıknatıslara ters şekilde bir manyetik alan oluşur ve bu sayede motor döner. Fırçalı motorların aksine, bobinlere uygulanan gerilim için aşınan bir parça barındırmadığından, sürtünmeye bağlı verim kaybı ve bakım gerektiren parça sayısı daha azdır.

Fırçasız DC motorlar, rotorlarının çeşidine göre inrunner veya outrunner olarak adlandırılırlar. Inrunner tipi motorlarda rotor, motorun iç kısmında bulunur. Görünüş olarak tıpkı fırçalı DC motorlara benzerler.

Uzaktan kumandalı model arabalarda kullanılan fırçasız motorlar inrunner tiptedir. Outrunner tipi motorlarda ise sarımlar motorun iç kısmında yer alırken, rotor “çan” ismi verilen dış kısımdır. Model uçak ve helikopterle multikopterlerde kullanılan fırçasız motorlar bu tiptedir.

Solda inrunner, sağda ise outrunner tipi fırçasız motor yer almaktadır.

Fırçasız motorlar, yüksek performansları sebebiyle RC model araçlarda ve özellikle drone motoru olarak da oldukça sık kullanılır. Aynı zamanda bilgisayarlarımızda kullanılan fanlar da fırçasız motor barındırır.

Bu motorların en büyük dezavantajı, doğrudan gerilim verilerek kullanılamamalarıdır. Fırçasız motorlar çalışmak için mutlaka bir sürücüye ihtiyaç duyarlar. Bu sürücü devresine, modelciler kısaca ESC ismini vermiştir (electronic speed control). Farklı büyüklükteki motorların çalışmak için ihtiyaç duydukları akım ve gerilim değerleri değişiklik göstereceğinden, farklı akım ve gerilim değerlerine çıkabilen ESC’ler mevcuttur.

Fırçasız motorların:

• Artıları: Yüksek performans, bakım kolaylığı
• Eksileri: Sürücü ile kullanma zorunluluğu, maliyet

olarak özetlenebilir.

Servo Motorlar:

Servo motorlar, endüstriyel uygulamalarda çok daha farklı çeşitlerde ve büyüklüklerde kullanılsa da bu yazımızın konusu daha çok hobi elektroniğinde kullanılan servo motorlar olduğundan, bu büyük motorlardan bahsetmeyeceğim.

Servo motorlar, ilk olarak uzaktan kumandalı model araçlarda kullanılmıştır. Arabanın direksiyonunu, uçağın kanatlarını ve helikopterlerin swashplate dediğimiz mekanizmasını hareket ettirmede kullanılırlar. Genellikle 180° gibi çalışma açılarına sahiptirler. İstenilen konuma gitmesi ve o herhangi başka bir komut gelmediği sürece o konumda sabit kalması düşünülerek tasarlanmışlardır.

Servo motorlar, aslında içlerinde yine bir fırçalı veya fırçasız DC motor barındırırlar. Motorun dönüş hareketi bu motor ile sağlanır. Çoğunlukla çalışma gelirimleri 5V’tur. Bu motora ek olarak, servo motorların içinde bir dişli mekanizması, motor milinin dönüş miktarını ölçen bir potansiyometre ve motor sürme ve potansiyometreden konum bilgisini almak için bir devre bulunur. Servo içindeki motor hareket ettikçe potansiyometre döner ve kontrol devresi, istenilen konum ile motorun o anki konumunu karşılaştırarak motor sürme işlemini yapar.

Servo motorlar PWM sinyal ile çalışırlar. Bu PWM sinyal, bir model uzaktan kumanda setinden gelebileceği gibi, Arduino veya benzeri mikrokontrolcüler ile de sağlanabilir. PWM ile gelen sinyalin duty cycle değeri 1000 µs ise bu servo motorun 0° konumuna gitmesi anlamına gelir. Bu değer 2000 µs olduğunda ise motor hareket limitinin sınırına (çoğu servo için bu 180°’dir) ulaşmış olur.

Özel amaçlı olarak 360° ve sürekli dönebilen servo motorlar da mevcuttur.

Servo motorların:

• Artıları: hassas pozisyon kontrolü, sürücüye ihtiyaç duymaması
• Eksileri: Kısıtlı hareket imkanı

şeklinde özetlenebilir.

Step Motorlar:

Step motorlar, fırçalı yada fırçasız DC motorlar gibi sürülebilen ve çok hassas konum kontrol imkanı sağlayan motorlardır. Hassas konumlandırma isteyen CNC tezgahları ve 3B yazıcı gibi cihazlarda kullanılırlar. Faz bağlantı şekillerine göre unipolar veya bipolar şekillerde olabilirler.

Unipolar motorların kablolarındandan birisi ortak uç (negatif) olarak kullanılır. Aynı fazlar her zaman aynı tip (pozitif veya negatif) gerilimle sürüldüğünden sürücü devresi olarak faz başına birer transistör kullanılabilir. Unipolar motorlar, kolay sürülebilmelerine karşın her bir adımda sadece fazlardaki sarımların yarısı aktif olacağından sağlayacağı maksimum tork elde edilemez.

Bipolar motorların sarımlarında ortak uç bulunmaz ve her fazı ayrı ayrı sürmek gerekir. Daha karmaşık sürücü yapısına (örneğin L293 gibi bir H-köprüsü entegresi) ihtiyaç duymalarına karşın, her fazdaki sarımların tamamı kullanıldığından motorun verebileceği torkun tamamı kullanılabilir.

Piyasada farklı sayıda kabloya sahip step motorlar bulunmaktadır. Bunlar genellikle 4, 5, 6 ve 8 kablolu şeklindedir:

• 4 kablolu step motorlar sadece bipolar şekilde sürülebilir
• 5 ve 6 kablolu step motorlar ortak uç bulundurup bulundurmamasına göre unipolar veya bipolar olarak sürülebilir. Motorun 5 kablolu olması, ortak uçların motor içinde birleştirildiği anlamına gelir.
• 8 kablolu step motorlar ise genelde sık kullanılmasalar da, en esnek kullanımı sunarlar: unipolar 5 veya 6 kablolu kullanım imkanı sunmasının yanı sıra paralel veya seri bağlı bipolar olarak da sürülebilirler.

Step motorların:

• Artıları: Çok hassas pozisyon ve hız kontrolü, düşük devirde yüksek tork
• Eksileri: Verim, geribildirim mekanizması barındırmadığından harici konum limitlemeye gerek duyması

DC Motor Fiyatları

DC motorların fiyatları, çeşitlerine, kullanım alanlarına ve özelliklerine göre değişmektedir. Daha uzun ömürlü, kaliteli ve hassas çalışan motorlar tabi ki diğerlerine göre daha pahalıdırlar. Yazıdan da anlaşılacağı üzere “mükemmel motor” diye birşey yoktur. Her motor tipinin birbirine göre hız, tork, konumlama ve sürüş imkanları gibi konularda avantaj ve dezavantajı olduğundan yapılmak istenen uygulamaya göre maliyet göz önüne alınarak motor seçimi yapılması gerekir. Fiyatlara bakıldığında 10₺’lik DC motorlar da vardır, 540₺’lik motorlar da.

Sitemizde bulunan dc motor çeşitlerini inceleyebilirsiniz.

Mini DC Motorlar

Mini DC motorlar boyut olarak normal motorlardan daha küçüktürler. Çocukken oyuncakların içlerini açtığımızda karşımıza çıkan motorlar aslında bu tip motorlardır  Küçük mekanizmalarda, mini sumo robotlarda, RC (Uzaktan kumandalı) araçlarda ve çeşitli birçok projede kullanılırlar. Redüktörlü ve redüktörsüz olmak üzere kullanım amaçlarına göre farklı çeşitleri bulunmaktadır.

Bu yazımızda DC motor çeşitlerinden ve özelliklerinden, AC ve DC motorlar ve motor sürücülerinden bahsettik. Bir başka yazımızda görüşmek üzere, takipte kalın