מתג מתח גבוה אספקת חשמל (SMPS)/ממיר Boost לצינורות Nixie: 6 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

SMPS זה מגביר מתח נמוך (5-20 וולט) למתח הגבוה הדרוש להנעת צינורות ניסי (170-200 וולט). הזהר: למרות שניתן להפעיל מעגל קטן זה על סוללות/וולט-וולט מתח נמוך, הפלט הוא יותר ממספיק כדי להרוג אותך!

הפרויקט כולל: עוזר גיליון אלקטרוני EagleCAD CCT & PCB קבצי MikroBasic קושחה

שלב 1: איך זה עובד?

עיצוב זה מבוסס על ה- Microchip Application Note TB053 עם מספר שינויים המבוססים על הניסיון של חברי Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). קבל את הערת האפליקציה - קריאה נעימה של כמה דפים בלבד: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) האיור להלן מופיע מתוך TB053. הוא מתאר את העיקרון הבסיסי מאחורי ה- SMPS. מיקרו -בקר מבסס FET (Q1), ומאפשר לבנות מטען במשרן L1. כאשר ה- FET כבוי, המטען זורם דרך דיודה D1 לקבל C1. Vvfb הוא משוב מחלק מתח המאפשר לבקר המיקרו לעקוב אחר המתח הגבוה ולהפעיל את ה- FET לפי הצורך כדי לשמור על המתח הרצוי.

שלב 2: מאפייני המשרן

למרות שנחמד מאוד, פתק האפליקציה של Microchip נראה לי קצת לאחור. הוא מתחיל בקביעת ההספק הנדרש, ואז בוחר זמן טעינה של משרן ללא חשש למשרנים זמינים. מצאתי שמועיל יותר לבחור משרן ולעצב את היישום סביב זה. המשרנים בהם השתמשתי הם "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (חלק Mouser 580-18R104C, 1.2 אמפר, $ 1.40), (חלק Mouser 580-22R104C, 0.67 מגבר, 0.59 $). בחרתי במשרנים הללו מכיוון שהם קטנים מאוד, זולים מאוד, אך עם זאת יש להם דירוג הספק הגון. אנחנו כבר יודעים את הדירוג המרבי הרציף של הסליל שלנו (0.67 אמפר עבור 22R104C), אבל אנחנו צריכים לדעת כמה זמן ייקח לטעינה (זמן עלייה). במקום להשתמש בזמן טעינה קבוע (ראה משוואה 6 ב- TB053) כדי לקבוע את מגברי הסליל הנדרשים, נוכל לחקור את משוואה 6 ולפתור עבור זמן עלייה: (הערה: משוואה 6 ב- TB053 שגויה, היא צריכה להיות L, לא 2L) (וולט ב-/Inductor uH)*זמן עלייה = שיא אמפר -הופך- (Inductor uH/וולט פנימה)*אמפר שיא = זמן עלייה. שימוש ב- 22R104C עם אספקת 5 וולט נותן את הדברים הבאים: (100/5)*0.67 = 13.5uS יידרשו 13.5 ארה"ב לטעינה מלאה של סליל המשרן ב 5 וולט. ברור שערך זה ישתנה עם מתחי אספקה שונים. כפי שצוין ב- TB053: "הזרם במשרן אינו יכול להשתנות באופן מיידי. כאשר Q1 כבוי, הזרם ב- L1 ממשיך לזרום דרך D1 אל קבל האחסון, C1, והעומס, RL. לפיכך, הזרם במשרן. פוחתת באופן ליניארי בזמן מזרם השיא. "אנו יכולים לקבוע את משך הזמן שלוקח לזרם לצאת מהמשרן באמצעות משוואת TB05 7. בפועל הזמן הזה קצר מאוד. משוואה זו מיושמת בגיליון האלקטרוני הכלול, אך לא נדון בה כאן. כמה כוח נוכל להוציא ממשרן 0.67 אמפר? הספק הכולל נקבע על ידי המשוואה הבאה (משוואה tb053 5): הספק = (((זמן עלייה)*(וולט ב)^{2)/(2*משרן uH))}-בשימוש בערכים הקודמים שלנו אנו מוצאים -1.6 וואט = (13.5uS*5 וולט^2)/(2*100uH)-המיר וואט ל- mA-mA = ((וואט הספק)/(וולט פלט))*1000 באמצעות מתח יציאה של 180 אנו מוצאים -9.31mA = (1.68Watts/180volts)*1000 אנו יכולים לקבל מקסימום של 9.31 mA מ סליל זה עם אספקת 5 וולט, תוך התעלמות מכל חוסר היעילות והפסדי מיתוג. ניתן להשיג כוח פלט רב יותר על ידי הגברת מתח האספקה. כל החישובים הללו מיושמים ב"טבלה 1: חישובי סלילים לאספקת מתח גבוה "של הגיליון האלקטרוני המצורף להוראה זו. מספר סלילים לדוגמה מוזנים.

שלב 3: נהיגה ב- SMPS באמצעות מיקרו -בקר

כעת, לאחר שחישבנו את זמן עליית הסליל שלנו, אנו יכולים לתכנת מיקרו -בקר לטעון אותו מספיק זמן כדי להגיע ל- mA המדורג שלו. אחת הדרכים הקלות ביותר לעשות זאת היא להשתמש באפנן רוחב הדופק של חומרה של PIC. אפנון רוחב הדופק (PWM) כולל שני משתנים המתוארים באיור שלהלן. במהלך מחזור הפעולה ה- PIC מפעיל את ה- FET, מקרקע אותו ומאפשר זרם לסליל המשרן (זמן עלייה). במהלך שאר התקופה ה- FET כבוי והזרם זורם מתוך המשרן דרך הדיודה אל הקבלים והעומס (זמן נפילה). אנחנו כבר יודעים את זמן העלייה הנדרש מהחישובים הקודמים שלנו: 13.5uS. TB053 מציע שזמן העלייה יהיה 75% מהתקופה. קבעתי את ערך התקופה שלי על ידי הכפלת זמן העלייה ב- 1.33: 17.9uS. זה עולה בקנה אחד עם ההצעה ב- TB053 ומבטיח כי המשרן יישאר במצב לא רציף - מתפרק לחלוטין לאחר כל טעינה. אפשר לחשב תקופה מדויקת יותר על ידי הוספת זמן העלייה המחושב לזמן הנפילה המחושב, אך לא ניסיתי זאת. כעת אנו יכולים לקבוע את מחזור העבודה והערכים בפועל להיכנס למיקרו -בקר כדי לקבל את מרווחי הזמן הרצויים.. במדריך טווח הביניים של Microchip PIC אנו מוצאים את המשוואות הבאות (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / תדר מתנד) * מדחום אם אנו מגדירים את המשקלון ל -1 ומנצחים את המשוואה הזו בעזרת מקל אלגברה נקבל: ערך מחזור חובה של 10 סיביות = PWM Duty Cycle uS * תדר מתנד החלף את מחזור ה- DUS עבור זמן עלייה מחושב, והנחנו מתנד 8 מגה -הרץ תדירות: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 נכנס לתוך PIC כדי לקבל מחזור עבודה של 13.5uS. לאחר מכן, אנו קובעים את ערך תקופת ה- PWM. מהמדריך לטווח בינוני אנו מקבלים את המשוואה הבאה: תקופת PWM uS = ((ערך תקופת PWM) + 1) * 4 * (1/תדר מתנד) * (ערך קנה מידה) שוב, הגדרנו את ערך המקלדת ל- 1 והטרדנו את המשוואה עבור ערך תקופת PWM, נותן לנו: ערך תקופת PWM = ((תקופת PWM uS/(4/תדר מתנד))-1) תקופת תחליף uS עבור (1.33*זמן עלייה), והנחה מתדר 8 מתנד 8 Mhz: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 מוזמן ל- PIC כדי לקבל תקופה של 17.9uS. אבל חכה! האם התקופה לא קצרה יותר ממחזור העבודה? לא - ל- PIC יש רישום מחזור עבודה של 10 סיביות ורשם תקופות של 8 סיביות. יש יותר רזולוציה לערך מחזור העבודה, ולכן הערך שלה לפעמים יהיה גדול מערך התקופה - במיוחד בתדרים גבוהים. כל החישובים האלה מיושמים ב"טבלה 2. חישובי PWM "של הגיליון האלקטרוני המצורף להוראה זו. מספר סלילים לדוגמה מוזנים.

שלב 4: עיצוב PCB

PCB & CCT הם בפורמט EagleCad. שניהם כלולים בארכיון ה- ZIP.

הסתכלתי על כמה עיצובים קיימים בעת ביצוע PCB זה. להלן ההערות שלי: מאפייני עיצוב חשובים: 1. עקבתי אחר ההערה של ה- Microchip APP והשתמשתי ב- TC4427A כדי להניע את ה- FET. A) זה מגן על המיקרו -בקר מפני מתחי flyback היורדים מה- FET, ו- B) יכול להניע את ה- FET במתחים גבוהים יותר מה- PIC לצורך מעבר מהיר/קשה יותר ביעילות טובה יותר. 2. המרחק מה- PWM של ה- PIC ל- FET ממוזער. 3. FET, משרן, קבלים ארוזים ממש צמודים. 4. עקבות אספקת שומן. 5. קרקע טובה בין FET לנקודת החיבור של קיר-וורט. בחרתי במיקרו -בקר PIC 12F683 לפרויקט זה. זהו PIC בעל 8 פינים עם PWM חומרה, 4 ממירים אנלוגיים לדיגיטליים, מתנד פנימי של 8Mhz ו- 256 בתים EEPROM. והכי חשוב, היה לי אחד מהפרויקט הקודם. השתמשתי ב- IRF740 FET בגלל ההוקרה הגבוהה שלו ברשימת Neonixie-L. ישנם 2 קבלים להחלקת אספקת ה- HV. האחד הוא אלקטרוליטי (טמפרטורה גבוהה, 250 וולט, 1uF), השני הוא סרט מתכת (250 וולט, 0.47uf). האחרון הרבה יותר גדול ויקר יותר (0.50 $ מול 0.05 $), אבל הכרחי כדי להשיג תפוקה נקייה. ישנם שני מעגלי משוב למתח בעיצוב זה. הראשון מאפשר ל- PIC לחוש את מתח היציאה ולהחיל פולסים ל- FET לפי הצורך כדי לשמור על הרמה הרצויה. ניתן להשתמש ב"טבלה 3. חישובי רשת משוב מתח גבוה "לקביעת ערך המשוב הנכון בהתחשב במחיצת מתח הנגדים 3 ומתח הפלט הרצוי. כוונון עדין מתבצע עם הנגד לגוזם 1k. המשוב השני מודד את מתח האספקה כך שה- PIC יכול לקבוע זמן עלייה אופטימלי (וערכי מחזור תקופה/עבודה). מהמשוואות בשלב 1 גילינו שזמן עליית המשרן תלוי במתח האספקה. אפשר להזין ערכים מדויקים מהגיליון האלקטרוני לתוך ה- PIC שלך, אך אם ישתנה אספקת החשמל הערכים אינם אופטימליים יותר. אם הם פועלים מסוללות, המתח יירד כאשר פריקת הסוללות מחייבת זמן עלייה ארוך יותר. הפתרון שלי היה לתת ל- PIC לחשב את כל זה ולהגדיר ערכים משלו (ראה קושחה). מגשר שלוש הפינים בוחר את מקור האספקה עבור TC4427A וסליל המשרן. אפשר להפעיל את שניהם מווסת ה -5 וולט 7805, אך יעילות טובה יותר ותפוקה גבוהה יותר מושגת עם מתח אספקה גדול יותר. הן TC4427a והן IRF740 FET יעמדו בעד ~ 20 וולט. מכיוון שה- PIC יכייל לכל מתח אספקה נתון, יש טעם להאכיל אותם ישירות מספק החשמל. זה חשוב במיוחד בתפעול הסוללה - אין צורך לבזבז חשמל ב- 7805, רק להאכיל את המשרן ישירות מהתאים. נוריות LED הן אופציונליות, אך שימושיות לאיתור בעיות. נורית ה- 'שמאל' (צהוב בלוחות שלי) מצביעה על כך שמשוב HV נמצא מתחת לנקודה הרצויה, בעוד הנורית הימנית (אדומה בעיצובי) מצביעה על סיום. בפועל אתה מקבל אפקט PWM נחמד שבו נוריות LED זוהרות בעוצמה ביחס לעומס הנוכחי. אם הנורית האדומה נכבה (מוצקה) זה מצביע על כך שלמרות המאמץ הטוב ביותר, ה- PIC לא יכול לשמור על מתח היציאה ברמה הרצויה. במילים אחרות, העומס חורג מהפלט המרבי של SMPS. אל תשכח את חוטי המגשר המוצגים באדום! רשימת חלקים ערך חלק 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 ווסת IC7 PIC 12F683 L1 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K גוזם לינארי R4 330 אוהם R5 100K R6 330 אוהם R7 10K SV1 3 פינים כותרת X2 3 מסוף בורג

שלב 5: קושחה

הקושחה כתובה ב- MikroBasic, המהדר בחינם לתוכניות עד 2K (https://www.mikroe.com/). אם אתה צריך מתכנת PIC, שקול את לוח המתכנתים המשופר של JDM2 שלי המופיע גם ב- instructables (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). פעולה בסיסית: 1. כאשר מופעל חשמל PIC מתחיל. 2. עיכובים של PIC למשך שנייה אחת כדי לאפשר למתחים להתייצב. 3. PIC קורא את המשוב על מתח האספקה ומחשב את מחזור הפעילות האופטימלי וערכי התקופה. 4. PIC רושם את ערכי קריאת ה- ADC, מחזור החובה והתקופה ל- EEPROM. זה מאפשר כמה בעיות בצילום ועוזר לאבחן כשלים קטסטרופליים. כתובת EEPROM 0 היא מצביע הכתיבה. יומן אחד של 4 בתים נשמר בכל פעם שה- SMPS מופעל (מחדש). 2 הבייטים הראשונים הם ADC גבוה/נמוך, הבייט השלישי הוא נמוך יותר ב 8 סיביות של ערך מחזור העבודה, הבייט הרביעי הוא ערך התקופה. סך הכל 50 כיולים (200 בתים) נרשמים לפני שמצביע הכתיבה מתהפך ומתחיל מחדש בכתובת EEPROM 1. היומן האחרון ימצא בציון -4. אלה ניתן לקרוא מתוך השבב באמצעות מתכנת PIC. 55 הבייטים העליונים נותרים פנויים לשיפורים עתידיים (ראה שיפורים). 5. PIC נכנס ללולאה אינסופית - ערך משוב במתח גבוה נמדד. אם הוא נמוך מהערך הרצוי, הרישומים של מחזור הפונקציה של PWM נטענים עם הערך המחושב - הערה: שני הביטים התחתונים חשובים ויש לטעון אותם לתוך CPP1CON 5: 4, 8 סיביות עליונות נכנסים ל- CRP1L. אם המשוב גבוה מהערך הרצוי, ה- PIC טוען את רושמי מחזור העבודה עם 0. זוהי מערכת 'דילוג דופק'. החלטתי לדלג על הדופק משתי סיבות: 1) בתדרים כה גבוהים אין הרבה רוחב חובה לשחק איתו (0-107 בדוגמה שלנו, הרבה פחות במתח אספקה גבוה יותר), ו 2) אפשרי אפנון תדרים, ונותן הרבה יותר מקום להתאמה (35-255 בדוגמה שלנו), אך רק החובה כפולה במכשיר. שינוי התדירות בזמן שה- PWM פועל יכול להיות בעל השפעות 'מוזרות'. שימוש בקושחה: יש צורך במספר שלבי כיול כדי להשתמש בקושחה. יש לערוך ערכים אלה לתוך הקושחה. חלק מהשלבים הם אופציונליים, אך יעזרו לך להפיק את המרב מאספקת החשמל שלך. 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 ערכים אלה ניתן למצוא בחלק העליון של קוד קושחה. מצא את הערכים והגדר כדלקמן. v_ref זוהי התייחסות המתח של ה- ADC. זה נחוץ כדי לקבוע את מתח האספקה בפועל שיכלול במשוואות המתוארות בשלב 1. אם ה- PIC מופעל מווסת 7805 5 וולט אנו יכולים לצפות סביב 5 וולט. מודד את המתח בין סיכת החשמל PIC (PIN1) לבין הקרקע במסוף הבורג בעזרת מודד. הערך המדויק שלי היה 5.1 וולט. הזן ערך זה כאן. supply_ratio מחלק מתח האספקה מורכב מנגד 100K ו- 10K. תיאורטית המשוב צריך להיות שווה למתח האספקה המחולק ב -11 (ראה טבלה 5. חישובי רשת המשוב על מתח האספקה). בפועל, לנגדים יש סובלנות שונות ואינם ערכים מדויקים. כדי למצוא את יחס המשוב המדויק: 1. מדוד את מתח האספקה בין מסופי הבורג. 2. למדוד את מתח המשוב בין סיכה 7 PIC לאדמה במסוף הבורג. 3. חלק את אספקה V על ידי FB V כדי לקבל יחס מדויק. תוכל גם להשתמש ב"טבלה 6. כיול משוב מתח אספקה ". osc_freq פשוט תדר המתנד. אני משתמש במתנד הפנימי 8Mhz 12F683, אז אני מזין ערך של 8. L_Ipeak הכפל את סליל המשרן uH עם המגבר הרציף המרבי כדי לקבל ערך זה. בדוגמה 22r104C הוא סליל 100uH עם דירוג של.67 אמפר רציף. 100*.67 = 67. הכפלת הערך כאן מבטלת משתנה אחד של 32 סיביות צף וחישוב שאחרת היה צריך לעשות זאת ב- PIC. ערך זה מחושב ב"טבלה 1: חישובי סלילים לאספקת מתח גבוה ". fb_value זהו ערך המספר השלם בפועל בו PIC ישתמש כדי לקבוע אם פלט המתח הגבוה הוא מעל או מתחת לרמה הרצויה. השתמש בטבלה 3 כדי לקבוע את היחס בין פלט HV למתח המשוב כאשר הגוזם הליניארי נמצא במיקום המרכזי. השימוש בערך המרכזי נותן חדר התאמה משני הצדדים. לאחר מכן, הזן את היחס הזה ואת התייחסות המתח המדויקת שלך ב"טבלה 4. ערך משוב ADC של משוב גבוה "כדי לקבוע את fb_value. לאחר שתמצא ערכים אלה הכנס אותם לקוד ותרכז. צרוב את HEX ל- PIC ואתה מוכן לצאת לדרך! זכור: EEPROM בייט 0 הוא מצביע כתיבת היומן. הגדר אותו ל -1 כדי להתחיל להיכנס לביט 1 בתמונה חדשה. בגלל הכיול, ה- FET והמשרן לעולם לא אמורים להתחמם. אסור לשמוע צליל מצלצל מסליל המשרן. שני התנאים הללו מצביעים על שגיאת כיול. בדוק את יומן הנתונים ב- EEPROM כדי לעזור לקבוע היכן הבעיה שלך נמצאת.

שלב 6: שיפורים

אפשר לשפר כמה דברים:

1. חבר את מסוף הבורג ל- FET לנתיב קרקע טוב יותר. 2. משמינים את עקבות האספקה לקבלים ולמשרן. 3. הוסף הפניה למתח יציב כדי לשפר את הפעולה מסוללות ומתחי אספקה הנמוכים מ -7 וולט (כאשר תפוקת ה- 7805 יורדת מתחת ל -5 וולט). 4. השתמש ב -55 הבתים העליונים של EEPROM כדי לרשום נתונים מרתקים של מידע חסר תועלת - זמן ריצה כולל, אירועי עומס יתר, מינימום/מקסימום/עומס ממוצע. -אין מדריכים-ב--whereisian-dot-com