Napajanje za visokonaponski prekidač (SMPS)/Boost pretvarač za Nixie cijevi: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Ovaj SMPS pojačava niski napon (5-20 volti) do visokog napona potrebnog za pogon nixie cijevi (170-200 volti). Budite upozoreni: iako se ovaj mali krug može koristiti na baterije/niskonaponske zidne tvari, izlaz je više nego dovoljan da vas ubije!

Projekt uključuje: Pomoćne proračunske tablice EagleCAD CCT i PCB datoteke MikroBasic izvor firmvera

Korak 1: Kako to funkcionira?

Ovaj dizajn temelji se na Microchip Application Note TB053 s nekoliko izmjena temeljenih na iskustvu članova Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Preuzmite bilješku o aplikaciji - lijepo je pročitati samo nekoliko stranica: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Ilustracija u nastavku je izvadak iz TB053. On ocrtava osnovni princip koji stoji iza SMPS -a. Mikrokontroler uzemljuje FET (Q1), dopuštajući naboju da se ugradi u induktor L1. Kad je FET isključen, naboj teče kroz diodu D1 u kondenzator C1. Vvfb je povratna sprega razdjelnika napona koja omogućuje mikrokontroleru praćenje visokog napona i aktiviranje FET -a prema potrebi za održavanje željenog napona.

Korak 2: Karakteristike induktora

Iako jako lijepa, bilješka o aplikaciji Microchip čini mi se pomalo unatrag. Počinje određivanjem potrebne snage, zatim bira vrijeme punjenja induktora bez brige o dostupnim induktorima. Smatrao sam da je korisnije izabrati induktor i osmisliti aplikaciju oko toga. Induktori koje sam koristio su "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouserov dio 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 USD), (Mouser dio 580-22R104C, 0,67 pojačalo, 0,59 USD). Izabrao sam ove induktore jer su vrlo mali, vrlo jeftini, ali ipak imaju pristojne nazivne snage. Već znamo maksimalnu kontinuiranu vrijednost naše zavojnice (0,67 ampera za 22R104C), ali moramo znati koliko će trebati punjenje (vrijeme porasta). Umjesto korištenja fiksnog vremena punjenja (vidi jednadžbu 6 u TB053) za određivanje potrebnih pojačala zavojnice, možemo ispitati jednadžbu 6 i riješiti vrijeme porasta: (napomena: jednadžba 6 u TB053 je pogrešna, trebala bi biti L, a ne 2L) (Volti u/induktor uH)*vrijeme porasta = vršna ampera -postaje- (induktor uH/volti u)*Vršna ampera = vrijeme porasta. -Korištenjem 22R104C s napajanjem od 5 volti dobiva se sljedeće (100/5)*0,67 = 13.5uSTrebat će 13,5 uS za potpuno punjenje zavojnice induktora na 5 volti. Očito će ta vrijednost varirati s različitim naponima napajanja. Kao što je navedeno u TB053: "Struja u induktoru ne može se promijeniti trenutno. Kad je Q1 isključen, struja u L1 nastavlja teći kroz D1 do kondenzatora za skladištenje, C1, i opterećenja RL. Dakle, struja u induktoru linearno opada s vremenom od vršne struje. "Možemo odrediti vrijeme potrebno za istjecanje struje iz induktora pomoću jednadžbe TB05 7. U praksi je to vrijeme vrlo kratko. Ova jednadžba je implementirana u priloženoj proračunskoj tablici, ali o tome neće biti riječi ovdje. Koliku snagu možemo dobiti od induktora od 0,67 amp? Ukupna snaga određena je sljedećom jednadžbom (tb053 jednadžba 5): Snaga = (((vrijeme porasta)*(Volti u)^{2)/(2*Induktor uH))}-koristivši naše prethodne vrijednosti nalazimo-1,68 W = = (13,5uS*5volti^2)/(2*100uH)-konvertirati vate u mA-mA = ((Snaga u vatima)/(izlazni volti))*1000-pomoću izlaznog napona od 180 nalazimo-9,31 mA = (1,68 vata/180 volti)*1000 Možemo dobiti najviše 9,31 mA iz ova zavojnica s napajanjem od 5 V, zanemarujući sve neučinkovitosti i gubitke pri uključivanju. Veća izlazna snaga može se postići povećanjem opskrbnog napona. Svi ovi izračuni provedeni su u "Tablici 1: Proračuni zavojnica za visokonaponsko napajanje" proračunske tablice uključene u ovu uputu. Uneseno je nekoliko primjera zavojnica.

Korak 3: Upravljanje SMPS -om pomoću mikrokontrolera

Sada kada smo izračunali vrijeme porasta naše zavojnice, možemo programirati mikrokontroler da ga napuni tek toliko da dosegne nazivnu mA. Jedan od najjednostavnijih načina za to je korištenje hardverskog modulatora širine impulsa PIC -a. Modulacija širine impulsa (PWM) ima dvije varijable navedene na donjoj slici. Tijekom radnog ciklusa PIC uključuje FET, uzemljuje ga i dopušta struju u indukcijski svitak (vrijeme porasta). Tijekom ostatka razdoblja FET je isključen i struja teče iz induktora kroz diodu do kondenzatora i opterećenja (vrijeme pada). Već znamo naše potrebno vrijeme porasta iz naših prethodnih izračuna: 13,5uS. TB053 sugerira da vrijeme porasta iznosi 75% razdoblja. Odredio sam vrijednost razdoblja množenjem vremena porasta s 1,33: 17,9uS. To je u skladu s prijedlogom u TB053 i osigurava da induktor ostane u prekidnom načinu rada - potpuno se prazni nakon svakog punjenja. Moguće je izračunati točnije razdoblje dodavanjem izračunatog vremena porasta izračunskom vremenu pada, ali ja to nisam pokušao. Sada možemo odrediti stvarni radni ciklus i vrijednosti razdoblja koje treba unijeti u mikrokontroler kako bismo dobili željene vremenske intervale. U priručniku Microchip PIC za srednje klase nalazimo sljedeće jednadžbe (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Radni ciklus uS = (10 bitna vrijednost radnog ciklusa) * (1 / frekvencija oscilatora) * Predskaler Ako postavimo predskaler na 1 i tu jednadžbu pobijedimo algebarskim štapićem dobivamo: 10 bitna vrijednost radnog ciklusa = PWM radni ciklus uS * Frekvencija oscilatoraZamijenite radni ciklus uS za izračunato vrijeme porasta i pretpostavite oscilator od 8 Mhz frekvencija: 107 = 13,5uS * 8Mhz107 se unosi u PIC kako bi se dobio radni ciklus od 13,5uS. Nadalje, određujemo vrijednost razdoblja PWM -a. Iz priručnika za srednje opsege dobivamo sljedeću jednadžbu: PWM razdoblje uS = ((vrijednost razdoblja PWM) + 1) * 4 * (1/frekvencija oscilatora) * (vrijednost predskale) Opet postavljamo predskaler na 1 i uznemiravamo jednadžbu za vrijednost razdoblja PWM-a, dajući nam: vrijednost razdoblja PWM = ((PWM razdoblje uS/(4/frekvencija oscilatora))-1) Zamjensko razdoblje uS za (1,33*vrijeme porasta), i pretpostavimo frekvenciju oscilatora od 8 Mhz: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 se unosi u PIC kako bi se dobilo razdoblje od 17.9uS. Ali čekaj! Nije li razdoblje kraće od radnog ciklusa? Ne - PIC -ovi imaju 10 -bitni registar radnog ciklusa i 8 -bitni registar perioda. Za vrijednost radnog ciklusa postoji veća razlučivost, pa će njezina vrijednost ponekad biti veća od vrijednosti razdoblja - osobito na visokim frekvencijama. Svi ovi izračuni provedeni su u "Tablici 2. Proračuni PWM -a" proračunske tablice uključene u ovu uputu. Uneseno je nekoliko primjera zavojnica.

Korak 4: Dizajn PCB -a

PCB i CCT su u EagleCad formatu. Obje su uključene u ZIP arhivu.

Prilikom izrade ove PCB -a pogledao sam nekoliko postojećih dizajna. Evo mojih bilješki o važnim karakteristikama dizajna: 1. Slijedio sam bilješku o aplikaciji Microchip i koristio TC4427A za pogon FET -a. Ovaj A) štiti mikrokontroler od povratnih napona koji dolaze s FET -a, a B) može pokrenuti FET pri višim naponima od PIC -a za brže/teže prebacivanje s boljom učinkovitošću. 2. Udaljenost od PWM -a PIC -a do FET -a svedena je na minimum. 3. FET, induktor, kondenzatori jako zbijeni. 4. Trag opskrbe masti. 5. Dobro uzemljenje između FET-a i spojne točke zidne sladovine. Za ovaj projekt odabrao sam mikrokontroler PIC 12F683. Ovo je 8 -polni PIC s hardverskim PWM -om, 4 analogno -digitalna pretvarača, unutarnji oscilator od 8 Mhz i EEPROM od 256 bajta. Ono što je najvažnije, imao sam jedan na prethodnom projektu. Koristio sam IRF740 FET zbog visokog priznanja na listi Neonixie-L. Postoje 2 kondenzatora za ujednačavanje napajanja visokog napona. Jedan je elektrolitički (visoka temperatura, 250 volti, 1 uF), drugi je metalni film (250 volti, 0,47 uf). Potonji je mnogo veći i skuplji (0,50 USD u odnosu na 0,05 USD), ali je neophodan za postizanje čistog rezultata. U ovom dizajnu postoje dva povratna kruga napona. Prvi omogućuje PIC -u da osjetiti izlazni napon i primijeniti impulse na FET prema potrebi za održavanje željene razine. "Tablica 3. Proračuni visokonaponske povratne mreže" može se koristiti za određivanje točne vrijednosti povratne sprege s obzirom na razdjelnik napona s 3 otpornika i željeni izlazni napon. Fino podešavanje se vrši pomoću trimera otpornika 1k. Druga povratna informacija mjeri napon napajanja tako da PIC može odrediti optimalno vrijeme porasta (i vrijednosti razdoblja/radnog ciklusa). Iz jednadžbi u koraku 1 otkrili smo da vrijeme porasta induktora ovisi o naponu napajanja. Moguće je unijeti točne vrijednosti iz proračunske tablice u vaš PIC, ali ako se promijeni napajanje, vrijednosti više nisu optimalne. Ako rade iz baterija, napon će se smanjivati kako se baterije prazne, što zahtijeva duže vrijeme porasta. Moje rješenje je bilo dopustiti PIC -u da sve ovo izračuna i postavi vlastite vrijednosti (vidi firmver). Prekidač s tri pina odabire izvor napajanja za TC4427A i zavojnicu induktora. Moguće je raditi i s 5 -voltnim regulatorom 7805, ali bolja učinkovitost i veća snaga postižu se s većim naponom napajanja. I TC4427a i IRF740 FET će izdržati do ~ 20 volti. Budući da će PIC kalibrirati za bilo koji napon napajanja, ima smisla napajati ih izravno iz izvora napajanja. To je osobito važno pri radu s baterijom - nema potrebe za rasipanjem energije u 7805, samo ubacite induktor izravno iz ćelija. LED diode su opcionalne, ali su zgodne za rješavanje problema. 'Lijeva' LED (žuta na mojim pločama) označava da je povratna veza visokog napona ispod željene točke, dok desna LED (crvena u mom dizajnu) označava da je završena. U praksi dobivate lijep efekt PWM -a u kojem LED svjetla svijetle u odnosu na trenutno opterećenje. Ako se crvena LED lampica isključi (svijetli), to znači da, unatoč najvećim naporima, PIC ne može održati izlazni napon na željenoj razini. Drugim riječima, opterećenje premašuje maksimalni izlaz SMPS -a. NEMOJTE ZABORAVITI KAMPER ŽICE POKAZANE CRVENO! Dijelovi Vrijednost dijela 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 -voltni regulator IC7 PIC 12F683 L1 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Linearni trimer R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 -polni zaglavlje X2 3 Vijčani terminal

Korak 5: Firmware

Firmver je napisan na MikroBasicu, kompajler je besplatan za programe do 2K (https://www.mikroe.com/). Ako vam treba PIC programer, razmislite o mojoj poboljšanoj JDM2 programskoj ploči koja je također objavljena na uputama (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Osnovni rad: 1. Kad se napajanje uključi, PIC se pokreće. 2. PIC odgađa 1 sekundu kako bi se omogućili stabilizacija napona. 3. PIC čita povratnu informaciju o naponu napajanja i izračunava optimalne vrijednosti radnog ciklusa i vrijednosti razdoblja. 4. PIC zapisuje očitanja ADC -a, radni ciklus i vrijednosti razdoblja u EEPROM. To omogućuje rješavanje problema i pomaže u dijagnosticiranju katastrofalnih kvarova. EEPROM adresa 0 je pokazivač za upisivanje. Svaki 4 bajtni dnevnik sprema se svaki put pri ponovnom pokretanju SMPS-a. Prva 2 bajta su ADC visoki/niski, treći bajt je niži 8 bita vrijednosti radnog ciklusa, četvrti bajt je vrijednost razdoblja. Ukupno se 50 kalibracija (200 bajtova) bilježi prije nego što se pokazivač za prebacivanje prevrne i ponovno pokrene na EEPROM adresi 1. Najnoviji zapisnik nalazit će se na pokazivaču-4. Oni se mogu očitati iz čipa pomoću PIC programatora. Gornjih 55 bajtova ostavljeno je slobodnim za buduća poboljšanja (vidi poboljšanja). 5. PIC ulazi u beskonačnu petlju - mjeri se povratna vrijednost visokog napona. Ako je ispod željene vrijednosti, registri radnog ciklusa PWM učitavaju se s izračunatom vrijednošću - NAPOMENA: donja dva bita su važna i moraju se učitati u CPP1CON 5: 4, gornjih 8 bita idu u CRP1L. Ako je povratna informacija iznad željene vrijednosti, PIC učitava registre radnog ciklusa s 0. To je sustav 'preskakanja impulsa'. Odlučio sam se za preskakanje pulsa iz dva razloga: 1) na takvim visokim frekvencijama nema puno radne širine za igru (0-107 u našem primjeru, mnogo manje na višim opskrbnim naponima), i 2) moguća je frekvencijska modulacija, i daje puno više prostora za prilagodbu (35-255 u našem primjeru), ali SAMO DUŽNOST SE DVOSTRUKO BUFERIRA U HARDVERU. Promjena frekvencije dok PWM radi može imati 'čudne' učinke. Korištenje firmvera: Za korištenje firmvera potrebno je nekoliko koraka kalibracije. Te se vrijednosti moraju sastaviti u firmver. Neki su koraci izborni, ali će vam pomoći da najbolje iskoristite napajanje. const v_ref kao float = 5.1 'float const supply_ratio as float = 11.35' float const osc_freq kao float = 8 'float const L_Ipeak kao float = 67' float const fb_value kao riječ = 290 'riječ Ove se vrijednosti mogu pronaći na vrhu kod firmvera. Pronađite vrijednosti i postavite na sljedeći način. v_ref Ovo je referenca napona ADC -a. To je potrebno za određivanje stvarnog napona napajanja koji treba uključiti u jednadžbe opisane u koraku 1. Ako se PIC pokreće od 7805 5voltnog regulatora, možemo očekivati oko 5 volti. Multimetrom izmjerite napon između pin -a za napajanje PIC -a (PIN1) i mase na vijčanoj stezaljki. Moja točna vrijednost bila je 5,1 volti. Ovdje unesite ovu vrijednost. supply_ratio Razdjelnik napona napajanja sastoji se od 100K i 10K otpornika. Teoretski, povratna sprega bi trebala biti jednaka naponu napajanja podijeljenom s 11 (vidi tablicu 5. Mrežni proračuni napona napajanja o napajanju). U praksi, otpornici imaju različite tolerancije i nisu točne vrijednosti. Da biste pronašli točan omjer povratne sprege: 1. Izmjerite napon napajanja između stezaljki. 2. Izmjerite povratni napon između PIC pina 7 i mase na vijčanoj stezaljki. 3. Podijelite Supply V na FB V da biste dobili točan omjer. Također možete koristiti "Tablicu 6. Kalibracija povratne veze napona napajanja". osc_freq Jednostavno frekvencija oscilatora. Koristim 12F683 unutarnji oscilator od 8 MHz, pa unosim vrijednost 8. L_Ipeak Pomnožite zavojnicu induktora uH s maksimalnim kontinuiranim pojačalima da biste dobili ovu vrijednost. U primjeru 22r104C je zavojnica od 100uH s neprekidnim naponom od 0,67 ampera. 100*.67 = 67. Množenjem vrijednosti ovdje eliminira se jedna 32 -bitna varijabla s pomičnim zarezom i izračun koji bi se inače trebao obaviti na PIC -u. Ova vrijednost je izračunata u "Tablici 1: Proračuni zavojnice za visokonaponsko napajanje". fb_value Ovo je stvarna cijela vrijednost koju će PIC koristiti za utvrđivanje je li izlaz visokog napona iznad ili ispod željene razine. Pomoću tablice 3 odredite omjer između izlaznog i povratnog napona visokog napona kada je linearni trimer u središnjem položaju. Korištenje središnje vrijednosti daje prostor za podešavanje s obje strane. Zatim unesite ovaj omjer i vašu točnu referencu napona u "Tablicu 4. Postavljena vrijednost ADC -a za povratnu vezu visokog napona" kako biste odredili vrijednost fb_value. Nakon što pronađete ove vrijednosti, unesite ih u kôd i kompajlirajte. Snimite HEX na PIC i spremni ste za rad! ZAPAMTITE: EEPROM bajt 0 je pokazivač upisa u dnevnik. Postavite ga na 1 za početak prijavljivanja u bajt 1 na svježoj slici. Zbog kalibracije, FET i induktor se nikada ne smiju zagrijati. Također ne biste trebali čuti zvuk zvona iz zavojnice induktora. Oba ova uvjeta ukazuju na grešku u kalibraciji. Provjerite zapisnik podataka u EEPROM -u kako biste lakše utvrdili gdje bi mogao biti vaš problem.

Korak 6: Poboljšanja

Nekoliko stvari bi se moglo poboljšati:

1. Priključite vijčani terminal bliže FET -u radi boljeg puta uzemljenja. 2. Pričvrstite trag napajanja na kondenzatore i induktor. 3. Dodajte stabilnu referentnu vrijednost napona za poboljšanje rada iz baterija i napona napajanja manjih od 7 volti (gdje izlaz 7805 pada ispod 5 volti). 4. Upotrijebite gornjih 55 EEPROM bajtova za bilježenje fascinantnih djelova beskorisnih podataka - ukupno vrijeme rada, događaji preopterećenja, min/max/prosječno opterećenje. -ian instructables-at-whereisian-dot-com