Nixie Tüpleri için Yüksek Gerilim Anahtarlamalı Güç Kaynağı (SMPS)/Boost Dönüştürücü: 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Bu SMPS, düşük voltajı (5-20 volt) nixie tüplerini (170-200 volt) sürmek için gereken yüksek voltaja yükseltir. Dikkatli olun: Bu küçük devre piller/düşük voltajlı duvar şırası ile çalıştırılabilse de, çıktı sizi öldürmeye fazlasıyla yetiyor!

Proje şunları içerir: Yardımcı Elektronik Tablo EagleCAD CCT & PCB dosyaları MikroBasic Firmware Source

Adım 1: Nasıl Çalışır?

Bu tasarım, Neonixie-L üyelerinin deneyimlerine dayanan çeşitli modifikasyonlar ile Mikroçip Uygulama Notu TB053'e dayanmaktadır (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Uygulama notunu alın - sadece birkaç sayfalık güzel bir okumadır: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Aşağıdaki resim TB053'ten alınmıştır. SMPS'nin arkasındaki temel prensibi özetlemektedir. Bir mikro denetleyici, bir FET'i (Q1) topraklayarak L1 indüktöründe bir şarj oluşmasına izin verir. FET kapatıldığında, yük D1 diyotundan C1 kondansatörüne akar. Vvfb, mikrodenetleyicinin yüksek voltajı izlemesine ve istenen voltajı korumak için gerektiğinde FET'i etkinleştirmesine izin veren bir voltaj bölücü geri bildirimidir.

Adım 2: İndüktör Özellikleri

Çok hoş olsa da, Microchip uygulama notu bana biraz ters görünüyor. Gerekli gücü belirleyerek başlar, ardından mevcut indüktörler için endişe duymadan bir indüktör şarj süresi seçer. Bir indüktör seçmeyi ve uygulamayı buna göre tasarlamayı daha faydalı buldum. Kullandığım indüktörler "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser parçası 580-18R104C, 1.2 amp, 1.40 $), (Mouser parçası 580-22R104C, 0.67 amper, 0,59 ABD doları). Bu indüktörleri seçtim çünkü çok küçükler, çok ucuzlar ama yine de iyi güç değerlerine sahipler. Bobinimizin maksimum sürekli değerini zaten biliyoruz (22R104C için 0,67 amper), ancak şarjın ne kadar süreceğini bilmemiz gerekiyor (yükselme zamanı). Gerekli bobin amperlerini belirlemek için sabit bir şarj süresi kullanmak (TB053'teki denklem 6'ya bakın) yerine, denklem 6'yı sorgulayabilir ve yükselme süresini çözebiliriz: (not: TB053'teki denklem 6 yanlış, 2L değil L olmalıdır) (Volt in/İndüktör uH)*rise_time=Tepe Amper -olur-(İndüktör uH/Volt in) * Tepe Amper = yükselme süresi.-22R104C'yi 5 volt besleme ile kullanmak aşağıdakileri verir-(100/5)*0,67= 13,5uSIt, indüktör bobinini 5 voltta tamamen şarj etmek için 13,5 uS alacaktır. Açıkçası, bu değer farklı besleme voltajlarına göre değişecektir. TB053'te belirtildiği gibi: "Bir indüktördeki akım anında değişemez. Q1 kapatıldığında, L1'deki akım D1 üzerinden depolama kapasitörüne, C1'e ve yüke, RL'ye akmaya devam eder. Böylece indüktördeki akım tepe akımdan zamanla lineer olarak azalır." TB05 denklemi 7'yi kullanarak akımın indüktörden akması için geçen süreyi belirleyebiliriz. Pratikte bu süre çok kısadır. Bu denklem dahil edilen elektronik tabloda uygulanmaktadır, ancak burada tartışılmayacaktır. 0,67 amperlik bir indüktörden ne kadar güç alabiliriz? Toplam güç aşağıdaki denklemle belirlenir (tb053 denklem 5):Güç=(((yükselme süresi)*(Volt cinsinden)^{2)/(2*İndüktör uH))}-önceki değerlerimizi kullanarak -1.68 Watts=(13.5uS*5volts) buluyoruz^2)/(2*100uH)-watt'ı mA-mA'ya çevir=((Güç Watt)/(çıkış voltu))*1000-180 çıkış voltajı kullanarak 9,31mA = (1,68Watt/180volt)*1000'den maksimum 9,31 mA alabiliriz 5 volt beslemeli bu bobin, tüm verimsizlikleri ve anahtarlama kayıplarını göz ardı eder. Besleme voltajını artırarak daha fazla çıkış gücü elde edilebilir. Bu hesaplamaların tümü, bu talimatla birlikte verilen elektronik tablonun "Tablo 1: Yüksek Gerilim Güç Kaynağı için Bobin Hesaplamaları" bölümünde uygulanmaktadır. Birkaç örnek bobin girilmiştir.

Adım 3: SMPS'yi Bir Mikrodenetleyiciyle Sürmek

Bobinimizin yükselme süresini hesapladığımıza göre, bir mikrodenetleyiciyi, nominal mA değerine ulaşacak kadar uzun süre şarj etmesi için programlayabiliriz. Bunu yapmanın en kolay yollarından biri, bir PIC'nin donanım darbe genişlik modülatörünü kullanmaktır. Darbe genişlik modülasyonu (PWM), aşağıdaki şekilde özetlenen iki değişkene sahiptir. Görev döngüsü sırasında PIC, FET'i açar, topraklar ve akımın indüktör bobinine girmesine izin verir (yükselme süresi). Periyodun geri kalanında FET kapalıdır ve akım diyot aracılığıyla indüktörden kapasitörlere ve yüke akar (düşme süresi). Gerekli yükselme süresini önceki hesaplamalarımızdan zaten biliyoruz: 13.5uS. TB053, yükselme süresinin dönemin %75'i olduğunu önermektedir. Yükselme süresini 1.33:17.9uS ile çarparak dönem değerimi belirledim. Bu, TB053'teki öneriyle tutarlıdır ve indüktörün süreksiz modda kalmasını sağlar - her şarjdan sonra tamamen deşarj olur. Hesaplanan düşme süresine hesaplanan yükselme süresini ekleyerek daha kesin bir süre hesaplamak mümkün ama ben bunu denemedim. Artık istenilen zaman aralıklarını almak için mikrodenetleyiciye girilecek gerçek görev döngüsü ve periyot değerlerini belirleyebiliriz.. Microchip PIC Mid-range kılavuzunda aşağıdaki denklemleri buluyoruz (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS =(10 bit Duty Cycle Value) * (1 / osilatör Frekansı) * Ön ÖlçekleyiciÖn ölçekleyiciyi 1'e ayarlar ve bu denklemi bir cebir çubuğu ile yenersek: 10 bit Görev Döngüsü Değeri = PWM Görev Döngüsü uS * Osilatör Frekansı Görev Döngüsü uS'yi hesaplanan yükselme süresi için değiştirin ve 8 Mhz'lik bir osilatör varsayın frekans:107 = 13.5uS * 8Mhz107, 13.5uS görev döngüsü elde etmek için PIC'ye girilir. Ardından PWM Dönem Değerini belirliyoruz. Orta Seviye Kılavuzdan aşağıdaki denklemi elde ederiz: PWM periyodu uS = ((PWM periyot değeri) + 1) * 4 * (1/osilatör frekansı) * (ön ölçek değeri)Yine, ön ölçekleyiciyi 1'e ayarlıyoruz ve denklemi bozuyoruz PWM periyodu değeri için, bize şunu verir:PWM periyot değeri = ((PWM Periyodu uS/(4/Osilatör frekansı))-1) (1.33*yükselme zamanı) yerine periyot usS ve 8 Mhz osilatör frekansı:35= ((17.9/(4/8))-1)35, 17.9uS periyodu almak için PIC'ye girilir. Fakat bekle! Süre görev döngüsünden daha kısa değil mi? Hayır - PIC'lerin 10 bitlik bir görev döngüsü kaydı ve 8 bitlik bir dönem kaydı vardır. Görev döngüsü değeri için daha fazla çözünürlük vardır, bu nedenle değeri bazen dönem değerinden daha büyük olacaktır - özellikle yüksek frekanslarda. Bu hesaplamaların tümü, bu talimatla birlikte verilen elektronik tablonun "Tablo 2. PWM Hesaplamaları"nda uygulanır. Birkaç örnek bobin girilmiştir.

Adım 4: PCB Tasarımı

PCB ve CCT EagleCad formatındadır. Her ikisi de ZIP arşivine dahil edilmiştir.

Bu PCB'yi yaparken mevcut birkaç tasarıma baktım. İşte notlarım: önemli tasarım özellikleri: 1. Microchip APP notunu takip ettim ve FET'i sürmek için bir TC4427A kullandım. Bu A) mikrodenetleyiciyi FET'ten gelen geri dönüş voltajlarından korur ve B) daha iyi verimlilikle daha hızlı/daha sert anahtarlama için FET'i PIC'den daha yüksek voltajlarda çalıştırabilir. 2. PIC'nin PWM'sinden FET'e olan mesafe minimize edilmiştir. 3. FET, indüktör, kapasitörler gerçekten sıkı paketlenmiş. 4. Yağ kaynağı izi. 5. FET ve duvar-wort bağlantı noktası arasında iyi bir zemin. Bu proje için PIC 12F683 mikrodenetleyiciyi seçtim. Bu, donanım PWM'si, 4 analogdan dijitale dönüştürücüler, 8Mhz dahili osilatör ve 256 bayt EEPROM içeren 8 pinli bir PIC'dir. En önemlisi, önceki bir projeden bir tane vardı. Neonixie-L listesindeki yüksek beğenisi nedeniyle IRF740 FET'i kullandım. HV beslemesini yumuşatmak için 2 kapasitör vardır. Biri elektrolitik (yüksek sıcaklık, 250 volt, 1uF), diğeri metal bir filmdir (250 volt, 0.47uf). İkincisi çok daha büyük ve daha pahalıdır (0,50$'a karşı 0,05$), ancak temiz bir çıktı elde etmek için gereklidir. Bu tasarımda iki voltaj geri besleme devresi vardır. Birincisi, PIC'nin çıkış voltajını algılamasına ve istenen seviyeyi korumak için gerektiğinde FET'e darbeler uygulamasına izin verir. "Tablo3. Yüksek Gerilim Geri Besleme Şebekesi Hesapları" 3 direnç gerilim bölücü ve istenilen çıkış gerilimi verilen doğru geri besleme değerini belirlemek için kullanılabilir. 1k trimmer direnci ile ince ayar yapılır. İkinci geri besleme, PIC'nin optimum yükselme süresini (ve periyot/görev döngüsü değerlerini) belirleyebilmesi için besleme voltajını ölçer. Adım 1'deki denklemlerden, indüktör yükselme süresinin besleme voltajına bağlı olduğunu bulduk. Elektronik tablodan PIC'nize tam değerler girmek mümkündür, ancak güç kaynağı değiştirilirse değerler artık optimal değildir. Akülerden çalıştırılıyorsa, akülerin boşalması nedeniyle daha uzun bir yükselme süresi gerektireceğinden voltaj düşecektir. Benim çözümüm, PIC'nin tüm bunları hesaplamasına ve kendi değerlerini belirlemesine izin vermekti (bkz. bellenim). Üç pimli jumper, TC4427A ve indüktör bobini için besleme kaynağını seçer. Her ikisini de 7805 5 volt regülatörden çalıştırmak mümkündür, ancak daha büyük bir besleme voltajı ile daha iyi verim ve daha yüksek çıkış elde edilir. Hem TC4427a hem de IRF740 FET, ~20 volta kadar dayanacaktır. PIC, verilen herhangi bir besleme voltajı için kalibre edileceğinden, bunları doğrudan güç kaynağından beslemek mantıklıdır. Bu özellikle pille çalışırken önemlidir - 7805'te güç harcamanıza gerek yoktur, sadece indüktörü doğrudan hücrelerden besleyin. LED'ler isteğe bağlıdır, ancak sorun giderme için kullanışlıdır. 'Sol' LED (panolarımda sarı), HV geri beslemesinin istenen noktanın altında olduğunu, sağ LED (tasarımımdaki kırmızı) ise bittiğini gösterir. Pratikte, LED'lerin mevcut yüke göre yoğunlukta parladığı güzel bir PWM efekti elde edersiniz. Kırmızı LED'in (sürekli) sönmesi, tüm çabasına rağmen PIC'nin çıkış voltajını istenilen seviyede tutamadığını gösterir. Başka bir deyişle, yük SMPS maksimum çıkışını aşıyor. KIRMIZI GÖSTERİLEN JUMPER TELLERİNİ UNUTMAYIN! Parça Listesi Parça Değeri 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 5volt kanal regülatörü 683 L1 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Lineer Trimmer R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 Pin Header X2 3 Vidalı Terminal

Adım 5: Bellenim

Ürün yazılımı MikroBasic ile yazılmıştır, derleyici 2K'ya kadar olan programlar için ücretsizdir (https://www.mikroe.com/). Bir PIC programlayıcıya ihtiyacınız varsa, gelişmiş JDM2 programcı panomun talimatlarda da yayınlandığını düşünün (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Temel işlem: 1. Güç verildiğinde PIC başlar. 2. PIC, voltajların stabilize olmasını sağlamak için 1 saniye geciktirir. 3. PIC, besleme gerilimi geri beslemesini okur ve optimal görev döngüsü ve periyot değerlerini hesaplar. 4. PIC, ADC okumasını, görev döngüsünü ve periyot değerlerini EEPROM'a kaydeder. Bu, bazı sorunların giderilmesine olanak tanır ve feci arızaların teşhis edilmesine yardımcı olur. EEPROM adresi 0, yazma işaretçisidir. SMPS her (yeniden) başlatıldığında bir 4 baytlık günlük kaydedilir. İlk 2 bayt ADC yüksek/düşük, üçüncü bayt daha düşük 8 bit görev döngüsü değeri, dördüncü bayt ise dönem değeridir. Yazma işaretçisi dönmeden ve EEPROM adresi 1'de yeniden başlamadan önce toplam 50 kalibrasyon (200 bayt) günlüğe kaydedilir. En son günlük, işaretçi-4'te yer alacaktır. Bunlar bir PIC programcısı kullanılarak çipten okunabilir. Üstteki 55 bayt, gelecekteki geliştirmeler için serbest bırakıldı (geliştirmelere bakın). 5. PIC sonsuz döngüye girer - yüksek gerilim geri besleme değeri ölçülür. İstenen değerin altındaysa, PWM görev döngüsü kayıtları hesaplanan değerle yüklenir - NOT: alttaki iki bit önemlidir ve CPP1CON 5:4'e yüklenmelidir, üst 8 bit CRP1L'ye gider. Geri besleme istenen değerin üzerindeyse, PIC görev döngüsü kayıtlarını 0 ile yükler. Bu bir 'darbe atlama' sistemidir. Darbe atlamaya iki nedenden dolayı karar verdim: 1) bu kadar yüksek frekanslarda oynayacak çok fazla görev genişliği yok (örneğimizde 0-107, daha yüksek besleme gerilimlerinde çok daha az) ve 2) frekans modülasyonu mümkün, ve ayarlama için çok daha fazla alan sağlar (bizim örneğimizde 35-255), ancak DONANIMDA YALNIZCA GÖREV ÇİFT ARA BELİRLENİR. PWM çalışırken frekansı değiştirmenin 'garip' etkileri olabilir. Firmware'i kullanma: Firmware'i kullanmak için birkaç kalibrasyon adımı gereklidir. Bu değerler bellenimde derlenmelidir. Bazı adımlar isteğe bağlıdır, ancak güç kaynağınızdan en iyi şekilde yararlanmanıza yardımcı olur. 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 Bu değerler, ürün yazılımı kodu. Değerleri bulun ve aşağıdaki gibi ayarlayın. v_ref Bu, ADC'nin voltaj referansıdır. Bu, 1. adımda açıklanan denklemlere dahil edilecek gerçek besleme voltajını belirlemek için gereklidir. PIC, 7805 5 voltluk bir regülatörden çalıştırılıyorsa, yaklaşık 5 volt bekleyebiliriz. Bir multimetre kullanarak PIC güç pimi (PIN1) ile vidalı terminaldeki toprak arasındaki voltajı ölçün. Tam değerim 5.1 volttu. Bu değeri buraya girin. Supply_ratio Besleme gerilimi bölücü, 100K ve 10K'lık bir dirençten oluşur. Teorik olarak geri besleme, besleme geriliminin 11'e bölünmesine eşit olmalıdır (bkz. Tablo 5. Besleme Gerilimi Geri Besleme Şebeke Hesaplamaları). Pratikte dirençler çeşitli toleranslara sahiptir ve kesin değerler değildir. Kesin geri besleme oranını bulmak için: 1. Vidalı terminaller arasındaki besleme gerilimini ölçün. 2. PIC pimi 7 ile vidalı terminalde toprak arasındaki geri besleme voltajını ölçün. 3. Kesin bir oran elde etmek için Arz V'yi FB V'ye bölün. Ayrıca "Tablo 6. Besleme Gerilimi Geri Besleme Kalibrasyonu"nu da kullanabilirsiniz. osc_freq Basitçe osilatör frekansı. 12F683 dahili 8Mhz osilatör kullanıyorum, bu yüzden 8 değerini giriyorum. L_Ipeak Bu değeri elde etmek için indüktör bobini uH'yi maksimum sürekli amper ile çarpın. Örnekte 22r104C, sürekli.67 amper dereceli bir 100uH bobindir. 100*.67=67. Buradaki değerin çarpılması, bir 32 bitlik kayan nokta değişkenini ve aksi takdirde PIC üzerinde yapılması gereken hesaplamayı ortadan kaldırır. Bu değer "Tablo 1: Yüksek Gerilim Güç Kaynağı için Bobin Hesapları"nda hesaplanmıştır. fb_value Bu, PIC'nin yüksek voltaj çıkışının istenen seviyenin üstünde veya altında olup olmadığını belirlemek için kullanacağı gerçek tamsayı değeridir. Lineer düzeltici orta konumdayken HV çıkışı ile geri besleme voltajı arasındaki oranı belirlemek için Tablo 3'ü kullanın. Merkez değerini kullanmak, her iki tarafta da ayar odası sağlar. Ardından, fb_değerini belirlemek için bu oranı ve tam voltaj referansınızı "Tablo 4. Yüksek Gerilim Geri Besleme ADC Ayar Değeri"ne girin. Bu değerleri bulduktan sonra bunları koda girin ve derleyin. HEX'i PIC'e yazın ve gitmeye hazırsınız! UNUTMAYIN: EEPROM bayt 0, günlük yazma işaretçisidir. Yeni bir resimde bayt 1'e giriş yapmaya başlamak için 1'e ayarlayın. Kalibrasyon nedeniyle FET ve indüktör asla ısınmamalıdır. İndüktör bobininden zil sesi de duymamalısınız. Bu koşulların her ikisi de bir kalibrasyon hatası olduğunu gösterir. Sorununuzun nerede olabileceğini belirlemeye yardımcı olması için EEPROM'daki veri günlüğünü kontrol edin.

6. Adım: İyileştirmeler

Birkaç şey geliştirilebilir:

1. Daha iyi topraklama yolu için vidalı terminali FET'e yaklaştırın. 2. Kondansatörlere ve indüktöre giden besleme izini yağlayın. 3. Pillerden çalışmayı iyileştirmek ve 7 volttan düşük besleme voltajları (7805'in çıkışının 5 voltun altına düştüğü durumlarda) kararlı bir voltaj referansı ekleyin. 4. Toplam çalışma süresi, aşırı yük olayları, min/maks/ortalama yük gibi büyüleyici bit işe yaramaz veriyi günlüğe kaydetmek için üstteki 55 EEPROM baytını kullanın. -ian-instructables-at-whereisian-dot-com