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利用555定时器实现宽范围脉宽调制器(PWM)

脉宽调制器(PWM)常常用在开关电源(稳压)中,要使开关电源稳压范围宽(即输入电压范围大)，可利用555定时器构成宽范围PWM。
仅需把一个二极管和电位计添加到异步模式运转的555定时器上，就产生了一个带有可调效率系数为1%到99%的脉宽调制器(图1)。它的应用包括高功率开关驱动的电动机速度控制。

(原文件名:555_Figure_01.gif)
图1：在555定时器电路中增加一个二极管和电位计可构成一个宽范围PWM

这个电路的输出可以驱动MOSFET去控制通过电动机的电流，达到平滑控制电动机速度90%左右。这也应用于灯光的控制，灯光的强度可得以有效控制。

另一个应用是在开关式电源。PWM调整允许一个可变的输出电压。可通过555定时器(5个引脚)VC终端的反馈来调节电压。一个超过调节阈值限制的输出电压将提前结束基于周期循环的PWM信号，以维持输出电压的稳定。微处理器可以通过数字电位计直接调节PWM去控制电动机速度、灯光强度或者电源输出电压。对于周期因子(DF)：

(原文件名:555_Figure_03.gif)

其中，

(原文件名:555_Figure_04.gif)

而α是终端２和终端１之间电阻与终端3和终端１之间电阻的比值。选R3=R1，R2=100×R1，这时DF为1%至99%。如上所述，数字电位计可以代替R2。通过的电流有限是在该应用中使用数字电位计的主要约束。对于一个100kΩ的数字电位计，R1和R3可以达到1kΩ，则峰值电流为5mA。

标准二极管可在递减线性下当作D来使用。对于理想的二极管，k=0.693，则有：

(原文件名:555_Figure_05.gif)

DF和α之间为线性关系。图2显示了当α变化时VOUT的波形。

(原文件名:555_Figure_02.gif)
图2：这三个波形显示了VOUT如何随α变化而变化。

作者：Henry Santana，Kavlico Corp
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呵呵，原来在这里8楼就有详细的解释

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<br> (原文件名:图2.gif)
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老外的图，是不是比3.2.3a少接一个VD2？
阿莫的楼主位公式是不是应该改成3.2.3b那样？

我个人觉得,有了光偶就可以省掉74HC14.有了HC14就可以省去光偶.
74HC14换成CD40106如何?这样就不用额外的5V电源了.
C2容量较大,是否在7812上并联反向二极管较为保险.
印象中的555第3脚,好象拉电流能力强,输出电流好象很弱

有一个小细节，有人能解释吗？

IRFZ48N 的GS我加入了1K的电阻，是作为GS快速释放电荷使用的。将它换成10K 或100K ，用示波器看G极的极形，会在上升沿有一个1.4V左右的小尖峰。

将R3电阻焊走，这个小尖峰就会消失，G极上便能测得比较完美的脉冲波。
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加了这个电阻,关断比较快,自然有过冲了.所以有些时候速度过快也不是件好事

1. HC14不能省。来自PC并口，或运动控制卡的信号会有差异。HC14将这类信号全部转成标准的TTL电平。
有了标准的TTL电平，才能更可靠与没有意外的控制光偶。

2. 5V供电是来自接口板。配合光偶，才能产生地线隔离效果。也就是说，这5V电压，是完全与12V隔离的。
12V是来自主轴电机的降压。
我们的雕刻机，隔离设计很严谨的，保证了我们的电路的稳定性与可靠性。

详情请参考：开源雕刻机的供电方案与光电隔离方案讨论

3. 7812加入反向二极管的作用，仅仅是在关机的时候，能快还将C2的电荷放掉。还有其它用途吗？
如果没有，其实不加也完全没有问题。
当然，加入感觉严格一点。

4. IRF的驱动电流不用大。最重要的波形好。我一会展示的波形图片，你就会发现，波形是很好的 :)
驱动电流我觉得不要太大，否则有过冲时，15V的稳压管反而可能承受不了。

这个设计，源自国外网站：

Pulse Width Modulator for 12 and 24 Volt applications 12和24伏的脉宽调制器的应用

A pulse width modulator (PWM) is a device that may be used as an efficient light dimmer or DC motor speed controller. The circuit described here is for a general purpose device that can control DC devices which draw up to a few amps of current. The circuit may be used in either 12 or 24 Volt systems with only a few minor wiring changes. This device has been used to control the brightness of an automotive tail lamp and as a motor speed control for small DC fans of the type used in computer power supplies.

PWM可以用于灯光亮度调节及直流电机的速度控制。在这里讨论的电路可以为通用设备提供几安培的驱动能力。改变一些跳线可以方便的用于12或24V的场合。这个装置可以控制汽车尾灯的亮度，及电脑电源用的直流风扇。

(原文件名:pwm1.gif)

Parts 零件清单

U1: LM324N quad op-amp
U2: 78L12 12 volt regulator
Q1: IRF521 N channel MOSFET
D1: 1N4004 silicon diode
LED1 Red LED
C1: 0.01uF ceramic disc capacitor, 25V
C2-C5: 0.1uF ceramic disk capacitor, 50V
R1-R4: 100K 1/4W resistor
R5: 47K 1/4W resistor
R6-R7: 3.3K 1/4W resistor
R8: 2.7K 1/4W resistor
R9: 470 ohm 1/4W resistor
VR1: 10K linear potentiometer
F1: 3 Amp, 28V DC fast blow fuse
S1: toggle switch, 5 Amps

中文注释的电路图：

(原文件名:pwm.JPG)

(原文件名:SNAG-0045.jpg)

脉宽调制的全称为：Pulse Width Modulator，简称PWM。由于它的特殊性能，常被用作直流回路中灯具调光或直流电动机调速。这里将要介绍的就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达控制器(见图1)。有关电路已经在汽车仪表照明、车灯照明调光和计算机电源散热风扇方面得到应用。该装置可用于12v或24v直流电路中，两者间只需稍做变动。它主要是通过改变输出方波的占空比，使得负载上的平均接通时间从0-100％变化，以达到调整负载亮度/速度的目的。
技术指标：PWM频率400Hz；PWM功率消耗1.5mA(12V电源、无负载和LED)；输出容量3A(采用IRF521 FET)；工作电压12V或24V。

一、PWM简介
利用脉宽调制(PWM)方式实现调光/调速的好处是电源的能量能得到充分利用，电路的效率高。例如：当输出为50％的方波时，脉宽调制(PWM)电路消耗的电源能量也为50％，即几乎所有的能量都转换为负载功率输出。而采用常见的电阻降压调速时，要使负载获得电源最大输出功率50％的功率，电源必须提供71％以上的输出功率，这其中21％消耗在电阻的压降及热耗上。有时电路的转换效率是非常重要的。
此外，采用脉宽调制(PWM)方式可以使负载在工作时得到满电源电压，这样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩。
当然，采用脉宽调制(PWM)方式实现调光/调速也有一些不利方面，如电路构成会稍许复杂，而且有可能会产生一些射频干扰(RFI)，要避免这个问题，在设计时可以考虑负载与控制器尽可能放在一起，以免它们之间的连线过长，必要时还可以考虑在电源处增加滤波器等方法。

二、工作原理
它主要由U1（LM324）和Q1组成。

图1中，由U1a、U1d组成振荡器电路，提供频率约为400Hz的方波/三角形波。U1c产生6V的参考电压作为振荡器电路的虚拟地。这是为了振荡器电路能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双电源。U1b这里接成比较器的形式，它的反相输入端(6脚)接入电阻R6、R7和VR1，用来提供比较器的参考电压。这个电压与U1d的输出端(14脚)的三角形波电压进行比较。当该波形电压高于U1b的6脚电压．U1b的7脚输出为高电平；反之，当该波形电压低于U1b的6脚电压，U1b的7脚输出为低电平。由此我们可知，改变U1b的6脚电位使其与输入三角形波电压进行比较。就可增加或减小输出方波的宽度，实现脉宽调制(PWM)。电阻R6、R7用于控制VR1的结束点，保证在调节VR1时可以实现输出为全开(全速或全亮)或全关(停转或全灭)，其实际的阻值可能会根据实际电路不同有所改变。
图1中，Q1为N沟道场效应管，这里用作功率开关管(电流放大)，来驱动负载部分。前面电路提供的不同宽度的方波信号通过栅极(G)来控制Q1的通断。LED1的亮度变化可以用来指示电路输出的脉冲宽度。C3可以改善电路输出波形和减轻电路的射频干扰(RFI)。D1是用来防止电机的反电动势损坏Q1。
当使用24v的电源电压时，图1电路通过U2将24V转换成12V供控制电路使用。而Q1可以直接在21v电源上，对于Q1来讲这与接在12v电源上没有什么区别。参考图1，改变J1、J2的接法可使电路工作在不同电源电压(12V或24V)下。当通过Q1的电流不超过1A时，Q1可不用散热器。但如果Q1工作时电流超过1A时，需加装散热器。如果需要更大的电流（大于3A），可采用IRFZ34N等替换Q1。
搭完运放，我会再测试一下NE555，比较波形那一个更好：

我做PWM调速很多年了，一直用15K左右的频率。
实际上大部分的民用可能还要低一些，比如电动自行车，具体我也没有测试过，如果高了，就会增加MOS的开关损耗，低了，则会听到声音，再低比如几百HZ，我没有试过。
如果只用开环，还是前边那个帖子的54楼的说法，因为那样你可以用LM358什么的了，那速度要比324好多了。
实际上还是用闭环的好，起码也要电压环的。电流环调整比较麻烦，不适合，要不还是用单片机做速度环的好了，哈哈，越说越复杂了。

28K频率324能吃的消？那还要看输出的MOS能不能吃得消了。要324输出这样频率的方波，你用示波器看看是不是方波？
我用 Agilent 33220A 测试过，从100HZ到100K均能工作。IRFZ48N的发热量也差不多。
你用324驱动看看发热量有多大？
实际上频率大于15K左右，只要电机不是很差劲，基本上听不到什么声音了，当然可能我的耳朵有点小问题，哈哈
个人多年开发经验:PWM频率选在15K-20K之间最合适吧.低了的话低速时电机转得不平滑也有噪音,太高了开关消耗大,用555IC驱动能力强些,LM324驱动能力实在是小了点.容易失真.
另，IRFZ480N 上的DS压降，竟然只有0.05V， 得益于我们在选型时，挑选了一款最低导致电阻的MOS管。

不知道为什么阿莫说324达不到15k，我下面这个电路可以做到100K

IRFZ48N 的参数是：
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封装 ： T0-220
Drain-source voltage 漏-源电压 ： 55V
Drain current (DC) 漏极电流 ： 64A(25度时64A，100度时45A)
Drain current (pulse peak value) 峰值漏极电流 ： 210A
Total power dissipation 功率 ： 140W
Junction temperature 结温 ： 175摄氏度
Drain-source on-state resistance 导通电阻(Vgs=10V) ： 16mΩ

IRFZ44N 的参数是：
-----------------------------------------------------------------
封装 ： T0-220
Drain-source voltage 漏-源电压 ： 55V
Drain current (DC) 漏极电流 ： 49A
Total power dissipation 功率 ： 110W
Junction temperature 结温 ： 175摄氏度
Drain-source on-state resistance 导通电阻(Vgs=10V) ： 22mΩ

由于两者的封一样，耐压一样， IRFZ48N 功率更大，导致电阻更低于16毫欧，所以，将IRFZ48N 列为正选， 44N作为备用。

(原文件名:SNAG-0039.jpg)

Gate: 栅极
Drain: 漏极
Source: 源极

STATIC CHARACTERISTICS 静态特性： (25度条件下)
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Drain-source breakdown voltage 漏源击穿电压 ： 55V (－55度时为50V)
Gate threshold voltage 栅极阈值电压 ：最小2V，典型3V，最大4V
Zero gate voltage drain current 零栅极电压时的漏电流： 典型0.05uA, 最大10uA(175度时500uA)
Gate source leakage current 栅源漏电流 ： 典型0.02uA, 最大1uA(175度时20uA)
Gate-source breakdown voltage 栅源击穿电压 ： 最小值16V
Drain-source on-state resistance 导通电阻 ：典型12mΩ,最大16mΩ(175度时30mΩ).
你在那里找到的参数？ 不用IRF540的原因：

1. 它的耐压是100伏不错。但我们有55V已经足够。
2. 它只有23A，并且在100度时，只有16A，电流余量不是很够。不过这不是主要原因。
3. 最主要的是，它的DS导通电阻高达77mΩ。比IRFZ48N的16mΩ高很多。

导通电阻越大，表示它的工作温度就可能会越高。 这是我选择Z48N的最主要考虑的地方。

另： IRFZ48N也不容易采购。我是找到IRF的正规代理，从代理商有现货的型号中选出的。（没有现货，性能最好也没有用）。

【3楼】 zxy1982
IRFZ48N要加多大的散热器才能达到64A的电流呢？
咦？怎么突然改用N管，N管不好驱动，需要自举电路或额外的电源，除非电机接到电源正端。
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从典型输出特性，我感觉不难推动。当然，我会做实验实测一下。

(典型输出特性)

2. 电机的确是接到电源正端的。
主轴才60W,用IRF540就很不错.而且这个管子到处能到.IRF540 33A