Augstsprieguma slēdža režīma barošanas avots (SMPS)/pastiprinātājs Nixie caurulēm: 6 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:58

Šis SMPS palielina zemo spriegumu (5-20 volti) līdz augstajam spriegumam, kas nepieciešams nixie cauruļu darbināšanai (170-200 volti). Esiet brīdināts: pat ja šo mazo ķēdi var darbināt ar baterijām/zemsprieguma sienām, izeja ir vairāk nekā pietiekama, lai jūs nogalinātu!

Projektā ietilpst: Palīgizklājlapas EagleCAD CCT un PCB faili MikroBasic programmaparatūras avots

1. darbība. Kā tas darbojas?

Šis dizains ir balstīts uz mikroshēmas lietojumprogrammas piezīmi TB053 ar vairākām izmaiņām, pamatojoties uz Neonixie-L dalībnieku pieredzi (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Iegūstiet lietotnes piezīmi - tas ir jauki lasāms tikai dažās lappusēs: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Tālāk redzamā ilustrācija ir izvilkta no TB053. Tajā ir izklāstīts SMPS pamatprincips. Mikrokontrolleris pamato FET (Q1), ļaujot uzlādēt induktoru L1. Kad FET ir izslēgts, lādiņš caur diodi D1 nonāk kondensatorā C1. Vvfb ir sprieguma dalītāja atgriezeniskā saite, kas ļauj mikrokontrolleram kontrolēt augstspriegumu un pēc vajadzības aktivizēt FET, lai uzturētu vēlamo spriegumu.

2. solis: Induktora raksturojums

Lai gan Microchip lietotnes piezīme man šķiet ļoti jauka, man tā šķiet nedaudz atpalikusi. Tas sākas, nosakot nepieciešamo jaudu, pēc tam izvēlas induktora uzlādes laiku, neraizējoties par pieejamajiem induktoriem. Man šķita lietderīgāk izvēlēties induktoru un izstrādāt lietojumprogrammu ap to. Izmantotie induktori ir "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser part 580-18R104C, 1.2 amp, $ 1.40), (Mouser part 580-22R104C, 0.67 pastiprinātājs, 0,59 ASV dolāri). Es izvēlējos šos induktorus, jo tie ir ļoti mazi, ļoti lēti, taču tiem ir pienācīgi jaudas rādītāji. Mēs jau zinām maksimālo nepārtraukto mūsu spoles nominālo vērtību (0,67 ampēri 22R104C), taču mums ir jāzina, cik ilgi tas tiks uzlādēts (pieauguma laiks). Tā vietā, lai izmantotu fiksētu uzlādes laiku (skat. TB053 6. vienādojumu), lai noteiktu vajadzīgos spoles pastiprinātājus, mēs varam nopratināt 6. vienādojumu un atrisināt pieauguma laiku: (piezīme: TB053 6. vienādojums ir nepareizs, tam jābūt L, nevis 2L) (Volti/induktors uH)*pieauguma laiks = maksimālie ampēri-kļūst-(induktors uH/volti iekšā)*maksimālie ampēri = pieauguma laiks.-izmantojot 22R104C ar 5 voltu barošanu, iegūst šādu (100/5)*0,67 = Lai pilnībā uzlādētu induktora spoli pie 5 voltiem, būs nepieciešami 13,5 uS. Acīmredzot šī vērtība mainīsies atkarībā no dažādiem barošanas spriegumiem. Kā atzīmēts TB053: "Induktora strāva nevar uzreiz mainīties. Kad Q1 ir izslēgts, L1 strāva turpina plūst caur D1 uz uzglabāšanas kondensatoru C1 un slodzi RL. Tādējādi strāva induktorā Laika gaitā lineāri samazinās no maksimālās strāvas. "Mēs varam noteikt laiku, kas nepieciešams, lai strāva izplūstu no induktora, izmantojot TB05 vienādojumu 7. Praksē šis laiks ir ļoti īss. Šis vienādojums ir ieviests iekļautajā izklājlapā, bet šeit netiks apspriests. Cik daudz jaudas mēs varam iegūt no 0,67 amp induktora? Kopējo jaudu nosaka pēc šāda vienādojuma (tb053 5. vienādojums): Jauda = (((pieauguma laiks)*(Volti))^{2)/(2*induktors uH))}-izmantojot mūsu iepriekšējās vērtības, mēs atrodam-1,68 vati = (13,5uS*5 volti^2)/(2*100uH)-konvertējiet vatus uz mA-mA = ((jaudas vati)/(izejas volti))*1000-izmantojot izejas spriegumu 180, mēs atrodam-9,31 mA = (1,68 vati/180 volti)*1000 mēs varam iegūt maksimāli 9,31 mA no šī spole ar 5 voltu barošanu, ignorējot visas neefektivitātes un pārslēgšanās zudumus. Lielāku izejas jaudu var sasniegt, palielinot barošanas spriegumu. Visi šie aprēķini ir ieviesti šajā instrukcijā iekļautās izklājlapas "1. tabulā: spoles aprēķini augstsprieguma barošanas avotam". Ir ievadīti vairāki spoļu piemēri.

3. darbība: SMPS vadīšana ar mikrokontrolleru

Tagad, kad esam aprēķinājuši spoles pieauguma laiku, mēs varam ieprogrammēt mikrokontrolleri, lai tas uzlādētu tik ilgi, lai sasniegtu nominālo mA. Viens no vienkāršākajiem veidiem, kā to izdarīt, ir izmantot PIC aparatūras impulsa platuma modulatoru. Pulsa platuma modulācijai (PWM) ir divi mainīgie, kas norādīti zemāk redzamajā attēlā. Darba cikla laikā PIC ieslēdz FET, iezemē to un pieļauj strāvu induktora spolē (pacelšanās laiks). Atlikušajā periodā FET ir izslēgts, un strāva no induktora izplūst caur diodi uz kondensatoriem un slodzi (kritiena laiks). Mēs jau zinām vajadzīgo pieauguma laiku no mūsu iepriekšējiem aprēķiniem: 13,5uS. TB053 liecina, ka pieauguma laiks ir 75% no perioda. Es noteicu savu perioda vērtību, reizinot pieauguma laiku ar 1,33: 17,9uS. Tas atbilst TB053 ieteikumam un nodrošina, ka induktors paliek nepārtrauktā režīmā - pilnībā izlādējas pēc katras uzlādes. Ir iespējams aprēķināt precīzāku periodu, aprēķinātajam kritiena laikam pievienojot aprēķināto pieauguma laiku, bet es to neesmu mēģinājis. Tagad mēs varam noteikt faktisko darba ciklu un perioda vērtības, lai ievadītu mikrokontrolleri, lai iegūtu vēlamos laika intervālus. Microchip PIC vidējā diapazona rokasgrāmatā atrodam šādus vienādojumus (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM darba cikls uS = (10 bitu darba cikla vērtība) * (1 / oscilatora frekvence) * prescaler frekvence: 107 = 13,5uS * 8Mhz107 tiek ievadīts PIC, lai iegūtu darba ciklu 13,5uS. Tālāk mēs nosakām PWM perioda vērtību. No vidēja diapazona rokasgrāmatas mēs iegūstam šādu vienādojumu: PWM periods uS = ((PWM perioda vērtība) + 1) * 4 * (1/oscilatora frekvence) * (iepriekšēja mēroga vērtība) Atkal mēs iestatām prescaler uz 1 un uzmācamies vienādojumam PWM perioda vērtībai, norādot mums: PWM perioda vērtība = (((PWM periods uS/(4/oscilatora frekvence)))-1) aizstāt periodu uS (1.33*pieauguma laiks) un pieņemt 8 Mhz oscilatora frekvenci: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 tiek ievadīts PIC, lai iegūtu periodu 17.9uS. Bet pagaidi! Vai periods nav īsāks par darba ciklu? Nē - PIC ir 10 bitu darba cikla reģistrs un 8 bitu periodu reģistrs. Darba cikla vērtībai ir lielāka izšķirtspēja, tāpēc tās vērtība dažkārt būs lielāka par perioda vērtību, īpaši augstās frekvencēs. Visi šie aprēķini ir ieviesti šajā pamācībā iekļautās izklājlapas 2. tabulā. PWM aprēķini. Ir ievadīti vairāki spoļu piemēri.

4. solis: PCB dizains

PCB un CCT ir EagleCad formātā. Abi ir iekļauti ZIP arhīvā.

Izgatavojot šo PCB, es apskatīju vairākus esošos dizainus. Šeit ir manas piezīmes par: svarīgām konstrukcijas īpašībām: 1. Es sekoju Microchip APP piezīmei un izmantoju TC4427A, lai vadītu FET. Šis A) aizsargā mikrokontrolleri no FET atplūdes sprieguma, un B) var vadīt FET ar augstāku spriegumu nekā PIC, lai ātrāk/grūtāk pārslēgtos ar labāku efektivitāti. 2. Attālums no PIC PWM līdz FET ir samazināts līdz minimumam. 3. FET, induktors, kondensatori iepakoti patiešām cieši. 4. Tauku piegādes izsekošana. 5. Laba zeme starp FET un sieniņu misas savienojuma punktu. Šim projektam es izvēlējos PIC 12F683 mikrokontrolleru. Šis ir 8 kontaktu PIC ar aparatūras PWM, 4 analogiem ciparu pārveidotājiem, 8 MHz iekšējais oscilators un 256 baitu EEPROM. Vissvarīgākais, man bija viens no iepriekšējā projekta. Es izmantoju IRF740 FET, jo tā saņēma lielu atzinību Neonixie-L sarakstā. Lai izlīdzinātu HV padevi, ir 2 kondensatori. Viens ir elektrolīts (augsta temperatūra, 250 volti, 1uF), otrs ir metāla plēve (250 volti, 0,47uf). Pēdējais ir daudz lielāks un dārgāks (0,50 ASV dolāri pret 0,05 ASV dolāriem), taču tas ir nepieciešams, lai iegūtu tīru rezultātu. Šajā dizainā ir divas sprieguma atgriezeniskās saites ķēdes. Pirmais ļauj PIC uztvert izejas spriegumu un pēc vajadzības lietot impulsus FET, lai uzturētu vēlamo līmeni. "3. tabula. Augstsprieguma atgriezeniskās saites tīkla aprēķini" var tikt izmantoti, lai noteiktu pareizo atgriezeniskās saites vērtību, ņemot vērā 3 rezistoru sprieguma dalītāju un vēlamo izejas spriegumu. Precīzu regulēšanu veic ar 1k trimmera rezistoru. Otrā atgriezeniskā saite mēra barošanas spriegumu, lai PIC varētu noteikt optimālo pieauguma laiku (un perioda/darba cikla vērtības). No 1. soļa vienādojumiem mēs atklājām, ka induktora pacelšanās laiks ir atkarīgs no barošanas sprieguma. Ir iespējams ievadīt precīzas vērtības no izklājlapas savā PIC, bet, ja tiek mainīts barošanas avots, vērtības vairs nav optimālas. Ja darbojas no baterijām, spriegums samazināsies, jo baterijas izlādējas, tāpēc ir nepieciešams ilgāks pacelšanās laiks. Mans risinājums bija ļaut PIC to visu aprēķināt un iestatīt savas vērtības (sk. Programmaparatūru). Trīs tapu džemperis izvēlas barošanas avotu TC4427A un indukcijas spolei. Ir iespējams darbināt gan no 7805 5 voltu regulatora, bet ar lielāku barošanas spriegumu tiek panākta labāka efektivitāte un lielāka jauda. Gan TC4427a, gan IRF740 FET izturēs līdz ~ 20 voltiem. Tā kā PIC kalibrēs jebkuru barošanas spriegumu, ir lietderīgi tos barot tieši no barošanas avota. Tas ir īpaši svarīgi akumulatora darbībā - 7805 nav jātērē enerģija, vienkārši ievadiet induktoru tieši no elementiem. Gaismas diodes nav obligātas, taču tās ir noderīgas problēmu novēršanai. “Kreisais” gaismas diode (manos dēļos dzeltens) norāda, ka HV atgriezeniskā saite atrodas zem vēlamā punkta, bet labā gaismas diode (sarkanā krāsā manā dizainā) norāda, ka tā ir beigusies. Praksē jūs iegūstat jauku PWM efektu, kurā gaismas diodes spīd intensitātē attiecībā pret pašreizējo slodzi. Ja sarkanā gaismas diode izslēdzas (nepārtraukti), tas norāda, ka, neskatoties uz visu iespējamo, PIC nevar uzturēt izejas spriegumu vēlamajā līmenī. Citiem vārdiem sakot, slodze pārsniedz maksimālo SMPS jaudu. NEaizmirstiet sarkanā krāsā parādītos džemperu vadus! Daļu saraksts Daļas vērtība 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 voltu regulators IC7 PIC 12u683 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K lineārais trimmeris R4 330 omi R5 100K R6 330 omi R7 10K SV1 3 kontaktu uzgalis X2 3 skrūves spailes

5. solis: programmaparatūra

Programmaparatūra ir rakstīta MikroBasic, kompilators ir bezmaksas programmām līdz 2K (https://www.mikroe.com/). Ja jums ir nepieciešams PIC programmētājs, apsveriet manu uzlaboto JDM2 programmētāju paneli, kas arī ir ievietota instrukcijās (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Pamata darbība: 1. Kad tiek izmantota strāva, sākas PIC. 2. PIC kavējas 1 sekundi, lai spriegums stabilizētos. 3. PIC nolasa barošanas sprieguma atgriezenisko saiti un aprēķina optimālās darba cikla un perioda vērtības. 4. PIC reģistrē ADC nolasījuma, darba cikla un perioda vērtības EEPROM. Tas ļauj noteikt problēmas un palīdz diagnosticēt katastrofālas kļūmes. EEPROM adrese 0 ir rakstīšanas rādītājs. Viens 4 baitu žurnāls tiek saglabāts katru reizi, kad SMPS (atkārtoti) tiek palaists. Pirmie 2 baiti ir ADC augsts/zems, trešais baits ir zemāks par 8 bitiem darba cikla vērtības, ceturtais baits ir perioda vērtība. Kopā tiek ierakstītas 50 kalibrācijas (200 baiti), pirms rakstīšanas rādītājs apgāžas un sākas no jauna ar EEPROM adresi 1. Jaunākais žurnāls atradīsies rādītājā-4. Tos var nolasīt no mikroshēmas, izmantojot PIC programmētāju. Augšējie 55 baiti ir atstāti brīvi turpmākiem uzlabojumiem (skatiet uzlabojumus). 5. PIC nonāk bezgalīgā cilpā - tiek mērīta augstsprieguma atgriezeniskā saite. Ja tā ir zemāka par vēlamo vērtību, PWM darba cikla reģistri tiek ielādēti ar aprēķināto vērtību - PIEZĪME: divi apakšējie biti ir svarīgi, un tie ir jāielādē CPP1CON 5: 4, augšējie 8 biti tiek ievadīti CRP1L. Ja atgriezeniskā saite pārsniedz vēlamo vērtību, PIC slodzes cikla reģistrus ielādē ar 0. Šī ir impulsa izlaišanas sistēma. Es nolēmu izlaist impulsu divu iemeslu dēļ: 1) tik augstās frekvencēs nav daudz darba platuma, ar ko spēlēties (mūsu piemērā 0-107, daudz mazāk pie augstāka barošanas sprieguma), un 2) ir iespējama frekvences modulācija, un dod daudz vairāk pielāgošanas iespēju (mūsu piemērā 35–255), bet AUGSTĀ APRŪPĒJUMĀ TIKAI PIENĀKUMS IR DIVkāršs. Frekvences maiņai PWM darbības laikā var būt “dīvaini” efekti. Programmaparatūras lietošana: Lai izmantotu programmaparatūru, jāveic vairākas kalibrēšanas darbības. Šīs vērtības jāapkopo programmaparatūrā. Dažas darbības nav obligātas, taču tās palīdzēs maksimāli izmantot barošanas avotu. 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 Šīs vērtības var atrast augšpusē programmaparatūras kods. Atrodiet vērtības un iestatiet to šādi. v_ref Šī ir ADC sprieguma atsauce. Tas ir nepieciešams, lai noteiktu faktisko barošanas spriegumu, kas jāiekļauj 1. solī aprakstītajos vienādojumos. Ja PIC darbina no 7805 5 voltu regulatora, mēs varam sagaidīt aptuveni 5 voltus. Izmantojot multimetru, izmēriet spriegumu starp PIC kontaktdakšu (PIN1) un zemējumu pie skrūves spailes. Mana precīzā vērtība bija 5,1 volti. Ievadiet šo vērtību šeit. Barošanas sprieguma dalītājs sastāv no 100K un 10K rezistora. Teorētiski atgriezeniskajai saitei jābūt vienādai ar barošanas spriegumu, dalītu ar 11 (sk. 5. tabulu. Barošanas sprieguma atgriezeniskās saites tīkla aprēķini). Praksē rezistoriem ir dažādas pielaides, un tās nav precīzas vērtības. Lai atrastu precīzu atgriezeniskās saites attiecību: 1. Izmēriet barošanas spriegumu starp skrūvju spailēm. 2. Izmēriet atgriezenisko spriegumu starp PIC tapu 7 un zemējumu pie skrūves spailes. 3. Lai iegūtu precīzu attiecību, sadaliet piedāvājumu V ar FB V. Varat arī izmantot "6. tabulu. Barošanas sprieguma atgriezeniskās saites kalibrēšana". osc_freq Vienkārši oscilatora frekvence. Es izmantoju 12F683 iekšējo 8Mhz oscilatoru, tāpēc ievadu vērtību 8. L_Ipeak Reiziniet induktora spoli uH ar maksimālajiem nepārtrauktajiem ampēriem, lai iegūtu šo vērtību. Piemērā 22r104C ir 100uH spole ar nepārtrauktu nominālo vērtību.67amps. 100*.67 = 67. Reizinot vērtību, tiek novērsts viens 32 bitu peldošā komata mainīgais un aprēķins, kas citādi būtu jāveic PIC. Šī vērtība ir aprēķināta "1. tabulā: spoles aprēķini augstsprieguma barošanas avotam". fb_value Šī ir faktiskā veselā skaitļa vērtība, ko PIC izmantos, lai noteiktu, vai augstsprieguma izeja ir virs vai zem vēlamā līmeņa. Izmantojiet 3. tabulu, lai noteiktu attiecību starp HV izejas un atgriezenisko spriegumu, kad lineārais trimmeris atrodas centrā. Izmantojot vidējo vērtību, abās pusēs tiek nodrošināta regulēšanas iespēja. Pēc tam ievadiet šo attiecību un precīzu sprieguma atsauci sadaļā "4. tabula. Augstsprieguma atgriezeniskās saites ADC iestatītā vērtība", lai noteiktu fb_value. Kad esat atradis šīs vērtības, ievadiet tās kodā un apkopojiet. Sadedziniet HEX uz PIC un esat gatavs doties! Atcerieties: EEPROM baits 0 ir žurnāla rakstīšanas rādītājs. Iestatiet to uz 1, lai sāktu reģistrēties 1. baitā uz jauna attēla. Kalibrēšanas dēļ FET un induktors nekad nedrīkst sasilt. Tāpat nevajadzētu dzirdēt zvana skaņu no induktora spoles. Abi šie nosacījumi norāda uz kalibrēšanas kļūdu. Pārbaudiet datu žurnālu EEPROM, lai palīdzētu noteikt, kur varētu būt jūsu problēma.

6. darbība: uzlabojumi

Varētu uzlabot dažas lietas:

1. Ievietojiet skrūves spaili tuvāk FET, lai nodrošinātu labāku zemes ceļu. 2. Nobarojiet piegādes trasi ar kondensatoriem un induktoru. 3. Pievienojiet stabilu sprieguma atskaiti, lai uzlabotu darbību no baterijām un barošanas sprieguma, kas mazāks par 7 voltiem (ja 7805 izeja ir zemāka par 5 voltiem). 4. Izmantojiet augšējos 55 EEPROM baitus, lai reģistrētu aizraujošus bezjēdzīgus datus - kopējo izpildes laiku, pārslodzes notikumus, min/max/vidējo slodzi. -ian instructables-at-whereisian-dot-com