Bekalan Kuasa Mod Suis Voltan Tinggi (SMPS) / Penukar Boost untuk Tiub Nixie: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

SMPS ini meningkatkan voltan rendah (5-20 volt) ke voltan tinggi yang diperlukan untuk menggerakkan tiub nixie (170-200 volt). Berhati-hatilah: walaupun litar kecil ini dapat dikendalikan pada bateri / kabel dinding voltan rendah, outputnya lebih dari cukup untuk membunuh anda!

Projek merangkumi: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT & PCB files MikroBasic Firmware Source

Langkah 1: Bagaimana Ia Berfungsi?

Reka bentuk ini berdasarkan Nota Aplikasi Microchip TB053 dengan beberapa pengubahsuaian berdasarkan pengalaman ahli Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Dapatkan nota apl - ini adalah bacaan yang baik dari hanya beberapa halaman: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Ilustrasi di bawah ini dipetik dari TB053. Ia menggariskan prinsip asas di sebalik SMPS. Pengawal mikro meletakkan FET (Q1), yang membolehkan caj masuk ke dalam induktor L1. Apabila FET dimatikan, cas mengalir melalui diod D1 ke kapasitor C1. Vvfb adalah maklum balas pembahagi voltan yang membolehkan pengawal mikro memantau voltan tinggi dan mengaktifkan FET seperti yang diperlukan untuk mengekalkan voltan yang diinginkan.

Langkah 2: Ciri Induktor

Walaupun sangat bagus, nota aplikasi Microchip kelihatan agak mundur kepada saya. Ia bermula dengan menentukan daya yang diperlukan, kemudian memilih masa pengisian induktor tanpa mempedulikan induktor yang ada. Saya merasa lebih berguna untuk memilih induktor dan merancang aplikasi di sekitarnya. Induktor yang saya gunakan adalah "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser part 580-18R104C, 1.2 amp, $ 1.40), (Mouser part 580-22R104C, 0.67 amp, $ 0.59). Saya memilih induktor ini kerana ia sangat kecil, sangat murah, tetapi mempunyai penarafan kuasa yang baik. Kami sudah mengetahui penarafan maksimum berterusan gegelung kami (0.67 amp untuk 22R104C), tetapi kami perlu tahu berapa lama masa yang diperlukan untuk mengecas (masa bangkit). Daripada menggunakan masa cas tetap (lihat persamaan 6 di TB053) untuk menentukan amp gegelung yang diperlukan, kita dapat menyoal siasat persamaan 6 dan menyelesaikan masa kenaikan: (nota: persamaan 6 di TB053 salah, seharusnya L, bukan 2L) (Volt in / Inductor uH) * rise_time = Peak Amps -becomes- (Inductor uH / Volts in) * Puncak Amps = waktu kenaikan.-menggunakan 22R104C dengan bekalan 5 volt memberikan yang berikut- (100/5) * 0.67 = 13.5uSIt memerlukan masa 13.5 uS untuk mengisi sepenuhnya gegelung induktor pada 5 volt. Jelas, nilai ini akan berbeza dengan voltan bekalan yang berbeza. Seperti yang dinyatakan dalam TB053: "Arus dalam induktor tidak dapat berubah seketika. Ketika Q1 dimatikan, arus di L1 terus mengalir melalui D1 ke kapasitor penyimpanan, C1, dan beban, RL. Oleh itu, arus di induktor menurun secara linear dalam masa dari arus puncak. "Kita dapat menentukan jumlah masa yang diperlukan arus untuk mengalir keluar dari induktor menggunakan persamaan TB05 7. Pada praktiknya waktu ini sangat singkat. Persamaan ini dilaksanakan dalam hamparan yang disertakan, tetapi tidak akan dibincangkan di sini. Berapa banyak kekuatan yang dapat kita keluarkan dari induktor 0,67 amp? Kuasa total ditentukan oleh persamaan berikut (persamaan tb053 5): Kuasa = (((masa kenaikan) * (volt dalam)^{2) / (2 * Induktor uH))}-dengan menggunakan nilai sebelumnya kita dapati-1,68 Watt = (13,5uS * 5volt^{2) / (2 * 100uH)}-konversi watt ke mA-mA = ((Power Watt) / (volt voltan)) * 1000-menggunakan voltan output 180 yang kita dapati-9.31mA = (1.68Watt / 180volts) * 1000Kita dapat memperoleh maksimum 9.31 mA dari gegelung ini dengan bekalan 5 volt, mengabaikan semua ketidakcekapan dan kehilangan suis. Kuasa output yang lebih besar dapat dicapai dengan meningkatkan voltan bekalan. Semua pengiraan ini dilaksanakan dalam "Jadual 1: Pengiraan Gegelung untuk Bekalan Kuasa Voltan Tinggi" pada spreadsheet yang disertakan dengan arahan ini. Beberapa gegelung contoh dimasukkan.

Langkah 3: Memandu SMPS Dengan Pengawal Mikro

Setelah kita mengira waktu kenaikan untuk gegelung kita, kita dapat memprogram mikrokontroler untuk mengecasnya cukup lama untuk mencapai mA yang dinilai. Salah satu kaedah termudah untuk melakukannya adalah dengan menggunakan modulator lebar denyut perkakasan PIC. Modulasi lebar nadi (PWM) mempunyai dua pemboleh ubah yang digariskan dalam gambar di bawah. Semasa kitaran tugas PIC menghidupkan FET, membumikannya dan membiarkan arus ke gegelung induktor (waktu naik). Selama baki tempoh FET dimatikan dan arus mengalir keluar dari induktor melalui diod ke kapasitor dan beban (masa jatuh). Kami sudah mengetahui masa kenaikan yang diperlukan dari pengiraan kami sebelumnya: 13.5uS. TB053 menunjukkan bahawa waktu kenaikan adalah 75% dari tempoh tersebut. Saya menentukan nilai tempoh saya dengan mengalikan masa kenaikan dengan 1.33: 17.9uS. Ini sesuai dengan saranan di TB053 dan memastikan bahawa induktor tetap dalam mod tidak putus - habis sepenuhnya setelah setiap cas. Adalah mungkin untuk mengira jangka masa yang lebih tepat dengan menambahkan masa kenaikan yang dikira pada waktu jatuh yang dikira, tetapi saya belum mencuba ini. Sekarang kita dapat menentukan nilai kitaran tugas dan jangka masa yang sebenarnya untuk masuk ke dalam mikrokontroler untuk mendapatkan selang waktu yang diinginkan. Dalam manual mid-range Microchip PIC kita dapati persamaan berikut (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (Nilai Duty Cycle 10 bit) * (1 / Frekuensi pengayun) * PreskalatorJika kita menetapkan preskalaer ke 1 dan mengalahkan persamaan ini dengan tongkat algebra kita dapat: Nilai Duty Cycle 10 bit = PWM Duty Cycle uS * Oscillator FrequencySubstate the Duty Cycle uS untuk waktu kenaikan yang dikira, dan anggap pengayun 8 Mhz frekuensi: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 dimasukkan ke dalam PIC untuk mendapatkan kitaran tugas 13.5uS. Seterusnya, kami menentukan Nilai Tempoh PWM. Dari Manual Julat Pertengahan, kami mendapat persamaan berikut: Tempoh PWM uS = ((nilai tempoh PWM) + 1) * 4 * (frekuensi 1 / pengayun) * (nilai preskala) Sekali lagi, kami menetapkan preskalaer ke 1 dan mengganggu persamaan untuk nilai tempoh PWM, memberi kami: Nilai tempoh PWM = ((Period PWM uS / (frekuensi 4 / Oscillator)) - 1) Period pengganti uS untuk (1.33 * waktu kenaikan), dan anggap frekuensi pengayun 8 Mhz: 35 = ((17.9 / (4/8)) - 1) 35 dimasukkan ke dalam PIC untuk mendapatkan jangka masa 17.9uS. Tapi tunggu! Bukankah tempohnya lebih pendek daripada kitaran tugas? Tidak - PIC mempunyai daftar kitaran tugas 10 bit dan daftar jangka masa 8 bit. Terdapat lebih banyak resolusi untuk nilai kitaran tugas, oleh itu nilainya kadang-kadang lebih besar daripada nilai tempoh - terutama pada frekuensi tinggi. Semua pengiraan ini dilaksanakan dalam "Jadual 2. Pengiraan PWM" dari spreadsheet yang disertakan dengan arahan ini. Beberapa gegelung contoh dimasukkan.

Langkah 4: Reka Bentuk PCB

PCB & CCT dalam format EagleCad. Kedua-duanya termasuk dalam arkib ZIP.

Saya melihat beberapa reka bentuk yang ada ketika membuat PCB ini. Berikut adalah nota saya: ciri reka bentuk penting: 1. Saya mengikuti nota APP Microchip dan menggunakan TC4427A untuk menggerakkan FET. Ini A) melindungi mikrokontroler dari voltan flyback yang keluar dari FET, dan B) dapat mendorong FET pada voltan yang lebih tinggi daripada PIC untuk beralih lebih cepat / lebih keras dengan kecekapan yang lebih baik. 2. Jarak dari PWM PIC ke FET diminimumkan. 3. FET, induktor, kapasitor yang dibungkus dengan ketat. 4. Jejak bekalan lemak. 5. Tanah yang baik antara FET dan titik sambungan wall-wort. Saya memilih mikrokontroler PIC 12F683 untuk projek ini. Ini adalah PIC 8 pin dengan perkakasan PWM, 4 penukar analog ke digital, pengayun dalaman 8Mhz, dan EEPROM 256 bait. Yang paling penting, saya mempunyai satu dari projek sebelumnya. Saya menggunakan IRF740 FET kerana pujiannya yang tinggi dalam senarai Neonixie-L. Terdapat 2 kapasitor untuk melancarkan bekalan HV. Satu adalah elektrolitik (suhu tinggi, 250 volt, 1uF), yang lain adalah filem logam (250 volt, 0.47uf). Yang terakhir jauh lebih besar dan lebih mahal ($ 0,50 vs $ 0,05), tetapi perlu untuk mendapatkan hasil yang bersih. Terdapat dua litar maklum balas voltan dalam reka bentuk ini. Yang pertama membolehkan PIC merasakan voltan output dan menggunakan denyutan pada FET sebagaimana yang diperlukan untuk mengekalkan tahap yang diinginkan. "Jadual3. Pengiraan Rangkaian Maklum Balas Voltan Tinggi" boleh digunakan untuk menentukan nilai maklum balas yang betul memandangkan pembahagi voltan perintang 3 dan voltan keluaran yang diinginkan. Penalaan halus dilakukan dengan perintang perapi 1k. Maklum balas kedua mengukur voltan bekalan supaya PIC dapat menentukan waktu kenaikan optimum (dan nilai tempoh / kitaran tugas). Dari persamaan pada langkah 1, kami mendapati bahawa masa kenaikan induktor bergantung pada voltan bekalan. Adalah mungkin untuk memasukkan nilai yang tepat dari spreadsheet ke PIC anda, tetapi jika bekalan kuasa diubah nilainya tidak lagi optimum. Sekiranya berjalan dari bateri, voltan akan berkurang kerana bateri habis memerlukan masa kenaikan yang lebih lama. Penyelesaian saya adalah membiarkan PIC mengira semua ini dan menetapkan nilainya sendiri (lihat firmware). Pelompat tiga pin memilih sumber bekalan untuk TC4427A dan gegelung induktor. Kemungkinan menjalankan kedua dari pengatur 7805 5 volt, tetapi kecekapan yang lebih baik dan output yang lebih tinggi dicapai dengan voltan bekalan yang lebih besar. Kedua-dua TC4427a dan IRF740 FET akan bertahan hingga ~ 20 volt. Oleh kerana PIC akan mengkalibrasi voltan bekalan yang diberikan, masuk akal untuk menyalurkannya terus dari bekalan kuasa. Ini sangat penting dalam operasi bateri - tidak perlu membuang tenaga pada 7805, hanya memberi makan induktor secara langsung dari sel. LED adalah pilihan, tetapi berguna untuk masalah dalam menembak. LED 'kiri' (kuning di papan saya) menunjukkan bahawa maklum balas HV berada di bawah titik yang diinginkan, sementara LED kanan (merah pada reka bentuk saya) menunjukkan bahawa sudah berakhir. Dalam praktiknya anda mendapat kesan PWM yang bagus di mana LEDS bersinar dalam intensiti berbanding dengan beban semasa. Sekiranya LED merah mati (padat) ini menunjukkan bahawa, walaupun usaha yang terbaik, PIC tidak dapat mengekalkan voltan output pada tahap yang diinginkan. Dengan kata lain, beban melebihi output maksimum SMPS. JANGAN LUPA KAWAL JUMPER YANG DITUNJUKKAN DALAM MERAH! Bahagian Bahagian Nilai Bahagian 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 Pengatur 5volt IC7 PIC 12F683 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Pemangkas Linear R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 Pin Header X2 3 Terminal Skru

Langkah 5: Perisian firmware

Firmware ditulis dalam MikroBasic, penyusunnya percuma untuk program sehingga 2K (https://www.mikroe.com/). Sekiranya anda memerlukan pengaturcara PIC, pertimbangkan papan pengaturcara JDM2 yang disempurnakan saya yang juga dipaparkan di instruksional (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Operasi asas: 1. Semasa kuasa digunakan PIC bermula. 2. Kelewatan PIC selama 1 saat untuk membolehkan voltan stabil. 3. PIC membaca maklum balas voltan bekalan dan mengira nilai kitaran tugas dan jangka masa yang optimum. 4. PIC mencatat nilai bacaan ADC, kitaran tugas, dan tempoh ke EEPROM. Ini membolehkan beberapa masalah menembak dan membantu mendiagnosis kegagalan bencana. Alamat EEPROM 0 adalah penunjuk tulis. Satu log 4 bait disimpan setiap kali SMPS dimulakan semula. 2 bait pertama adalah ADC tinggi / rendah, bait ketiga lebih rendah 8 bit nilai kitaran tugas, bait keempat adalah nilai tempoh. Sebanyak 50 penentukuran (200 bait) dicatat sebelum penunjuk tulis digulung dan dimulakan semula di alamat EEPROM 1. Log paling terkini akan terletak di penunjuk-4. Ini dapat dibaca dari cip menggunakan pengaturcara PIC. 55 bait atas dibiarkan percuma untuk peningkatan masa depan (lihat penambahbaikan). 5. PIC memasuki gelung tanpa henti - nilai maklum balas voltan tinggi diukur. Sekiranya di bawah nilai yang diinginkan, daftar kitaran tugas PWM dimuat dengan nilai yang dikira - CATATAN: dua bit yang lebih rendah adalah penting dan mesti dimuat ke dalam CPP1CON 5: 4, 8 bit atas masuk ke CRP1L. Sekiranya maklum balas melebihi nilai yang diinginkan, PIC memuat register kitaran tugas dengan 0. Ini adalah sistem 'pulse skip'. Saya memutuskan denyut nadi kerana dua sebab: 1) pada frekuensi tinggi seperti itu, tidak banyak permainan yang perlu dimainkan (0-107 dalam contoh kita, lebih kurang pada voltan bekalan yang lebih tinggi), dan 2) modulasi frekuensi mungkin dilakukan, dan memberi lebih banyak ruang untuk penyesuaian (35-255 dalam contoh kami), tetapi HANYA TUGAS DILAKUKAN BERGANDA DALAM PERKAKASAN. Mengubah frekuensi semasa PWM beroperasi boleh memberi kesan 'pelik'. Menggunakan firmware: Beberapa langkah penentukuran diperlukan untuk menggunakan firmware. Nilai-nilai ini mesti disusun ke dalam firmware. Beberapa langkah adalah pilihan, tetapi akan membantu anda memanfaatkan sepenuhnya bekalan kuasa anda. const v_ref as float = 5.1 'float const supply_ratio sebagai 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 Nilai-nilai ini boleh didapati di bahagian atas kod firmware. Cari nilai dan tetapkan seperti berikut. v_ref Ini adalah rujukan voltan ADC. Ini diperlukan untuk menentukan voltan bekalan sebenar untuk dimasukkan dalam persamaan yang dijelaskan dalam langkah1. Sekiranya PIC dijalankan dari pengatur 7805 5volt, kita boleh menjangkakan sekitar 5 volt. Menggunakan multimeter mengukur voltan antara pin kuasa PIC (PIN1) dan arde di terminal skru. Nilai tepat saya ialah 5.1 volt. Masukkan nilai ini di sini. supply_ratio Pembahagi voltan bekalan terdiri daripada perintang 100K dan 10K. Secara teorinya maklum balas harus sama dengan voltan bekalan yang dibahagi dengan 11 (lihat Jadual 5. Pengiraan Rangkaian Maklumbalas Voltan Bekalan). Dalam praktiknya, perintang mempunyai pelbagai toleransi dan bukan nilai tepat. Untuk mengetahui nisbah maklum balas yang tepat: 1. Ukur voltan bekalan antara terminal skru. 2. Ukur voltan maklum balas antara pin PIC 7 dan arde di terminal skru. 3. Bahagikan Supply V oleh FB V untuk mendapatkan nisbah tepat. Anda juga boleh menggunakan "Jadual 6. Kalibrasi Maklum Balas Voltan Bekalan". osc_freq Cukup frekuensi pengayun. Saya menggunakan pengayun 8Mhz 12F683 dalaman, jadi saya memasukkan nilai 8. L_Ipeak Gandakan gegelung induktor uH dengan amp berterusan berterusan untuk mendapatkan nilai ini. Dalam contoh 22r104C adalah gegelung 100uH dengan penilaian berterusan.67amps. 100 *.67 = 67. Mengalikan nilai di sini menghilangkan satu pemboleh ubah dan pengiraan 32 bit titik terapung yang sebaliknya perlu dilakukan pada PIC. Nilai ini dikira dalam "Jadual 1: Pengiraan Gegelung untuk Bekalan Kuasa Voltan Tinggi". fb_value Ini adalah nilai integer sebenar yang akan digunakan PIC untuk menentukan sama ada output voltan tinggi berada di atas atau di bawah tahap yang diinginkan. Gunakan Jadual 3 untuk menentukan nisbah antara output HV dan voltan maklum balas semasa pemangkas linier berada di kedudukan tengah. Menggunakan nilai tengah memberikan ruang penyesuaian di kedua sisi. Seterusnya, masukkan nisbah ini dan rujukan voltan tepat anda dalam "Jadual 4. Nilai Set Masukan Voltan Tinggi ADC" untuk menentukan nilai fb_value. Setelah anda menjumpai nilai-nilai ini masukkannya ke dalam kod dan susun. Bakar HEX ke PIC dan anda sudah bersedia! INGAT: EEPROM bait 0 adalah penunjuk penulisan log. Tetapkan ke 1 untuk mula masuk ke bait 1 pada gambar baru. Kerana penentukuran, FET dan induktor tidak boleh menjadi panas. Anda juga tidak perlu mendengar bunyi dering dari gegelung induktor. Kedua-dua keadaan ini menunjukkan kesalahan penentukuran. Periksa log data di EEPROM untuk membantu menentukan di mana masalah anda mungkin.

Langkah 6: Penambahbaikan

Beberapa perkara boleh diperbaiki:

1. Letakkan terminal skru lebih dekat ke FET untuk jalan tanah yang lebih baik. 2. Rapatkan jejak bekalan ke kapasitor dan induktor. 3. Tambahkan rujukan voltan yang stabil untuk meningkatkan operasi dari bateri dan voltan bekalan kurang dari 7 volt (di mana output 7805 merosot di bawah 5 volt). 4. Gunakan 55 bait EEPROM atas untuk mencatat data menarik yang tidak berguna - jumlah masa larian, kejadian beban berlebihan, beban min / maksimum / purata. -ian instruksional-at-Whereisian-dot-com