NE555 PWM 회로로 12V DC 모터 속도 조절하기

12V DC 모터를 가변저항 하나로 직접 돌려 보면 금방 한계가 옵니다. 저항이 전류를 열로 바꿔 버리기 때문에 저항이 뜨거워지고, 저속에서는 토크가 확 죽어서 모터가 툭툭 멈춥니다. 그래서 모터 속도 조절은 보통 PWM으로 합니다. 전원을 아주 빠르게 켰다 껐다 하면서 켜져 있는 시간의 비율(듀티비)만 바꾸는 방식이죠. NE555 하나와 MOSFET 하나면 이 회로를 꽤 간단하게 꾸밀 수 있습니다.

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어떻게 속도가 바뀌나

NE555는 여기서 비안정 발진기로 동작합니다. 3번 핀(출력)에서 구형파가 나오는데, P1을 돌리면 주파수는 크게 변하지 않고 High 구간과 Low 구간의 비율이 바뀝니다. D1, D2 두 다이오드가 충전 경로와 방전 경로를 갈라 주기 때문에 가변저항의 한쪽은 충전 시간에, 다른 쪽은 방전 시간에 들어가는 구조라서 이런 동작이 나옵니다.

이 구형파가 47Ω 저항 R2를 거쳐 Q1의 게이트로 들어갑니다. MOSFET은 완전히 켜지거나 완전히 꺼지는 스위치로만 쓰이기 때문에 가변저항처럼 중간 상태에서 열을 내지 않습니다. 손실이 적고, 저속에서도 모터에 걸리는 순간 전압은 12V 그대로라 힘이 덜 빠진다는 게 이 방식의 장점입니다. 듀티비를 낮추면 평균 전력이 줄어 모터가 느려지고, 높이면 빨라집니다.

D3 쇼트키 다이오드는 모터 양단에 붙는 환류 다이오드입니다. 모터는 코일이라 MOSFET이 꺼지는 순간 역기전력이 튀는데, 이걸 D3가 받아 주지 않으면 MOSFET이 쉽게 상합니다. 일반 정류 다이오드보다 응답이 빠른 쇼트키를 쓰는 이유도 스위칭이 빠르게 반복되기 때문입니다.

방열과 전류 한계

원 회로 설명에 따르면 전류가 2A를 넘지 않으면 Q1과 D3에 방열판이 없어도 됩니다. 2A를 넘기면 MOSFET과 쇼트키 다이오드 양쪽 모두 충분한 크기의 방열판을 달아야 합니다. 한쪽만 달고 다른 쪽을 빠뜨리는 경우가 흔한데, D3도 모터가 꺼지는 순간마다 전류를 받기 때문에 생각보다 뜨거워집니다.

Q1(BUZ11)이 안전하게 흘릴 수 있는 전류는 약 10A 정도로 소개되어 있습니다. 대체 부품인 NTE2389는 원문에서 60V에서 최대 35A까지 가능하다고 적혀 있는데, 부품표의 30V/35A 표기와 차이가 있으니 실제로 고를 때는 데이터시트에서 VDS와 ID 정격을 직접 확인하는 게 맞습니다. 원 제작자는 고속 회전 시 열을 잡으려고 CPU 쿨러 팬을 추가로 붙였다고 합니다.

써 보면서 주의할 점

이 회로는 12V 모터뿐 아니라 12V DC 전구의 밝기 조절에도 그대로 쓸 수 있습니다. 다만 NE555의 출력 전압은 전원 전압을 따라가므로, 전원이 12V라면 MOSFET 게이트에도 거의 12V가 걸려 충분히 켜집니다. 5V 같은 낮은 전압으로 555를 돌리면 BUZ11 같은 일반 MOSFET은 완전히 켜지지 않아 발열이 커질 수 있으니, 그런 경우에는 로직 레벨 MOSFET을 쓰는 편이 낫습니다.

또 PWM 주파수가 가청 대역에 걸리면 모터에서 "윙" 하는 소리가 날 수 있습니다. 소리가 거슬리면 C1 값을 바꿔 주파수를 옮겨 보세요. 모터 전원 배선과 555 쪽 신호 배선은 가능하면 떨어뜨리고, C3 같은 큰 전해 콘덴서는 전원 입력부 가까이에 두는 편이 노이즈로 인한 오동작을 줄여 줍니다.

참고: PWM motor/light controller (uoguelph.ca, 현재 원문 페이지 없음) · 살다보면...