電子工作でモーターをはじめとしたコイルを扱うと、回路が一気に不安定になることがあります。LEDを光らせるだけの回路と違い、モーターには比較的大きな電流が流れ、動き始めや停止時には電源ラインや制御回路へ影響を与えることがあります。
そのため、モーターの制御をする場合、部品の種類だけでなく、電流がどこから入り、どこを通って戻るのかを考えることが大切です。この記事では、DCモーターを使った電子工作を例に、電源ライン、GND、逆起電力対策、逆接続保護など、モーターを安全に動かすための基本を整理します。
モーターを動かす回路は電流の流れが重要
電子工作でDCモーターを使うとき、電源をつなげば回るため、最初は単純な部品に見えるかもしれません。しかし、マイコンで回転を制御したり、スイッチやMOSFETでオン・オフしたりする場合は、電流の流れをきちんと考える必要があります。
特にモーター制御基板では、マイコンが扱う小さな信号と、モーターに流れる比較的大きな電流が同じ基板上に混在します。信号線だけを見ていると問題がなくても、電源ラインやGNDの取り方が悪いと、マイコンがリセットしたり、センサー値が不安定になったりすることがあります。
モーターは止める瞬間にも電圧(逆起電力)を発生させる
モーターやリレーのようなコイルを含む部品は、電流を急に止めたときに逆起電力を発生させます。逆起電力は、誘導性負荷をオフしたときに発生する逆方向の電圧で、接続されている電子デバイスの誤動作や破壊につながる可能性があります。
そのため、モーター回路では「どうやって回すか」だけでなく、「止めた瞬間のエネルギーをどこへ逃がすか」も重要です。小さなモーターでも、スイッチングの瞬間にはノイズや電圧スパイクが発生し、電気信号に影響する場合があります。
保護ダイオードで電流の逃げ道を作る
モーターやリレーをトランジスタやMOSFETで駆動する場合、コイルに並列にダイオードを入れて逆起電力を逃がす方法があります。このようなダイオードのことを、フリーホイールダイオード、還流ダイオード、フライホイールダイオードなどと呼びます。
ここで大切なのは、モーターの電流が止まったあと、一瞬発生する逆起電力がどこを通るかを考えることです。ダイオードの向きが逆だと保護として働かないため、回路図と基板上の極性表示を必ず確認します。
電源の逆接続保護も考えるべき
モーターを制御する基板に限らず、電源コネクタのプラスとマイナスを間違えて接続する可能性もあります。この場合は、逆接続されたときに回路が壊れにくくなるよう、入力部に保護回路を入れることがあります。
簡単な方法は、電源ラインにダイオードを直列に入れることです。ただし、この方法では通常動作時にもダイオードの順方向電圧分だけ電圧が下がります。ただし5Vのマイコンボードなど、低電圧で動作する回路では、この電圧降下が致命的になる場合があります。
ダイオードによる電圧降下を小さくしたい場合は、Pch MOSFETを使った逆接続保護も選択肢になります。Pch MOSFETによる逆接続保護回路は、入力が順方向のときMOSFETがオンし、逆方向のときはオフになることで後段の回路を保護できます。
電源ラインとGNDを分けて考える
モーターが回り始める瞬間は、定常状態よりも大きな電流が流れることがあります。その電流がマイコン用のGNDや信号線の近くを通ると、電圧の揺れやノイズとして影響が出ることがあります。
そのため、モーター用の電源ラインは太めにし、マイコンやセンサーの信号線とはできるだけ分離して設計すると安心です。GNDは単なるマイナス線ではなく、電流が戻る経路です。どの電流がどこから入り、どこへ戻るのかを基板上で追うと、トラブルの原因を見つけやすくなります。
まとめ：モーター制御は保護回路まで含めて考えよう
モーターやリレーなどのコイルを扱う制御基板では、ON時の大きな電流だけでなく、OFFした瞬間に発生する逆起電力にも注意が必要です。MOSFETやトランジスタを守るためには、フライホイールダイオードなどで電流の逃げ道を用意しておきます。
また、電源の逆接続、ダイオードによる電圧降下、GNDの戻り経路も動作の安定性に関わります。モーター制御基板を見るときは、電源、負荷、スイッチング素子、保護部品、GNDまでの流れを順番に追うことが大切です。