Высоковольтный импульсный источник питания (SMPS) / повышающий преобразователь для ламп Nixie: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

Этот SMPS повышает низкое напряжение (5-20 вольт) до высокого напряжения, необходимого для питания газоразрядных ламп (170-200 вольт). Будьте осторожны: хотя эта небольшая схема может работать от батарей / низковольтных глинтвейнов, выходной мощности более чем достаточно, чтобы вас убить!

В проект входят: вспомогательная таблица EagleCAD CCT и файлы печатной платы Источник микропрограмм MikroBasic

Шаг 1. Как это работает?

Этот дизайн основан на примечании к применению Microchip TB053 с несколькими модификациями, основанными на опыте участников Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Получите заметку о приложении - это хорошее прочтение всего нескольких страниц: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Иллюстрация ниже взята из TB053. В нем изложен основной принцип, лежащий в основе SMPS. Микроконтроллер заземляет полевой транзистор (Q1), позволяя заряду накапливаться в индуктивности L1. Когда полевой транзистор выключен, заряд проходит через диод D1 в конденсатор C1. Vvfb - это обратная связь делителя напряжения, которая позволяет микроконтроллеру контролировать высокое напряжение и активировать полевой транзистор по мере необходимости для поддержания желаемого напряжения.

Шаг 2: Характеристики индуктора

Примечания к приложению Microchip, хотя и очень приятные, кажутся мне немного отстающими. Он начинается с определения необходимой мощности, затем выбирается время зарядки индуктора, не обращая внимания на доступные индукторы. Я счел более полезным выбрать индуктор и разработать приложение на его основе. Катушки индуктивности, которые я использовал, - это «Индукторы C&D Technologies RADIAL LEAD 100uH» (Mouser part 580-18R104C, 1.2 amp, $ 1.40), (Mouser part 580-22R104C, 0.67 amp, 0,59 доллара США). Я выбрал эти катушки индуктивности, потому что они очень маленькие, очень дешевые, но при этом имеют приличную мощность. Мы уже знаем максимальную непрерывную мощность нашей катушки (0,67 А для 22R104C), но нам нужно знать, сколько времени потребуется для зарядки (время нарастания). Вместо того, чтобы использовать фиксированное время зарядки (см. Уравнение 6 в TB053) для определения требуемых амплитуд катушки, мы можем запросить уравнение 6 и решить для времени нарастания: (примечание: уравнение 6 в TB053 неверно, оно должно быть L, а не 2L) (Вольт на / индуктор мкГн) * время нарастания = пиковый ток -becomes- (индуктор мкГн / вольт на входе) * пиковый ток = время нарастания. - использование 22R104C с питанием 5 В дает следующее - (100/5) * 0,67 = 13,5 мкс потребуется 13,5 мкс для полной зарядки катушки индуктивности при 5 вольт. Очевидно, это значение будет варьироваться в зависимости от напряжения питания. Как отмечено в TB053: «Ток в катушке индуктивности не может изменяться мгновенно. Когда Q1 выключен, ток в L1 продолжает течь через D1 к накопительному конденсатору C1 и нагрузке RL. Таким образом, ток в катушке индуктивности уменьшается линейно во времени от пикового тока ». Мы можем определить количество времени, которое требуется току для выхода из катушки индуктивности, используя уравнение 7 TB05. На практике это время очень мало. Это уравнение реализовано в прилагаемой таблице, но не будет здесь обсуждаться. Какую мощность мы можем получить от катушки индуктивности 0,67 А? Полная мощность определяется по следующему уравнению (tb053 уравнение 5): Мощность = (((время нарастания) * (Вольт)^{2) / (2 * индуктор мкГн))}- используя наши предыдущие значения, мы находим-1,68 Вт = (13,5 мкс * 5 вольт^{2) / (2 * 100 мкГн)}-конвертировать ватты в мА-мА = ((мощность ватт) / (выходное напряжение)) * 1000-используя выходное напряжение 180, мы находим -9,31 мА = (1,68 Вт / 180 вольт) * 1000 Мы можем получить максимум 9,31 мА из эта катушка с питанием 5 вольт, игнорируя все неэффективности и коммутационные потери. Большая выходная мощность может быть достигнута за счет увеличения напряжения питания. Все эти расчеты реализованы в «Таблице 1: Расчет катушки для источника питания высокого напряжения» электронной таблицы, прилагаемой к этому руководству. Введено несколько примеров катушек.

Шаг 3: управление SMPS с помощью микроконтроллера

Теперь, когда мы рассчитали время нарастания для нашей катушки, мы можем запрограммировать микроконтроллер, чтобы заряжать его ровно настолько, чтобы достичь номинального значения мА. Один из самых простых способов сделать это - использовать аппаратный широтно-импульсный модулятор PIC. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) имеет две переменные, показанные на рисунке ниже. Во время рабочего цикла PIC включает полевой транзистор, заземляя его и пропуская ток в катушку индуктивности (время нарастания). В течение оставшейся части периода полевой транзистор выключен, и ток течет из катушки индуктивности через диод к конденсаторам и нагрузке (время спада). Мы уже знаем необходимое время нарастания из наших предыдущих расчетов: 13,5 мкс. TB053 предполагает, что время нарастания составляет 75% периода. Я определил значение периода, умножив время нарастания на 1,33: 17,9 мкс. Это согласуется с предложением TB053 и гарантирует, что индуктор остается в прерывистом режиме - полностью разряжается после каждой зарядки. Можно вычислить более точный период, добавив вычисленное время нарастания к вычисленному времени спада, но я не пробовал этого. Теперь мы можем определить фактические значения рабочего цикла и периода, которые нужно ввести в микроконтроллер, чтобы получить желаемые интервалы времени.. В руководстве Microchip PIC Mid-range мы находим следующие уравнения (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): Рабочий цикл PWM uS = (10-битное значение рабочего цикла) * (1 / осциллятор частоты) * Предварительный делитель Если мы установим предварительный делитель на 1 и превзойдем это уравнение с помощью палочки алгебры, мы получим: 10-битное значение рабочего цикла = рабочий цикл ШИМ uS * частота осциллятора Заменим рабочий цикл uS на вычисленное время нарастания и предположим, что генератор на 8 МГц частота: 107 = 13,5 мкс * 8 МГц 107 вводится в PIC, чтобы получить рабочий цикл 13,5 мкс. Затем мы определяем значение периода ШИМ. Из руководства по среднему диапазону мы получаем следующее уравнение: период ШИМ uS = ((значение периода ШИМ) + 1) * 4 * (1 / частота генератора) * (значение предварительного масштабирования). для значения периода ШИМ, что дает нам: Значение периода ШИМ = ((Период ШИМ uS / (4 / частота осциллятора)) - 1) Замените период uS на (1,33 * время нарастания) и предположим, что частота генератора 8 МГц: 35 = ((17.9 / (4/8)) - 1) 35 вводится в PIC, чтобы получить период 17.9 мкс. Но ждать! Разве период не короче рабочего цикла? Нет - PIC имеют 10-битный регистр рабочего цикла и 8-битный регистр периода. Существует большее разрешение для значения рабочего цикла, поэтому его значение иногда будет больше, чем значение периода, особенно на высоких частотах. Все эти вычисления реализованы в «Таблице 2. Расчеты ШИМ» электронной таблицы, включенной в эту инструкцию. Введено несколько примеров катушек.

Шаг 4: Дизайн печатной платы

Печатная плата и CCT находятся в формате EagleCad. Оба включены в ZIP-архив.

При создании этой печатной платы я рассмотрел несколько существующих конструкций. Вот мои заметки относительно важных характеристик конструкции: 1. Я следовал примечанию Microchip APP и использовал TC4427A для управления полевым транзистором. Это A) защищает микроконтроллер от обратных напряжений, исходящих от полевого транзистора, а B) может управлять полевым транзистором при более высоких напряжениях, чем PIC, для более быстрого / жесткого переключения с большей эффективностью. 2. Расстояние от PWM PIC до FET сведено к минимуму. 3. Полевой транзистор, катушка индуктивности, конденсаторы упакованы очень плотно. 4. Трассировка жировых отложений. 5. Хорошее заземление между полевым транзистором и точкой соединения сусла. Для этого проекта я выбрал микроконтроллер PIC 12F683. Это 8-контактный PIC с аппаратной ШИМ, 4 аналого-цифровыми преобразователями, внутренним генератором 8 МГц и 256-байтовым EEPROM. Самое главное, что у меня был один из предыдущего проекта. Я использовал полевой транзистор IRF740 из-за его высокой оценки в списке Neonixie-L. Есть 2 конденсатора для сглаживания высоковольтного питания. Один - электролитический (высокотемпературный, 250 вольт, 1 мкФ), другой - металлическая пленка (250 вольт, 0,47 мкФ). Последний намного больше и дороже (0,50 доллара против 0,05 доллара), но он необходим для получения чистого вывода. В этой конструкции есть две цепи обратной связи по напряжению. Первый позволяет PIC определять выходное напряжение и подавать импульсы на полевой транзистор по мере необходимости для поддержания желаемого уровня. «Таблица 3. Расчеты сети высоковольтной обратной связи» можно использовать для определения правильного значения обратной связи с учетом 3-х резисторного делителя напряжения и желаемого выходного напряжения. Точная настройка выполняется подстроечным резистором 1 кОм. Вторая обратная связь измеряет напряжение питания, поэтому PIC может определить оптимальное время нарастания (и значения периода / рабочего цикла). Из уравнений в шаге 1 мы обнаружили, что время нарастания индуктора зависит от напряжения питания. Можно ввести точные значения из электронной таблицы в PIC, но при изменении источника питания значения перестают быть оптимальными. При работе от батарей напряжение будет уменьшаться по мере разряда батарей, что требует более длительного времени нарастания. Мое решение состояло в том, чтобы позволить PIC вычислить все это и установить свои собственные значения (см. Прошивку). Трехконтактная перемычка выбирает источник питания для TC4427A и катушки индуктивности. Можно работать и от регулятора 7805 на 5 В, но лучшая эффективность и более высокая выходная мощность достигаются при большем напряжении питания. И TC4427a, и IRF740 FET выдерживают напряжение до ~ 20 вольт. Поскольку PIC будет откалиброван для любого заданного напряжения питания, имеет смысл питать их непосредственно от источника питания. Это особенно важно при работе от батареи - нет необходимости тратить энергию в 7805, просто запитывайте индуктор непосредственно от ячеек. Светодиоды не являются обязательными, но удобны для поиска неисправностей. «Левый» светодиод (желтый на моих платах) указывает, что обратная связь по высоковольтной линии находится ниже желаемой точки, а правый светодиод (красный в моем дизайне) указывает, что она закончилась. На практике вы получаете хороший ШИМ-эффект, при котором светодиоды светятся по интенсивности относительно текущей нагрузки. Если красный светодиод гаснет (постоянно), это означает, что, несмотря на все усилия, PIC не может поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне. Другими словами, нагрузка превышает максимальную мощность ИИП. НЕ ЗАБЫВАЙТЕ ПРОВОДА ПЕРЕМЫЧКИ, ПОКАЗАННЫЕ КРАСНЫМ! Список деталей Номинальное значение C1 1 мкФ 250 В C3 47 мкФ 50 В C4 47 мкФ (50 В) C5 0,1 мкФ C6. 1 мкФ C7 4 мкФ (50 В) C8 0,1 мкФ C9 0,1 мкФ C11 0,47 мкФ / 250 В D1 600 В 250 нс IC2 TC4427a IC5 7805 5-вольтовый регулятор IC7 Индуктор PIC 12F683 L (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 Линейный подстроечный резистор 1K R4 330 Ом R5 100K R6 330 Ом R7 10K SV1 3-контактный разъем X2 3 Винтовые клеммы

Шаг 5: Прошивка

Прошивка написана на MikroBasic, компилятор бесплатен для программ размером до 2K (https://www.mikroe.com/). Если вам нужен программист PIC, обратите внимание на мою улучшенную плату программатора JDM2, также размещенную на Instructables (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Основные операции: 1. При подаче питания запускается ПОС. 2. PIC задерживается на 1 секунду, чтобы напряжение стабилизировалось. 3. PIC считывает сигнал обратной связи по напряжению питания и рассчитывает оптимальные значения рабочего цикла и периода. 4. PIC записывает показания АЦП, рабочий цикл и значения периода в EEPROM. Это позволяет устранять некоторые неисправности и помогает диагностировать катастрофические сбои. Адрес EEPROM 0 - это указатель записи. Один 4-байтовый журнал сохраняется каждый раз при (перезапуске) SMPS. Первые 2 байта - это старший / младший байт АЦП, третий байт - младшие 8 бит значения рабочего цикла, четвертый байт - это значение периода. Всего регистрируется 50 калибровок (200 байт), прежде чем указатель записи перевернется и снова начнется с адреса EEPROM 1. Самый последний журнал будет расположен по адресу указатель-4. Их можно считать с микросхемы с помощью программатора PIC. Старшие 55 байтов оставлены свободными для будущих улучшений (см. Улучшения). 5. PIC входит в бесконечный цикл - измеряется значение обратной связи высокого напряжения. Если оно ниже желаемого значения, регистры рабочего цикла ШИМ загружаются расчетным значением - ПРИМЕЧАНИЕ: два младших бита важны и должны быть загружены в CPP1CON 5: 4, старшие 8 бит переходят в CRP1L. Если обратная связь выше желаемого значения, PIC загружает регистры рабочего цикла нулевым значением. Это система «пропуска импульсов». Я решил использовать пропуск импульсов по двум причинам: 1) на таких высоких частотах не так много рабочего диапазона, с которым можно было бы играть (0-107 в нашем примере, гораздо меньше при более высоких напряжениях питания), и 2) возможна частотная модуляция., и дает гораздо больше возможностей для настройки (35-255 в нашем примере), но ТОЛЬКО ОБЯЗАТЕЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДВОЙНЫМ БУФЕРОМ В ОБОРУДОВАНИИ. Изменение частоты во время работы ШИМ может иметь «странные» эффекты. Использование прошивки: Для использования прошивки необходимо выполнить несколько шагов калибровки. Эти значения должны быть встроены в прошивку. Некоторые шаги не являются обязательными, но они помогут вам максимально эффективно использовать блок питания. const v_ref as float = 5.1 'float const supply_ratio как float = 11.35' float const osc_freq как float = 8 'float const L_Ipeak как float = 67' float const fb_value как word = 290 'слово Эти значения можно найти в верхней части код прошивки. Найдите значения и установите их следующим образом. v_ref Это опорное напряжение АЦП. Это необходимо для определения фактического напряжения питания, которое необходимо включить в уравнения, описанные в шаге 1. Если PIC работает от регулятора 7805 на 5 вольт, мы можем ожидать около 5 вольт. С помощью мультиметра измерьте напряжение между выводом питания PIC (PIN1) и землей на винтовой клемме. Мое точное значение было 5,1 вольт. Введите это значение здесь. supply_ratio Делитель напряжения питания состоит из резисторов 100K и 10K. Теоретически обратная связь должна равняться напряжению питания, деленному на 11 (см. Таблицу 5. Расчеты сети обратной связи по напряжению питания). На практике резисторы имеют разные допуски и не являются точными значениями. Чтобы определить точный коэффициент обратной связи: 1. Измерьте напряжение питания между винтовыми клеммами. 2. Измерьте напряжение обратной связи между выводом 7 PIC и землей на винтовой клемме. 3. Разделите Supply V на FB V, чтобы получить точное соотношение. Вы также можете использовать «Таблицу 6. Калибровка обратной связи по напряжению питания». osc_freq Просто частота генератора. Я использую внутренний генератор 12F683 на 8 МГц, поэтому я ввожу значение 8. L_Ipeak Умножьте катушку индуктивности uH на максимальный непрерывный ток, чтобы получить это значение. В этом примере 22r104C представляет собой катушку 100 мкГн с номиналом 0,67 ампера непрерывно. 100 * 0,67 = 67. Умножение значения здесь исключает одну 32-битную переменную с плавающей запятой и вычисления, которые в противном случае пришлось бы выполнять на PIC. Это значение рассчитывается в «Таблице 1: Расчет катушки для источника питания высокого напряжения». fb_value Это фактическое целочисленное значение, которое PIC будет использовать, чтобы определить, находится ли высоковольтный выход выше или ниже желаемого уровня. Используйте Таблицу 3, чтобы определить соотношение между выходным напряжением высокого напряжения и напряжением обратной связи, когда линейный триммер находится в центральном положении. Использование центрального значения дает возможность регулировки с обеих сторон. Затем введите это соотношение и ваше точное опорное напряжение в «Таблицу 4. Заданное значение АЦП с высоковольтной обратной связью», чтобы определить значение fb_value. После того, как вы найдете эти значения, введите их в код и скомпилируйте. Запишите HEX в PIC, и вы готовы к работе! ПОМНИТЕ: байт 0 EEPROM - это указатель записи журнала. Установите его в 1, чтобы начать запись в байт 1 на свежем изображении. Из-за калибровки полевой транзистор и катушка индуктивности никогда не должны нагреваться. Вы также не должны слышать звенящий звук из катушки индуктивности. Оба эти условия указывают на ошибку калибровки. Проверьте журнал данных в EEPROM, чтобы определить, где может быть ваша проблема.

Шаг 6: Улучшения

Можно было бы улучшить пару вещей:

1. Поместите винтовой зажим ближе к полевому транзистору для лучшего заземления. 2. Прикрепите дорожку питания к конденсаторам и катушке индуктивности. 3. Добавьте стабильное опорное напряжение, чтобы улучшить работу от батарей и напряжения питания менее 7 вольт (когда выходное напряжение 7805 падает ниже 5 вольт). 4. Используйте верхние 55 байтов EEPROM для регистрации интересных бит бесполезных данных - общее время работы, события перегрузки, минимальная / максимальная / средняя нагрузка. -ian Instructables-at-whereisian-dot-com