Silniki elektryczne w elektronice

Silniki elektryczne przetwarzają energię elektryczną na ruch mechaniczny, stanowiąc kluczowy element wielu urządzeń i projektów. W kontekście hobbystycznej elektroniki silniki pozwalają wprawić w ruch roboty, pojazdy RC, mechanizmy automatyki domowej czy modele zabawek. Najczęściej wykorzystywane są silniki prądu stałego (DC), które charakteryzują się prostą konstrukcją i łatwym zasilaniem z baterii lub zasilaczy DC. Oprócz nich istnieją silniki krokowe zapewniające bardzo precyzyjny obrót podzielony na kroki oraz serwomechanizmy, czyli specjalne silniki z wbudowaną elektroniką sterującą pozycją wału. W projektach spotkać można również niewielkie silniczki wibracyjne (generujące drgania, np. w telefonach) czy silniki synchroniczne zasilane prądem zmiennym (stosowane np. w zegarach elektrycznych). Bogactwo rodzajów silników umożliwia dobranie odpowiedniego napędu do niemal każdego pomysłu.

Rodzaje silników i ich charakterystyka

Silniki prądu stałego (DC) – popularne silniczki zasilane napięciem stałym, spotykane m.in. w zabawkach, wentylatorach czy pojazdach modelarskich. Osiągają wysokie prędkości obrotowe, ale zazwyczaj ich moment obrotowy jest niewielki – dlatego często wyposaża się je w przekładnie redukcyjne zwiększające siłę kosztem prędkości. To uniwersalne napędy do ciągłego obrotu, świetnie sprawdzające się w prostych układach napędowych.

Silniki krokowe – silniki wykonujące obrót podzielony na dyskretne kroki. Każdy impuls sterujący przesuwa wał o zadaną liczbę stopni, co umożliwia bardzo precyzyjne pozycjonowanie bez potrzeby stosowania sprzężenia zwrotnego. Silniki krokowe wykorzystywane są tam, gdzie ważna jest kontrola położenia lub prędkości obrotowej – np. w drukarkach 3D, skanerach czy maszynach CNC. Wymagają one specjalnych sterowników sekwencyjnie załączających cewki silnika w odpowiedniej kolejności. Choć nie są najszybsze, zapewniają dużą kontrolę ruchu i powtarzalność.

Serwomechanizmy – nazywane w skrócie serwami, to układy zawierające silnik (zwykle DC), przekładnię oraz elektronikę sterującą z czujnikiem położenia. Serwo otrzymuje sygnał sterujący (np. z mikrokontrolera) określający żądany kąt obrotu wału i utrzymuje tę pozycję dzięki wewnętrznej pętli sprzężenia zwrotnego. Najczęściej obrót jest ograniczony do ok. 180° (serwa modelarskie). Stosuje się je w robotyce (ruch ramion, sterowanie kierunkiem pojazdów RC) oraz wszędzie tam, gdzie potrzebny jest precyzyjny ruch na zadany kąt.

Pozostałe typy silników – w niektórych projektach wykorzystuje się silniki mniej typowe. Przykładem są silniki synchroniczne AC, zasilane napięciem przemiennym i obracające się z prędkością zależną od częstotliwości sieci – stosowane w zegarach elektrycznych i innych mechanizmach o stałej, wolnej prędkości obrotowej. Inny rodzaj to silniczki wibracyjne, czyli miniaturowe silniki z niewyważonym obciążeniem na wale, generujące drgania zamiast obrotu (np. w telefonach jako wibracja). Choć specyficzne, również zaliczają się do szerokiej rodziny silników elektrycznych.

Na co zwrócić uwagę przy wyborze silnika?

Dobierając silnik do projektu, warto przeanalizować kilka kluczowych kwestii. Pierwszą z nich jest zasilanie – upewnijmy się, że dysponujemy źródłem napięcia odpowiednim dla danego silnika (np. 5V, 12V, 24V DC lub zasilanie sieciowe AC w przypadku silników synchronicznych). Kolejny istotny parametr to moment obrotowy i prędkość obrotowa. Jeśli potrzebujemy dużej siły (np. do napędu cięższego robota), szukajmy silnika o wyższym momencie – często oznacza to model z przekładnią. Z kolei dla szybko obracających się mechanizmów (wentylator, wirnik drona) priorytetem będzie duża prędkość (RPM). Warto również zwrócić uwagę na pobór prądu – mocniejsze silniki mogą wymagać sterowników i zasilaczy zdolnych dostarczyć znaczny prąd. Nie można zapomnieć o sposobie sterowania: silniki DC wymagają np. mostka H do zmiany kierunku, silniki krokowe – dedykowanego sterownika, a serwa – sygnału PWM o odpowiedniej częstotliwości. Na koniec uwzględnijmy gabaryty silnika i sposób montażu w konstrukcji (rozmiary, typ wału, mocowanie). Wybierając silnik dobrze dopasowany do wymagań projektu, zapewnimy sobie optymalną wydajność i niezawodność napędu.

Przykładowe produkty z oferty

• Silnik krokowy 28BYJ-48 (5V) z przekładnią + sterownik ULN2003 – miniaturowy silnik krokowy unipolarny wyposażony w przekładnię redukcyjną. W zestawie moduł sterownika ULN2003 umożliwiający łatwe sterowanie silnikiem za pomocą mikrokontrolera (np. Arduino).
• Silnik krokowy NEMA17 (42mm) – popularny bipolarny silnik krokowy stosowany w drukarkach 3D i CNC. Zapewnia wysoki moment obrotowy przy stosunkowo kompaktowych wymiarach. Wymaga dedykowanego sterownika (np. A4988 lub DRV8825) do pracy.
• Serwomechanizm Tower Pro MG996R – mocne serwo modelarskie o metalowych przekładniach, z zakresem ok. 180°. Charakteryzuje się uciągiem ok. 10 kg*cm, dzięki czemu nadaje się do sterowania większymi elementami (np. kierownice pojazdów RC, robotyczne chwytaki). Odbiera standardowy sygnał sterujący PWM.
• Silnik DC z przekładnią 1:48 (3–6V) – nieduży silnik prądu stałego z dołączoną przekładnią redukcyjną 1:48, dzięki czemu oferuje zbalansowaną prędkość (~200 obr/min przy 6V) i zwiększony moment obrotowy. Idealny do napędu małych robotów mobilnych lub mechanizmów wymagających umiarkowanej prędkości i siły.
• Silnik synchroniczny TYC-50 (230V AC) – niewielki silnik zasilany bezpośrednio z sieci 230V, obracający się z prędkością ok. 5–6 obr/min. Stosowany w aplikacjach wymagających wolnego, stałego obrotu w określonym tempie – np. w zegarach elektrycznych czy ekspozytorach obrotowych.

FAQ – pytania o silniki

P: Co to jest silnik prądu stałego (DC)?
O: To najprostszy typ silnika elektrycznego zasilany napięciem stałym. Składa się z nieruchomego stojana (z magnesami) i obracającego się wirnika z uzwojeniami. Przyłożenie napięcia powoduje przepływ prądu w uzwojeniach, wytworzenie pola magnetycznego i ruch obrotowy wirnika. Silniki DC są szeroko stosowane w zabawkach, wentylatorkach, napędach pojazdów RC itp.

P: Jak sterować prędkością i kierunkiem obrotów silnika DC?
O: Kierunek obrotów silnika prądu stałego zmieniamy, odwracając biegunowość jego zasilania (zamieniając plus z minusem). Natomiast do regulacji prędkości najczęściej stosuje się metodę PWM – czyli szybkie włączanie i wyłączanie zasilania w cyklach, co efektywnie zmniejsza średnie napięcie widziane przez silnik. Można też użyć regulatora napięcia analogowego, ale PWM jest bardziej efektywne i nie powoduje dużych strat energii.

P: Co to jest silnik krokowy i gdzie się go stosuje?
O: Silnik krokowy to taki, który obraca się o zdefiniowany kąt (krok) przy każdym impulsie sterującym. Dzięki temu można precyzyjnie kontrolować jego położenie bez czujników. Wykorzystuje się go w urządzeniach wymagających dokładnego przesuwu lub obrotu – np. w drukarkach 3D (przesuw osi), skanerach czy maszynach CNC.

P: Czym różni się silnik krokowy od zwykłego silnika DC?
O: Główna różnica to sposób pracy i kontrola. Silnik DC obraca się swobodnie po przyłożeniu napięcia, a jego prędkość zależy od napięcia zasilania. Silnik krokowy wymaga sekwencyjnego sterowania cewkami – porusza się krok po kroku, co pozwala na precyzyjne sterowanie kątem obrotu. Silnik DC jest prostszy i szybszy, natomiast krokowy – dokładniejszy, ale potrzebuje sterownika i ma mniejszą prędkość maksymalną.

P: Co to jest serwomechanizm?
O: Serwomechanizm (serwo) to układ składający się z silnika, przekładni oraz elektroniki kontrolnej. W odróżnieniu od gołego silnika, serwo może utrzymywać zadany kąt położenia. W praktyce steruje się je sygnałem PWM, a wewnętrzny kontroler w serwie dba o to, by wał obrócił się i pozostał na wymaganej pozycji. Serwa są używane m.in. w modelach zdalnie sterowanych (skręcanie kół, stery samolotów) oraz w robotyce do precyzyjnego poruszania elementami.

P: Jaki silnik najlepiej nadaje się do budowy robota jeżdżącego?
O: Najlepiej zastosować silniki prądu stałego z przekładniami, które zapewniają dobrą równowagę między prędkością a siłą napędową. Silniki krokowe są zbyt wolne i energochłonne do napędu kół, a serwomechanizmy wykorzystuje się raczej do sterowania (skrętu). Standardowo więc buduje się roboty jeżdżące na parze silników DC z przekładniami, sterowanych mostkiem H.

P: Czy silnik elektryczny może działać jako prądnica?
O: Tak. Większość silników prądu stałego, kiedy zostanie mechanicznie wprowadzona w ruch, zaczyna generować napięcie na swoich zaciskach – działa wtedy jak prądnica (generator). Zjawisko to wynika z indukcji elektromagnetycznej. W praktyce silnik DC może posłużyć jako prosta prądnica (np. w małych turbinach wiatrowych czy dynamach w rowerach). Trzeba jednak pamiętać, że nie każdy silnik jest do tego optymalny (silniki z magnesami trwałymi sprawdzają się lepiej).

P: Jakie parametry silnika są kluczowe przy jego doborze?
O: Do najważniejszych należą: napięcie znamionowe (jakim zasilaniem silnik powinien być zasilany), prąd i moc (określają zapotrzebowanie na energię i wpływają na dobór sterownika oraz zasilacza), prędkość obrotowa (RPM, czyli ile obrotów na minutę wykonuje wał bez obciążenia) oraz moment obrotowy (siła obrotowa, im większa, tym cięższe przedmioty silnik może poruszać). Analiza tych danych pomaga dobrać silnik do potrzeb projektu.