Hoogspanningskakelaarmodus Kragtoevoer (SMPS)/Boost -omskakelaar vir Nixie -buise: 6 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Hierdie SMPS verhoog lae spanning (5-20 volt) tot die hoë spanning wat nodig is om nixie-buise (170-200 volt) aan te dryf. Wees gewaarsku: alhoewel hierdie klein stroombaan op batterye/lae spanning muurwortels kan werk, is die uitset meer as genoeg om u dood te maak!

Die projek bevat: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT- en PCB -lêers MikroBasic Firmware -bron

Stap 1: Hoe werk dit?

Hierdie ontwerp is gebaseer op die Microchip Application Note TB053 met verskeie wysigings gebaseer op die ervaring van Neonixie-L-lede (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Kry die app -nota - dit is 'n goeie lees van slegs 'n paar bladsye: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Die onderstaande illustrasie is uit TB053 gehaal. Dit beskryf die basiese beginsel agter die SMPS. 'N Mikrobeheerder bewerkstellig 'n VOO (Q1), waardeur 'n lading ingebou kan word in induktor L1. As die VOO afgeskakel word, vloei die lading deur diode D1 na kapasitor C1. Vvfb is 'n spanningsverdeler terugvoer waarmee die mikrobeheerder die hoogspanning kan monitor en die VOO kan aktiveer soos nodig om die gewenste spanning te handhaaf.

Stap 2: Kenmerke van die induktor

Alhoewel dit baie lekker is, lyk die Microchip -appnota vir my 'n bietjie agteruit. Dit begin met die bepaling van die vereiste krag, en kies dan 'n induktor -laaityd sonder om die beskikbare induktors te bekommer. Ek vind dit nuttiger om 'n induktor te kies en die toepassing daaroor te ontwerp. Die induktors wat ek gebruik het, is "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser deel 580-18R104C, 1.2 amp, $ 1.40), (Mouser deel 580-22R104C, 0.67 versterker, $ 0,59). Ek het hierdie induktors gekies, want hulle is baie klein, baie goedkoop, maar het 'n behoorlike kragbeoordeling. Ons weet reeds van die maksimum deurlopende telling van ons spoel (0,67 ampère vir die 22R104C), maar ons moet weet hoe lank dit sal neem om te laai (styg tyd). In plaas daarvan om 'n vaste laai tyd te gebruik (sien vergelyking 6 in TB053) om die vereiste spoelversterkers te bepaal, kan ons vergelyking 6 ondervra en vir stygtyd oplos: (let op: vergelyking 6 in TB053 is verkeerd, dit moet L wees, nie 2L nie) (Volt in/Inductor uH)*stygtyd = Piekversterkers-word- (Spoel uH/Volt in)*Piekversterkers = stygtyd. Deur die 22R104C met 'n 5 volt-toevoer te gebruik, gee die volgende- (100/5)*0,67 = 13.5uS Dit neem 13.5 uS om die induktorspoel teen 5 volt volledig te laai. Uiteraard sal hierdie waarde met verskillende toevoerspannings wissel. Soos opgemerk in TB053: "Die stroom in 'n induktor kan nie onmiddellik verander nie. As Q1 afgeskakel word, stroom die stroom in L1 voort deur D1 na die bergingskondensator, C1, en die las, RL. Dus sal die stroom in die induktor neem lineêr in tyd af vanaf die piekstroom. "Ons kan bepaal hoeveel tyd dit neem om die stroom uit die induktor te vloei deur TB05 -vergelyking 7. In die praktyk is hierdie tyd baie kort. Hierdie vergelyking word geïmplementeer in die ingesluit sigblad, maar sal nie hier bespreek word nie. Hoeveel krag kan ons uit 'n 0,67 amp spoel kry? Totale drywing word bepaal deur die volgende vergelyking (tb053 vergelyking 5): Krag = (((stygtyd)*(volt in)^{2)/(2*Inductor uH))}-deur ons vorige waardes te gebruik, vind ons-1,68 Watt = (13,5uS*5volts^2)/(2*100uH)-omskakel watt na mA-mA = ((Power Watts)/(output volt))*1000 deur 'n uitsetspanning van 180 te vind, vind ons -9.31mA = (1.68Watts/180volts)*1000We kan 'n maksimum van 9.31 mA kry hierdie spoel met 'n 5 volt -toevoer, wat alle ondoeltreffendhede en skakelverliese ignoreer. Groter uitsetvermoë kan bereik word deur die toevoerspanning te verhoog. Al hierdie berekeninge word geïmplementeer in "Tabel 1: Spoelberekeninge vir hoëspanningskragvoorsiening" van die sigblad wat by hierdie instruksies ingesluit is. Verskeie voorbeeldspoele word ingevoer.

Stap 3: Bestuur die SMPS met 'n mikrobeheerder

Noudat ons die stygtyd vir ons spoel bereken het, kan ons 'n mikrobeheerder programmeer om dit net lank genoeg op te laai om die nominale mA te bereik. Een van die maklikste maniere om dit te doen is om die hardeware -pulswydte -modulator van 'n PIC te gebruik. Pulswydte modulasie (PWM) het twee veranderlikes wat in die onderstaande figuur uiteengesit word. Tydens die dienssiklus skakel die OBK die VOO aan, en dit stel die stroom in en laat stroom in die induktorspoel toe (stygtyd). Gedurende die res van die periode is die VOO af en stroom vloei uit die induktor deur die diode na die kapasitors en laai (val tyd). Ons weet reeds van die vorige berekeninge: 13.5uS. TB053 dui daarop dat die stygingstyd 75% van die tydperk is. Ek het my periodewaarde bepaal deur die stygingstyd met 1,33: 17.9uS te vermenigvuldig. Dit stem ooreen met die voorstel in TB053 en verseker dat die spoel in 'n ononderbroke modus bly - na elke lading heeltemal ontlaai. Dit is moontlik om 'n meer presiese tydperk te bereken deur die berekende stygingstyd by die berekende val tyd te voeg, maar ek het dit nie probeer nie.. In die Microchip PIC Mid-range handleiding vind ons die volgende vergelykings (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / oscillator Frequency) * Prescaler As ons prescaler op 1 stel en hierdie vergelyking met 'n algebra -stok klop, kry ons: 10 bit Duty Cycle Value = PWM Duty Cycle uS * Oscillator Frequency frekwensie: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 word in die PIC ingeskryf om 'n dienssiklus van 13.5uS te kry. Vervolgens bepaal ons die PWM -tydperkwaarde. Uit die Mid-Range Manual kry ons die volgende vergelyking: PWM-periode uS (((PWM-periodewaarde) + 1) * 4 * (1/ossillatorfrekwensie) * (voorwaarde-waarde) Weer stel ons die voorskaler op 1 en teister die vergelyking vir PWM-periodewaarde, gee ons: PWM-periodewaarde = ((PWM-periode uS/(4/Ossillatorfrekwensie))-1) Vervang tydperk us vir (1,33*stygtyd), en neem 'n 8 Mhz-ossillatorfrekwensie aan: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 word by die OBK ingeskryf om 'n tydperk van 17.9uS te kry. Maar wag! Is die tydperk nie korter as die dienssiklus nie? Nee - PIC's het 'n 10 bit duty cycle register en 'n 8 bit period register. Daar is meer resolusie vir die dienssikluswaarde, dus die waarde daarvan sal soms groter wees as die periodewaarde - veral by hoë frekwensies. Al hierdie berekeninge word geïmplementeer in "Tabel 2. PWM -berekeninge" van die sigblad wat by hierdie instruksies ingesluit is. Verskeie voorbeeldspoele word ingevoer.

Stap 4: PCB -ontwerp

PCB en CCT is in EagleCad -formaat. Albei is ingesluit in die zip -argief.

Ek het na verskeie bestaande ontwerpe gekyk toe ek hierdie PCB gemaak het. Hier is my aantekeninge oor: belangrike ontwerpseienskappe: 1. Ek het die Microchip APP -nota gevolg en 'n TC4427A gebruik om die FET te bestuur. Hierdie A) beskerm die mikrobeheerder teen terugslagspannings wat van die VOO af kom, en B) kan die VOO op hoër spanning as die PIC dryf vir vinniger/harder skakel met beter doeltreffendheid. 2. Die afstand van die PWM van die PIC tot die VOO word tot 'n minimum beperk. 3. VOO, induktor, kapasitors baie styf verpak. 4. Vetvoorraadspoor. 5. Goeie grond tussen VOO en muur-wort-aansluitingspunt. Ek het die PIC 12F683 mikrobeheerder vir hierdie projek gekies. Dit is 'n 8 -pins PIC met hardeware PWM, 4 analoog na digitale omsetters, 8Mhz interne ossillator en 256 byte EEPROM. Die belangrikste is dat ek een gehad het van 'n vorige projek. Ek het die IRF740 FET gebruik vanweë sy groot lof op die Neonixie-L-lys. Daar is 2 kapasitors om die HV -toevoer glad te maak. Die een is 'n elektrolitiese (hoë temperatuur, 250 volt, 1uF), die ander is 'n metaalfilm (250 volt, 0.47uf). Laasgenoemde is baie groter en duurder ($ 0,50 vs $ 0,05), maar nodig om 'n skoon uitset te kry. Daar is twee spanningsterugvoerbane in hierdie ontwerp. Met die eerste kan die PIC die uitsetspanning aanvoel en pulse op die VOO toepas soos nodig om die gewenste vlak te handhaaf. "Tabel 3. Hoogspanningsterugvoernetwerkberekeninge" kan gebruik word om die korrekte terugvoerwaarde te bepaal gegewe die 3 weerstandspanningsverdeler en die gewenste uitsetspanning. Fynstelling word gedoen met die 1k -trimmerweerstand. Die tweede terugvoer meet die voedingspanning, sodat die PIC die optimale stygingstyd (en waardes vir tydperk/dienssiklus) kan bepaal. Uit die vergelykings in stap 1 het ons gevind dat die styg tyd van die induktor afhanklik is van die toevoerspanning. Dit is moontlik om presiese waardes van die sigblad in u PIC in te voer, maar as die kragtoevoer verander word, is die waardes nie meer optimaal nie. As dit van batterye loop, sal die spanning afneem namate die batterye ontlaai, wat 'n langer stigtyd benodig. My oplossing was om die PIC dit alles te laat bereken en sy eie waardes te stel (sien firmware). Die driepen -trui kies die toevoerbron vir die TC4427A en induktorspoel. Dit is moontlik om beide vanaf die 7805 5 volt -reguleerder te werk, maar 'n beter doeltreffendheid en 'n hoër uitset word verkry met 'n groter toevoerspanning. Beide die TC4427a en die IRF740 FET sal tot ~ 20 volt weerstaan. Aangesien die PIC vir enige gegewe voedingsspanning sal kalibreer, is dit sinvol om dit direk vanaf die kragtoevoer te voer. Dit is veral belangrik in die werking van die battery - dit is nie nodig om krag in die 7805 te mors nie, voer net die induktor direk uit die selle. Die LED's is opsioneel, maar handig om probleme op te los. Die 'linker' LED (geel in my borde) dui aan dat HV -terugvoer onder die gewenste punt is, terwyl die regter LED (rooi in my ontwerp) aandui dat dit verby is. In die praktyk kry u 'n mooi PWM -effek waarin die LED's in intensiteit gloei relatief tot die huidige las. As die rooi LED (soliede) afskakel, dui dit aan dat die PIC, ondanks sy beste poging, nie die uitsetspanning op die gewenste vlak kan hou nie. Met ander woorde, die las oorskry die maksimum uitset van die SMPS. Moenie vergeet van die trui wat in rooi getoon word nie! Deellys Deelwaarde 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 5volt regulator IC7 PIC 12F683 L1 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Lineêre trimmer R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 Pin Header X2 3 Screw Terminal

Stap 5: Firmware

Die firmware is in MikroBasic geskryf, die samesteller is gratis vir programme tot 2K (https://www.mikroe.com/). As u 'n PIC -programmeerder nodig het, kyk dan na my verbeterde JDM2 -programmeerderbord wat ook op instructables verskyn (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Basiese werking: 1. Wanneer die krag aangeskakel word, begin die PIC. 2. PIC vertraag vir 1 sekonde om spanning te laat stabiliseer. 3. PIC lees die terugvoer van die voedingspanning en bereken die optimale werksiklus en periodewaardes. 4. PIC teken die ADC -lees-, dienssiklus- en periodewaardes aan by die EEPROM. Dit laat probleme oplos en help om katastrofiese mislukkings te diagnoseer. EEPROM -adres 0 is die skryfwyser. Elke keer as die SMPS (her-) begin word, word een logboek van 4 byte gestoor. Die eerste 2 grepe is ADC hoog/laag, derde byte is laer 8 bisse van die dienssikluswaarde, vierde greep is die periodewaarde. 'N Totaal van 50 kalibrasies (200 grepe) word aangeteken voordat die skryfwyser omrol en weer begin by EEPROM-adres 1. Die mees onlangse log sal by wyser-4 geleë wees. Dit kan met behulp van 'n PIC -programmeerder uit die chip gelees word. Die boonste 55 grepe word vrygelaat vir toekomstige verbeterings (sien verbeterings). 5. PIC betree eindelose lus - hoogspannings terugvoerwaarde word gemeet. As dit onder die gewenste waarde is, word die PWM -dienssiklusregisters met die berekende waarde gelaai - LET WEL: die onderste twee bisse is belangrik en moet in CPP1CON 5: 4 gelaai word, die boonste 8 bisse gaan in CRP1L. As die terugvoer bo die gewenste waarde is, laai die PIC die dienssiklusregisters met 0. Dit is 'n 'polsslaan' -stelsel. Ek het om twee redes besluit om op pols te spring: 1) by sulke hoë frekwensies is daar nie veel werkbreedte om mee te speel nie (0-107 in ons voorbeeld, baie minder by hoër toevoerspannings), en 2) frekwensie modulasie is moontlik, en gee baie meer ruimte vir aanpassing (35-255 in ons voorbeeld), maar SLEGS POS IS DUBBEL IN HARDWARE. As u die frekwensie verander terwyl die PWM werk, kan dit 'vreemde' effekte hê. Die gebruik van die firmware: Verskeie kalibrasie -stappe is nodig om die firmware te gebruik. Hierdie waardes moet in die firmware saamgestel word. Sommige stappe is opsioneel, maar dit sal u help om die meeste uit u kragtoevoer te put. 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 Hierdie waardes kan bo -aan die firmware -kode. Soek die waardes en stel die volgende in. v_ref Dit is die spanningsverwysing van die ADC. Dit is nodig om die werklike voedingspanning te bepaal wat in die vergelykings wat in stap1 beskryf word, moet insluit. As die PIC van 'n 7805 5volt -reguleerder uitgevoer word, kan ons ongeveer 5 volt verwag. Meet met behulp van 'n multimeter die spanning tussen die PIC -kragpen (PIN1) en die grond by die skroefaansluiting. My presiese waarde was 5,1 volt. Voer hierdie waarde hier in. supply_ratio Die voedingspanningsverdeler bestaan uit 'n weerstand van 100K en 10K. Teoreties behoort die terugvoer gelyk te wees aan die voedingspanning gedeel deur 11 (sien Tabel 5. Netwerkberekeninge van voedingsspanning terugvoer). In die praktyk het weerstande verskillende toleransies en is dit nie presiese waardes nie. Om die presiese terugvoerverhouding te vind: 1. Meet die voedingspanning tussen die skroefklemme. 2. Meet die terugvoerspanning tussen PIC -pen 7 en grond by die skroefaansluiting. 3. Verdeel Supply V deur FB V om 'n presiese verhouding te kry. U kan ook "Tabel 6. Kalibrasie van voedingsspanning terugvoer" gebruik. osc_freq Eenvoudig die ossillatorfrekwensie. Ek gebruik die 12F683 interne 8Mhz ossillator, so ek voer 'n waarde van 8. L_Ipeak Vermenigvuldig die induktorspoel uH met die maksimum deurlopende ampère om hierdie waarde te kry. In die voorbeeld is die 22r104C 'n 100uH -spoel met 'n telling van.67ampe deurlopend. 100*.67 = 67. Deur die waarde hier te vermenigvuldig, word een veranderlike van 32 bit drywende punte en berekening uitgeskakel wat andersins op die PIC gedoen sou moes word. Hierdie waarde word bereken in "Tabel 1: Spoelberekeninge vir hoogspanningseenheid". fb_waarde Dit is die werklike heelgetalwaarde wat die PIC sal gebruik om te bepaal of die hoogspanningsuitset bo of onder die gewenste vlak is. Gebruik Tabel 3 om die verhouding tussen die HV -uitset en terugvoerspanning te bepaal wanneer die lineêre trimmer in die middelste posisie is. Deur die middelwaarde te gebruik, kan die kamer aan beide kante verstel word. Voer vervolgens hierdie verhouding en u presiese spanningsverwysing in "Tabel 4. ADC -stelwaarde vir hoë spanning terugvoer" in om die fb_waarde te bepaal. Nadat u hierdie waardes gevind het, voer dit in die kode in en stel dit saam. Brand die HEX na die PIC en u is gereed om te gaan! ONTHOU: EEPROM -greep 0 is die log -skryfwyser. Stel dit op 1 om aan te meld by byte 1 op 'n nuwe foto. As gevolg van die kalibrasie, moet die VOO en induktor nooit warm word nie. U moet ook nie 'n lui van die induktorspoel hoor nie. Beide hierdie toestande dui op 'n kalibreringsfout. Gaan die datalogboek in die EEPROM na om te bepaal waar u probleem kan wees.

Stap 6: Verbeterings

'N Paar dinge kan verbeter word:

1. Plaas die skroefaansluiting nader aan FET vir 'n beter grondpad. 2. Maak die toevoer na die kapasitors en induktor vet. 3. Voeg 'n stabiele spanningsverwysing by om die werking van batterye en voedingspannings van minder as 7 volt te verbeter (waar die uitset van die 7805 onder 5 volt daal). 4. Gebruik die boonste 55 EEPROM -grepe om 'n fassinerende bietjie nuttelose data aan te meld - totale tydsduur, oorbelasting, min/maks/gemiddelde las. -ian instructables-at-whereisian-dot-com