一种用于LED调光器和直流电机速度控制的简单555定时器降压调节器

在本文中，我们将制作使用555定时器IC的降压转换器和IRFZ44N N沟道MOSFET，并将其用作LED调光器电路或作为电动机速度控制器电路该电路基本上是一种简单的电力电子DC-DC降压转换器，可用于降压，由于发热量减少，其效率提高了电池寿命，是小型设备的一个有利可图的选择。我使用KiCAD设计了一个转换器电路，制作了一个简单的内部PCB，并用LED条测试了模块。

降压转换器与线性电压调节器有何不同？为什么它更高效？

降压转换器和线性调节器都是降压转换器，即输出电压低于输入电压。这个降压转换器采用PWM开关技术来降低电压，而线性调节器充当可变电阻器，不断地维持分压器网络，以保持恒定的输出，但不利的一面是它们以热量的形式浪费能量来维持输出。

由于降压转换器利用PWM信号来维持电压，理论上它是一个100%高效的系统，但在现实生活中，这些降压转换器的效率可以达到90-95%，而线性电压调节器的效率极低，这取决于输入和输出电压。因此，如果你正在设计一个小型电池操作系统降压变换器由于其更高的效率而更有意义。下表显示了线性稳压器和开关降压稳压器的区别.

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	降压式变换器	线性调节器
效率	高的	低的
复杂性	与线性电压调节器相比更高	低于降压转换器
大小	与线性电压调节器相比更大	小于降压转换器
范围	非常高（从几毫瓦到100千瓦）	低（几毫瓦到几瓦）
费用	低于线性电压调节器	低于降压转换器

Buck转换器是如何工作的？

简单的降压转换器通过在预定义的时间段（也称为占空比）内简单地断开和闭合开关来工作，以保持所需的输出电压。下图显示了一个简单的降压转换器拓扑其具有以下组件，用于提供输入电压的电压源，用于维持占空比的开关，用于减少输出负载变化的电感器，用于平滑输出的电容器，以及并联连接以保护开关（通常是晶体管）免受反向电压的影响的二极管。

降压转换器分为两个阶段工作。在阶段1中，开关S闭合，而在阶段2中，开关S断开。

第1阶段：开关闭合时

当开关闭合时，来自输入的电流流过电感器，电感器不允许电流突然变化，因此电感器两端的电流被转换为磁场，从而电感器开始充电。因此，当开关闭合时，电容器也存储电荷。

第2阶段：当开关打开时

现在开关断开，没有电流通过电感器，电感器充当电源，当电感器失去能量时，电容器也起到平滑输出的作用。当开关再次闭合时，重复该过程.

我们可以通过改变占空比来获得0和输入电压之间的任何输出电压。

使用555定时器的降压转换器

为了使系统在现实世界的应用中工作，我们需要比人类更快地打开和关闭开关。因此，我们使用PWM脉冲发生器以及晶体管作为执行该任务的开关。A.555定时器IC处于Astable模式可用于生成PWM输出，用于我们的操作。在连接到IC 555的无源和有源组件的帮助下，IC 555产生大约30KHz的频率。下面给出了NE555的引脚图。

555定时器PWM频率和占空比的计算公式

为了设计电路，我们使用了集成电路555定时器处于Astable模式。这里，输出脉冲在高状态和低状态之间连续切换。为了改变振荡的频率，我们可以改变与555定时器相连的电阻器和电容器（RC）网络的值。我们电路的上述值是使用以下公式选择的：

接通时间（秒）=0.693*（R1+R2）*C
关闭时间（秒）=0.693*R2*C
频率=1.44/（（R1+R2+R2）*C）
占空比D=PW/T,

在这里

D是占空比，压水是脉冲宽度（脉冲激活时间），以及T是信号的总周期，电阻器的所有值都以欧姆为单位，电容器的值都以法拉为单位。

上图显示了不同占空比下的波形。我们可以很容易地说，较高的占空比意味着设备通电的持续时间更长。

555基于定时器的降压调节器电路图

我在纸上设计了一个粗略的电路，并根据上面的公式计算了元件，并根据结果选择了元件。这个使用555定时器的降压调节器电路如下所示：

我们项目所需的组件：

• 1个NE555
• 1 x IRFZ44N–N沟道mosfet
• 1 x 200 R，电阻器
• 1 x 1K，电阻器
• 3 x IN4001二极管
• 1 x 100nF，电容器
• 1 x 1nF电容器
• 1 x 100k电位计
• 2 x 2针连接器

该电路使用555集成电路作为PWM发生器，因此整个电路都是基于相同的电路。所有8个引脚的连接如下所述。

• 引脚1连接到接地导轨。
• 引脚2和引脚6，通过1nF电容器接地。
• 引脚3连接到mosfet的栅极。该引脚将pwm输出发送到MOSFET的栅极。
• 引脚4连接到+ve输入导轨。
• 引脚5通过100nF电容器连接到地。它有助于稳定输出并提供对电噪声的免疫力。
• 引脚7通过1k电阻器连接到+ve输入，还连接到反向二极管设置。
• 引脚8连接到+ve导轨。

在上述电路中，N沟道MOSFET IRFZ44N被用作开关，由来自IC 555的微弱信号驱动。该Mosfet的漏极为电路提供负开关控制。它具有以下规格。

• VDSS=55伏
• RDS（开）=17.5米Ω
• ID=49A（内径=49A）

构建和测试我们的降压调节器电路

我用KiCad来设计原理图。下面所附的图片显示了KiCad屏幕的屏幕截图。在设计原理图后，我们为所有组件分配了适当的封装，并在PCB编辑器工具中排列了组件。在以令人满意的方式布置所有组件后，下一步是打印设计，以便蚀刻PCB。

下图显示了PCB是如何制造和测试的分步说明。你也可以在上查看文章如何自制多氯联苯如果你有兴趣自己制作这个PCB。这个项目中使用的gerber文件可以从下面下载。

Gerber链接

使用热熨斗将印刷品转移到覆铜板上，在板上留下电路的印记，这是通过将纸溶解在水中从覆铜板上去除而获得的。压痕留在了盘子上。然后，我们将电路板浸入氯化亚铁溶液（PCB蚀刻粉）中，该溶液去除了多余的铜，电路板上只剩下轨道。我们使用万用表测试了轨道的连续性，当我们满意时，使用PCB手钻，所有的孔都在要求的位置上。

我们将所有组件焊接到位，并使用12V LED灯带观看产品的运行情况。对于输入，我使用了一个电压源，提供恒定的11V输出。通过旋转电位计，可以调整LED条的亮度。

还使用该装置对12V直流电机进行了测试。工作保持不变，即通过调整输入电阻来改变占空比，因此通过旋转电位计来改变直流电机的速度，如下图所示。

现在，你在哪里可以使用这样的降压调节器？

降压转换器用于许多效率至上的应用，一些应用包括电池充电器、功率放大器、四旋翼机、电动汽车的动力总成和电池充电器、医疗应用、智能手机、笔记本电脑，也用于电机控制器等。

结论

基于555 IC的转换器是一种最简单但有效的方法，可以降低项目的复杂性和成本，同时实现高效率并提高组件的使用寿命。与线性电压调节器的40-60%的效率相比，这种简单的电力电子电路可以以高达95%的效率降压DC电压。这种驱动技术也适用于电机的速度控制和LED调光，而不会影响其寿命，使其成为电子项目中一种非常通用的电压控制选项。

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