一個簡單的555定時器Buck調節(jié)器用于LED調光器和直流電機速度控制

在本文中，我們將使用555定時器IC和IRFZ44N N溝道MOSFET制作降壓轉換器，并將其用作LED調光電路或電機速度控制器電路。該電路基本上是一個簡單的電力電子DC-DC Buck轉換器，可用于降壓，其效率導致更好的電池壽命，因為減少了熱量的產(chǎn)生，使其成為小型設備的有利可圖的選擇。我使用KiCAD設計了一個轉換電路，并制作了一個簡單的內部PCB，并用LED帶測試了該模塊。

降壓轉換器與線性穩(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開關技術降壓，而線性調節(jié)器作為一個可變電阻，不斷地維持分壓器網(wǎng)絡，以保持恒定的輸出，但缺點是它們以熱量的形式浪費能量來維持輸出。

因為，降壓轉換器利用PWM信號來維持電壓，理論上它是一個100%高效的系統(tǒng)，但在現(xiàn)實生活中，這些降壓轉換器可以達到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，如果你正在設計一個小型電池供電系統(tǒng)，降壓變換器更有意義，因為它的效率更高。下表顯示了線性穩(wěn)壓器和開關降壓穩(wěn)壓器的區(qū)別。

Buck轉換器是如何工作的?

一個簡單的降壓變換器的工作原理是簡單地打開和關閉開關在一個預定義的時間段，也稱為占空比，以維持所需的輸出電壓。下圖顯示了一個簡單的Buck轉換器拓撲結構，它有以下組件：提供輸入電壓的電壓源，維持占空比的開關，減少輸出負載變化的電感，平滑輸出的電容器和并聯(lián)連接的二極管，以保護開關(通常是晶體管)免受反向電壓的影響。

降壓變換器分兩級工作。在階段1中，開關S閉合，在階段2中，開關S打開。

階段1：當開關閉合時

當開關閉合時，來自輸入的電流流過電感，電感不允許電流突然變化，因此通過電感的電流被轉換成磁場，從而電感開始充電。因此，當開關閉合時，電容器也存儲電荷。

第二階段：當開關打開時

現(xiàn)在開關是OFF，沒有電流通過電感，電感是作為一個電源和電容器也在平滑輸出時，電感失去能量。當開關再次關閉時，重復此過程。

我們可以通過改變占空比得到0和輸入電壓之間的任意輸出電壓。

Buck轉換器使用555定時器

為了使系統(tǒng)在實際應用中工作，我們需要比人類更快地打開和關閉開關。因此，我們使用PWM脈沖發(fā)生器和晶體管作為開關來執(zhí)行任務。穩(wěn)定模式下的555定時器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定時器PWM頻率和占空比的計算公式

在電路設計中，我們使用了IC 555定時器在穩(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)絡的值，與555定時器連接。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(脈沖有效時間)，T為信號的總周期，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，更高的占空比意味著設備通電的持續(xù)時間更長。

基于定時器的降壓穩(wěn)壓器電路圖

我在紙上設計了一個粗略的電路，根據(jù)上面的公式計算元件，根據(jù)結果選擇元件。使用555定時器的Buck穩(wěn)壓器電路如下所示：

本項目所需組件：

?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，因此整個電路都是基于相同的。所有8個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被用作開關，由IC 555發(fā)出的微弱信號驅動。該Mosfet的漏極為電路提供負開關控制。它具有以下規(guī)格。

VDSS = 55v

RDS(on) = 17.5mΩ

ID = 49A

建立和測試我們的降壓調節(jié)器電路

我用KiCad來設計原理圖。下面的圖片顯示了KiCad屏幕的截圖。在完成原理圖設計后，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，下一步是采取設計的打印輸出，以便蝕刻PCB。

下面給出的圖像顯示了PCB是如何制造和測試的一步一步的說明。如果您對自己制作PCB感興趣，您也可以查看有關如何制作自制PCB的文章。這個項目中使用的gerber文件可以從下面下載。

用熱鐵將印件轉移到覆銅板上，在板上留下電路的印記，這是通過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。我們使用萬用表測試軌道的連續(xù)性，當滿意時，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)品的運行情況。對于輸入，我使用電壓電源，提供恒定的11V輸出。通過旋轉電位器，可以調節(jié)LED燈條的亮度。

還使用該設置測試了12 V直流電機。工作保持不變，即通過調整輸入電阻來改變占空比，因此通過旋轉電位器，直流電機的速度被改變，如下圖所示。

現(xiàn)在，你可以在哪里使用像這樣的Buck調節(jié)器?

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

結論

基于555 IC的轉換器是最簡單，但有效的方法之一，可以保持項目的復雜性和低成本，同時實現(xiàn)高效率并提高組件的使用壽命。這種簡單的電力電子電路可以降壓直流電壓，效率高達95%，而線性穩(wěn)壓器的效率為40-60%。這種驅動技術對于電機的速度控制和調光led也很有用，而不會影響其壽命，使其成為電子項目中非常通用的電壓控制選項。

本文編譯自circuitdigest