第7节 CMOS 555 长持续时间反激式 LED 闪光灯 (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 两节 AAA 电池
- 电池夹（Radio Shack 目录号 270-398B）
- U1、U2 - CMOS TLC555 定时器 IC（Radio Shack 目录 #276-1718 或同等产品）
- Q1 - 2N3906 PNP 晶体管（Radio Shack 目录 #276-1604（15 包）或同等产品）
- Q2 - 2N2222 NPN 晶体管（Radio Shack 目录 #276-1617（15 包）或同等产品）
- D1 - 红色发光二极管（Radio Shack 目录 #276-041 或同等产品）
- D2 - 蓝色发光二极管（Radio Shack 目录 #276-311 或同等产品）
- R1 - 1.5 MΩ 1/4W 5% 电阻
- R2 - 47 KΩ 1/4W 5% 电阻
- R3, R5 - 10 KΩ 1/4W 5% 电阻
- R4 - 1 MΩ 1/4W 5% 电阻
- R6 - 100 KΩ 1/4W 5% 电阻器
- R7 - 1 KΩ 1/4W 5% 电阻
- C1 - 1 µF 钽电容器（Radio Shack 目录 # 272-1025 或同等产品）
- C2 - 100 pF 陶瓷盘式电容器（Radio Shack 目录 # 272-123）
- C3 - 100 µF 电解电容器（Radio Shack 目录 272-1028 或同等产品）
- L1 - 200 µH 扼流圈或电感器（精确值不重要，见章节末尾）
交叉引用
电路课，第 1 卷，第 16 章：标题“电感瞬态响应 (opens new window)”
电路课，第 1 卷，第 16 章：标题“为什么是 L/R 而不是 LR？ (opens new window)”
电路课，第 3 卷，第 4 章：标题“共射极放大器 (opens new window)”
电路课，第 3 卷，第 9 章：标题“静电放电 (opens new window)”
电路课，第 4 卷，第 10 章：标题“单稳态多谐振荡器 (opens new window)”
学习目标
- 了解 555 的另一种操作模式
- 如何处理 ESD 零件
- 如何将晶体管用于简单的门（电阻晶体管逆变器）
- 电感器如何使用电感反激式转换功率
- 电感器的制作方法
原理图，示意图
插图
指示
笔记！该项目使用静电敏感部件 CMOS 555。如果您不使用第 3 卷第 9 章“静电放电”中所述的保护，则有损坏它的风险。
这个特殊的实验建立在另一个实验“整流二极管”（第 6 卷第 5 章）的基础上。在继续之前，值得回顾该部分。
这是长持续时间 LED 闪光灯系列的最后一个。他们展示了如何使用 CMOS 555 使 LED 闪烁，以及如何提高电池电压以使 LED 的电压降大于使用电池的电压。在这里，我们做同样的事情，但使用电感器而不是电容器。
基本概念改编自另一项发明，焦耳窃贼。焦耳窃贼 (opens new window)是一个简单的晶体管振荡器，它也使用感应回扣从 11/2 电池点亮白光 LED，LED 需要至少 3.6 伏的电压才能开始导电！像焦耳窃贼一样，可以使用 11/2 伏电压来使该电路工作。但是，由于 CMOS 555 的额定电压为 2 伏，因此不建议使用至少 11/2 伏，但我们可以利用该电路的极高效率。如果您想了解有关焦耳小偷的更多信息，可以在网上找到大量信息。
该电路还可以驱动超过 1 或 2 个串联的 LED。随着 LED 数量的增加，电池持续较长时间的能力下降，因为电感器可以产生的电压量在一定程度上取决于电池电压。出于本实验的目的，使用了两个不同的 LED 来证明其与 LED 电压降的独立性。蓝色 LED 的高强度淹没了红色 LED，但如果您仔细观察，您会发现红色 LED 处于最大亮度。您几乎可以使用为该实验选择的任何颜色的 LED。
一般来说，由感应反冲产生的高电压是需要消除的。该电路使用它，但如果您弄错了 LED 的极性，则对 ESD 更敏感的蓝色 LED 可能会死掉（这已得到验证）。来自线圈的不受控制的脉冲类似于 ESD 事件。晶体管和 TLC555 也可能存在风险。
该电路中的电感器可能是设计中最不重要的部分。电感器一词是通用的，您也可以找到称为扼流圈或线圈的组件。螺线管线圈也可以工作，因为它也是一种电感器。来自继电器的线圈也是如此。在我使用过的所有组件中，这可能是我遇到的最不重要的组件。事实上，线圈可能是您可以自己制作的最实用的组件。在操作理论之后，我将介绍如何制作适用于该设计的线圈，但插图中显示的部件是我从当地电子零售商处购买的 200µH 扼流圈。
操作理论
电容器和电感器都储存能量。电容器 (opens new window)试图保持恒定电压，而电感器试图保持恒定电流。两者都拒绝改变各自的方面。这是反激式变压器的基础，它是旧 CRT 电路和其他需要高压且无需大惊小怪的用途的常用电路。当你给一个线圈充电时，一个磁场会在它周围扩展，基本上它是一个电磁体，磁场是储存能量的。当电流停止时，这个磁场会崩溃，当磁场穿过线圈中的导线时会产生电流。
该电路使用两个非稳态多谐振荡器 (opens new window)。第一个多谐振荡器控制第二个。两者都是为最小电流而设计的，以及使用 Q1 制成的逆变器。两个振荡器都非常相似，第一个已在之前的实验中介绍过。问题是它在 97% 的时间内保持开启或很高。在前面的电路中，我们使用低电平状态来点亮 LED，在这种情况下，高电平是打开第二个多谐振荡器的原因。使用专为超低电流设计的简单晶体管逆变器可以解决这个问题。这其实是一个非常古老的逻辑家族，RTL，是电阻晶体管逻辑的简称。
第二个多谐振荡器以 68.6 KHz 的频率振荡，方波约为 50%。_该电路使用与最小零件 LED 闪光灯_中所示完全相同的原理。同样，最大的实际电阻器用于最小化电流，这意味着 C2 的电容非常小。这种高频方波用作一个简单的开关来打开和关闭 Q2。
图 1 显示了当 Q2 导通并且线圈开始充电时发生的情况。如果 Q2 保持开启，那么会导致电池之间发生有效短路，但由于这是振荡器的一部分，因此不会发生这种情况。在线圈达到其最大电流之前，Q2 开关，并且开关打开。
图 2 显示了 Q2 打开时的情况，并且线圈已充电。线圈试图维持电流，但如果没有放电路径，它就无法做到这一点。如果没有放电路径，线圈会产生一个高压脉冲，试图维持流过它的电流，这个电压会很高。但是，我们在放电路径中有几个 LED，因此线圈的脉冲会迅速到达组合 LED 的电压降，然后将剩余的电荷作为电流释放。因此，不会产生高压，但会转换为点亮 LED 所需的电压。
LED 是脉冲的，光曲线非常接近线圈的放电曲线。然而，人眼将这种光输出平均为我们认为是连续光的东西。
零件和材料
- 26 英尺（8 米）的 26AWG 电磁线（Radio Shack 目录 #278-1345 或同等产品）
- 6/32X1.5 英寸螺钉、M4X30mm 螺钉或类似直径的钉子，按尺寸切割，钢或铁，但不是不锈钢
- 配套锁紧螺母（可选）
- 透明胶带（可选，如果使用螺丝则需要）
- 强力胶
- 烙铁，焊锡
如前所述，这不是精密零件。一般来说，电感器对于许多应用来说可能会有很大的变化，而这个电感器特别是可以在高压侧大量关闭。这里的目标值大于 220µH。
如果您使用螺钉，请在螺纹和电线之间使用一层透明胶带。这是为了防止螺钉的螺纹切入电线并使线圈短路。如果您使用的是锁紧螺母，请将其放在距螺钉头部 1 英寸（25 毫米）的螺钉上。从电线一端约 1 英寸处开始，使用胶水将电线固定在钉子或螺钉的头部，如图所示。让胶水凝固。
将电线整齐而紧密地缠绕 1 英寸螺丝长度，再次用强力胶将其固定到位。（上图）。只要你小心，你可以使用变速钻来帮助解决这个问题。像所有的电力设备一样，它会咬你。紧紧握住电线，直到胶水凝固，然后开始在第一层上缠绕第二层。继续此过程，直到使用除最后 1 英寸之外的所有电线，偶尔使用胶水将电线固定。将导线布置在最后一层，使第二个电感器引线位于螺钉的另一端，远离第一层。最后用胶水把它固定下来。让其完全干燥。
轻轻地用锋利的刀片刮掉两条引线两端的珐琅质。用烙铁和焊料对裸露的铜进行镀锡，您现在就有了一个可用于本实验的功能性电感器。
这是我制作的样子： 下图。
所示连接用于测量电感，结果非常接近 220µH。
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