一個(gè)簡(jiǎn)單的555定時(shí)器Buck調(diào)節(jié)器用于LED調(diào)光器和直流電機(jī)速度控制

在本文中，我們將使用555定時(shí)器IC和IRFZ44N N溝道MOSFET制作降壓轉(zhuǎn)換器，并將其用作LED調(diào)光電路或電機(jī)速度控制器電路。該電路基本上是一個(gè)簡(jiǎn)單的電力電子DC-DC Buck轉(zhuǎn)換器，可用于降壓，其效率導(dǎo)致更好的電池壽命，因?yàn)闇p少了熱量的產(chǎn)生，使其成為小型設(shè)備的有利可圖的選擇。我使用KiCAD設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，并制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)部PCB，并用LED帶測(cè)試了該模塊。

降壓轉(zhuǎn)換器與線性穩(wěn)壓器有何不同，為什么它更有效?

降壓變換器和線性穩(wěn)壓器都是降壓變換器，即輸出電壓低于輸入電壓。降壓變換器采用PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)降壓，而線性調(diào)節(jié)器作為一個(gè)可變電阻，不斷地維持分壓器網(wǎng)絡(luò)，以保持恒定的輸出，但缺點(diǎn)是它們以熱量的形式浪費(fèi)能量來(lái)維持輸出。

因?yàn)?，降壓轉(zhuǎn)換器利用PWM信號(hào)來(lái)維持電壓，理論上它是一個(gè)100%高效的系統(tǒng)，但在現(xiàn)實(shí)生活中，這些降壓轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到90 - 95%的效率，而線性穩(wěn)壓器效率極低，這取決于輸入和輸出電壓。因此，如果你正在設(shè)計(jì)一個(gè)小型電池供電系統(tǒng)，降壓變換器更有意義，因?yàn)樗男矢?。下表顯示了線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器的區(qū)別。

Buck轉(zhuǎn)換器是如何工作的?

一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓變換器的工作原理是簡(jiǎn)單地打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)在一個(gè)預(yù)定義的時(shí)間段，也稱為占空比，以維持所需的輸出電壓。下圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的Buck轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它有以下組件：提供輸入電壓的電壓源，維持占空比的開(kāi)關(guān)，減少輸出負(fù)載變化的電感，平滑輸出的電容器和并聯(lián)連接的二極管，以保護(hù)開(kāi)關(guān)(通常是晶體管)免受反向電壓的影響。

降壓變換器分兩級(jí)工作。在階段1中，開(kāi)關(guān)S閉合，在階段2中，開(kāi)關(guān)S打開(kāi)。

階段1：當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)

當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，來(lái)自輸入的電流流過(guò)電感，電感不允許電流突然變化，因此通過(guò)電感的電流被轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)，從而電感開(kāi)始充電。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電容器也存儲(chǔ)電荷。

第二階段：當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)

現(xiàn)在開(kāi)關(guān)是OFF，沒(méi)有電流通過(guò)電感，電感是作為一個(gè)電源和電容器也在平滑輸出時(shí)，電感失去能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)再次關(guān)閉時(shí)，重復(fù)此過(guò)程。

我們可以通過(guò)改變占空比得到0和輸入電壓之間的任意輸出電壓。

Buck轉(zhuǎn)換器使用555定時(shí)器

為了使系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中工作，我們需要比人類更快地打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)。因此，我們使用PWM脈沖發(fā)生器和晶體管作為開(kāi)關(guān)來(lái)執(zhí)行任務(wù)。穩(wěn)定模式下的555定時(shí)器IC可用于為我們的操作生成PWM輸出。IC 555在連接到它的無(wú)源和有源組件的幫助下產(chǎn)生大約30 KHz的頻率。NE555的引腳圖如下：

555定時(shí)器PWM頻率和占空比的計(jì)算公式

在電路設(shè)計(jì)中，我們使用了IC 555定時(shí)器在穩(wěn)定模式下工作。在這里，輸出脈沖在高、低狀態(tài)之間連續(xù)切換。為了改變振蕩的頻率，我們可以改變電阻和電容(RC)網(wǎng)絡(luò)的值，與555定時(shí)器連接。我們的電路的上述值是用下面的公式選擇的：

在這里,

D為占空比，PW為脈沖寬度(脈沖有效時(shí)間)，T為信號(hào)的總周期，所有電阻的值均以歐姆為單位，電容器的值均以法拉為單位。

上圖顯示了不同占空比下的波形。我們可以很容易地說(shuō)，更高的占空比意味著設(shè)備通電的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

基于定時(shí)器的降壓穩(wěn)壓器電路圖

我在紙上設(shè)計(jì)了一個(gè)粗略的電路，根據(jù)上面的公式計(jì)算元件，根據(jù)結(jié)果選擇元件。使用555定時(shí)器的Buck穩(wěn)壓器電路如下所示：

本項(xiàng)目所需組件：

?1 × NE555

?1 × IRFZ44N - N通道m(xù)osfet

?1 × 200r，電阻

?1 x 1K，電阻

?3 x IN4001二極管

?1 × 100nF，電容

?1個(gè)1nF電容

?1 × 100k電位器

?2 x 2pin連接器

該電路使用555 IC作為PWM發(fā)生器，因此整個(gè)電路都是基于相同的。所有8個(gè)引腳的連接如下所述。

?引腳1連接地軌。

?引腳2和引腳6，通過(guò)1nF電容接地。

?引腳3連接到mosfet的柵極。該引腳將pwm輸出發(fā)送到MOSFET的柵極。

?引腳4連接到+ve輸入軌。

?引腳5用100nF電容連接到地。它有助于穩(wěn)定輸出和提供抗電噪聲。

?引腳7與1k電阻連接到+ve輸入，也連接到反向二極管設(shè)置。

?引腳8連接到+ve軌。

在上面的電路中，n溝道MOSFET IRFZ44N被用作開(kāi)關(guān)，由IC 555發(fā)出的微弱信號(hào)驅(qū)動(dòng)。該Mosfet的漏極為電路提供負(fù)開(kāi)關(guān)控制。它具有以下規(guī)格。

VDSS = 55v

RDS(on) = 17.5mΩ

ID = 49A

建立和測(cè)試我們的降壓調(diào)節(jié)器電路

我用KiCad來(lái)設(shè)計(jì)原理圖。下面的圖片顯示了KiCad屏幕的截圖。在完成原理圖設(shè)計(jì)后，我們?yōu)樗薪M件分配了合適的足跡，并將組件排列在PCB編輯器工具中。在以令人滿意的方式布置所有組件后，下一步是采取設(shè)計(jì)的打印輸出，以便蝕刻PCB。

下面給出的圖像顯示了PCB是如何制造和測(cè)試的一步一步的說(shuō)明。如果您對(duì)自己制作PCB感興趣，您也可以查看有關(guān)如何制作自制PCB的文章。這個(gè)項(xiàng)目中使用的gerber文件可以從下面下載。

用熱鐵將印件轉(zhuǎn)移到覆銅板上，在板上留下電路的印記，這是通過(guò)將紙從覆銅板上溶解在水中而獲得的。印痕留在了盤子上。然后我們將電路板浸入氯化亞鐵溶液(PCB蝕刻粉)中，去除多余的銅，只留下電路板上的軌道。我們使用萬(wàn)用表測(cè)試軌道的連續(xù)性，當(dāng)滿意時(shí)，使用PCB手鉆，所有的孔都在要求的位置。

我們將所有組件焊接到位，并使用12V LED帶查看產(chǎn)品的運(yùn)行情況。對(duì)于輸入，我使用電壓電源，提供恒定的11V輸出。通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器，可以調(diào)節(jié)LED燈條的亮度。

還使用該設(shè)置測(cè)試了12 V直流電機(jī)。工作保持不變，即通過(guò)調(diào)整輸入電阻來(lái)改變占空比，因此通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器，直流電機(jī)的速度被改變，如下圖所示。

現(xiàn)在，你可以在哪里使用像這樣的Buck調(diào)節(jié)器?

降壓轉(zhuǎn)換器用于許多效率至關(guān)重要的應(yīng)用中，一些應(yīng)用包括電池充電器，功率放大器，四旋翼飛機(jī)，電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成和電池充電器，醫(yī)療應(yīng)用，智能手機(jī)，筆記本電腦，也用于電機(jī)控制器等。

結(jié)論

基于555 IC的轉(zhuǎn)換器是最簡(jiǎn)單，但有效的方法之一，可以保持項(xiàng)目的復(fù)雜性和低成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率并提高組件的使用壽命。這種簡(jiǎn)單的電力電子電路可以降壓直流電壓，效率高達(dá)95%，而線性穩(wěn)壓器的效率為40-60%。這種驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)于電機(jī)的速度控制和調(diào)光led也很有用，而不會(huì)影響其壽命，使其成為電子項(xiàng)目中非常通用的電壓控制選項(xiàng)。

本文編譯自circuitdigest