Vysokonapäťový napájací zdroj (SMPS)/zosilňovač pre Nixie trubice: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Tento SMPS zvyšuje nízke napätie (5-20 voltov) na vysoké napätie potrebné na pohon nixie elektrónok (170-200 voltov). Upozorňujeme, že aj keď je tento malý obvod možné prevádzkovať na batérie/nízkonapäťové nástenné mladiny, výstup je viac ako dostatočný na to, aby vás zabil!

Projekt zahŕňa: Súbor pomocných tabuliek EagleCAD CCT a súbory DPS MikroBasic Zdroj firmvéru

Krok 1: Ako to funguje?

Tento dizajn je založený na aplikačnej poznámke Microchip TB053 s niekoľkými úpravami založenými na skúsenostiach členov Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Získajte poznámku k aplikácii - je to pekné čítanie iba z niekoľkých strán: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Nasledujúci obrázok je výňatkom z TB053. Načrtáva základný princíp SMPS. Mikrokontrolér uzemňuje FET (Q1), čo umožňuje nabíjaniu zabudovať induktor L1. Keď je FET vypnutý, náboj prúdi diódou D1 do kondenzátora C1. Vvfb je spätná väzba deliča napätia, ktorá umožňuje mikrokontroléru monitorovať vysoké napätie a podľa potreby aktivovať FET na udržanie požadovaného napätia.

Krok 2: Charakteristiky induktora

Hoci je poznámka k aplikácii Microchip veľmi pekná, zdá sa mi trochu zaostalá. Začína sa určovaním požadovaného výkonu a potom sa volí čas nabíjania induktora bez ohľadu na dostupné induktory. Považoval som za užitočnejšie vybrať induktor a navrhnúť aplikáciu okolo toho. Použil som induktory „C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH“(časť Mouser 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 dolára), (časť Mouser 580-22R104C, 0,67 amp, 0,59 dolára). Vybral som tieto induktory, pretože sú veľmi malé, veľmi lacné, ale napriek tomu majú slušné hodnotenie výkonu. Už poznáme maximálne nepretržité hodnotenie našej cievky (0,67 ampéra pre 22R104C), ale potrebujeme vedieť, ako dlho bude trvať nabíjanie (čas nábehu). Namiesto určovania požadovaného zosilňovača cievok pomocou fixného času nabíjania (pozri rovnicu 6 v TB053), môžeme vypočuť rovnicu 6 a vyriešiť čas nábehu: (poznámka: rovnica 6 v TB053 je nesprávna, mala by byť L, nie 2L) (Volty v/Induktor uH)*nárast_čas = Špičkové zosilňovače-stanú sa-(Induktor uH/Volty v)*Špičkové zosilňovače = doba nábehu. -Použitím 22R104C s napájaním 5 voltov získate nasledujúce- (100/5)*0,67 = 13,5 µSt, na úplné nabitie cievky induktora pri 5 voltoch bude trvať 13,5 us. Je zrejmé, že táto hodnota sa bude líšiť pri rôznych napájacích napätiach. Ako je uvedené v TB053: „Prúd v induktore sa nemôže meniť okamžite. Keď je Q1 vypnutý, prúd v L1 pokračuje v prúdení cez D1 do akumulačného kondenzátora C1 a záťaže RL. Preto prúd v induktore lineárne klesá v čase od špičkového prúdu. "Dobu, ktorou prúd prúdi z induktora, môžeme určiť pomocou rovnice TB05 7. V praxi je tento čas veľmi krátky. Táto rovnica je implementovaná v priloženej tabuľke, ale nebude sa o nej diskutovať. Aký veľký výkon môžeme získať z 0,67 ampérového induktora? Celkový výkon je určený nasledujúcou rovnicou (rovnica 5: tb053): Výkon = (((čas nábehu)*(volty v)^{2)/(2*Induktor uH))}-pomocou našich predchádzajúcich hodnôt nájdeme-1,68 W = (13,5 µS*5 voltov^2)/(2*100uH)-previesť watty na mA-mA = ((výkonové watty)/(výstupné volty))*1000-pomocou výstupného napätia 180 zistíme-9,31 mA = (1,68 wattov/180 voltov)*1 000 táto cievka s napájaním 5 voltov, ignorujúc všetky neúčinnosti a straty pri prepínaní. Vyšší výstupný výkon je možné dosiahnuť zvýšením napájacieho napätia. Všetky tieto výpočty sú implementované v „Tabuľke 1: Výpočty cievok pre vysokonapäťové napájanie“tabuľky, ktorá je súčasťou tohto návodu. Je zadaných niekoľko príkladov cievok.

Krok 3: Riadenie SMPS pomocou mikrokontroléra

Teraz, keď sme vypočítali čas nábehu našej cievky, môžeme naprogramovať mikrokontrolér tak, aby sa nabíjal dostatočne dlho, aby dosiahol nominálnu hodnotu mA. Jeden z najľahších spôsobov, ako to urobiť, je použiť hardvérový modulátor šírky impulzov PIC. Pulzná šírková modulácia (PWM) má dve premenné načrtnuté na obrázku nižšie. Počas pracovného cyklu PIC zapne FET, uzemní ho a umožní prúd do cievky induktora (doba nábehu). Počas zostávajúceho obdobia je FET vypnutý a prúd prúdi z induktora diódou do kondenzátorov a zaťaženia (čas pádu). Požadovaný čas nárastu už poznáme z našich predchádzajúcich výpočtov: 13,5 µS. TB053 naznačuje, že doba nárastu je 75% obdobia. Hodnotu svojej periódy som určil vynásobením doby nábehu hodnotou 1,33: 17,9 uS. To je v súlade s návrhom v TB053 a zaisťuje, že induktor zostane v prerušovanom režime - úplne sa vybije po každom nabití. Je možné vypočítať presnejšie obdobie pridaním vypočítaného času nábehu k vypočítanému času pádu, ale o to som sa nepokúšal. Teraz môžeme určiť hodnoty skutočného pracovného cyklu a periódy, ktoré treba zadať do mikrokontroléra, aby sme získali požadované časové intervaly.. V príručke Microchip PIC pre stredný rozsah nájdeme nasledujúce rovnice (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / Frekvencia oscilátora * Prescaler Ak nastavíme prescaler na 1 a porazíme túto rovnicu algebraickou palicou, dostaneme: 10 bit Duty Cycle Value = PWM Duty Cycle uS * Frekvencia oscilátora Nahradiť pracovný cyklus uS pre vypočítaný čas nábehu a predpokladať 8 Mhz oscilátor frekvencia: 107 = 13,5uS * Do PIC sa zadá 8Mhz107, aby sa získal pracovný cyklus 13,5uS. Ďalej určíme hodnotu obdobia PWM. Z manuálu stredného rozsahu dostaneme nasledujúcu rovnicu: Perióda PWM uS = ((hodnota periódy PWM) + 1) * 4 * (1/frekvencia oscilátora) * (hodnota predzmenky) Opäť nastavíme predzvárač na 1 a obťažujeme rovnicu pre hodnotu periódy PWM nám dáva: hodnota periódy PWM = ((perióda PWM uS/(frekvencia oscilátora))-1) náhradné obdobie uS za (1,33*doba nábehu) a predpokladáme frekvenciu oscilátora 8 MHz: 35 = ((17,9/(4/8))-1) Do PIC sa vloží 35, aby sa získalo obdobie 17,9 μS. Ale počkaj! Nie je obdobie kratšie ako pracovný cyklus? Nie - PIC majú 10 -bitový register pracovného cyklu a 8 -bitový periodický register. Existuje viac rozlíšenia pre hodnotu pracovného cyklu, takže jeho hodnota bude niekedy väčšia ako hodnota obdobia - najmä pri vysokých frekvenciách. Všetky tieto výpočty sú implementované v „tabuľke 2. Výpočty PWM“tabuľky, ktorá je súčasťou tohto pokynu. Je zadaných niekoľko príkladov cievok.

Krok 4: Návrh DPS

PCB a CCT sú vo formáte EagleCad. Oba sú zahrnuté v archíve ZIP.

Pri výrobe tejto DPS som sa pozrel na niekoľko existujúcich návrhov. Tu sú moje poznámky k: dôležitým konštrukčným charakteristikám: 1. Nasledoval som poznámku APP Microchipu a na riadenie FET som použil TC4427A. Toto A) chráni mikrokontrolér pred napätím flyback prichádzajúcim z FET a B) môže poháňať FET pri vyšších napätiach ako PIC pre rýchlejšie/tvrdšie prepínanie s lepšou účinnosťou. 2. Vzdialenosť od PWM PIC k FET je minimalizovaná. 3. FET, induktor, kondenzátory zabalené skutočne tesne. 4. Sledovanie zásoby tuku. 5. Dobrá zem medzi FET a bodom spojenia múr-mladina. Pre tento projekt som vybral mikrokontrolér PIC 12F683. Jedná sa o 8 -pinový PIC s hardvérovým PWM, 4 analógovo -digitálne prevodníky, 8Mhz interný oscilátor a 256 -bajtovú EEPROM. Najdôležitejšie je, že som mal jeden z predchádzajúceho projektu. Použil som IRF740 FET kvôli jeho vysokému uznaniu v zozname Neonixie-L. Na vyhladenie dodávky VN sú 2 kondenzátory. Jeden je elektrolytický (vysoká teplota, 250 voltov, 1 uF), druhý je kovový film (250 voltov, 0,47uf). Ten je oveľa väčší a drahší (0,50 USD oproti 0,05 USD), ale je potrebný na získanie čistého výstupu. V tomto prevedení sú dva obvody spätnej väzby napätia. Prvý umožňuje PIC snímať výstupné napätie a podľa potreby aplikovať impulzy na FET na udržanie požadovanej úrovne. Na zistenie správnej hodnoty spätnej väzby vzhľadom na 3 delič napätia rezistora a požadované výstupné napätie je možné použiť "Tabuľku 3. Výpočty siete pre spätné väzby vysokého napätia". Jemné doladenie sa vykonáva s 1k trimrovacím odporom. Druhá spätná väzba meria napájacie napätie, aby PIC mohol určiť optimálny čas nábehu (a hodnoty periódy/pracovného cyklu). Z rovníc v kroku 1 sme zistili, že doba nábehu induktora závisí od napájacieho napätia. Do vášho PIC je možné zadať presné hodnoty z tabuľky, ale ak sa zmení napájanie, hodnoty už nie sú optimálne. Ak beží na batérie, napätie sa zníži, pretože batérie sa vybíjajú, čo vyžaduje dlhší čas nabíjania. Moje riešenie bolo nechať PIC vypočítať toto všetko a nastaviť vlastné hodnoty (pozri firmvér). Tri kolíkové prepojky vyberajú zdroj napájania pre cievku TC4427A a cievku. Je možné pracovať aj s 5 voltovým regulátorom 7805, ale lepšia účinnosť a vyšší výkon sa dosahuje s väčším napájacím napätím. TC4427a aj IRF740 FET vydržia až ~ 20 voltov. Pretože PIC bude kalibrovať pre akékoľvek dané napájacie napätie, má zmysel napájať ich priamo z napájacieho zdroja. To je obzvlášť dôležité pri prevádzke na batérie - v 7805 nie je potrebné plytvať energiou, stačí napájať induktor priamo z článkov. LED diódy sú voliteľné, ale praktické pri riešení problémov. „Ľavá“dióda LED (žltá na mojich doskách) znamená, že spätná väzba vysokého napätia je pod požadovaným bodom, zatiaľ čo pravá dióda LED (v mojom návrhu červená) znamená, že je koniec. V praxi získate pekný PWM efekt, v ktorom LED diódy svietia intenzitou vzhľadom na aktuálne zaťaženie. Ak červená LED dióda zhasne (neprerušovane), znamená to, že napriek všetkému úsiliu PIC nemôže udržať výstupné napätie na požadovanej úrovni. Inými slovami, zaťaženie presahuje maximálny výkon SMPS. NEZABUDNITE, KÁBLY JUMPERU UVEDENÉ V ČERVENEJ! Zoznam čiastkových hodnôt 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 5voltový regulátor IC7 PIC 12F683 L1 Ind (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0,47K R3 1K lineárny zastrihávač R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 -pólový konektor X2 3 skrutkovacia svorka

Krok 5: Firmvér

Firmvér je napísaný v programe MikroBasic, kompilátor je bezplatný pre programy do 2 kB (https://www.mikroe.com/). Ak potrebujete programátor PIC, zvážte moju vylepšenú dosku programátora JDM2, ktorá je tiež zverejnená na adrese instructables (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Základná operácia: 1. Po zapnutí napájania sa spustí PIC. 2. PIC oneskorí 1 sekundu, aby sa napätie stabilizovalo. 3. PIC číta spätnú väzbu napájacieho napätia a vypočítava hodnoty optimálneho pracovného cyklu a periódy. 4. PIC zaznamenáva hodnoty ADC, pracovný cyklus a periódy do EEPROM. To umožňuje riešenie problémov a pomáha diagnostikovať katastrofické poruchy. EEPROM adresa 0 je ukazovateľ zápisu. Pri každom spustení (re) SMPS sa uloží jeden 4-bajtový protokol. Prvé 2 bajty sú ADC vysoké/nízke, tretí bajt je nižší ako 8 bitov hodnoty pracovného cyklu, štvrtý bajt je hodnota periódy. Celkom sa zaznamená 50 kalibrácií (200 bajtov), než sa ukazovateľ zápisu prevráti a začne znova na adrese EEPROM 1. Najnovší protokol bude umiestnený na ukazovateli-4. Tieto je možné načítať z čipu pomocou programátora PIC. Horných 55 bytov je ponechaných voľných pre budúce vylepšenia (pozri vylepšenia). 5. PIC vstupuje do nekonečnej slučky - meria sa hodnota spätnej väzby vysokého napätia. Ak je pod požadovanou hodnotou, registre pracovného cyklu PWM sa načítajú vypočítanou hodnotou - POZNÁMKA: dolné dva bity sú dôležité a musia byť načítané do CPP1CON 5: 4, horných 8 bitov ísť do CRP1L. Ak je spätná väzba nad požadovanou hodnotou, PIC načíta registre pracovného cyklu s hodnotou 0. Toto je systém „preskakovania impulzov“. Pre preskakovanie impulzov som sa rozhodol z dvoch dôvodov: 1) pri tak vysokých frekvenciách nie je veľa hrania s pracovnou šírkou (v našom prípade 0-107, oveľa menej pri vyššom napájacom napätí) a 2) je možná frekvenčná modulácia, a dáva oveľa väčší priestor na úpravu (v našom prípade 35–255), ale IBA POVINNOSŤ JE V HARDWARE DVOJNÁSOBENÁ. Zmena frekvencie počas prevádzky PWM môže mať „podivné“efekty. Použitie firmvéru: Na použitie firmvéru je potrebných niekoľko kalibračných krokov. Tieto hodnoty je potrebné vložiť do firmvéru. Niektoré kroky sú voliteľné, ale pomôžu vám vyťažiť maximum zo zdroja napájania. 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 Tieto hodnoty nájdete v hornej časti kód firmvéru. Nájdite hodnoty a nastavte ich nasledovne. v_ref Toto je referenčná hodnota napätia ADC. To je potrebné na určenie skutočného napájacieho napätia, ktoré má byť zahrnuté v rovniciach popísaných v kroku 1. Ak je PIC spustený z 5voltového regulátora 7805, môžeme očakávať okolo 5 voltov. Pomocou multimetra zmerajte napätie medzi napájacím kolíkom PIC (PIN1) a uzemnením na skrutkovej svorke. Moja presná hodnota bola 5,1 voltov. Tu zadajte túto hodnotu. supply_ratio Delič napájacieho napätia pozostáva z rezistora 100K a 10K. Spätná väzba by sa teoreticky mala rovnať napájaciemu napätiu delenému 11 (pozri tabuľku 5. Výpočty siete pre spätnú väzbu napájacieho napätia). V praxi majú odpory rôzne tolerancie a nie sú to presné hodnoty. Ak chcete zistiť presný pomer spätnej väzby: 1. Zmerajte napájacie napätie medzi skrutkovými svorkami. 2. Zmerajte napätie spätnej väzby medzi pinom PIC 7 a uzemnením na skrutkovacej svorke. 3. Rozdeľte dodávku V o FB V, aby ste získali presný pomer. Môžete tiež použiť "Tabuľka 6. Kalibrácia spätnej väzby napájacieho napätia". osc_freq Jednoducho frekvencia oscilátora. Používam interný 8Mhz oscilátor 12F683, takže zadám hodnotu 8. L_Ipeak Na získanie tejto hodnoty vynásobte cievku induktora uH maximálnymi spojitými zosilňovačmi. V tomto prípade je 22r104C cievka 100uH s hodnotením 0,67amp kontinuálneho. 100*, 67 = 67. Vynásobením hodnoty sa tu odstráni jedna 32 -bitová premenná s pohyblivou rádovou čiarkou a výpočet, ktorý by sa inak musel vykonať na PIC. Táto hodnota je vypočítaná v "Tabuľke 1: Výpočty cievok pre vysokonapäťový zdroj energie". fb_value Toto je skutočná celočíselná hodnota, ktorú PIC použije na určenie, či je výstup vysokého napätia nad alebo pod požadovanou úrovňou. Tabuľku 3 použite na určenie pomeru medzi výstupom VN a napätím spätnej väzby, keď je lineárny trimer v strednej polohe. Použitím stredovej hodnoty získate priestor na úpravu na oboch stranách. Ďalej zadajte tento pomer a vašu presnú referenciu napätia do „Tabuľky 4. Vysoká hodnota spätnej väzby ADC nastavenej hodnoty“na určenie hodnoty fb_value. Keď nájdete tieto hodnoty, zadajte ich do kódu a skompilujte. Vypálte HEX na PIC a ste pripravení ísť! NEZABUDNITE: Bajt EEPROM 0 je ukazovateľ zápisu do denníka. Nastavte ho na 1, aby sa začalo zaznamenávanie do bajtu 1 na novom obrázku. Z dôvodu kalibrácie by sa FET a induktor nemali nikdy zahriať. Tiež by ste nemali počuť vyzváňací zvuk z cievky induktora. Obe tieto podmienky naznačujú chybu kalibrácie. V protokole údajov v pamäti EEPROM zistíte, kde môže byť problém.

Krok 6: Vylepšenia

Niekoľko vecí by sa dalo zlepšiť:

1. Zaskrutkujte skrutkovaciu svorku bližšie k FET, aby ste dosiahli lepšiu cestu uzemnenia. 2. Upravte stopu napájania kondenzátorov a induktora. 3. Pridajte stabilnú referenciu napätia na zlepšenie prevádzky z batérií a napájacích napätí nižších ako 7 voltov (kde výkon 7805 klesne pod 5 voltov). 4. Pomocou horných 55 bajtov EEPROM zaznamenajte fascinujúci kúsok zbytočných údajov - celkový čas behu, udalosti preťaženia, min/max/priemerné zaťaženie. -ian instructables-at-whereisian-dot-com