Nguồn Buck đơn giản sử dụng IC 555 cho bộ điều chỉnh độ sáng LED và điều khiển tốc độ động cơ DC

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tạo một bộ chuyển đổi buck sử dụng IC hẹn giờ 555 và một MOSFET IRFZ44N kênh N và sử dụng nó làm mạch điều chỉnh độ sáng LED hoặc làm mạch điều khiển tốc độ động cơ . Mạch này về cơ bản là một bộ chuyển đổi DC-DC Buck thiết bị điện tử công suất đơn giản có thể được sử dụng để giảm điện áp, hiệu quả của nó dẫn đến tuổi thọ pin tốt hơn do giảm sinh nhiệt khiến nó trở thành một lựa chọn sinh lợi cho các thiết bị nhỏ hơn. Tôi đã thiết kế một mạch chuyển đổi sử dụng KiCAD và chế tạo một PCB nội bộ đơn giản và thử nghiệm mô-đun với dải đèn LED.

Bộ chuyển đổi buck khác với bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính như thế nào và tại sao nó lại hiệu quả hơn?

Cả bộ chuyển đổi buck và bộ điều chỉnh tuyến tính đều là bộ chuyển đổi bước xuống, tức là điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào. Các bộ chuyển đổi buck sử dụng kỹ thuật chuyển mạch PWM để giảm điện áp, trong khi bộ điều chỉnh tuyến tính hoạt động như một biến trở liên tục duy trì mạng phân áp để duy trì sản lượng không đổi, nhưng mặt trái là chúng lãng phí năng lượng dưới dạng nhiệt để duy trì sản lượng.

Vì, một bộ chuyển đổi buck sử dụng tín hiệu PWM để duy trì điện áp, về mặt lý thuyết nó là một hệ thống hiệu quả 100%, nhưng trong thực tế, những bộ chuyển đổi buck này có thể đạt hiệu quả 90 – 95% trong khi bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính cực kỳ kém hiệu quả, tùy thuộc vào đầu vào và điện áp đầu ra. Vì vậy, nếu bạn đang thiết kế một hệ thống hoạt động bằng pin nhỏ, một  bộ chuyển đổi buck sẽ có ý nghĩa hơn do hiệu quả cao hơn của nó. Bảng dưới đây cho thấy sự khác biệt giữa bộ điều chỉnh tuyến tính và bộ điều chỉnh buck chuyển mạch .

Bộ chuyển đổi Buck hoạt động như thế nào?  

Một bộ chuyển đổi buck đơn giản hoạt động bằng cách chỉ cần mở và đóng công tắc trong một khoảng thời gian xác định trước, còn được gọi là Duty cycle để duy trì điện áp đầu ra cần thiết. Hình bên dưới cho thấy cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi Buck đơn giản có các thành phần sau, nguồn điện áp để cung cấp điện áp đầu vào, công tắc để duy trì chu kỳ làm việc, cuộn cảm để giảm sự thay đổi đối với tải đầu ra, tụ điện để làm trơn đầu ra và một diode được kết nối song song để bảo vệ công tắc (thường là một bóng bán dẫn) khỏi điện áp ngược.

Một bộ chuyển đổi buck hoạt động trong 2 giai đoạn. Trong Giai đoạn 1, công tắc S đóng và trong Giai đoạn 2, công tắc S mở.

Giai đoạn 1: Khi đóng công tắc

Khi đóng công tắc, dòng điện từ đầu vào chạy qua cuộn cảm, cuộn cảm không cho phép dòng điện thay đổi đột ngột, do đó dòng điện qua cuộn cảm được chuyển thành từ trường, do đó cuộn cảm bắt đầu tích điện. Do đó, khi đóng công tắc, tụ điện cũng tích trữ điện tích.

Giai đoạn 2: Khi công tắc mở 

Bây giờ công tắc đang TẮT và không có dòng điện nào đi qua cuộn cảm và cuộn cảm hoạt động như một nguồn cung cấp và tụ điện cũng hoạt động trong việc làm trơn đầu ra khi cuộn cảm mất năng lượng. Quá trình được lặp lại khi công tắc được đóng lại .

Chúng ta có thể nhận được bất kỳ điện áp đầu ra nào giữa 0 và điện áp đầu vào bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ.

Bộ chuyển đổi Buck sử dụng Bộ hẹn giờ 555

Để làm cho hệ thống hoạt động trong ứng dụng thế giới thực, chúng ta cần bật và tắt công tắc nhanh hơn rất nhiều so với khả năng của con người. Do đó, chúng tôi sử dụng một bộ tạo xung PWM và một bóng bán dẫn làm công tắc để thực hiện nhiệm vụ. Một IC hẹn giờ 555 ở chế độ Astable có thể được sử dụng để tạo ra đầu ra PWM cho hoạt động của chúng tôi. IC 555 tạo ra tần số khoảng 30 KHz với sự trợ giúp của các thành phần thụ động và tích cực được kết nối với nó. Sơ đồ sơ đồ chân của NE555 được đưa ra dưới đây.

Công thức tính tần số PWM và chu kỳ nhiệm vụ trên bộ hẹn giờ 555

Để thiết kế mạch, chúng tôi sử dụng bộ định thời IC 555 ở chế độ Astable. Tại đây, xung đầu ra liên tục được chuyển đổi giữa các trạng thái cao và thấp. Để thay đổi tần số của dao động, chúng ta có thể thay đổi các giá trị của mạng Điện trở và tụ điện (RC), được kết nối với bộ định thời 555. Các giá trị trên cho mạch của chúng tôi đã được chọn theo công thức được viết dưới đây:

Thời gian BẬT (giây) = 0,693 * (R1 + R2) * C 
Thời gian TẮT (giây) = 0,693 * R2 * C 
Tần số = 1,44 / ((R1 + R2 + R2) * C) 
Chu kỳ làm việc D = PW / T ,

Ở đây,

D  là chu kỳ làm việc,  PW  là độ rộng xung (thời gian hoạt động của xung), và  T  là tổng chu kỳ của tín hiệu, tất cả các giá trị của điện trở tính bằng Ohm và giá trị của tụ điện tính bằng Farads.

Hình ảnh trên cho thấy dạng sóng trong các chu kỳ nhiệm vụ khác nhau. Chúng ta có thể dễ dàng nói rằng chu kỳ nhiệm vụ cao hơn có nghĩa là thiết bị được cung cấp năng lượng trong thời gian dài hơn.

555 Sơ đồ mạch điều chỉnh Buck dựa trên hẹn giờ

Tôi thiết kế một mạch thô trên giấy và tính toán các thành phần dựa trên các công thức trên và chọn các thành phần dựa trên kết quả. Các mạch Buck điều chỉnh sử dụng 555 Hẹn giờ được hiển thị dưới đây:

Các thành phần cần thiết cho dự án của chúng tôi:

• 1 x NE555
• 1 x IRFZ44N – Bộ ghép kênh N
• 1 x 200 R, Điện trở
• 1 x 1K, Điện trở
• 3 x Điốt IN4001
• 1 x 100nF, Tụ điện
• Tụ điện 1 x 1nF
• Chiết áp 1 x 100k
• 2 x đầu nối 2pin

Mạch sử dụng vi mạch 555 làm bộ tạo PWM và do đó toàn bộ mạch dựa trên cùng một nguồn. Các kết nối của tất cả 8 chân được đề cập bên dưới.

• Chân 1 được kết nối với thanh nối đất.
• Chân 2 và chân 6, nối đất qua tụ điện 1nF.
• Chân 3 được kết nối với cổng của mosfet. Chân này gửi đầu ra pwm đến cổng của MOSFET.
• Chân 4 được kết nối với thanh đầu vào + ve.
• Chân 5 được nối với đất bằng tụ điện 100nF. Nó giúp ổn định đầu ra và cung cấp khả năng miễn nhiễm chống lại tiếng ồn điện.
• Chân 7 được kết nối với đầu vào + ve bằng điện trở 1k và cũng được kết nối với thiết lập diode ngược.  
• Chân 8 được kết nối với + ve rail.

Trong mạch trên, MOSFET kênh N, IRFZ44N được sử dụng như một công tắc, được điều khiển bởi tín hiệu mờ từ IC 555. Bộ thoát của Mosfet này cung cấp điều khiển chuyển mạch âm cho mạch. Nó có các thông số kỹ thuật sau đây.

• VDSS = 55V
• RDS (bật) = 17,5mΩ
• ID = 49A

Xây dựng và thử nghiệm mạch Buck Regulator của chúng tôi

Tôi đã sử dụng KiCad để thiết kế các sơ đồ. Hình ảnh đính kèm bên dưới cho thấy ảnh chụp màn hình KiCad. Sau khi thiết kế sơ đồ, chúng tôi chỉ định dấu chân thích hợp cho tất cả các thành phần và sắp xếp các thành phần trong công cụ biên tập PCB. Sau khi bố trí tất cả các thành phần một cách ưng ý, bước tiếp theo là in bản thiết kế để khắc PCB.

Hình ảnh dưới đây cho thấy các bước minh họa từng bước về cách PCB được sản xuất và thử nghiệm. Bạn cũng có thể tham khảo bài viết về cách làm PCB tại nhà nếu bạn muốn tự làm PCB này. Bạn có thể tải xuống tệp mầm non được sử dụng trong dự án này từ bên dưới. 

Bản in được chuyển sang tấm mạ đồng bằng cách sử dụng bàn là nóng, để lại dấu vết của mạch điện trên tấm, thu được bằng cách lấy giấy ra khỏi tấm đồng bằng cách hòa tan nó trong nước. Ấn tượng đã được để lại trên đĩa. Sau đó, chúng tôi nhúng bảng vào dung dịch Ferrous Chloride (bột ăn mòn PCB), dung dịch này đã loại bỏ lượng đồng dư thừa và chỉ còn lại các vết trên bảng. Chúng tôi đã kiểm tra tính liên tục của đường đua bằng cách sử dụng đồng hồ vạn năng và khi hài lòng, sử dụng máy khoan cầm tay PCB, tất cả các lỗ đều được tạo ở vị trí cần thiết.

Chúng tôi đã hàn tất cả các thành phần tại chỗ và sử dụng dải đèn LED 12V để xem sản phẩm đang hoạt động. Đối với đầu vào, tôi sử dụng nguồn điện áp, cung cấp đầu ra 11V không đổi. Bằng cách xoay chiết áp, có thể điều chỉnh độ sáng của dải đèn LED.

Một động cơ DC 12 V cũng đã được thử nghiệm với thiết lập. Công việc vẫn như cũ, tức là chu kỳ làm việc được thay đổi bằng cách điều chỉnh điện trở đầu vào, do đó bằng cách xoay chiết áp, tốc độ của động cơ DC đã được thay đổi như trong hình GIF bên dưới.

Bây giờ, bạn có thể sử dụng bộ điều chỉnh Buck như thế này ở đâu?

Bộ chuyển đổi Buck được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng mà hiệu quả là tối quan trọng, một số ứng dụng bao gồm, bộ sạc pin, bộ khuếch đại công suất, bộ tứ, hệ thống truyền lực và bộ sạc pin của xe điện, ứng dụng y tế, điện thoại thông minh, máy tính xách tay và cũng được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ, v.v. .

Phần kết luận 

Bộ chuyển đổi dựa trên vi mạch 555 là một trong những phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để giữ độ phức tạp cũng như chi phí cho dự án của bạn ở mức thấp trong khi vẫn đạt được hiệu quả cao và nâng cao tuổi thọ cho các linh kiện của bạn. Mạch điện tử công suất dễ dàng này có thể giảm điện áp một chiều với hiệu suất cao tới 95% so với hiệu suất 40-60% của bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính. Kỹ thuật lái xe này cũng hữu ích để kiểm soát tốc độ của động cơ và làm mờ đèn LED mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ của nó, làm cho nó trở thành một tùy chọn điều khiển điện áp rất linh hoạt cho các dự án điện tử.