Suurjännitekytkentätilan virtalähde (SMPS)/tehostinmuunnin Nixie -putkille: 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Tämä SMPS nostaa matalan jännitteen (5-20 volttia) korkeaan jännitteeseen, jota tarvitaan nixie-putkien käyttämiseen (170-200 volttia). Varoitus: vaikka tätä pienikokoista piiriä voidaan käyttää paristoilla/pienjänniteverkolla, ulostulo riittää tappamaan sinut!

Projekti sisältää: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT- ja PCB -tiedostot MikroBasic Firmware Source

Vaihe 1: Miten se toimii?

Tämä malli perustuu Microchip-sovellushuomautukseen TB053 ja siihen on tehty useita muutoksia Neonixie-L-jäsenten kokemusten perusteella (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Hanki sovellushuomautus - se on mukavaa luettavaa vain muutamalta sivulta: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Alla oleva kuva on otettu TB053: sta. Siinä esitetään SMPS: n taustalla oleva perusperiaate. Mikro -ohjain maadoittaa FET: n (Q1), jolloin varaus voi rakentaa induktorin L1 sisään. Kun FET kytketään pois päältä, varaus virtaa diodin D1 kautta kondensaattoriin C1. Vvfb on jännitteenjakajan takaisinkytkentä, jonka avulla mikro -ohjain voi seurata korkeajännitettä ja aktivoida FET tarpeen mukaan halutun jännitteen ylläpitämiseksi.

Vaihe 2: Induktorin ominaisuudet

Vaikka Microchip -sovelluksen huomautus on erittäin mukava, se tuntuu minusta hieman taaksepäin. Se alkaa määrittämällä tarvittava teho ja valitsee sitten induktorin latausajan huolehtimatta käytettävissä olevista induktoreista. Minusta oli hyödyllisempää valita induktori ja suunnitella sovellus sen ympärille. Käyttämäni induktorit ovat "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (hiiren osa 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 dollaria), (hiiren osa 580-22R104C, 0,67 vahvistin, 0,59 dollaria). Valitsin nämä induktorit, koska ne ovat hyvin pieniä, erittäin halpoja, mutta niillä on kuitenkin kunnolliset tehoarvot. Tiedämme jo käämimme enimmäisjännitteen (0,67 ampeeria 22R104C: lle), mutta meidän on tiedettävä, kuinka kauan lataaminen kestää (nousuaika). Sen sijaan, että käyttäisimme kiinteää latausaikaa (katso yhtälö 6 TB053: ssa) tarvittavien kela -ampeerien määrittämiseksi, voimme tutkia yhtälön 6 ja ratkaista nousuajan: (Huomaa: TB053: n yhtälö 6 on väärä, sen pitäisi olla L, ei 2L) (Volttia/induktori uH)*nousuaika = huippuampeerit-tulee-(induktori uH/volttia sisään)*huippuampeerit = nousuaika.-käyttämällä 22R104C: tä 5 voltin jännitteellä saadaan seuraava (100/5)*0,67 = 13,5 uS Induktorikäämin täyteen lataamiseen 5 voltilla kuluu 13,5 uS. On selvää, että tämä arvo vaihtelee eri syöttöjännitteiden mukaan. Kuten TB053: "Virta induktorissa ei voi muuttua hetkessä. Kun Q1 kytketään pois päältä, L1: n virta kulkee edelleen D1: n kautta varauskondensaattoriin C1 ja kuormaan RL. Näin ollen virta induktorissa laskee ajassa lineaarisesti huippuvirrasta. "Voimme määrittää ajan, joka kuluu virran virtaamiseen induktorista, käyttämällä TB05 -yhtälöä 7. Käytännössä tämä aika on hyvin lyhyt. Tämä yhtälö on toteutettu mukana olevassa laskentataulukossa, mutta sitä ei käsitellä tässä. Kokonaisteho määritetään seuraavalla yhtälöllä (tb053 yhtälö 5): Teho = (((nousuaika)*(Volttia sisään)^{2)/(2*induktori uH))}-käyttämällä aikaisempia arvojamme, löydämme 1,68 wattia = (13,5uS*5 volttia^2)/(2*100uH)-muuntaa wattia mA-mA: ksi (((teho-wattia)/(lähtövolttia))*1000-käyttämällä 180 lähtöjännitettä -9,31 mA = (1,68 wattia/180 volttia)*1000 Voimme saada enintään 9,31 mA tämä kela, jossa on 5 voltin syöttö, jättäen huomiotta kaikki tehottomuudet ja kytkentähäviöt. Suurempaa lähtötehoa voidaan saavuttaa lisäämällä syöttöjännitettä. Kaikki nämä laskelmat on toteutettu tämän ohjeen mukana toimitetun laskentataulukon "Taulukko 1: Coil -laskelmat suurjännitevirtalähteelle". Syötetään useita esimerkkikäämiä.

Vaihe 3: SMPS: n käyttäminen mikrokontrollerilla

Nyt kun olemme laskeneet käämimme nousuajan, voimme ohjelmoida mikro -ohjaimen lataamaan sen juuri niin kauan, että se saavuttaa nimellis -mA: n. Yksi helpoimmista tavoista tehdä tämä on käyttää PIC: n laitteiston pulssileveysmodulaattoria. Pulssileveysmodulaatiossa (PWM) on kaksi muuttujaa, jotka on esitetty alla olevassa kuvassa. Käyttöjakson aikana PIC kytkee FET: n päälle, maadoittaa sen ja sallii virran kelakelaan (nousuaika). Jäljellä olevan jakson aikana FET on pois päältä ja virta kulkee induktorista diodin kautta kondensaattoreihin ja kuormitukseen (pudotusaika). TB053 ehdottaa, että nousuaika on 75% jaksosta. Määritin ajanjaksoni arvon kertomalla nousuajan 1,33: 17,9 uS. Tämä on yhdenmukaista TB053: n ehdotuksen kanssa ja varmistaa, että induktori pysyy epäjatkuvassa tilassa - purkautuu kokonaan jokaisen latauksen jälkeen. On mahdollista laskea tarkempi ajanjakso lisäämällä laskettu nousuaika laskettuun laskuaikaan, mutta en ole yrittänyt tehdä sitä.. Microchip PIC Mid-range -käsikirjasta löydät seuraavat yhtälöt (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / oskillaattorin taajuus) * Esisäädin Jos esiasetin asetetaan 1: ksi ja lyödään tämä yhtälö algebran sauvalla, saamme: 10 bitin käyttöjakson arvo = PWM: n käyttöjakso uS * Oskillaattorin taajuus taajuus: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 syötetään PIC: ään saadakseen 13.5uS: n käyttöjakson. Seuraavaksi määritämme PWM -jakson arvon. Keskitason käsikirjasta saamme seuraavan yhtälön: PWM-jakso uS = ((PWM-jakson arvo) + 1) * 4 * (1/oskillaattorin taajuus) * (esiasteikko) Jälleen asetamme esiskaalaimen arvoon 1 ja häiritsemme yhtälöä PWM-jakson arvolle, joka antaa meille: PWM-jakson arvo = ((PWM-jakso uS/(4/oskillaattorin taajuus))-1) Korvaava jakso uS (1.33*nousuaika) ja oletetaan 8 Mhz: n oskillaattoritaajuus: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 syötetään PIC: ään saadakseen 17.9uS: n ajan. Mutta odota! Eikö ajanjakso ole lyhyempi kuin käyttöjakso? Ei - PIC -laitteilla on 10 -bittinen käyttöjaksorekisteri ja 8 -bittinen jaksorekisteri. Käyttöjakson arvolle on enemmän resoluutiota, joten sen arvo on joskus suurempi kuin jakson arvo - erityisesti korkeilla taajuuksilla. Kaikki nämä laskelmat on toteutettu tämän ohjeen mukana toimitetun laskentataulukon taulukossa 2. PWM -laskelmat. Syötetään useita esimerkkikäämiä.

Vaihe 4: Piirilevyjen suunnittelu

PCB ja CCT ovat EagleCad -muodossa. Molemmat sisältyvät ZIP -arkistoon.

Katsoin useita olemassa olevia malleja tehdessäni tätä piirilevyä. Tässä ovat muistiinpanoni: tärkeät suunnitteluominaisuudet: 1. Seurasin Microchip APP -merkintää ja käytin TC4427A: ta ajamaan FET: ää. Tämä A) suojaa mikro -ohjainta FET: ltä tulevilta takaiskujännitteiltä ja B) voi ajaa FET: tä korkeammilla jännitteillä kuin PIC nopeampaa/vaikeampaa kytkentää varten tehokkaammin. 2. etäisyys PIC PWM FET on minimoitu. 3. FET, induktori, kondensaattorit pakattu todella tiukasti. 4. Rasvan saannin jälki. 5. Hyvä maadoitus FET: n ja seinäpistokkeen liitäntäpisteen välillä. Valitsin tähän projektiin PIC 12F683 -mikro -ohjaimen. Tämä on 8 -nastainen PIC, jossa on PWM -laitteisto, 4 analogisesta digitaaliseen muunninta, 8 MHz: n sisäinen oskillaattori ja 256 tavun EEPROM. Tärkeintä oli, että minulla oli yksi sellainen edellisestä projektista. Käytin IRF740 FET -laitetta sen suuren suosion vuoksi Neonixie-L-luettelossa. On 2 kondensaattoria tasaamaan HV -syöttö. Toinen on elektrolyytti (korkea lämpötila, 250 volttia, 1 uF), toinen on metallikalvo (250 volttia, 0,47 uf). Jälkimmäinen on paljon suurempi ja kalliimpi (0,50 dollaria vs 0,05 dollaria), mutta välttämätön puhtaan tuotoksen saamiseksi. Tässä rakenteessa on kaksi jännitepalautepiiriä. Ensimmäisen avulla PIC voi tunnistaa lähtöjännitteen ja käyttää pulsseja FET: ään tarpeen mukaan halutun tason ylläpitämiseksi. "Taulukko 3. Korkean jännitteen takaisinkytkentäverkkolaskelmat" voidaan käyttää oikean takaisinkytkentäarvon määrittämiseen ottaen huomioon 3 vastuksen jännitteenjakaja ja haluttu lähtöjännite. Hienosäätö tehdään 1k trimmerivastuksella. Toinen takaisinkytkentä mittaa syöttöjännitettä, jotta PIC voi määrittää optimaalisen nousuajan (ja jakson/käyttöjakson arvot). Vaiheen 1 yhtälöistä huomasimme, että induktorin nousuaika riippuu syöttöjännitteestä. On mahdollista syöttää tarkat arvot laskentataulukosta PIC -laitteeseesi, mutta jos virtalähdettä muutetaan, arvot eivät ole enää optimaalisia. Jos akkuja käytetään, jännite laskee, kun paristot purkautuvat, mikä edellyttää pidempää nousuaikaa. Ratkaisuni oli antaa PIC: n laskea kaikki tämä ja asettaa omat arvonsa (katso laiteohjelmisto). Kolminapainen hyppyjohdin valitsee syöttölähteen TC4427A: lle ja induktiokelalle. On mahdollista käyttää sekä 7805 5 voltin säädintä, mutta paremmat hyötysuhteet ja suurempi teho saavutetaan suuremmalla syöttöjännitteellä. Sekä TC4427a että IRF740 FET kestävät jopa ~ 20 volttia. Koska PIC kalibroi minkä tahansa syöttöjännitteen, on järkevää syöttää ne suoraan virtalähteestä. Tämä on erityisen tärkeää paristokäytössä - sinun ei tarvitse tuhlata virtaa 7805: ssä, vaan syöttää induktoria suoraan kennoista. LEDit ovat valinnaisia, mutta käteviä vianetsintään. "Vasen" LED (keltainen levyissäni) osoittaa, että HV -palaute on halutun pisteen alapuolella, kun taas oikea LED (punainen suunnittelussani) osoittaa, että se on ohi. Käytännössä saat mukavan PWM -tehosteen, jossa LEDit hehkuvat voimakkuudeltaan suhteessa nykyiseen kuormitukseen. Jos punainen LED -valo sammuu (palaa jatkuvasti), se osoittaa, että PIC ei voi parhaistaan huolimatta pitää lähtöjännitettä halutulla tasolla. Toisin sanoen kuorma ylittää SMPS -enimmäistehon. ÄLÄ unohda punaisella näytettyjä hyppylankoja! Osaluettelo Osan arvo C1 1uF 250V C3 47uF 50V C4 47uF (50V) C5 0,1uF C6.1uf C7 4u7 (50V) C8 0,1uF C9 0,1uF C11 0,47uF/250V D1 600V 250ns IC2 TC4427a IC5 7805 5 voltin säädin IC7 PIC 12u683 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0,47K R3 1K Lineaarinen trimmeri R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 -nastainen otsikko X2 3 Ruuviliitin

Vaihe 5: Laiteohjelmisto

Laiteohjelmisto on kirjoitettu MikroBasicilla, kääntäjä on ilmainen enintään 2K ohjelmille (https://www.mikroe.com/). Jos tarvitset PIC -ohjelmoijaa, harkitse tehostettua JDM2 -ohjelmointikorttiani, joka on julkaistu myös ohjeissa (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Perustoiminnot: 1. Kun virta kytketään, PIC käynnistyy. 2. PIC viivästyy 1 sekunnin ajan, jotta jännitteet voivat vakiintua. 3. PIC lukee syöttöjännitteen takaisinkytkennän ja laskee optimaalisen toimintajakson ja jakson arvot. 4. PIC kirjaa ADC -lukeman, käyttöjakson ja jakson arvot EEPROMiin. Tämä mahdollistaa jonkin verran vianetsintää ja auttaa diagnosoimaan katastrofaalisia vikoja. EEPROM -osoite 0 on kirjoitusosoitin. Yksi 4 tavun loki tallennetaan joka kerta, kun SMPS käynnistetään (uudelleen). Ensimmäiset 2 tavua ovat ADC korkea/matala, kolmas tavu on alempi 8 bittiä käyttöjakson arvoa, neljäs tavu on jakson arvo. Yhteensä 50 kalibrointia (200 tavua) kirjataan, ennen kuin kirjoitusosoitin kääntyy ympäri ja alkaa uudelleen EEPROM-osoitteesta 1. Viimeisin loki sijaitsee osoittimessa 4. Nämä voidaan lukea sirulta PIC -ohjelmoijalla. Ylemmät 55 tavua jätetään vapaiksi tulevia parannuksia varten (katso parannukset). 5. PIC tulee loputtomaan silmukkaan - suurjännitteen takaisinkytkentäarvo mitataan. Jos se on alle halutun arvon, PWM -käyttöjaksorekisterit ladataan lasketulla arvolla. Jos takaisinkytkentä on halutun arvon yläpuolella, PIC lataa käyttöjaksorekisterit 0. Tämä on pulssin ohitusjärjestelmä. Päätin pulssin ohituksen kahdesta syystä: 1) niin korkeilla taajuuksilla ei ole paljon leveyttä pelata (esimerkissämme 0-107, paljon vähemmän korkeammilla syöttöjännitteillä) ja 2) taajuusmodulaatio on mahdollista, ja antaa paljon enemmän säätövaraa (esimerkissämme 35–255), mutta VAIN TULLI ON KAKSINKERTAINEN PUSKETETTU LAITTEISTOSSA. Taajuuden muuttamisella PWM: n ollessa käynnissä voi olla”outoja” vaikutuksia. Laiteohjelmiston käyttäminen: Laiteohjelmiston käyttäminen edellyttää useita kalibrointivaiheita. Nämä arvot on koottava laiteohjelmistoon. Jotkut vaiheet ovat valinnaisia, mutta auttavat sinua saamaan kaiken irti virtalähteestäsi. const v_ref as float = 5.1 'float const supply_ratio as float = 11.35' float const osc_freq as float = 8 'float const L_Ipeak as float = 67' float const fb_value as word = 290 'word Nämä arvot löytyvät laiteohjelmiston koodi. Etsi arvot ja aseta ne seuraavasti. v_ref Tämä on ADC: n jänniteohje. Tätä tarvitaan määrittämään todellinen syöttöjännite, joka sisällytetään vaiheessa 1 kuvattuihin yhtälöihin. Jos PIC: tä käytetään 7805 5 voltin säätimestä, voimme odottaa noin 5 volttia. Mittaa yleismittarilla PIC -virtatapin (PIN1) ja ruuviliittimen maadoituksen välinen jännite. Tarkka arvo oli 5,1 volttia. Syötä tämä arvo tähän. syöttöjännite Syöttöjännitteen jakaja koostuu 100K ja 10K vastuksesta. Teoriassa palautteen tulee olla yhtä suuri kuin syöttöjännite jaettuna 11: llä (katso taulukko 5. Syöttöjännitteen takaisinkytkentäverkkolaskelmat). Käytännössä vastuksilla on erilaisia toleransseja, eivätkä ne ole tarkkoja arvoja. Tarkan takaisinkytkentäsuhteen löytäminen: 1. Mittaa syöttöjännite ruuviliittimien välillä. 2. Mittaa takaisinkytkentäjännite PIC -nastan 7 ja ruuviliittimen maadoituksen välillä. 3. Jaa tarjonta V FB V: llä saadaksesi tarkka suhde. Voit myös käyttää "Taulukko 6. Syöttöjännitteen takaisinkytkennän kalibrointi". osc_freq Yksinkertaisesti oskillaattorin taajuus. Käytän 12F683 sisäistä 8Mhz oskillaattoria, joten annan arvon 8. L_Ipeak Kerro induktorikäämi uH suurimmalla jatkuvalla vahvistimella tämän arvon saamiseksi. Esimerkissä 22r104C on 100uH: n kela, jonka nimellisteho on 0,67 ampeeria. 100*.67 = 67. Arvon kertominen tässä eliminoi yhden 32 -bittisen liukuluku muuttujan ja laskennan, joka muuten olisi tehtävä PIC: llä. Tämä arvo on laskettu kohdassa "Taulukko 1: Korkean jännitteen virtalähteen kelalaskelmat". fb_value Tämä on todellinen kokonaislukuarvo, jota PIC käyttää määrittäessään, onko suurjännitelähtö halutun tason ylä- tai alapuolella. Määritä taulukon 3 avulla HV -lähtö- ja takaisinkytkentäjännitteen suhde, kun lineaarinen trimmeri on keskiasennossa. Keskiarvon käyttäminen antaa säätömahdollisuuden kummallakin puolella. Syötä seuraavaksi tämä suhde ja tarkka jänniteviite "Taulukko 4. Korkeajännitepalautteen ADC -asetusarvo" määrittääksesi fb_value. Kun olet löytänyt nämä arvot, syötä ne koodiin ja käännä. Polta HEX PIC: ään ja olet valmis lähtemään! MUISTA: EEPROM -tavu 0 on lokin kirjoitusosoitin. Aseta se arvoon 1 aloittaaksesi kirjautumisen tavuun 1 tuoreella kuvalla. Kalibroinnin vuoksi FET ja induktori eivät saa koskaan lämmetä. Sinun ei myöskään pitäisi kuulla soittoääntä induktorikäämistä. Molemmat olosuhteet osoittavat kalibrointivirheen. Tarkista EEPROM -datalokista, missä ongelma voi olla.

Vaihe 6: Parannuksia

Pari asiaa voisi parantaa:

1. Laita ruuviliitin lähemmäksi FET: tä paremman maantien saavuttamiseksi. 2. lihota syöttöjälki kondensaattoreihin ja induktoriin. 3. Lisää vakaa jänniteviite parantaaksesi akkujen ja alle 7 voltin syöttöjännitteitä (joissa 7805: n lähtö laskee alle 5 voltin). 4. Käytä ylempiä 55 EEPROM -tavua kirjataksesi kiehtovaa vähän hyödytöntä dataa - kokonaisajoaika, ylikuormitustapahtumat, min/max/keskimääräinen kuormitus. -ian instructables-at-whereisian-dot-com