Silniki DC (prądu stałego) to podstawowe elementy napędowe spotykane w niezliczonych urządzeniach – od zabawek, przez wentylatory, po elektronarzędzia. Ich popularność wynika z prostej zasady działania: podanie napięcia stałego na dwa wyprowadzenia silnika powoduje obrócenie jego wału z prędkością zależną od wartości napięcia. Odwrócenie polaryzacji zmienia kierunek obrotów. Ta prostota sprawia, że silniczki DC są bardzo łatwe do zaimplementowania w projektach hobbystycznych – nawet początkujący konstruktor poradzi sobie z ich podłączeniem. Wewnątrz klasycznego silnika DC znajduje się wirnik z nawiniętymi cewkami, do którego doprowadzony jest prąd poprzez szczotki i komutator, oraz magnesy trwałe (lub elektromagnesy) na stojanie. Gdy prąd przepływa przez cewki wirnika, powstaje pole magnetyczne, które wchodzi w interakcję z polem stojana – w efekcie wirnik zaczyna się obracać. Komutator przełącza zasilanie cewek w odpowiednich momentach, zapewniając ciągłość obrotów.

Cechy i typowe zastosowania: Małe silniczki DC cechują się dużą szybkością obrotową (często od kilku do kilkunastu tysięcy obr/min bez obciążenia) oraz stosunkowo niewielkim momentem bez przekładni. Dlatego w wielu zastosowaniach wyposaża się je w przekładnie redukujące obroty – obniżając prędkość do kilkuset obr/min można uzyskać znacznie większą siłę na wyjściu, co jest przydatne np. w robotyce mobilnej. Silniki prądu stałego spotykamy codziennie: napędzają wentylatory (komputerowe, samochodowe), pompki (np. do wody w małych fontannach lub spryskiwaczach), napędy CD/DVD, mechanizmy w drukarkach, zabawki (samochodziki, drony – w tańszych modelach szczotkowe silniki DC), a nawet szczoteczki do zębów czy maszynki do włosów (choć tam częściej używa się już bezszczotkowych, ale zasada podobna). W kontekście hobbystycznym silniki DC są sercem większości robotów jeżdżących – np. prosty robot typu line follower korzysta z dwóch silniczków z przekładniami do napędu kół. Również w modelach RC łodzi i samochodów często znajdziemy szczotkowe silniki DC jako jednostki napędowe. Ich atutem jest natychmiastowa gotowość do pracy – nie potrzebują złożonego sterowania (choć do regulacji prędkości i zmiany kierunku przyda się sterownik/mostek H), wystarczy bateria. Dodatkowo są niewielkie i lekkie, przez co łatwo je zabudować nawet w ciasnych przestrzeniach.

Wyróżniki grupy silników DC: W porównaniu do silników krokowych czy serwomechanizmów, zwykłe silniki DC oferują ciągły obrót o dużej prędkości i płynną regulację obrotów przez zmianę napięcia lub modulację PWM. Nie utrzymują jednak konkretnej pozycji ani nie „wiedzą”, o ile się obróciły bez dodatkowych czujników – do precyzyjnego pozycjonowania trzeba dodać enkoder lub potencjometr (co w zasadzie tworzy serwomechanizm). Ich największą zaletą jest bardzo prosty układ sterowania: aby zmienić kierunek, używamy najczęściej mostka H (cztery tranzystory lub gotowy układ typu L293D, MX1508 itp.), a do kontroli prędkości – tranzystora sterowanego sygnałem PWM z mikrokontrolera. Silniki szczotkowe DC mają nieco mniejszą żywotność niż bezszczotkowe (BLDC) ze względu na zużycie szczotek, ale za to są dużo tańsze i łatwiejsze do zastosowania (BLDC wymagają specjalnych sterowników komutujących). Silniczki DC z przekładniami stanowią odrębną podkategorię warta uwagi – dzięki wbudowanej skrzyni zębatej mogą obracać wałem wyjściowym z użytecznymi prędkościami rzędu kilkudziesięciu do kilkuset obr/min, oferując przy tym spory moment obrotowy. Przykładowo, mały silnik bez przekładni może mieć 10000 rpm i ledwo uciągnąć swoje śmigiełko, ale ten sam silnik z przekładnią 1:100 będzie miał ok. 100 rpm i już zdolność np. napędzać koło małego robota po podłodze. Dostępne w naszym sklepie silniczki DC są zaprojektowane głównie z myślą o zasilaniu niskim napięciem (3–12 V), dzięki czemu można je bezpiecznie stosować z bateriami, akumulatorami lub zasilaczami w projektach domowych bez ryzyka porażenia.

Przykłady użycia: W świecie makerów silniki DC często wykorzystuje się do budowy robotów mobilnych. Przykładowo, konstrukcja czterokołowego robocika może wykorzystywać cztery silniki DC z przekładniami zamontowane bezpośrednio na kołach (tzw. silniki TT – żółte silniczki z przekładnią spotykane w zestawach do Arduino). W połączeniu z driverem (np. L298N) i mikrokontrolerem, umożliwiają one sterowanie prędkością i kierunkiem ruchu robota. Innym przykładem jest miniaturowy pojazd gąsienicowy – dwa silniki DC z silną redukcją napędzają gąsienice, pozwalając pojazdowi pokonywać przeszkody. Silniki DC świetnie sprawdzają się również w projektach wiatraków, wentylatorów, suwmarek – można zbudować model turbiny wiatrowej (silnik DC działa też jako prądnica), karuzelę, samochodzik-poduszkowiec z napędem śmigłowym itd. W modelarstwie latającym mniejsze silniki szczotkowe DC napędzają drobne modele samolotów czy dronów zabawkowych. W zastosowaniach domowych majsterkowicze budują zaś automatyczne karmniki, w których silnik DC obraca ślimak podający karmę, mini-wiertarki DIY, wkrętarki z silnika i butelki PET, a nawet miksery czy pompy membranowe opierając się o pomysł wykorzystania silnika prądu stałego jako napędu. Zastosowania są praktycznie nieograniczone – jeśli coś ma się obracać, ciągnąć, pchać lub napędzać mały mechanizm, silniczek DC prawdopodobnie spełni to zadanie.

Przykładowe produkty w ofercie elektroweb.pl – Silniczki DC

• Silnik DC 3–6V z przekładnią 1:48 (200 RPM, wał dwustronny) – popularny mały silniczek z żółtą przekładnią (znany jako „silnik TT”). Przy 6 V osiąga około 200 obr/min bez obciążenia. Dzięki przekładni 1:48 zapewnia przyzwoity moment obrotowy jak na swoje rozmiary – idealny do napędu lekkiego pojazdu, robota typu line follower czy małej platformy mobilnej. Posiada dwustronny wał: z jednej strony można zamontować koło, z drugiej enkoder optyczny do pomiaru prędkości lub drugi element mechanizmu. To podstawowy „wół roboczy” w wielu projektach edukacyjnych z Arduino.
• Silnik DC 3–6V z przekładnią 1:120 (100 RPM, wał jednostronny) – wariant silnika z przekładnią o wyższym przełożeniu. Redukcja 1:120 daje wolniejsze obroty (~100 obr/min przy 6 V), ale za to znacząco zwiększa moment – ten model poradzi sobie z nieco cięższym ładunkiem lub podjazdem na wzniesienia w przypadku robotów. Ma wyprowadzony jeden wałek, co ułatwia montaż w ciasnych konstrukcjach. Doskonale nadaje się do projektów wymagających większej siły kosztem prędkości, np. mały robot kroczący, mechanizm podnoszący szlaban w miniaturowej dioramie, czy napęd kołowrotu w modelu windy.
• Mikrosilnik DC typu 130 (3V) – klasyczny mały silniczek cylindryczny (prostokątna obudowa metalowa) bez przekładni, używany często w zabawkach. Charakteryzuje się bardzo wysokimi obrotami rzędu kilkunastu tysięcy rpm przy 3 V i niewielkim momencie. W ofercie elektroweb.pl dostępne są podobne silniczki, które można wykorzystać np. do budowy mini-wentylatora, wiatraczka na biurko, niewielkiej łódki napędzanej śrubą czy modelu samochodu z napędem bezpośrednim. Ze względu na wysokie obroty, silniki tego typu świetnie nadają się do eksperymentów z generowaniem prądu (jako prądnica, gdy obrócimy go zewnętrznie) oraz do projektów wymagających szybkiego ruchu.
• Uchwyt i koła do silników DC z przekładnią – oprócz samych silników oferujemy również akcesoria, takie jak plastikowe uchwyty montażowe dopasowane do obudowy silnika z przekładnią 1:48/1:120, co ułatwia solidne przykręcenie silników do ramy robota. W komplecie często dostępne są także koła pasujące bezpośrednio na oś silnika (np. o średnicy ~65 mm z oponką gumową). Dzięki temu klienci mogą od razu wyposażyć się we wszystkie elementy potrzebne do zbudowania jeżdżącej platformy – wystarczy dokręcić silniki do chassis, założyć koła i podłączyć zasilanie.

Najczęstsze pytania o silniczkach DC (FAQ)

P: Jak sterować prędkością silnika DC?
O: Prędkość obrotową silnika prądu stałego najprościej reguluje się poprzez zmianę napięcia zasilającego – im wyższe napięcie, tym szybciej się kręci (w granicach dopuszczalnych dla danego modelu). W praktyce zamiast analogowo zmieniać napięcie, stosuje się modulację PWM. Polega to na podawaniu na silnik szybko przełączanego sygnału prostokątnego o zmiennym wypełnieniu – średnia wartość napięcia docierającego do silnika zależy od wypełnienia. Mikrokontrolery (Arduino, Raspberry Pi) umożliwiają generowanie takiego sygnału i za pomocą tranzystora lub dedykowanego drivera można płynnie regulować obroty silnika od zera do maksimum. Ważne jest, by częstotliwość PWM była na tyle wysoka, aby silnik nie reagował drganiem – zazwyczaj kilkanaście lub kilkadziesiąt kHz wystarcza do płynnej regulacji.

P: Jak zmienić kierunek obrotów silnika DC?
O: Aby odwrócić kierunek, należy zmienić polaryzację napięcia zasilania silnika (zamienić plus z minusem). Ręcznie można to zrobić np. przez przełożenie przewodów lub użycie przełącznika DPDT zmieniającego bieguny. W automatyce i robotyce stosuje się tzw. mostek H – układ czterech tranzystorów (lub dwóch podwójnych tranzystorów w strukturze mostka), który umożliwia elektroniczne przełączanie polaryzacji. Popularne układy scalone, jak L293D, L298N czy nowoczesne mostki na tranzystorach MOSFET, pozwalają sterować kierunkiem (i prędkością poprzez PWM) za pomocą pinów logicznych mikrokontrolera. W praktyce więc, żeby mieć kontrolę nad kierunkiem i szybkością silnika DC w projekcie, warto zaopatrzyć się w moduł sterownika silników DC kompatybilny z naszym napięciem i prądem silnika.

P: Czy mogę podłączyć silniczek DC bezpośrednio do baterii/mikrokontrolera?
O: Bezpośrednio do baterii – tak, o ile napięcie baterii odpowiada wymaganemu zakresowi silnika. Silniki DC są często zasilane z baterii AA (1.5 V – zazwyczaj 2xAA lub 4xAA czyli 3V lub 6V), z akumulatorów Li-Po (nominalnie 7.4 V lub 11.1 V dla większych, ale małe silniczki raczej do 6 V) lub z zasilaczy 5–12 V. Ważne jest, aby nie przekraczać maksymalnego napięcia – inaczej silnik może się nadmiernie nagrzewać i zużywać. Natomiast nie należy podłączać silnika DC bezpośrednio do wyjścia mikrokontrolera (np. pinu Arduino) – taki pin dostarcza bardzo mały prąd (20–30 mA), podczas gdy nawet mały silniczek przy starcie potrafi pobrać kilkaset mA. Grozi to uszkodzeniem układu. Dlatego zawsze pomiędzy mikrokontrolerem a silnikiem musi być element wykonawczy: tranzystor, driver lub przekaźnik, który zapewni odpowiedni prąd z osobnego źródła zasilania, a mikrokontroler tylko steruje tym elementem (np. podając sygnał sterujący na bazę tranzystora lub wejście drivera).

P: Czym różni się silnik szczotkowy (DC) od silnika bezszczotkowego (BLDC)?
O: Silnik szczotkowy DC (taki jak w tej kategorii) wykorzystuje mechaniczny komutator i szczotki do przełączania zasilania cewek wirnika. Iskrzenie na szczotkach to normalny efekt uboczny, a same szczotki z czasem się zużywają. Zaletą jest łatwość użycia – podłączasz napięcie i działa. Silnik bezszczotkowy (BLDC) ma komutator elektroniczny – zazwyczaj trzyfazowy układ, gdzie cewki są w stojanie, a wirnik to magnes. Sterownik BLDC (ESC w modelarstwie) sekwencyjnie zasila cewki, obracając pole i ciągnąc za sobą wirnik. BLDC nie ma szczotek, więc jest trwalszy i może osiągać większą sprawność oraz prędkości. Jednak nie zadziała bez odpowiedniego sterownika (nie można go po prostu podpiąć do baterii – musi być komutowany elektronicznie). W skrócie: szczotkowy jest prosty, tańszy, ale wymaga więcej konserwacji i ma mniejszą żywotność; bezszczotkowy jest wydajniejszy i trwalszy, lecz potrzebuje bardziej zaawansowanego układu sterowania.

P: Dlaczego silnik z przekładnią jest słabszy/szybszy od innego – co oznacza przełożenie?
O: Przekładnia mechaniczna zmienia stosunek prędkości do momentu. Jeśli mówimy, że przekładnia ma przełożenie 1:48, to znaczy, że wałek silnika wykona 48 obrotów, aby wałek wyjściowy przekładni wykonał 1 obrót. Taka przekładnia redukuje prędkość – wyjście obraca się 48 razy wolniej niż silnik – ale zwiększa moment (siłę obrotową) 48 razy minus straty na tarciu. Silnik z przekładnią 1:120 będzie jeszcze wolniejszy, ale silniejszy. Dlatego wybór przełożenia zależy od potrzeb: do szybkiej jazdy robota lepsza będzie mniejsza redukcja (np. 1:48 daje większą prędkość kół), ale jeśli robot ma mieć siłę pokonywać wzniesienia lub ciągnąć ciężar, lepsza jest większa redukcja (np. 1:120 – wolniej, ale z większym momentem). Określenie „silnik słabszy/szybszy” bywa mylące – tak naprawdę to ten sam silnik, tylko z inną skrzynią biegów. Przekładnia nie dodaje mocy, tylko zamienia ją w kombinację prędkości i momentu. Warto też zauważyć, że przekładnie wielostopniowe (większe redukcje) wprowadzają nieco większe opory i luzy, więc ultra duże przełożenie da co prawda ogromny moment, ale ruch może być mniej płynny i sprawność całości niższa.

P: Silniczek po podłączeniu do zasilania nie rusza, tylko buczy – co może być przyczyną?
O: Jeśli to silnik szczotkowy DC, przyczyn może być kilka: po pierwsze przeciążenie mechaniczne – coś blokuje wał (np. za duże obciążenie przekładni) i silnik nie ma siły ruszyć. Buczenie może w rzeczywistości być wibracją mechanizmu próbującego się poruszyć. Należy wtedy zmniejszyć obciążenie lub zastosować silnik o większym momencie/przekładni. Druga możliwość to zbyt niskie napięcie lub wydajność prądowa zasilania – silnik potrzebuje odpowiedniego „kopa” na starcie, jeśli zasilacz/bateria nie jest w stanie dostarczyć odpowiedniego prądu, napięcie siada i silnik stoi. Warto sprawdzić baterie lub użyć mocniejszego źródła zasilania. Wreszcie, może to być zużycie lub usterka silnika – w starych silnikach szczotki lub komutator mogą się zużyć; czasem drobinka zanieczyszczeń blokuje komutator. W takiej sytuacji pomaga lekkie pokręcenie wałem ręcznie (uwaga, odłącz najpierw zasilanie) i ponowne podłączenie – bywa, że ruszy. Jeżeli silnik długo leżał, szczotki mogły zaśniedzieć – kilkanaście szybkich podłączeń i odłączeń może pomóc oczyścić styki. Jeśli jednak buczy (a właściwie wydaje dźwięk drżenia) i nie kręci mimo braku obciążenia, może być uszkodzony – wtedy lepiej go wymienić.

P: Jakie zabezpieczenia stosować przy silnikach DC?
O: Podstawowym zabezpieczeniem jest dioda przeciwprzepięciowa (dioda flyback) podłączona równolegle do silnika (anoda do masy, katoda do plusa). Gdy wyłączamy zasilanie silnika, indukcyjność jego uzwojeń generuje impuls napięciowy, który mógłby uszkodzić tranzystory lub układy – dioda zapewnia drogę dla tego impulsu, chroniąc elektronikę. Warto ją zawsze stosować, chyba że korzystamy z gotowych modułów sterujących, które już mają diody wbudowane. Innym zabezpieczeniem jest bezpiecznik lub polimerowy bezpiecznik PTC w obwodzie zasilania – chroni przed nadmiernym poborem prądu (np. w razie zablokowania silnika). W robotyce często stosuje się też układy kontroli prądu – wiele sterowników (np. mostki H na MOSFETach) ma pomiar prądu i może odciąć zasilanie, gdy prąd przekroczy ustalony limit (zabezpieczenie przeciwzwarciowe). Jeśli budujesz pojazd zasilany z Li-Po, warto uwzględnić, że silniki przy zablokowaniu mogą pobrać prąd kilkukrotnie większy niż nominalny – stąd bezpiecznik 2–3 A na kanał bywa wskazany przy małych silnikach. No i oczywiście zabezpieczenie termiczne – dotyczy głównie większych silników: jeśli pracują pod sporym obciążeniem, mogą się grzać, więc czujnik temperatury lub choćby kontrola czasowa (pozwolić ostygnąć) zapewnią dłuższą żywotność. W przypadku małych silniczków do zabawek zazwyczaj wystarcza dioda i zdrowy rozsądek, by nie katować napędu ponad jego możliwości.