Aukštos įtampos jungiklio režimo maitinimo šaltinis (SMPS)/stiprintuvo keitiklis „Nixie“vamzdžiams: 6 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:49

Šis SMPS padidina žemą įtampą (5–20 voltų) iki aukštos įtampos, reikalingos nixie vamzdžiams varyti (170–200 voltų). Būkite įspėti: nors ši maža grandinė gali būti maitinama iš akumuliatorių/žemos įtampos sieninių medžių, galia yra daugiau nei pakankama, kad jus užmuštų!

Projektą sudaro: Pagalbinė skaičiuoklė „EagleCAD CCT“ir PCB failai „MikroBasic“programinės įrangos šaltinis

1 žingsnis: kaip tai veikia?

Šis dizainas pagrįstas „Microchip Application Note TB053“pastaba su keletu pakeitimų, pagrįstų „Neonixie-L“narių patirtimi (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Gaukite programos pastabą - tai malonu skaityti tik kelis puslapius: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Toliau pateikta iliustracija yra ištraukta iš TB053. Jame aprašytas pagrindinis SMPS principas. Mikrovaldiklis įžemina FET (Q1) ir leidžia įkrauti induktorių L1. Kai FET yra išjungtas, krūvis per diodą D1 patenka į kondensatorių C1. „Vvfb“yra įtampos daliklio grįžtamasis ryšys, leidžiantis mikrovaldikliui stebėti aukštą įtampą ir prireikus suaktyvinti FET, kad būtų išlaikyta norima įtampa.

2 žingsnis: induktoriaus charakteristikos

Nors ir labai graži, „Microchip“programos pastaba man atrodo šiek tiek atsilikusi. Jis prasideda nustatant reikiamą galią, tada pasirenka induktoriaus įkrovimo laiką, nesirūpindamas turimais induktoriais. Man pasirodė naudingiau pasirinkti induktorių ir suprojektuoti aplink jį programą. Naudojami induktoriai yra „C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH“(„Mouser“dalis 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 USD), („Mouser“dalis 580-22R104C, 0,67 amp, 0,59 USD). Aš pasirinkau šiuos induktorius, nes jie yra labai maži, labai pigūs, tačiau turi gerą galią. Mes jau žinome maksimalų nuolatinį mūsų ritės įvertinimą (0,67 amperų 22R104C), tačiau turime žinoti, kiek laiko reikės įkrauti (kilimo laikas). Užuot naudoję fiksuoto įkrovimo laiką (žr. TB053 6 lygtį), norėdami nustatyti reikiamus ritės stiprintuvus, galime apklausti 6 lygtį ir išspręsti kilimo laiką: (pastaba: TB053 6 lygtis yra neteisinga, ji turėtų būti L, o ne 2L) (Voltai į/induktorius uH)*rise_time = didžiausias amperas-tampa- (induktorius uH/voltai į)*didžiausias amperas = kilimo laikas.-naudojant 22R104C su 5 voltų maitinimo šaltiniu, gaunama tokia (100/5)*0,67 = Norint visiškai įkrauti 5 voltų induktoriaus ritę, reikės 13,5 uS. Akivaizdu, kad ši vertė skirsis priklausomai nuo skirtingos maitinimo įtampos. Kaip pažymėta TB053: "Srovė induktoriuje negali pasikeisti akimirksniu. Kai Q1 yra išjungtas, srovė L1 toliau teka per D1 į saugojimo kondensatorių, C1 ir apkrovą, RL. Taigi, srovė induktoriuje laikui bėgant linijiškai mažėja nuo didžiausios srovės. "Kiek laiko reikia srovei tekėti iš induktoriaus, galime nustatyti naudodami TB05 lygtį 7. Praktiškai šis laikas yra labai trumpas. Ši lygtis yra įtraukta į įtrauktą skaičiuoklę, tačiau čia nebus aptarta. Kiek energijos galime gauti iš 0,67 amperų induktoriaus? Bendra galia nustatoma pagal šią lygtį (tb053 5 lygtis): Galia = (((kilimo laikas)*(Voltai))^{2)/(2*induktorius uH))}-naudodamiesi ankstesnėmis vertėmis, randame-1,68 W = (13,5uS*5 voltai)^2)/(2*100uH)-konvertuoti vatus į mA-mA = ((galios vatai)/(išėjimo voltai))*1000-naudojant 180 išėjimo įtampą randame -9,31 mA = (1,68 vatai/180 voltų)*1000 Mes galime gauti daugiausia 9,31 mA iš ši ritė su 5 voltų maitinimo šaltiniu, neatsižvelgdama į visus neveiksmingumus ir perjungimo nuostolius. Didesnę išėjimo galią galima pasiekti padidinus maitinimo įtampą. Visi šie skaičiavimai atlikti skaičiuoklės, pridėtos prie šios instrukcijos, lentelėje "1 lentelė: Aukštos įtampos maitinimo šaltinio ritės skaičiavimai". Įvedami keli ritinių pavyzdžiai.

3 žingsnis: SMPS valdymas naudojant mikrovaldiklį

Dabar, kai apskaičiavome savo ritės kilimo laiką, galime užprogramuoti mikrovaldiklį, kad jis įkrautų pakankamai ilgai, kad pasiektų nominalią mA. Vienas iš paprasčiausių būdų tai padaryti yra naudoti PIC aparatūros impulsų pločio moduliatorių. Impulso pločio moduliacija (PWM) turi du kintamuosius, nurodytus žemiau esančiame paveikslėlyje. Darbo ciklo metu PIC įjungia FET, įžemina jį ir leidžia srovę į induktoriaus ritę (pakilimo laikas). Per likusį laikotarpį FET yra išjungtas, o srovė iš induktoriaus išeina per diodą į kondensatorius ir apkrovą (kritimo laikas). Mes jau žinome reikiamą pakilimo laiką iš ankstesnių skaičiavimų: 13,5 uS. TB053 rodo, kad kilimo laikas yra 75% laikotarpio. Aš nustatiau savo laikotarpio vertę padauginęs kilimo laiką iš 1,33: 17,9 uS. Tai atitinka TB053 pasiūlymą ir užtikrina, kad induktorius liktų nepertraukiamo režimo - visiškai išsikrautų po kiekvieno įkrovimo. Galima apskaičiuoti tikslesnį laikotarpį, pridedant apskaičiuotą pakilimo laiką prie apskaičiuoto kritimo laiko, bet aš to nebandžiau. Dabar galime nustatyti faktinį darbo ciklą ir laikotarpio vertes, kurias reikia įvesti į mikrovaldiklį, kad gautumėte norimus laiko intervalus.. „Microchip PIC“vidutinio nuotolio vadove randame šias lygtis (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM darbo ciklas uS = (10 bitų darbo ciklo vertė) * (1 / osciliatoriaus dažnis) * prescaleris dažnis: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 įvedamas į PIC, kad būtų pasiektas 13.5uS darbo ciklas. Toliau nustatome PWM laikotarpio vertę. Iš vidutinio nuotolio vadovo gauname tokią lygtį: PWM laikotarpis uS = ((PWM laikotarpio vertė) + 1) * 4 * (1/osciliatoriaus dažnis) * (prescale value) Vėlgi, mes nustatome prescalerį į 1 ir persekiojame lygtį PWM laikotarpio vertei, pateikdami mums: PWM laikotarpio vertė = ((PWM periodas uS/(4/osciliatoriaus dažnis))-1) pakaitinis laikotarpis uS (1,33*pakilimo laikas) ir tarkime, kad 8 Mhz osciliatoriaus dažnis: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 įvedamas į PIC, kad būtų gautas 17.9uS laikotarpis. Bet palauk! Ar laikotarpis nėra trumpesnis už darbo ciklą? Ne - PIC turi 10 bitų darbo ciklo registrą ir 8 bitų laikotarpio registrą. Darbo ciklo reikšmė yra didesnė, todėl jos vertė kartais bus didesnė už laikotarpio vertę, ypač dideliais dažniais. Visi šie skaičiavimai yra atlikti skaičiuoklės, pridėtos prie šios instrukcijos, 2 lentelėje. PWM skaičiavimai. Įvedami keli ritinių pavyzdžiai.

4 žingsnis: PCB projektavimas

PCB ir CCT yra „EagleCad“formatu. Abu yra įtraukti į ZIP archyvą.

Kurdamas šią PCB, pažvelgiau į kelis esamus dizainus. Čia yra mano pastabos apie: svarbias dizaino charakteristikas: 1. Aš sekiau „Microchip APP“pastabą ir naudoju TC4427A vairuoti FET. Tai A) apsaugo mikrovaldiklį nuo grįžtamosios įtampos, išeinančios iš FET, ir B) gali valdyti FET esant aukštesnei įtampai nei PIC, kad būtų galima greičiau/sunkiau perjungti ir efektyviau. 2. Atstumas nuo PIC PWM iki FET yra sumažintas. 3. FET, induktorius, kondensatoriai supakuoti tikrai sandariai. 4. Riebalų tiekimo pėdsakas. 5. Geras gruntas tarp FET ir sieninės misos prijungimo taško. Šiam projektui pasirinkau PIC 12F683 mikrovaldiklį. Tai 8 kontaktų PIC su aparatine PWM, 4 analoginiais į skaitmeninius keitiklius, 8Mhz vidinis osciliatorius ir 256 baitų EEPROM. Svarbiausia, kad turėjau vieną iš ankstesnio projekto. Aš naudojau IRF740 FET dėl didelio pripažinimo „Neonixie-L“sąraše. Šilumos tiekimui sklandžiai yra 2 kondensatoriai. Vienas yra elektrolitinis (aukšta temperatūra, 250 voltų, 1uF), kitas - metalinė plėvelė (250 voltų, 0,47uf). Pastarasis yra daug didesnis ir brangesnis (0,50 USD prieš 0,05 USD), tačiau būtinas norint gauti švarią produkciją. Šioje konstrukcijoje yra dvi įtampos grįžtamojo ryšio grandinės. Pirmasis leidžia PIC pajusti išėjimo įtampą ir pritaikyti impulsus FET, kad būtų išlaikytas norimas lygis. "3 lentelė. Aukštos įtampos grįžtamojo ryšio tinklo skaičiavimai" gali būti naudojami norint nustatyti teisingą grįžtamojo ryšio vertę, atsižvelgiant į 3 rezistorių įtampos daliklį ir norimą išėjimo įtampą. Tikslus derinimas atliekamas naudojant 1k žoliapjovės rezistorių. Antrasis grįžtamasis ryšys matuoja maitinimo įtampą, kad PIC galėtų nustatyti optimalų pakilimo laiką (ir laikotarpio/darbo ciklo vertes). Iš 1 žingsnio lygčių nustatėme, kad induktoriaus pakilimo laikas priklauso nuo maitinimo įtampos. Galima įvesti tikslias vertes iš skaičiuoklės į savo PIC, tačiau pakeitus maitinimo šaltinį vertės nebėra optimalios. Jei veikia iš baterijų, įtampa sumažės, nes baterijos išsikrauna, todėl reikia ilgesnio pakilimo laiko. Mano sprendimas buvo leisti PIC apskaičiuoti visa tai ir nustatyti savo vertes (žr. Programinę -aparatinę įrangą). Trijų kontaktų trumpiklis pasirenka TC4427A ir induktoriaus ritės tiekimo šaltinį. Galima paleisti tiek iš 7805 5 voltų reguliatoriaus, tačiau geresnis efektyvumas ir didesnė galia pasiekiami esant didesnei maitinimo įtampai. Tiek TC4427a, tiek IRF740 FET atlaikys iki ~ 20 voltų. Kadangi PIC kalibruos bet kokią maitinimo įtampą, prasminga juos tiekti tiesiai iš maitinimo šaltinio. Tai ypač svarbu veikiant akumuliatoriui - nereikia švaistyti energijos 7805, tiesiog paduokite induktorių tiesiai iš elementų. Šviesos diodai yra neprivalomi, tačiau patogūs šalinant problemas. „Kairysis“šviesos diodas (geltonas mano lentose) rodo, kad HV grįžtamasis ryšys yra po norimu tašku, o dešinysis šviesos diodas (raudonas mano dizaine) rodo, kad jis baigtas. Praktiškai jūs gaunate gražų PWM efektą, kurio metu šviesos diodai šviečia intensyvumu, palyginti su esama apkrova. Jei raudonas šviesos diodas išsijungia (pastoviai), tai rodo, kad, nepaisant visų pastangų, PIC negali išlaikyti norimos išėjimo įtampos. Kitaip tariant, apkrova viršija maksimalią SMPS išvestį. NEPAMIRŠKITE RAUDONAI RODYTŲ ŠOKAMŲJŲ LAIDŲ! Dalių sąrašas Dalies vertė 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 voltų reguliatorius IC7 PIC 12u683 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K linijinis žoliapjovė R4 330 omų R5 100K R6 330 omų R7 10K SV1 3 kontaktų antraštė X2 3 varžto gnybtas

5 veiksmas: programinė įranga

Programinė įranga yra parašyta „MikroBasic“, kompiliatorius nemokamas programoms iki 2K (https://www.mikroe.com/). Jei jums reikia PIC programuotojo, apsvarstykite mano patobulintą JDM2 programuotojo lentą, taip pat paskelbtą instrukcijose (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Pagrindinė operacija: 1. Įjungus maitinimą, prasideda PIC. 2. PIC vėluoja 1 sekundę, kad įtampa stabilizuotųsi. 3. PIC skaito maitinimo įtampos grįžtamąjį ryšį ir apskaičiuoja optimalias darbo ciklo ir laikotarpio vertes. 4. PIC registruoja ADC rodmenų, darbo ciklo ir laikotarpio vertes į EEPROM. Tai leidžia šiek tiek išspręsti problemas ir padeda diagnozuoti katastrofiškus gedimus. EEPROM adresas 0 yra rašymo žymeklis. Kiekvieną kartą (iš naujo) paleidus SMPS išsaugomas vienas 4 baitų žurnalas. Pirmieji 2 baitai yra aukšti/žemi ADC, trečias baitas yra mažesnis 8 bitai darbo ciklo vertės, ketvirtas baitas yra laikotarpio vertė. Iš viso registruojama 50 kalibravimų (200 baitų), kol rašymo žymeklis apsiverčia ir vėl prasideda EEPROM 1 adresu. Naujausias žurnalas bus rodyklėje-4. Juos galima nuskaityti iš lusto naudojant PIC programuotoją. Viršutiniai 55 baitai paliekami laisvi būsimiems patobulinimams (žr. Patobulinimus). 5. PIC patenka į begalinę kilpą - matuojama aukštos įtampos grįžtamoji vertė. Jei jis yra mažesnis už norimą vertę, PWM darbo ciklo registrai įkeliami su apskaičiuota verte - PASTABA: apatiniai du bitai yra svarbūs ir turi būti įkelti į CPP1CON 5: 4, viršutiniai 8 bitai eina į CRP1L. Jei grįžtamasis ryšys yra didesnis už norimą vertę, PIC įkrauna darbo ciklo registrus su 0. Tai „impulsų praleidimo“sistema. Aš nusprendžiau praleisti impulsą dėl dviejų priežasčių: 1) esant tokiems aukštiems dažniams nėra daug darbo pločio (mūsų pavyzdyje 0–107, daug mažesnis esant aukštesnei maitinimo įtampai) ir 2) galima dažnio moduliacija, ir suteikia daug daugiau galimybių koreguoti (mūsų pavyzdyje 35–255), tačiau TIK PAREIGA DUPLA BUFERUOTA Aparatinėje įrangoje. Dažnio keitimas veikiant PWM gali turėti „keistų“efektų. Programinės aparatinės įrangos naudojimas: Norint naudoti programinę -aparatinę įrangą, reikia atlikti kelis kalibravimo veiksmus. Šios vertės turi būti suvestos į programinę -aparatinę įrangą. Kai kurie veiksmai yra neprivalomi, tačiau padės išnaudoti visas energijos šaltinio galimybes. 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 Šios reikšmės pateikiamos viršuje programinės įrangos kodas. Raskite vertes ir nustatykite taip. v_ref Tai yra ADC įtampos atskaitos taškas. Tai reikalinga norint nustatyti tikrąją maitinimo įtampą, kurią reikia įtraukti į 1 žingsnyje aprašytas lygtis. Jei PIC paleidžiamas iš 7805 5 voltų reguliatoriaus, galime tikėtis maždaug 5 voltų. Naudodami multimetrą išmatuokite įtampą tarp PIC maitinimo kaiščio (PIN1) ir įžeminimo varžto gnybte. Mano tiksli vertė buvo 5,1 volto. Įveskite šią vertę čia. maitinimo įtampa Maitinimo įtampos skirstytuvą sudaro 100K ir 10K rezistorius. Teoriškai grįžtamasis ryšys turėtų būti lygus maitinimo įtampai padalijus iš 11 (žr. 5 lentelę. Maitinimo įtampos grįžtamojo ryšio tinklo skaičiavimai). Praktiškai rezistoriai turi įvairius nuokrypius ir nėra tikslios vertės. Norėdami rasti tikslų grįžtamojo ryšio santykį: 1. Išmatuokite maitinimo įtampą tarp varžtų gnybtų. 2. Išmatuokite grįžtamąją įtampą tarp PIC kaiščio 7 ir įžeminimo varžto gnybte. 3. Norėdami gauti tikslų santykį, padalinkite tiekimą V iš FB V. Taip pat galite naudoti „6 lentelę. Maitinimo įtampos grįžtamojo ryšio kalibravimas“. osc_freq Tiesiog osciliatoriaus dažnis. Aš naudoju 12F683 vidinį 8Mhz osciliatorių, todėl įvedu vertę 8. L_Ipeak Padauginkite induktoriaus ritę uH iš maksimalių nuolatinių stiprintuvų, kad gautumėte šią vertę. Pavyzdyje 22r104C yra 100uH ritė, kurios nuolatinis įvertinimas yra.67amps. 100*.67 = 67. Čia padauginus reikšmę pašalinamas vienas 32 bitų slankiojo kablelio kintamasis ir skaičiavimas, kuris kitu atveju turėtų būti atliktas naudojant PIC. Ši vertė apskaičiuojama „1 lentelėje: Aukštos įtampos maitinimo šaltinio ritės skaičiavimai“. fb_value Tai yra faktinė sveikojo skaičiaus vertė, kurią PIC naudos nustatydamas, ar aukštos įtampos išėjimas yra didesnis arba mažesnis už norimą lygį. Naudokite 3 lentelę, kad nustatytumėte HV išėjimo ir grįžtamojo ryšio įtampos santykį, kai linijinis žoliapjovė yra centrinėje padėtyje. Naudojant centrinę vertę, suteikiama reguliavimo erdvė abiejose pusėse. Tada įveskite šį santykį ir tikslią įtampos nuorodą „4 lentelėje. Aukštos įtampos grįžtamojo ryšio ADC nustatymo vertė“, kad nustatytumėte fb_value. Suradę šias reikšmes įveskite jas į kodą ir sukompiliuokite. Sudeginkite HEX į PIC ir būsite pasiruošę! Atminkite: EEPROM baitas 0 yra žurnalo rašymo žymeklis. Nustatykite 1, kad pradėtumėte registruotis į 1 baitą naujame paveikslėlyje. Dėl kalibravimo FET ir induktorius niekada neturėtų įkaisti. Taip pat neturėtumėte girdėti skambėjimo garso iš induktoriaus ritės. Abi šios sąlygos rodo kalibravimo klaidą. Patikrinkite duomenų žurnalą EEPROM, kad padėtumėte nustatyti, kur gali būti jūsų problema.

6 žingsnis: patobulinimai

Pora dalykų gali būti patobulinti:

1. Norėdami geriau įžeminti, įkiškite varžto gnybtą arčiau FET. 2. Penėkite tiekimo pėdsaką prie kondensatorių ir induktoriaus. 3. Pridėkite stabilią įtampos nuorodą, kad pagerintumėte baterijų veikimą ir maitinimo įtampą, mažesnę nei 7 voltai (kai 7805 išėjimas mažesnis nei 5 voltai). 4. Naudokite viršutinius 55 EEPROM baitus, kad užregistruotumėte įdomius šiek tiek nenaudingus duomenis - bendrą veikimo laiką, perkrovos įvykius, min/max/vidutinę apkrovą. -ian instructables-at-whereisian-dot-com