Nagyfeszültségű kapcsolóüzemű tápegység (SMPS)/Boost konverter Nixie csövekhez: 6 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Ez az SMPS növeli az alacsony feszültséget (5-20 volt) a nixie csövek meghajtásához szükséges magas feszültségre (170-200 volt). Figyelmeztetni kell: annak ellenére, hogy ez a kis áramkör akkumulátorról/kisfeszültségű fali szálról is működtethető, a kimenet több mint elég ahhoz, hogy megölje Önt!

A projekt tartalma: Segéd Táblázat EagleCAD CCT és PCB fájlok MikroBasic Firmware Forrás

1. lépés: Hogyan működik?

Ez a kialakítás a TB053 mikrochip alkalmazás megjegyzésén alapul, számos módosítással a Neonixie-L tagok tapasztalatai alapján (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Szerezze be az alkalmazás jegyzetét - ez csak néhány oldal kellemes olvasmánya: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Az alábbi ábra a TB053 -ból származik. Felvázolja az SMPS alapelvét. A mikrokontroller földel egy FET -et (Q1), lehetővé téve a töltés beépítését az L1 induktorba. A FET kikapcsolásakor a töltés a D1 diódán keresztül a C1 kondenzátorba áramlik. A Vvfb egy feszültségosztó visszacsatolás, amely lehetővé teszi a mikrokontroller számára a magas feszültség figyelését és a FET aktiválását, ha szükséges a kívánt feszültség fenntartásához.

2. lépés: Az induktor jellemzői

Bár nagyon szép, a Microchip alkalmazás megjegyzése kicsit visszafelé tűnik számomra. A szükséges teljesítmény meghatározásával kezdődik, majd az induktivitás töltési idejét választja, anélkül, hogy aggódna a rendelkezésre álló induktorok miatt. Hasznosabbnak találtam az induktor kiválasztását és az alkalmazás körüli tervezést. Az általunk használt induktivitások a "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser 580-18R104C, 1.2 amp, 1.40 $), (Mouser part 580-22R104C, 0.67) erősítő, 0,59 dollár). Ezeket az induktivitásokat azért választottam, mert nagyon kicsik, nagyon olcsók, de tisztességes teljesítményűek. Már tudjuk a tekercsünk maximális folyamatos teljesítményét (0,67 amper a 22R104C esetén), de tudnunk kell, mennyi ideig tart a töltés (emelkedési idő). Ahelyett, hogy rögzített töltési időt használnánk (lásd a TB053 6. egyenletét) a szükséges tekercs -erősítők meghatározásához, lekérdezhetjük a 6. egyenletet, és megoldhatjuk az emelkedési időt: (megjegyzés: a TB053 6. egyenlete hibás, L -nek kell lennie, nem 2L -nek) (Volts in/Induktor uH)*rise_time = csúcserősítők-lesz- (Induktor uH/Volts in)*Peak amper = emelkedési idő.-a 22R104C 5 voltos tápfeszültséggel történő használata a következő (100/5)*0,67 = 13,5 uS 13,5 uS kell az induktor tekercs teljes feltöltéséhez 5 volton. Nyilvánvaló, hogy ez az érték különböző tápfeszültségektől függően változik. Amint azt a TB053 megjegyzi: "Az induktor áramerőssége nem tud azonnal megváltozni. Amikor a Q1 ki van kapcsolva, az L1 áram továbbra is a D1 -en keresztül áramlik a C1 tároló kondenzátorhoz és az RL terheléshez. Így az áram az induktorban lineárisan csökken a csúcsáramtól. "A TB05 7. egyenlet segítségével meg tudjuk határozni, hogy mennyi idő alatt folyik ki az áram az induktorból. A gyakorlatban ez az idő nagyon rövid. Ezt az egyenletet a mellékelt táblázat tartalmazza, de itt nem tárgyaljuk. Mennyi energiát tudunk kihozni egy 0,67 amperes induktorból? A teljes teljesítményt a következő egyenlet határozza meg (tb053 5. egyenlet): Teljesítmény = (((emelkedési idő)*(Volta)^{2)/(2*uH induktor))}-korábbi értékeinket használva -1,68 watt = (13,5uS*5 volt)^2)/(2*100uH)-wattot konvertáljon mA-mA-re = ((Teljesítmény watt)/(kimeneti volt))*1000-180-as kimeneti feszültség használatával -9,31mA = (1,68Watt/180 volt)*1000W Maximum 9,31 mA-t kaphatunk ez a tekercs 5 voltos táppal, figyelmen kívül hagyva minden hatékonyságot és kapcsolási veszteséget. A tápfeszültség növelésével nagyobb kimenőteljesítmény érhető el. Mindezeket a számításokat az útmutatóhoz mellékelt táblázat "1. táblázat: Tekercsszámítások nagyfeszültségű tápegységre" c. Több példa tekercs is be van írva.

3. lépés: Az SMPS vezérlése mikrokontrollerrel

Most, hogy kiszámítottuk tekercsünk felfutási idejét, programozhatunk egy mikrokontrollert, hogy csak annyi ideig töltse fel, hogy elérje a névleges mA -t. Ennek egyik legegyszerűbb módja a PIC hardver impulzusszélesség -modulátorának használata. Az impulzusszélesség -moduláció (PWM) két változót tartalmaz az alábbi ábrán. A működési ciklus során a PIC bekapcsolja a FET -et, földel, és áramot enged az induktor tekercsbe (emelkedési idő). Az időszak hátralévő részében a FET ki van kapcsolva, és az áram az induktivitásból a diódán keresztül a kondenzátorokhoz és a terheléshez folyik (esési idő). Korábbi számításainkból már tudjuk a szükséges emelkedési időt: 13,5uS. A TB053 szerint az emelkedési idő az időszak 75% -a lehet. A periódus értékét úgy határoztam meg, hogy megszorozom az emelkedési időt 1,33: 17,9uS -tal. Ez összhangban van a TB053 -ban található javaslattal, és biztosítja, hogy az induktor megszakítás nélküli üzemmódban maradjon - minden töltés után teljesen lemerüljön. Lehetőség van egy pontosabb időszak kiszámítására is, ha hozzáadjuk a kiszámított emelkedési időt a számított esési időhöz, de ezt nem próbáltam meg. Most meg tudjuk határozni a tényleges életciklus- és időszakértékeket, amelyeket a mikrovezérlőbe kell bevinni a kívánt időintervallumok eléréséhez. A Microchip PIC középkategóriás kézikönyvében a következő egyenleteket találjuk (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 Ha az előskálázót 1 -re állítjuk, és algebrai pálcával legyőzzük ezt az egyenletet, akkor ezt kapjuk: 10 bit Duty Cycle Value = PWM Duty Cycle uS * Oscillator Frequency Frekvencia: 107 = 13,5uS * 8Mhz107 be van írva a PIC -be, hogy 13,5 uS -os működési ciklust kapjon. Ezután meghatározzuk a PWM időszak értékét. A középkategóriás kézikönyvből a következő egyenletet kapjuk: PWM periódus uS = ((PWM periódus értéke) + 1) * 4 * (1/oszcillátor frekvencia) * (előskálázási érték) Ismét 1-re állítjuk az előskálázót és zaklatjuk az egyenletet a PWM periódus értékéhez, megadva nekünk: PWM periódus értéke = ((PWM Period uS/(4/Oszcillátor frekvencia))-1) Cserélje ki az uS periódust (1.33*emelkedési idő), és feltételezzen egy 8 Mhz oszcillátor frekvenciát: 35 = ((17.9/(4/8))-1) A 35-öt beírjuk a PIC-be, hogy 17,9uS időszakot kapjunk. De várj! Nem rövidebb az időszak, mint a munkaciklus? Nem - a PIC -k 10 bites ciklusregiszterrel és 8 bites periódusregiszterrel rendelkeznek. Nagyobb felbontás van a terhelési ciklus értékére, ezért értéke néha nagyobb lesz, mint az időszak értéke - különösen magas frekvenciákon. Mindezeket a számításokat az útmutatóhoz mellékelt táblázat "2. táblázat. PWM számítások" hajtja végre. Több példa tekercs is be van írva.

4. lépés: NYÁK -tervezés

A NYÁK és a CCT EagleCad formátumban vannak. Mindkettő szerepel a ZIP archívumban.

Ennek a NYÁK -nak az elkészítésekor több meglévő kivitelt is megnéztem. Itt vannak a megjegyzéseim: fontos tervezési jellemzők: 1. Követtem a Microchip APP jegyzetet, és egy TC4427A -t használtam a FET meghajtásához. Ez az A) megvédi a mikrokontrollert a FET -ből érkező visszacsapó feszültségektől, és B) a PET -nél magasabb feszültségen hajthatja a FET -et a gyorsabb/keményebb kapcsolás érdekében, jobb hatékonysággal. 2. A PIC PWM és a FET közötti távolság minimális. 3. FET, induktor, kondenzátorok nagyon szorosan csomagolva. 4. Zsírellátás nyom. 5. Jó talaj a FET és a faliszap csatlakozási pontja között. Ehhez a projekthez a PIC 12F683 mikrokontrollert választottam. Ez egy 8 tűs PIC hardver PWM -el, 4 analóg -digitális konverter, 8 MHz -es belső oszcillátor és 256 bájtos EEPROM. A legfontosabb, hogy volt nálam egy korábbi projektből. Az IRF740 FET-et használtam, mert nagy népszerűségnek örvend a Neonixie-L listán. 2 kondenzátor van a HV tápellátás kiegyenlítésére. Az egyik elektrolitikus (magas hőmérséklet, 250 volt, 1uF), a másik fémfólia (250 volt, 0,47uf). Ez utóbbi sokkal nagyobb és drágább (0,50 USD vs 0,05 USD), de szükséges a tiszta kimenet eléréséhez. Ebben a kialakításban két feszültségvisszacsatoló áramkör van. Az első lehetővé teszi a PIC számára, hogy érzékelje a kimeneti feszültséget, és impulzusokat adjon a FET -hez, ha szükséges a kívánt szint fenntartásához. A "3. táblázat. Nagyfeszültségű visszacsatolási hálózat számítások" segítségével meghatározható a helyes visszacsatolási érték a 3 ellenállású feszültségosztó és a kívánt kimeneti feszültség alapján. A finomhangolás az 1k trimmer ellenállással történik. A második visszacsatolás a tápfeszültséget méri, így a PIC meg tudja határozni az optimális emelkedési időt (és időszak/munkaciklus értékeket). Az 1. lépésben szereplő egyenletekből azt találtuk, hogy az induktivitás emelkedési ideje a tápfeszültségtől függ. Lehetőség van pontos értékek megadására a táblázatból a PIC -be, de ha a tápegységet megváltoztatják, az értékek már nem optimálisak. Ha elemről működik, a feszültség csökken, mivel az elemek lemerülnek, ami hosszabb emelkedési időt tesz szükségessé. A megoldás az volt, hogy hagytam, hogy a PIC kiszámítsa mindezt, és állítsa be a saját értékeit (lásd firmware). A háromcsapos jumper kiválasztja a TC4427A és az induktor tekercs tápforrását. Lehetőség van mindkettő működtetésére a 7805 5 voltos szabályozóból, de nagyobb hatékonyság és nagyobb teljesítmény érhető el nagyobb tápfeszültséggel. Mind a TC4427a, mind az IRF740 FET ~ 20 voltnak ellenáll. Mivel a PIC minden tápfeszültségre kalibrál, értelemszerűen ezeket közvetlenül a tápegységről kell táplálni. Ez különösen fontos az akkumulátor működése során - nem kell pazarolni az energiát a 7805 -ösben, csak táplálja az induktivitást közvetlenül a cellákból. A LED -ek opcionálisak, de praktikusak a hibaelhárításhoz. A „bal” LED (sárga a tábláimban) azt jelzi, hogy a HV visszacsatolás a kívánt pont alatt van, míg a jobb oldali LED (piros a tervezésemben) azt jelzi, hogy vége. A gyakorlatban szép PWM effektust kap, amelyben a LED -ek az aktuális terheléshez képest intenzitásban világítanak. Ha a piros LED (folyamatosan) kialszik, ez azt jelzi, hogy minden erőfeszítése ellenére a PIC nem tudja tartani a kimeneti feszültséget a kívánt szinten. Más szóval, a terhelés meghaladja az SMPS maximális kimenetet. NE felejtse el a piros színben megjelenő ugróhuzalokat! Részlista Részérték 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 voltos szabályozó IC7 PIC 12u683 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0,47K R3 1K lineáris vágógép R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 tűs fej X2 3 csavaros kapocs

5. lépés: Firmware

A firmware MikroBasic nyelven íródott, a fordító 2K -ig terjedő programokhoz ingyenes (https://www.mikroe.com/). Ha szüksége van egy PIC programozóra, vegye figyelembe a továbbfejlesztett JDM2 programozótáblát is, amely az utasításokban is megtalálható (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Alapművelet: 1. A tápfeszültség bekapcsolásakor a PIC elindul. 2. A PIC késleltetése 1 másodperc, hogy a feszültség stabilizálódjon. 3. A PIC beolvassa a tápfeszültség visszacsatolását, és kiszámítja az optimális működési ciklus és időszak értékeket. 4. A PIC az EEPROM -ba naplózza az ADC leolvasott, a működési ciklus és az időszak értékeit. Ez lehetővé teszi némi hibaelhárítást, és segít diagnosztizálni a katasztrofális hibákat. A 0 EEPROM -cím az írásmutató. Egy 4 bájtos napló kerül mentésre minden alkalommal, amikor az SMPS (újra) elindul. Az első 2 bájt ADC magas/alacsony, a harmadik bájt alacsonyabb 8 bit működési ciklus érték, a negyedik bájt az időszak értéke. Összesen 50 kalibrálás (200 bájt) kerül naplózásra, mielőtt az írásmutató felborul, és újra kezdődik az EEPROM 1. címen. A legutóbbi napló a 4-es mutatónál található. Ezeket ki lehet olvasni a chipből egy PIC programozó segítségével. A felső 55 bájt szabadon marad a jövőbeni fejlesztésekhez (lásd a fejlesztéseket). 5. A PIC végtelen hurokba lép - a nagyfeszültségű visszacsatolási értéket mérik. Ha ez a kívánt érték alatt van, akkor a PWM terhelési ciklusregiszterek a számított értékkel vannak feltöltve - MEGJEGYZÉS: az alsó két bit fontos, és be kell tölteni a CPP1CON 5: 4 -be, a felső 8 bit pedig a CRP1L -be. Ha a visszacsatolás meghaladja a kívánt értéket, a PIC 0 -val tölti be a munkaciklus -regisztereket. Ez egy „impulzus -kihagyás” rendszer. Két okból döntöttem az impulzus kihagyás mellett: 1) ilyen magas frekvenciákon nem kell nagy terjedelemmel játszani (példánkban 0-107, magasabb tápfeszültségnél sokkal kevesebb), és 2) frekvenciamoduláció lehetséges, és sokkal több teret ad a kiigazításnak (példánkban 35-255), de CSAK A DUTY DUPLA BUFERETT HARDVERBEN. A frekvencia megváltoztatása a PWM működése közben „furcsa” hatásokkal járhat. A firmware használata: A firmware használatához több kalibrálási lépésre van szükség. Ezeket az értékeket be kell állítani a firmware -be. Egyes lépések nem kötelezőek, de segítenek a legtöbbet kihozni a tápegységből. 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 'szó Ezek az értékek a firmware kód. Keresse meg az értékeket, és állítsa be az alábbiak szerint. v_ref Ez az ADC feszültségreferenciája. Ez szükséges az 1. lépésben leírt egyenletekbe beépítendő tényleges tápfeszültség meghatározásához. Ha a PIC -t egy 7805 -ös 5 voltos szabályozóról futtatják, akkor körülbelül 5 voltra számíthatunk. Multiméterrel mérje meg a feszültséget a PIC táp (PIN1) és a földelés között a csavaros kivezetésen. A pontos értékem 5,1 volt. Írja be ezt az értéket ide. tápfeszültség -arány A tápfeszültség -osztó 100K és 10K ellenállásból áll. Elméletileg a visszacsatolásnak egyenlőnek kell lennie a tápfeszültség 11 -el osztva (lásd 5. táblázat. Tápfeszültség -visszacsatolási hálózat számítások). A gyakorlatban az ellenállások különböző tűrésekkel rendelkeznek, és nem pontos értékek. A pontos visszacsatolási arány megtalálásához: 1. Mérje meg a tápfeszültséget a csavaros kivezetések között. 2. Mérje meg a visszacsatoló feszültséget a PIC 7 tüske és a csavaros csatlakozó földje között. 3. A pontos arány eléréséhez ossza fel az V. ellátást az FB V -vel. Használhatja a "6. táblázat. Tápfeszültség visszacsatolás kalibrálása" c. osc_freq Egyszerűen az oszcillátor frekvenciája. A 12F683 belső 8 MHz -es oszcillátort használom, így 8. értéket adok meg. A példában a 22r104C egy 100uH -os tekercs, amelynek teljesítménye 0,67 amper. 100*.67 = 67. Az érték itt megszorozva megszűnik egy 32 bites lebegőpontos változó és számítás, amelyet egyébként a PIC -en kell elvégezni. Ezt az értéket az "1. táblázat: Tekercsszámítások nagyfeszültségű tápegységhez" c. fb_value Ez a tényleges egész érték, amelyet a PIC használ annak megállapítására, hogy a nagyfeszültségű kimenet a kívánt szint felett vagy alatt van -e. A 3. táblázat segítségével határozza meg a HV kimeneti és visszacsatolási feszültség közötti arányt, ha a lineáris vágógép középső helyzetben van. A középső érték használatával mindkét oldalon beállíthat. Ezután adja meg ezt az arányt és a pontos feszültségreferenciát a "4. táblázat. Nagyfeszültségű visszacsatolás ADC beállított értéke" értékben az fb_value meghatározásához. Miután megtalálta ezeket az értékeket, írja be őket a kódba és fordítsa le. Írja be a HEX -et a PIC -be, és készen áll az indulásra! NE feledje: az EEPROM 0 bájt a napló írási mutatója. Állítsa 1 -re, hogy elkezdje naplózni az 1 -es bájtra egy friss képen. A kalibrálás miatt a FET és az induktor soha nem melegedhet fel. Az induktor tekercsből csengő hangot sem szabad hallania. Mindkét feltétel kalibrációs hibát jelez. Ellenőrizze az EEPROM adatnaplóját, hogy megállapítsa, hol lehet a probléma.

6. lépés: Javítások

Pár dolgon lehetne javítani:

1. Helyezze a csavaros kapocsot közelebb a FET -hez a jobb földút érdekében. 2. Hízlalja fel a kondenzátorok és az induktor tápellátását. 3. Adjon hozzá stabil feszültségreferenciát, hogy javítsa az akkumulátorok működését és a 7 voltnál kisebb tápfeszültséget (ahol a 7805 kimenete 5 volt alá csökken). 4. Használja a felső 55 EEPROM bájtot a lenyűgöző, haszontalan adatok naplózásához - teljes futási idő, túlterhelési események, min/max/átlagos terhelés. -ian instructables-at-whereisian-dot-com