一个简单的555定时器Buck调节器用于LED调光器和直流电机速度控制

在本文中，我们将使用555定时器IC和IRFZ44N N沟道MOSFET制作降压转换器，并将其用作LED调光电路或电机速度控制器电路。该电路基本上是一个简单的电力电子DC-DC Buck转换器，可用于降压，其效率导致更好的电池寿命，因为减少了热量的产生，使其成为小型设备的有利可图的选择。我使用KiCAD设计了一个转换电路，并制作了一个简单的内部PCB，并用LED带测试了该模块。

降压转换器与线性稳压器有何不同，为什么它更有效?

降压变换器和线性稳压器都是降压变换器，即输出电压低于输入电压。降压变换器采用PWM开关技术降压，而线性调节器作为一个可变电阻，不断地维持分压器网络，以保持恒定的输出，但缺点是它们以热量的形式浪费能量来维持输出。

因为，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，这些降压转换器可以达到90 - 95%的效率，而线性稳压器效率极低，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供电系统，降压变换器更有意义，因为它的效率更高。下表显示了线性稳压器和开关降压稳压器的区别。

Buck转换器是如何工作的?

一个简单的降压变换器的工作原理是简单地打开和关闭开关在一个预定义的时间段，也称为占空比，以维持所需的输出电压。下图显示了一个简单的Buck转换器拓扑结构，它有以下组件：提供输入电压的电压源，维持占空比的开关，减少输出负载变化的电感，平滑输出的电容器和并联连接的二极管，以保护开关(通常是晶体管)免受反向电压的影响。

降压变换器分两级工作。在阶段1中，开关S闭合，在阶段2中，开关S打开。

阶段1：当开关闭合时

当开关闭合时，来自输入的电流流过电感，电感不允许电流突然变化，因此通过电感的电流被转换成磁场，从而电感开始充电。因此，当开关闭合时，电容器也存储电荷。

第二阶段：当开关打开时

现在开关是OFF，没有电流通过电感，电感是作为一个电源和电容器也在平滑输出时，电感失去能量。当开关再次关闭时，重复此过程。

我们可以通过改变占空比得到0和输入电压之间的任意输出电压。

Buck转换器使用555定时器

为了使系统在实际应用中工作，我们需要比人类更快地打开和关闭开关。因此，我们使用PWM脉冲发生器和晶体管作为开关来执行任务。稳定模式下的555定时器IC可用于为我们的操作生成PWM输出。IC 555在连接到它的无源和有源组件的帮助下产生大约30 KHz的频率。NE555的引脚图如下：

555定时器PWM频率和占空比的计算公式

在电路设计中，我们使用了IC 555定时器在稳定模式下工作。在这里，输出脉冲在高、低状态之间连续切换。为了改变振荡的频率，我们可以改变电阻和电容(RC)网络的值，与555定时器连接。我们的电路的上述值是用下面的公式选择的：

在这里,

D为占空比，PW为脉冲宽度(脉冲有效时间)，T为信号的总周期，所有电阻的值均以欧姆为单位，电容器的值均以法拉为单位。

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

基于定时器的降压稳压器电路图

我在纸上设计了一个粗略的电路，根据上面的公式计算元件，根据结果选择元件。使用555定时器的Buck稳压器电路如下所示：

本项目所需组件：

•1 × NE555

•1 × IRFZ44N - N通道mosfet

•1 × 200r，电阻

•1 x 1K，电阻

•3 x IN4001二极管

•1 × 100nF，电容

•1个1nF电容

•1 × 100k电位器

•2 x 2pin连接器

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

•引脚1连接地轨。

•引脚2和引脚6，通过1nF电容接地。

•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输入轨。

•引脚5用100nF电容连接到地。它有助于稳定输出和提供抗电噪声。

•引脚7与1k电阻连接到+ve输入，也连接到反向二极管设置。

•引脚8连接到+ve轨。

在上面的电路中，n沟道MOSFET IRFZ44N被用作开关，由IC 555发出的微弱信号驱动。该Mosfet的漏极为电路提供负开关控制。它具有以下规格。

VDSS = 55v

RDS(on) = 17.5mΩ

ID = 49A

建立和测试我们的降压调节器电路

我用KiCad来设计原理图。下面的图片显示了KiCad屏幕的截图。在完成原理图设计后，我们为所有组件分配了合适的足迹，并将组件排列在PCB编辑器工具中。在以令人满意的方式布置所有组件后，下一步是采取设计的打印输出，以便蚀刻PCB。

下面给出的图像显示了PCB是如何制造和测试的一步一步的说明。如果您对自己制作PCB感兴趣，您也可以查看有关如何制作自制PCB的文章。这个项目中使用的gerber文件可以从下面下载。

用热铁将印件转移到覆铜板上，在板上留下电路的印记，这是通过将纸从覆铜板上溶解在水中而获得的。印痕留在了盘子上。然后我们将电路板浸入氯化亚铁溶液(PCB蚀刻粉)中，去除多余的铜，只留下电路板上的轨道。我们使用万用表测试轨道的连续性，当满意时，使用PCB手钻，所有的孔都在要求的位置。

我们将所有组件焊接到位，并使用12V LED带查看产品的运行情况。对于输入，我使用电压电源，提供恒定的11V输出。通过旋转电位器，可以调节LED灯条的亮度。

还使用该设置测试了12 V直流电机。工作保持不变，即通过调整输入电阻来改变占空比，因此通过旋转电位器，直流电机的速度被改变，如下图所示。

现在，你可以在哪里使用像这样的Buck调节器?

降压转换器用于许多效率至关重要的应用中，一些应用包括电池充电器，功率放大器，四旋翼飞机，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的转换器是最简单，但有效的方法之一，可以保持项目的复杂性和低成本，同时实现高效率并提高组件的使用寿命。这种简单的电力电子电路可以降压直流电压，效率高达95%，而线性稳压器的效率为40-60%。这种驱动技术对于电机的速度控制和调光led也很有用，而不会影响其寿命，使其成为电子项目中非常通用的电压控制选项。

本文编译自circuitdigest