Převodník vysokého napětí (SMPS)/Boost Converter pro Nixie Tubes: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Tento SMPS zvyšuje nízké napětí (5-20 voltů) na vysoké napětí potřebné k pohonu nixie elektronek (170-200 voltů). Buďte varováni: přestože tento malý obvod lze provozovat na baterie/nízkonapěťové nástěnné mladiny, výstup je více než dost, aby vás zabil!

Projekt obsahuje: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT & PCB soubory MikroBasic Firmware Source

Krok 1: Jak to funguje?

Tento návrh vychází z poznámky k aplikaci Microchip TB053 s několika úpravami na základě zkušeností členů Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Získejte poznámku k aplikaci - je to příjemné čtení pouze na několika stránkách: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Níže uvedený obrázek je výňatkem z TB053. Načrtává základní princip SMPS. Mikrokontrolér uzemňuje FET (Q1), což umožňuje náboji zabudovat induktor L1. Když je FET vypnutý, proud protéká diodou D1 do kondenzátoru C1. Vvfb je zpětná vazba děliče napětí, která umožňuje mikrokontroléru monitorovat vysoké napětí a aktivovat FET podle potřeby k udržení požadovaného napětí.

Krok 2: Charakteristiky induktoru

Ačkoli je to velmi pěkné, poznámka k aplikaci Microchip mi připadá trochu zpět. Začíná určením požadovaného výkonu, poté volí dobu nabíjení induktoru bez obav z dostupných induktorů. Zjistil jsem, že je užitečnější vybrat induktor a navrhnout aplikaci kolem toho. Induktory, které jsem použil, jsou „C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH“(část Mouser 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 $), (část Mouser 580-22R104C, 0,67 zesilovač, 0,59 $). Vybral jsem si tyto induktory, protože jsou velmi malé, velmi levné, ale přesto mají slušný výkon. Už známe maximální kontinuální hodnocení naší cívky (0,67 ampéru pro 22R104C), ale potřebujeme vědět, jak dlouho bude trvat nabíjení (doba náběhu). Namísto použití fixního času nabíjení (viz rovnici 6 v TB053) ke stanovení požadovaných zesilovačů cívek můžeme dotazovat rovnici 6 a vyřešit dobu náběhu: (poznámka: rovnice 6 v TB053 je špatná, měla by být L, ne 2L) (Volts in/Inductor uH)*rise_time = Peak Amps-becomes- (Inductor uH/Volts in)*Peak Amps = time rise.-using the 22R104C with a 5 volt supply provides the following- (100/5)*0,67 = 13,5 uSt bude trvat 13,5 uS k úplnému nabití cívky induktoru při 5 voltech. Je zřejmé, že tato hodnota se bude lišit s různými napájecími napětími. Jak je uvedeno v TB053: „Proud v induktoru se nemůže měnit okamžitě. Když je Q1 vypnut, proud v L1 nadále protéká D1 do akumulačního kondenzátoru C1 a zátěže RL. Tedy proud v induktoru lineárně klesá v čase od špičkového proudu. "Dobu, kterou proud protéká z induktoru, můžeme určit pomocí rovnice TB05 7. V praxi je tato doba velmi krátká. Tato rovnice je implementována v přiložené tabulce, ale nebude zde diskutována. Kolik energie můžeme získat z 0,67 ampérového induktoru? Celkový výkon je určen následující rovnicí (tb053 rovnice 5): Výkon = (((doba náběhu)*(Volty v)^{2)/(2*Induktor uH))}-pomocí našich předchozích hodnot zjistíme-1,68 W = (13,5 uS*5 voltů^2)/(2*100uH)-převést watty na mA-mA = ((výkonové watty)/(výstupní volty))*1000-pomocí výstupního napětí 180 zjistíme-9,31mA = (1,68W/180voltů)*1000Můžeme získat maximálně 9,31 mA z tato cívka s napájením 5 voltů, ignorující všechny neefektivity a spínací ztráty. Většího výstupního výkonu lze dosáhnout zvýšením napájecího napětí. Všechny tyto výpočty jsou implementovány v "Tabulce 1: Výpočty cívek pro vysokonapěťové napájecí zdroje" tabulky obsažené v tomto návodu. Je zadáno několik příkladů cívek.

Krok 3: Řízení SMPS pomocí mikrokontroléru

Nyní, když jsme vypočítali dobu náběhu pro naši cívku, můžeme naprogramovat mikrokontrolér tak, aby se nabíjel dostatečně dlouho, aby dosáhl jmenovité mA. Jedním z nejjednodušších způsobů, jak toho dosáhnout, je použít hardwarový modulátor šířky impulzů PIC. Pulzní šířková modulace (PWM) má dvě proměnné popsané na obrázku níže. Během pracovního cyklu PIC zapne FET, uzemní ho a nechá proud do cívky induktoru (doba náběhu). Během zbývajícího období je FET vypnutý a proud teče z induktoru diodou ke kondenzátorům a zátěži (doba pádu). Požadovanou dobu náběhu již známe z našich předchozích výpočtů: 13,5 μS. TB053 naznačuje, že doba náběhu je 75% období. Hodnotu své periody jsem určil vynásobením doby náběhu 1,33: 17,9uS. To je v souladu s návrhem v TB053 a zajišťuje, že induktor zůstane v přerušovaném režimu - zcela se vybije po každém nabití. Je možné vypočítat přesnější období přidáním vypočítané doby náběhu k vypočítané době pádu, ale o to jsem se nepokoušel. Nyní můžeme určit skutečné hodnoty pracovního cyklu a období, které se mají zadat do mikrokontroléru, abychom získali požadované časové intervaly. V manuálu Microchip PIC pro střední rozsah najdeme následující rovnice (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / Frekvence oscilátoru * Prescaler Pokud nastavíme prescaler na 1 a porazíme tuto rovnici algebraickou tyčinkou, dostaneme: 10 bit Duty Cycle Value = PWM Duty Cycle uS * Frekvence oscilátoru Nahrazte Duty Cycle uS pro vypočítanou dobu náběhu a předpokládejte 8 Mhz oscilátor frekvence: 107 = 13,5uS * 8Mhz107 je zadáno do PIC, aby bylo dosaženo pracovního cyklu 13,5uS. Dále určíme hodnotu období PWM. Z manuálu pro střední rozsah dostaneme následující rovnici: PWM period uS = ((hodnota periody PWM) + 1) * 4 * (1/frekvence oscilátoru) * (hodnota předškálovaného) Opět nastavíme prescaler na 1 a obtěžujeme rovnici pro hodnotu období PWM, což nám dává: hodnota období PWM = ((období PWM uS/(4/frekvence oscilátoru))-1) náhradní období uS pro (1,33*doba náběhu) a předpokládáme frekvenci oscilátoru 8 Mhz: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 je vloženo do PIC, aby bylo získáno období 17,9uS. Ale počkej! Není doba kratší než pracovní cyklus? Ne - PIC mají 10bitový registr pracovního cyklu a 8bitový periodický registr. Pro hodnotu pracovního cyklu existuje větší rozlišení, takže její hodnota bude někdy větší než hodnota období - zejména při vysokých frekvencích. Všechny tyto výpočty jsou implementovány v „tabulce 2. Výpočty PWM“v tabulce obsažené v tomto pokynu. Je zadáno několik příkladů cívek.

Krok 4: Návrh DPS

PCB a CCT jsou ve formátu EagleCad. Oba jsou zahrnuty v ZIP archivu.

Při výrobě této DPS jsem se podíval na několik stávajících návrhů. Zde jsou mé poznámky k důležitým konstrukčním charakteristikám: 1. Sledoval jsem poznámku aplikace Microchip APP a používal TC4427A k řízení FET. Toto A) chrání mikrokontrolér před zpětným napětím přicházejícím z FET a B) může řídit FET na vyšší napětí než PIC pro rychlejší/tvrdší přepínání s lepší účinností. 2. Vzdálenost od PWM PIC k FET je minimalizována. 3. FET, induktor, kondenzátory zabalené opravdu pevně. 4. Sledování zásoby tuku. 5. Dobrá zem mezi FET a bodem připojení mladiny. Pro tento projekt jsem zvolil mikrokontrolér PIC 12F683. Jedná se o 8kolíkový PIC s hardwarovým PWM, 4 analogově digitální převodníky, 8Mhz interní oscilátor a 256 byte EEPROM. A co je nejdůležitější, měl jsem jeden z předchozího projektu. Použil jsem IRF740 FET kvůli jeho vysokému uznání na seznamu Neonixie-L. K vyhlazení VN napájení slouží 2 kondenzátory. Jeden je elektrolytický (vysoká teplota, 250 voltů, 1 uF), druhý je kovový film (250 voltů, 0,47 uF). Ten je mnohem větší a dražší (0,50 USD oproti 0,05 USD), ale je nutný k získání čistého výstupu. V tomto provedení jsou dva obvody zpětné vazby napětí. První umožňuje PIC snímat výstupní napětí a podle potřeby aplikovat na FET impulsy k udržení požadované úrovně. "Tabulka 3. Výpočty vysokonapěťové zpětné vazby" lze použít ke stanovení správné hodnoty zpětné vazby s ohledem na dělič napětí 3 odporů a požadované výstupní napětí. Jemné doladění se provádí s 1k trimrovacím odporem. Druhá zpětná vazba měří napájecí napětí, aby PIC mohl určit optimální dobu náběhu (a hodnoty období/pracovního cyklu). Z rovnic v kroku 1 jsme zjistili, že doba náběhu induktoru je závislá na napájecím napětí. Do PIC je možné zadat přesné hodnoty z tabulky, ale pokud se změní napájení, hodnoty již nejsou optimální. Pokud běží na baterie, napětí se sníží s vybitím baterií, což vyžaduje delší dobu náběhu. Moje řešení bylo nechat PIC vypočítat toto všechno a nastavit vlastní hodnoty (viz firmware). Tříkolíková propojka vybírá zdroj napájení pro TC4427A a cívku induktoru. Je možné provozovat jak z 580 voltového regulátoru 7805, ale lepší účinnosti a vyššího výkonu je dosaženo s větším napájecím napětím. TC4427a i IRF740 FET vydrží až ~ 20 voltů. Protože PIC bude kalibrovat pro jakékoli dané napájecí napětí, má smysl napájet je přímo z napájecího zdroje. To je zvláště důležité při provozu na baterie - v 7805 není třeba plýtvat energií, stačí napájet induktor přímo z článků. LED diody jsou volitelné, ale užitečné při řešení potíží. „Levá“LED (žlutá na mých deskách) indikuje, že zpětnovazební zpětná vazba je pod požadovaným bodem, zatímco pravá LED (v mém návrhu červená) znamená, že je konec. V praxi získáte pěkný efekt PWM, ve kterém LED diody svítí intenzitou vzhledem k aktuálnímu zatížení. Pokud červená LED dioda zhasne (svítí), znamená to, že i přes veškerou snahu nemůže PIC udržet výstupní napětí na požadované úrovni. Jinými slovy, zatížení překračuje maximální výkon SMPS. NEZAPOMEŇTE JUMPEROVÉ Dráty ZOBRAZENÉ ČERVENĚ! Seznam dílů Část Hodnota 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 5voltový regulátor IC7 PIC 12F683 L1 Ind (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0,47K R3 1K lineární trimr R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3kolíkový konektor X2 3 šroubová svorka

Krok 5: Firmware

Firmware je napsán v MikroBasic, kompilátor je zdarma pro programy do 2K (https://www.mikroe.com/). Pokud potřebujete programátor PIC, vezměte v úvahu můj vylepšený programátorský panel JDM2, který je také zveřejněn na instructables (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Základní operace: 1. Když je připojeno napájení, spustí se PIC. 2. PIC zpoždění po dobu 1 sekundy, aby se napětí stabilizovalo. 3. PIC čte zpětnou vazbu napájecího napětí a vypočítává optimální hodnoty pracovního cyklu a period. 4. PIC zaznamenává hodnoty ADC, pracovní cyklus a doby do EEPROM. To umožňuje řešení potíží a pomáhá diagnostikovat katastrofické poruchy. Ukazatel zápisu je adresa EEPROM 0. Jeden 4bajtový protokol je uložen při každém spuštění (re) SMPS. První 2 bajty jsou ADC vysoké/nízké, třetí bajt je nižší než 8 bitů hodnoty pracovního cyklu, čtvrtý bajt je hodnota období. Je zaznamenáno celkem 50 kalibrací (200 bajtů), než se ukazatel zápisu převrátí a začne znovu na adrese EEPROM 1. Nejnovější protokol bude umístěn na ukazateli-4. Ty lze načíst z čipu pomocí programátoru PIC. Horních 55 bajtů je ponecháno volných pro budoucí vylepšení (viz vylepšení). 5. PIC vstupuje do nekonečné smyčky - měří se hodnota zpětné vazby vysokého napětí. Pokud je pod požadovanou hodnotou, jsou registry pracovního cyklu PWM načteny vypočítanou hodnotou - POZNÁMKA: spodní dva bity jsou důležité a musí být načteny do CPP1CON 5: 4, horních 8 bitů jde do CRP1L. Pokud je zpětná vazba nad požadovanou hodnotou, PIC načte registry pracovního cyklu s 0. Toto je systém „přeskočení pulsu“. Pro přeskočení pulsu jsem se rozhodl ze dvou důvodů: 1) na tak vysokých frekvencích není příliš velká šířka záběru (v našem případě 0-107, mnohem méně při vyšších napájecích napětích) a 2) je možná modulace frekvence, a dává mnohem větší prostor pro úpravu (v našem příkladu 35–255), ale POUZE POVINNOST JE V HARDWARU DVOJNÁSOBNĚ BUFFEROVÁNA. Změna frekvence během provozu PWM může mít „podivné“efekty. Použití firmwaru: K použití firmwaru je zapotřebí několik kroků kalibrace. Tyto hodnoty je nutné zkompilovat do firmwaru. Některé kroky jsou volitelné, ale pomohou vám plně využít možnosti napájení. const v_ref jako float = 5,1 'float const supply_ratio jako float = 11,35' float const osc_freq jako float = 8 'float const L_Ipeak jako float = 67' float const fb_value jako slovo = 290 'slovo Tyto hodnoty lze nalézt v horní části kód firmwaru. Najděte hodnoty a nastavte je následovně. v_ref Toto je referenční napětí ADC. To je nutné k určení skutečného napájecího napětí, které má být zahrnuto v rovnicích popsaných v kroku 1. Pokud je PIC spuštěn z 7805 5voltového regulátoru, můžeme očekávat kolem 5 voltů. Pomocí multimetru změřte napětí mezi napájecím kolíkem PIC (PIN1) a zemí na šroubovém terminálu. Moje přesná hodnota byla 5,1 voltů. Tuto hodnotu zadejte zde. supply_ratio Dělič napájecího napětí se skládá z rezistoru 100K a 10K. Zpětná vazba by se teoreticky měla rovnat napájecímu napětí dělenému 11 (viz tabulka 5. Výpočty sítě zpětné vazby napájecího napětí). V praxi mají odpory různé tolerance a nejsou to přesné hodnoty. Chcete -li zjistit přesný poměr zpětné vazby: 1. Změřte napájecí napětí mezi šroubovými svorkami. 2. Změřte napětí zpětné vazby mezi pinem PIC 7 a zemí na šroubovém terminálu. 3. Rozdělte nabídku V podle FB V, abyste získali přesný poměr. Můžete také použít „Tabulka 6. Kalibrace zpětné vazby napájecího napětí“. osc_freq Jednoduše frekvence oscilátoru. Používám interní 8Mhz oscilátor 12F683, takže zadám hodnotu 8. L_Ipeak K získání této hodnoty vynásobte cívku induktoru uH maximálními souvislými zesilovači. V tomto příkladu je 22r104C cívka 100uH s hodnocením 0,67amp kontinuální. 100*.67 = 67. Znásobením hodnoty zde odpadne jedna 32bitová proměnná s pohyblivou řádovou čárkou a výpočet, který by jinak bylo nutné provést na PIC. Tato hodnota je vypočtena v „tabulce 1: Výpočty cívek pro vysokonapěťový napájecí zdroj“. fb_value Toto je skutečná celočíselná hodnota, kterou PIC použije k určení, zda je výstup vysokého napětí nad nebo pod požadovanou úrovní. Pomocí tabulky 3 určete poměr mezi výstupem VN a napětím zpětné vazby, když je lineární trimr ve střední poloze. Použitím středové hodnoty získáte prostor pro seřízení na obou stranách. Dále zadejte tento poměr a vaši přesnou referenci napětí do „Tabulky 4. Nastavená hodnota ADC pro zpětnou vazbu vysokého napětí“pro určení hodnoty fb_value. Jakmile tyto hodnoty najdete, zadejte je do kódu a zkompilujte. Vypalte HEX na PIC a jste připraveni jít! PAMATUJTE: EEPROM byte 0 je ukazatel zápisu protokolu. Nastavením na 1 zahájíte protokolování do bajtu 1 na novém obrázku. Kvůli kalibraci by se FET a induktor nikdy neměly zahřát. Také byste neměli slyšet vyzváněcí zvuk z cívky induktoru. Obě tyto podmínky indikují chybu kalibrace. Zkontrolujte protokol dat v paměti EEPROM, abyste zjistili, kde může být váš problém.

Krok 6: Vylepšení

Bylo by možné zlepšit několik věcí:

1. Umístěte šroubovou svorku blíže k FET, abyste dosáhli lepší dráhy uzemnění. 2. Natřete stopu napájení ke kondenzátorům a induktoru. 3. Přidejte stabilní referenční napětí pro zlepšení provozu z baterií a napájecích napětí nižších než 7 voltů (kde výstup 7805 klesne pod 5 voltů). 4. Použijte horních 55 bajtů EEPROM k záznamu fascinujících bitů zbytečných dat - celková doba běhu, události přetížení, min/max/průměrné zatížení. -ian instructables-at-whereisian-dot-com