Kõrgepinge lülitusrežiimi toiteallikas (SMPS)/võimendusmuundur Nixie torudele: 6 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

See SMPS suurendab madalpinget (5–20 volti) kõrgepingeni, mis on vajalik nixie-torude juhtimiseks (170–200 volti). Olge hoiatatud: kuigi seda väikest vooluringi saab kasutada patareide/madalpingeseintega, on väljund teie tapmiseks enam kui piisav!

Projekt sisaldab: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT ja PCB failid MikroBasic Firmware Source

Samm: kuidas see toimib?

See disain põhineb mikrokiibi rakenduse märkusel TB053, millel on mitmeid muudatusi Neonixie-L liikmete kogemuste põhjal (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Hankige rakenduse märkus - see on mõnus lugemine vaid mõnest lehest: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Allolev illustratsioon on väljavõte TB053 -st. Selles kirjeldatakse SMPSi põhiprintsiipi. Mikrokontroller maandab FET -i (Q1), võimaldades laengul sisse lülitada induktiivpooli L1. Kui FET on välja lülitatud, voolab laeng läbi dioodi D1 kondensaatorisse C1. Vvfb on pingejaguri tagasiside, mis võimaldab mikrokontrolleril jälgida kõrgepinget ja aktiveerida FET vastavalt vajadusele soovitud pinge säilitamiseks.

Samm 2: Induktori omadused

Kuigi Microchipi rakenduse märkus on väga tore, tundub see mulle veidi tagurpidi. See algab vajaliku võimsuse määramisega, seejärel valib induktori laadimisaja, muretsemata olemasolevate induktiivpoolide pärast. Leidsin, et on kasulikum valida induktiivpool ja kujundada rakendus selle ümber. Kasutatud induktiivpoolid on "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouseri osa 580-18R104C, 1,2 amprit, 1,40 dollarit), (hiire osa 580-22R104C, 0,67 amp, 0,59 dollarit). Valisin need induktiivpoolid, kuna need on väga väikesed, väga odavad, kuid neil on korralikud võimsusnäitajad. Me juba teame oma mähise maksimaalset pidevat reitingut (0,67 amprit 22R104C jaoks), kuid peame teadma, kui kaua see laadimiseks kulub (tõusuaeg). Selle asemel, et kasutada nõutava mähisevõimendi määramiseks fikseeritud laadimisaega (vt võrrandit TB053), võime küsida võrrandit 6 ja lahendada tõusuaja: (märkus: võrrand 6 TB053 -s on vale, see peaks olema L, mitte 2L) (Volt/induktor uH)*tõusuaeg = tippvõimendus-saabub (induktor uH/volti sisse)*tippvõimendus = tõusuaeg.-22R104C kasutamine 5-voldise toitega annab järgmise (100/5)*0,67 = Induktiivpooli täielikuks laadimiseks 5 volti juures kulub 13,5 uS. Ilmselt varieerub see väärtus erinevate toitepingete korral. Nagu on märgitud TB053 -s: "Induktiivpooli vool ei saa hetkega muutuda. Kui Q1 on välja lülitatud, voolab L1 vool jätkuvalt läbi D1 mälukondensaatorisse C1 ja koormusesse RL. Seega on induktiivpooli vool väheneb aja jooksul lineaarselt tippvoolust. "TB05 võrrandi 7 abil saame määrata aja, mis kulub voolul induktorist väljavooluks. Praktikas on see aeg väga lühike. See võrrand on rakendatud kaasasolevas arvutustabelis, kuid seda siin ei arutata. Kui palju võimsust saame 0,67 ampri induktorist välja saada? Koguvõimsus määratakse järgmise võrrandiga (tb053 võrrand 5): Võimsus = (((tõusuaeg)*(Volte sisse)^{2)/(2*induktor uH))}Kasutades oma varasemaid väärtusi, leiame-1,68 vatti = (13,5uS*5 volti^2)/(2*100uH)-konverteeri vatti mA-mA-ks = ((võimsusvatid)/(väljundvolti))*1000-kasutades väljundpinget 180 leiame -9,31 mA = (1,68 vatti/180 volti)*1000 Võime saada maksimaalselt 9,31 mA see 5 -voldise toitega mähis, ignoreerides kõiki ebatõhususi ja lülituskaod. Suuremat väljundvõimsust on võimalik saavutada toitepinge suurendamisega. Kõik need arvutused on rakendatud käesoleva juhendiga kaasas oleva arvutustabeli tabelis 1: mähise arvutused kõrgepinge toiteallika jaoks. Sisestatud on mitu näidismähist.

3. samm: SMPS -i juhtimine mikrokontrolleriga

Nüüd, kui oleme oma mähise tõusuaja välja arvutanud, saame programmeerida mikrokontrolleri laadima seda piisavalt kaua, et saavutada oma nimiväärtus. Üks lihtsamaid viise selleks on PIC -i riistvara impulsi laiuse modulaatori kasutamine. Impulsi laiuse modulatsioonil (PWM) on kaks muutujat, mis on toodud alloleval joonisel. Töötsükli ajal lülitab PIC sisse FET, maandab selle ja võimaldab voolu induktiivpooli (tõusuaeg). Ülejäänud perioodi jooksul on FET välja lülitatud ja vool voolab induktorist läbi dioodi kondensaatoritesse ja koormuseni (langemisaeg). Varasematest arvutustest teame juba vajalikku tõusu aega: 13,5 uS. TB053 soovitab, et tõusuaeg oleks 75% perioodist. Ma määrasin oma perioodi väärtuse, korrutades tõusuaja 1,33: 17,9 uS -ga. See on kooskõlas TB053 soovitusega ja tagab, et induktiivpool jääb katkestatud režiimi - tühjeneb pärast iga laadimist täielikult. Täpsemat perioodi on võimalik arvutada, lisades arvutatud langemisajale arvutatud tõusuaja, kuid ma pole seda proovinud. Nüüd saame määrata tegeliku töötsükli ja perioodi väärtused, mis soovitud ajavahemike saamiseks mikrokontrollerisse sisestatakse.. Microchip PIC keskklassi kasutusjuhendist leiame järgmised võrrandid (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / ostsillaatori sagedus) * eelskaala sagedus: 107 = 13,5uS * 8Mhz107 sisestatakse PIC -i, et saada töötsükkel 13,5uS. Seejärel määrame PWM -i perioodi väärtuse. Keskmise vahemiku käsiraamatust saame järgmise võrrandi: PWM-periood uS = ((PWM-perioodi väärtus) + 1) * 4 * (1/ostsillaatori sagedus) * (eelskaala väärtus) Jällegi seadsime eelkaalaja väärtuseks 1 ja ahistame võrrandit PWM-perioodi väärtuse jaoks, andes meile: PWM-perioodi väärtus = (((PWM-i periood uS/(4/ostsillaatori sagedus)))-1) Asendusperiood uS (1.33*tõusuaeg) ja eeldage 8 Mhz ostsillaatori sagedust: 35 = ((17,9/(4/8))-1) PIC-i sisestatakse 35, et saada periood 17,9 uS. Aga oota! Kas periood pole lühem kui töötsükkel? Ei - PIC -idel on 10 -bitine töötsükli register ja 8 -bitine perioodiregister. Töötsükli väärtuse eraldusvõime on suurem, seega on selle väärtus mõnikord suurem kui perioodi väärtus - eriti kõrgetel sagedustel. Kõik need arvutused on rakendatud käesoleva juhendiga kaasas oleva arvutustabeli tabelis 2. PWM -arvutused. Sisestatud on mitu näidismähist.

4. samm: trükkplaatide kujundamine

PCB ja CCT on vormingus EagleCad. Mõlemad on ZIP -arhiivis.

Vaatasin selle trükkplaadi tegemisel mitmeid olemasolevaid kujundusi. Siin on minu märkmed: olulised disainiomadused: 1. järgisin Microchip APP märkust ja kasutasin FET -i juhtimiseks TC4427A -d. See A) kaitseb mikrokontrollerit FET -ist väljuvate tagasipöördepingete eest ja B) võib juhtida FET -i kõrgematel pingetel kui PIC, et kiiremini ja raskemini vahetada parema efektiivsusega. 2. Kaugus PIC -i PWM -st FET -ni on viidud miinimumini. 3. FET, induktiivpool, kondensaatorid on tihedalt pakitud. 4. Rasvavarude jälg. 5. Hea pinnas FET-i ja seina ürdi ühenduspunkti vahel. Selle projekti jaoks valisin PIC 12F683 mikrokontrolleri. See on 8 -pin PIC koos riistvara PWM -iga, 4 analoog -digitaalmuundurit, 8 MHz sisemine ostsillaator ja 256 baiti EEPROM. Mis kõige tähtsam, mul oli üks eelmisest projektist seljas. Kasutasin IRF740 FET-i, kuna see on Neonixie-L nimekirjas kõrgelt tunnustatud. HV -toite ühtlustamiseks on 2 kondensaatorit. Üks on elektrolüüt (kõrge temperatuur, 250 volti, 1uF), teine on metallkile (250 volti, 0,47uf). Viimane on palju suurem ja kallim (0,50 dollarit vs 0,05 dollarit), kuid on vajalik puhta väljundi saamiseks. Selles konstruktsioonis on kaks pinge tagasisideahelat. Esimene võimaldab PIC -il tajuda väljundpinget ja rakendada FET -ile impulsse vastavalt vajadusele soovitud taseme säilitamiseks. "Tabel 3. Kõrgepinge tagasisidevõrgu arvutused" saab kasutada õige tagasiside väärtuse määramiseks, arvestades 3 takisti pingejaoturit ja soovitud väljundpinget. Peenhäälestamine toimub 1k trimmertakisti abil. Teine tagasiside mõõdab toitepinget, nii et PIC saab määrata optimaalse tõusuaja (ja perioodi/töötsükli väärtused). 1. etapi võrranditest leiti, et induktiivpooli tõusuaeg sõltub toitepingest. Arvutustabelist on võimalik PIC -i sisestada täpseid väärtusi, kuid kui toiteallikat muudetakse, pole väärtused enam optimaalsed. Kui töötate patareidest, väheneb pinge, kuna patareid tühjenevad, mistõttu on vaja pikemat tõusuaega. Minu lahendus oli lasta PIC -il seda kõike arvutada ja määrata oma väärtused (vt püsivara). Kolme kontaktiga hüppaja valib TC4427A ja induktiivpoolide toiteallika. Võimalik on töötada nii 7805 5 -voldise regulaatoriga, kuid suurema toitepingega saavutatakse parem efektiivsus ja suurem väljund. Nii TC4427a kui ka IRF740 FET peavad vastu kuni ~ 20 volti. Kuna PIC kalibreerib mis tahes toitepinge jaoks, on mõistlik neid otse toiteallikast toita. See on eriti oluline aku töötamisel - 7805 -s pole vaja energiat raisata, piisab induktiivpoolist otse elementidest. Valgusdioodid on valikulised, kuid mugavad probleemide lahendamiseks. "Vasak" LED (minu tahvlitel kollane) näitab, et HV tagasiside on soovitud punkti all, samas kui parem LED (minu kujunduses punane) näitab, et see on lõppenud. Praktikas saate kena PWM -efekti, mille korral valgusdioodid helendavad praeguse koormuse suhtes. Kui punane LED kustub (põleb pidevalt), näitab see, et vaatamata oma parimale pingutusele ei suuda PIC hoida väljundpinget soovitud tasemel. Teisisõnu, koormus ületab SMPS -i maksimaalse väljundi. ÄRGE unustage punaselt näidatud hüppajajuhtmeid! Osade nimekiri Osa väärtus 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 -voldine regulaator IC7 PIC 12u683 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0,47K R3 1K lineaarne trimmer R4 330 oomi R5 100K R6 330 oomi R7 10K SV1 3 kontaktiga päis X2 3 kruviklemm

Samm: püsivara

Püsivara on kirjutatud MikroBasicus, kompilaator on tasuta kuni 2K programmide jaoks (https://www.mikroe.com/). Kui vajate PIC -programmeerijat, kaaluge minu täiustatud JDM2 programmeerimisplaati, mis on postitatud ka juhenditesse (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Põhitoiming: 1. Kui toide on sisse lülitatud, käivitub PIC. 2. PIC viivitab 1 sekund, et pinge stabiliseeruks. 3. PIC loeb toitepinge tagasisidet ja arvutab optimaalse töötsükli ja perioodi väärtused. 4. PIC logib ADC näidu, töötsükli ja perioodi väärtused EEPROM -i. See võimaldab mõningaid tõrkeotsinguid ja aitab diagnoosida katastroofilisi rikkeid. EEPROM -i aadress 0 on kirjutusosuti. Iga 4-baidine logi salvestatakse iga kord, kui SMPS (uuesti) käivitatakse. Esimesed 2 baiti on ADC kõrge/madal, kolmas bait on töötsükli väärtuse madalam 8 bitti, neljas bait on perioodi väärtus. Kokku logitakse 50 kalibreerimist (200 baiti) enne kirjutuskursori ümberminekut ja alustatakse uuesti EEPROM-i aadressil 1. Viimane logi asub kursori-4 juures. Neid saab kiibist PIC programmeerija abil välja lugeda. Ülemised 55 baiti jäetakse tulevaste täiustuste jaoks vabaks (vt täiustusi). 5. PIC siseneb lõputusse silmusesse - mõõdetakse kõrgepinge tagasiside väärtust. Kui see on alla soovitud väärtuse, laaditakse PWM töötsükli registrid arvutatud väärtusega - MÄRKUS. Kaks alumist bitti on olulised ja need tuleb laadida CPP1CON 5: 4, ülemised 8 bitti sisestatakse CRP1L -i. Kui tagasiside on soovitud väärtusest kõrgem, laadib PIC töötsükli registrid nulliga. See on impulsi vahelejätmise süsteem. Otsustasin impulsi vahele jätta kahel põhjusel: 1) sellistel kõrgetel sagedustel pole mängimiseks palju töölaiust (meie näites 0–107, kõrgemal toitepingel palju vähem) ja 2) sagedusmodulatsioon on võimalik, ning annab palju rohkem reguleerimisruumi (meie näites 35–255), kuid AINULT TOLLIMAKS ON KAKSKORDSELT PUHVISTATUD RIISTVARA. Sageduse muutmine PWM -i töötamise ajal võib avaldada kummalisi mõjusid. Püsivara kasutamine: püsivara kasutamiseks on vaja mitmeid kalibreerimisetappe. Need väärtused tuleb kompileerida püsivarasse. Mõned sammud on valikulised, kuid aitavad toiteallikast maksimaalselt kasu saada. 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 'sõna Need väärtused on lehel püsivara kood. Leidke väärtused ja määrake need järgmiselt. v_ref See on ADC pinge viide. See on vajalik, et määrata kindlaks tegelik toitepinge, mis lisatakse 1. etapis kirjeldatud võrranditesse. Kui PIC töötab 7805 5 -voldise regulaatoriga, võime oodata umbes 5 volti. Mõõtke multimeetri abil pinge PIC toitetihvti (PIN1) ja kruviklemmi maanduse vahel. Minu täpne väärtus oli 5,1 volti. Sisestage see väärtus siia. toite_suhe Toitepinge jagaja koosneb takistist 100K ja 10K. Teoreetiliselt peaks tagasiside olema võrdne toitepingega jagatud 11 -ga (vt tabel 5. Toitepinge tagasisidevõrgu arvutused). Praktikas on takistitel erinevad tolerantsid ja need ei ole täpsed väärtused. Täpse tagasiside suhte leidmiseks toimige järgmiselt. 1. Mõõtke kruviklemmide vahel olevat toitepinget. 2. Mõõtke tagasisidepinget PIC -tihvti 7 ja kruviklemmi maanduse vahel. 3. Täpse suhte saamiseks jagage pakkumine V FB V -ga. Võite kasutada ka tabelit 6. Toitepinge tagasiside kalibreerimine. osc_freq Lihtsalt ostsillaatori sagedus. Ma kasutan 12F683 sisemist 8Mhz ostsillaatorit, seega sisestan väärtuseks 8. L_Ipeak Selle väärtuse saamiseks korrutage induktiivpooli uH maksimaalsete pidevate võimenditega. Näites on 22r104C 100uH mähis, mille võimsus on pidevalt.67 amprit. 100*.67 = 67. Siin väärtuse korrutamine välistab ühe 32 -bitise ujukoma muutuja ja arvutuse, mis muidu tuleks PIC -il teha. See väärtus arvutatakse jaotises "Tabel 1: mähiste arvutused kõrgepinge toiteallika jaoks". fb_value See on tegelik täisarv, mida PIC kasutab selleks, et teha kindlaks, kas kõrgepinge väljund on soovitud tasemest kõrgemal või madalamal. Tabeli 3 abil saate määrata HV väljundi ja tagasiside pinge suhte, kui lineaarne trimmer on keskmises asendis. Keskväärtuse kasutamine annab reguleerimisruumi mõlemal küljel. Seejärel sisestage see suhe ja täpne pingeviide tabelisse 4. Kõrgepinge tagasiside ADC seadistatud väärtus, et määrata fb_value. Pärast nende väärtuste leidmist sisestage need koodi ja kompileerige. Põletage HEX PIC -i ja olete valmis minema! MÄLGE: EEPROM bait 0 on logi kirjutamise osuti. Seadke see väärtusele 1, et alustada värskelt pildilt baiti 1 logimist. Kalibreerimise tõttu ei tohiks FET ja induktor kunagi soojeneda. Samuti ei tohiks kuulda induktiivpoolist helinat. Mõlemad tingimused viitavad kalibreerimisveale. Kontrollige EEPROMi andmete logi, et aidata kindlaks teha, kus teie probleem võib olla.

6. samm: täiustused

Paar asja võiks parandada:

1. Pange kruviklemm FET -i lähemale, et paremini maapinda saada. 2. nuumake kondensaatorite ja induktiivpooli toitejälge. 3. Lisage stabiilne pingeviide, et parandada toimimist patareidest ja toitepingetest alla 7 volti (kus 7805 väljund langeb alla 5 volti). 4. Kasutage ülemist 55 EEPROM -baiti, et salvestada põnevaid natuke kasutuid andmeid - kogu tööaeg, ülekoormussündmused, min/max/keskmine koormus. -ian instructables-at-whereisian-dot-com