Elektrik motorlarını temel olarak 2 gruba ayırırız: AC motorlar ve DC motorlar.

AC motorlar alternatif akım ile çalışır ve bu yazımızın konusu değil. Bu yüzden biz DC motorlar ile ilgileneceğiz.

DC motorları da temel olarak 2 gruba ayırırız:

Fırçasız DC motor ve Fırçalı DC motor

Fırçalı Motor:

Üzerinden akım geçen teller bir manyetik alan yaratır. Aşağıdaki fotoğrafta manyetik alan çizgilerinin demir tozları ile bir görüntüsü görünüyor. Mıknatıslar, manyetik alan sayesinde oluşan manyetik kuvvet tarafından itilip çekilebilir.

Elektrik motorları da bu prensibi kullanarak elektrik enerjisini harekete çevirir. Şimdi etrafında mıknatıs olan bir telden akım geçirirsek dönecektir ve duracaktır. Çünkü akımın yönünü değiştirmediğimiz için oluşturduğumuz manyetik alanın yönü de değişmez. Bu yüzden döndükten sonra kutuplar değişeceğinden manyetik alanın yönünü de değiştirmek gerekir. Yani elektrik akımının yönünü değiştirmek gerekiyor. Bunu da fırça sistemi ile çözeriz. Dönen tel ile pilden gelen elektrik akımı birbirine sürtecek şekilde bağlıdır. Sisteme elektrik geldiğinde tel yarım tur döner, dönerken uçlarının da yönü değiştiği için elektrik akımının geldiği yerdeki diğer metal parçaya sürterek elektrik alır. Ardından tekrar yarım tur döner. Bu döngü sürekli gerçekleşerek fırçalı motor çalışır. Fırça sistemi aşağıdaki fotoğrafta daha net belli olmaktadır.

Fırçalı motorları doğrudan bir doğru akım kaynağı ile çalıştırabiliriz. Akımın yönünü değiştirmek için ayrıyeten bir şeye ihtiyaç duymayız. Bu sebepten dolayı kullanımları kolaydır. Fakat bu motorları düşük akım ile çalışan mikrokontrolcüler ve kumanda alıcıları ile çalıştıramayız. İhtiyaç duydukları akım, mikrokontrolcülerin dayanabileceği maksimum akım miktarını geçerse mikrokontrolcü zarar görür. Bunun önüne geçmek ve hız kontrolünü sağlamak için motor sürücüler veya ESC(elektronik hız kontrolcüsü) kullanırız.

ESC Nasıl Çalışır? Fırçalı ESC?

ESC’ler yarı iletken teknolojisini kullanarak çalışır. Yarı iletkenler, karbon, silisyum gibi elementler, normal durumda yalıtkan olup dışarıdan akım, ısı veya ışık gibi uyarı aldığında iletken hale geçen elementlerdir. Bu elementler atomik boyutta belirli şekillerde dizilerek diyot ve transistörü oluşturur. Diyot, elektrik akımını tek yönde geçiren devre elemanıdır. Transistör ise elektrik akımı ile tetikleyince iletken olan bir devre elemanıdır.

Yapacağımız ESC’de mosfet kullanacağız. Mosfetler, transistörlere göre daha yüksek akım geçirebilmesinden dolayı projelerimizde ön plana çıkıyor. Projemizde kullanacağımız IRFZ44N mosfetinin datasheetinde 25 derece sıcaklıkta 49A’e kadar akım taşıyabileceği yazmaktadır. Bu bizim için fazlasıyla yeterli. Daha büyük projelerde seçilecek mosfetin geçireceği akım da önemli yer tutuyor.

Aşağıdaki fotoğrafta mosfetin bacak sıralaması gözükmekte. 

Gate: Elektrik akımı oluşturarak mosfeti tetikleyeceğimiz bacak.

Drain ve Source: Kullanacağımız yüksek akımın geçtiği bacaklar. N tipi mosfetlerde drain’den source’a akarken P tipi mosfetlerde tam tersidir.

Peki kumandadan gelen çıkışı neden doğrudan mosfete bağlayamayız? Çünkü mosfeti sürmek için analog ya da pwm sinyale ihtiyaç vardır. Fakat kumandalar ppm türünde sinyal ile haberleşir. Bu yüzden doğrudan mosfete bağlayamayız. Projemizde kumandadan gelen ppm tipinde sinyali Arduino pro mini çözümleyip pwm sinyaline çevireceğiz.

Optokuplör

Başka bir parça olan optokuplöre gelelim. Optokuplörler mikrodenetleyicileri korumak için biçilmiş kaftan. Optokuplörler, devrelerdeki farklı elektrik akımlarını birbirinden ayırmak için kullanılır. İçindeki led ile karşı taraftaki fototransistörü uyararak elektrik akımının arasına ışıkla ile koruma yapar. İki taraf da ışıkla haberleştiği için diğerinden gelecek feedback akımlarından korur. Projemizde ise optokuplör kullanmayı feedback akımlarının çok yüksek seviyelere çıkmayacağından tercih etmedik.

Batarya Eleme Devresi / Battery Eliminator Circuit ( BEC )

Değinmemiz gereken bir diğer konu ise BEC. Açılımı “Battery Eliminator Circuit” olan BEC’in Türkçesi “Batarya Eleme Devresi”dir. Batarya eleme devresi denilmesinin sebebi ise bu devreler olmadan önceki zamanlardır. Bu zamanlar, ana elemanı(motor) beslemek için gereken pilin yanında bunu yönetecek mikrodenetleyiciyi beslemek için ayrı pil kullanılmasıydı. Bu devrelere bu yüzden mikrodenetleyiciyi beslemek için gereken pil gereksinimini iptal ettiği için batarya eleme devresi denmiştir. Yani BEC, projemizde motoru besleyecek pilin voltajını düşürerek mikrodenetleyiciyi beslemek için gereken voltajı sağlayacak devredir. Bu devreler rc hobide esc’lerden ayrı ya da entegre şekilde kullanılabilir. Bizim de batarya eleme devremiz esc’nin üzerinde olacaktır. 

Projede kullanacağımız Arduino Pro Mini, 5V ile çalışmaktadır. Bu yüzden batarya voltajını 5 volta düşüren regülatöre ihtiyacımız var. Regülatör olarak lm7805 kullanacağız. Lm7805, giriş voltajını ısıya çevirerek 5 volta düşürür. Bu verimlilik açısından dezavantaj olsa da kolay kullanımı ve erişilebilir olması sebebiyle projemizde yer aldı. Aşağıda 78 serisi regülatörlerin datasheetinde yer alan kullanımı gözüküyor. 0.33 ve 0.1 uF kondansatör ile destekleyerek rahatça kullanılmakta.

Devre aşağıdaki gibi olacaktır. Devreyi açıklayacak olursak sağdaki üçlü konnektör alıcıya bağlı olacak şekilde getirdiği sinyal Arduino’nun dijital 6 pinine bağlıdır. Bu sinyali işleyen Arduino, pwm pini olan 11 numaralı pinden 1 K ohmluk direnç ile mosfetin gate bacağına bağlıdır. Ayrıca girişten gelen voltaj 5 volta düşürüldükten sonra hem Arduinonun 5V pinine hem de alıcının güç girişine bağlanmıştır ve devredeki tüm eksi hattı ground aracılığı ile birbirine bağlanmıştır.

void setup() {
pinMode(6,INPUT);
pinMode(11,OUTPUT);
}
void loop() {
int deger = pulseIn(6,HIGH); // ppm tipinde veriyi okuduk
deger = map(deger,1000,2000,0,255); //Veriyi 8 bite çevirdik
analogWrite(11,deger); // 11 numaralı pinden mosfete çıkış
delay(50);
}

Devreyi uygulamak için delikli plaket üzerine kurduk. Ayrıca Arduino’nun boş kalan pwm pinlerine 3 tane servo çıkışı bırakarak projeyi ilerde yapılabilecek güncellemelere açık bıraktık. Mosfete ise bir soğutucu bağladık.

ESC’yi denemek için fırçalı motorlu RC uçağa bağladık:

Kaynaklar ve fotoğraflar:

https://brilliant.org/wiki/magnetic-field-lines/

https://physics.stackexchange.com/questions/496925/potential-drop-across-inductor-vs-potential-drop-across-rotating-coils-in-b-fi

https://components101.com/articles/what-is-optocoupler-and-how-it-works

https://www.rcpano.net/2020/04/30/how-to-make-basic-and-cheap-brushed-esc-for-rc-airplanes/

Fırçalı ESC Tasarımı ve Yapımı yazısı ilk önce Robo90 - Blog üzerinde ortaya çıktı.