Zasilacz impulsowy wysokiego napięcia (SMPS) / konwerter Boost dla lamp Nixie: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Ten zasilacz impulsowy podnosi niskie napięcie (5-20 V) do wysokiego napięcia potrzebnego do zasilania lamp Nixie (170-200 V). Ostrzegam: nawet jeśli ten mały obwód może być zasilany bateriami / niskonapięciowymi brzeczkami, moc wyjściowa wystarczy, aby cię zabić!

Projekt zawiera: Helper Spreadsheet EagleCAD Pliki CCT i PCB MikroBasic Firmware Source

Krok 1: Jak to działa?

Ten projekt jest oparty na notatce aplikacyjnej Microchip TB053 z kilkoma modyfikacjami opartymi na doświadczeniach członków Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Pobierz notatkę z aplikacji - jest to przyjemna lektura tylko kilku stron: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Poniższa ilustracja pochodzi z TB053. Przedstawia podstawową zasadę SMPS. Mikrokontroler uziemia tranzystor FET (Q1), umożliwiając wbudowanie ładunku w cewkę indukcyjną L1. Gdy FET jest wyłączony, ładunek przepływa przez diodę D1 do kondensatora C1. Vvfb to sprzężenie zwrotne dzielnika napięcia, które pozwala mikrokontrolerowi monitorować wysokie napięcie i aktywować FET w razie potrzeby, aby utrzymać pożądane napięcie.

Krok 2: Charakterystyka cewki indukcyjnej

Choć bardzo ładna, notatka aplikacji Microchip wydaje mi się trochę zacofana. Rozpoczyna się od określenia wymaganej mocy, a następnie wybiera czas ładowania cewki indukcyjnej bez obawy o dostępne cewki indukcyjne. Uważam, że bardziej przydatne jest wybranie cewki indukcyjnej i zaprojektowanie aplikacji wokół tego. Zastosowane cewki indukcyjne to „C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH” (część myszy 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 USD), (część myszy 580-22R104C, 0,67 wzmacniacz, 0,59 USD). Wybrałem te cewki, ponieważ są bardzo małe, bardzo tanie, ale mają przyzwoitą moc znamionową. Znamy już maksymalną moc ciągłą naszej cewki (0,67 ampera dla 22R104C), ale musimy wiedzieć, ile czasu zajmie ładowanie (czas narastania). Zamiast używać ustalonego czasu ładowania (patrz równanie 6 w TB053) do określenia wymaganego natężenia prądu cewki, możemy przeanalizować równanie 6 i rozwiązać czas narastania: (uwaga: równanie 6 w TB053 jest błędne, powinno być L, a nie 2L) (Volts in/Inductor uH)*rise_time=Peak Amps -staje się-(Inductor uH/Volts in) * Peak Amps = czas narastania.-używając 22R104C z zasilaniem 5V daje następujące-(100/5)*0.67= 13,5 μS Pełne naładowanie cewki indukcyjnej przy napięciu 5 woltów zajmie 13,5 μS. Oczywiście wartość ta będzie się zmieniać przy różnych napięciach zasilania. Jak zauważono w TB053: „Prąd w cewce indukcyjnej nie może zmienić się natychmiast. Gdy Q1 jest wyłączony, prąd w L1 nadal przepływa przez D1 do kondensatora magazynującego C1 i obciążenia RL. Zatem prąd w cewce indukcyjnej zmniejsza się liniowo w czasie od prądu szczytowego. „Możemy określić czas potrzebny do wypłynięcia prądu z cewki indukcyjnej za pomocą równania TB05 7. W praktyce czas ten jest bardzo krótki. To równanie jest zaimplementowane w dołączonym arkuszu kalkulacyjnym, ale nie będzie tutaj omawiane. Ile mocy możemy uzyskać z cewki indukcyjnej 0,67 A? Całkowita moc jest określona przez następujące równanie (tb053 równanie 5): Moc=((((czas narastania))*(Volty w)^{2)/(2*Induktor uH))}-używając naszych poprzednich wartości, znajdujemy -1,68 Watts=(13,5uS*5volts^2)/(2*100uH)-przekonwertować waty na mA-mA=((Moc watów)/(wolty wyjściowe))*1000 - przy napięciu wyjściowym 180 znajdujemy -9,31 mA = (1,68 watów/180 woltów)*1000 Możemy uzyskać maksymalnie 9,31 mA z ta cewka z zasilaniem 5 V, ignorując wszelkie nieefektywności i straty przełączania. Większą moc wyjściową można osiągnąć, zwiększając napięcie zasilania. Wszystkie te obliczenia są zaimplementowane w „Tabeli 1: Obliczenia cewek dla zasilania wysokonapięciowego” arkusza kalkulacyjnego dołączonego do tej instrukcji. Wprowadzono kilka przykładowych cewek.

Krok 3: Sterowanie zasilaczem impulsowym za pomocą mikrokontrolera

Teraz, gdy obliczyliśmy czas narastania naszej cewki, możemy zaprogramować mikrokontroler, aby ładował ją wystarczająco długo, aby osiągnąć znamionową wartość mA. Jednym z najłatwiejszych sposobów na to jest użycie sprzętowego modulatora szerokości impulsu PIC. Modulacja szerokości impulsu (PWM) ma dwie zmienne przedstawione na poniższym rysunku. Podczas cyklu pracy PIC włącza FET, uziemiając go i przepuszczając prąd do cewki indukcyjnej (czas narastania). Przez pozostałą część tego okresu FET jest wyłączony, a prąd płynie z cewki indukcyjnej przez diodę do kondensatorów i obciążenia (czas opadania). Znamy już wymagany czas narastania z naszych poprzednich obliczeń: 13,5 uS. TB053 sugeruje, że czas narastania wynosi 75% okresu. Określiłem swoją wartość okresu, mnożąc czas narastania przez 1,33: 17,9 uS. Jest to zgodne z sugestią podaną w TB053 i zapewnia, że cewka indukcyjna pozostaje w trybie nieciągłym – całkowicie rozładowuje się po każdym ładowaniu. Możliwe jest obliczenie dokładniejszego okresu, dodając obliczony czas narastania do obliczonego czasu opadania, ale nie próbowałem tego. Teraz możemy określić rzeczywiste wartości cyklu pracy i okresu, które należy wprowadzić do mikrokontrolera, aby uzyskać pożądane przedziały czasu. W podręczniku Microchip PIC Mid-range znajdujemy następujące równania (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): Cykl pracy PWM uS = (10 bitowa wartość cyklu pracy) * (1 / częstotliwość oscylatora) * PreskalerJeżeli ustawimy preskaler na 1 i pokonamy to równanie kijem do algebry, otrzymamy: 10-bitową wartość cyklu pracy = cykl pracy PWM uS * Częstotliwość oscylatora Zastąp cykl pracy uS obliczonym czasem narastania i załóżmy oscylator 8 Mhz częstotliwość: 107 = 13,5uS * 8Mhz107 jest wprowadzane do PIC, aby uzyskać cykl pracy 13,5uS. Następnie określamy wartość okresu PWM. Z podręcznika średniego zakresu otrzymujemy następujące równanie: okres PWM uS = ((wartość okresu PWM) + 1) * 4 * (1/częstotliwość oscylatora) * (wartość preskalowania) Ponownie ustawiamy preskaler na 1 i nękamy równanie dla wartości okresu PWM, co daje nam: wartość okresu PWM = ((okres PWM uS/(4/częstotliwość oscylatora))-1) Zastąp okres uS dla (1,33*czas narastania) i załóż częstotliwość oscylatora 8 Mhz:35= ((17.9/(4/8))-1)35 zostaje wprowadzony do PIC, aby uzyskać okres 17,9uS. Ale poczekaj! Czy okres ten nie jest krótszy niż cykl pracy? Nie - PIC mają 10-bitowy rejestr cyklu pracy i 8-bitowy rejestr okresu. Wartość współczynnika wypełnienia ma większą rozdzielczość, przez co jej wartość będzie czasami większa niż wartość okresu - zwłaszcza przy wysokich częstotliwościach. Wszystkie te obliczenia są zaimplementowane w "Tabeli 2. Obliczenia PWM" arkusza kalkulacyjnego dołączonego do tej instrukcji. Wprowadzono kilka przykładowych cewek.

Krok 4: Projektowanie PCB

PCB i CCT są w formacie EagleCad. Oba są zawarte w archiwum ZIP.

Podczas tworzenia tej płytki przyjrzałem się kilku istniejącym projektom. Oto moje uwagi dotyczące ważnych cech konstrukcyjnych: 1. Postępowałem zgodnie z notatką Microchip APP i użyłem TC4427A do napędzania FET. To A) chroni mikrokontroler przed napięciami powrotnymi pochodzącymi z FET, a B) może napędzać FET przy wyższych napięciach niż PIC w celu szybszego/mocniejszego przełączania z lepszą wydajnością. 2. Odległość od PWM PIC do FET jest zminimalizowana. 3. FET, cewka indukcyjna, kondensatory bardzo ciasno upakowane. 4. Ślad podaży tłuszczu. 5. Dobre uziemienie między FET a punktem połączenia ze ścianą. Do tego projektu wybrałem mikrokontroler PIC 12F683. Jest to 8-pinowy PIC ze sprzętowym PWM, 4 przetwornikami analogowo-cyfrowymi, wewnętrznym oscylatorem 8 Mhz i 256 bajtową pamięcią EEPROM. Co najważniejsze, miałem jeden z poprzedniego projektu. Użyłem IRF740 FET ze względu na jego wysokie uznanie na liście Neonixie-L. Do wygładzenia zasilania WN służą 2 kondensatory. Jeden to elektrolit (wysoka temperatura, 250 woltów, 1uF), drugi to folia metalowa (250 woltów, 0,47 uf). Ta ostatnia jest znacznie większa i droższa (0,50 USD vs 0,05 USD), ale jest niezbędna do uzyskania czystej wydajności. W tej konstrukcji są dwa obwody sprzężenia zwrotnego napięcia. Pierwszy pozwala PIC wyczuć napięcie wyjściowe i zastosować impulsy do FET w razie potrzeby, aby utrzymać pożądany poziom. „Tabela 3. Obliczenia sieci ze sprzężeniem zwrotnym wysokiego napięcia” może być wykorzystana do określenia prawidłowej wartości sprzężenia zwrotnego, biorąc pod uwagę 3-rezystorowy dzielnik napięcia i żądane napięcie wyjściowe. Dostrajanie odbywa się za pomocą rezystora trymera 1k. Drugie sprzężenie zwrotne mierzy napięcie zasilania, dzięki czemu PIC może określić optymalny czas narastania (i wartości okresu/cyklu pracy). Z równań w kroku 1 stwierdziliśmy, że czas narastania cewki indukcyjnej zależy od napięcia zasilania. Możliwe jest wprowadzenie dokładnych wartości z arkusza kalkulacyjnego do PIC, ale jeśli zmieni się zasilanie, wartości nie będą już optymalne. W przypadku pracy z akumulatorów napięcie zmniejszy się w miarę rozładowywania akumulatorów, co wymaga dłuższego czasu narastania. Moim rozwiązaniem było pozwolić PIC obliczyć to wszystko i ustawić własne wartości (patrz oprogramowanie układowe). Zworka trzypinowa wybiera źródło zasilania dla TC4427A i cewki indukcyjnej. Możliwe jest uruchomienie obu z regulatora 7805 5 V, ale lepszą wydajność i wyższą moc uzyskuje się przy wyższym napięciu zasilania. Zarówno TC4427a, jak i IRF740 FET wytrzymają napięcie do ~20 woltów. Ponieważ PIC kalibruje się dla dowolnego napięcia zasilania, sensowne jest zasilanie go bezpośrednio z zasilacza. Jest to szczególnie ważne przy zasilaniu bateryjnym – w 7805 nie trzeba marnować energii, wystarczy zasilić cewkę bezpośrednio z ogniw. Diody LED są opcjonalne, ale przydatne przy rozwiązywaniu problemów. „Lewa” dioda LED (żółta w moich płytach) wskazuje, że sprzężenie zwrotne HV znajduje się poniżej pożądanego punktu, podczas gdy prawa dioda LED (czerwona w moim projekcie) wskazuje, że to koniec. W praktyce otrzymujesz ładny efekt PWM, w którym diody LED świecą intensywnie w stosunku do bieżącego obciążenia. Jeśli czerwona dioda LED zgaśnie (ciągle) oznacza to, że pomimo dołożenia wszelkich starań, PIC nie może utrzymać napięcia wyjściowego na żądanym poziomie. Innymi słowy, obciążenie przekracza maksymalną moc wyjściową SMPS. NIE ZAPOMNIJ O PRZEWODACH POKAZANYCH NA CZERWONO! Lista części Część Wartość C1 1uF 250V C3 47uF 50V C4 47uF (50V) C5 0,1uF C6 0,1uf C7 4u7 (50V) C8 0,1uF C9 0,1uF C11 0,47uF/250V D1 600V 250ns IC2 TC4427a IC5 7805 Regulator 5V IC7 PIC 12F683 Induktor L1 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0,47K R3 1K Trymer liniowy R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3-pinowe złącze X2 3 zaciski śrubowe

Krok 5: Oprogramowanie układowe

Firmware jest napisany w MikroBasic, kompilator jest darmowy dla programów do 2K (https://www.mikroe.com/). Jeśli potrzebujesz programatora PIC, rozważ moją ulepszoną płytkę programatora JDM2 opublikowaną również na stronie instructables (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Podstawowa obsługa: 1. Po włączeniu zasilania PIC uruchamia się. 2. PIC opóźnia się przez 1 sekundę, aby umożliwić stabilizację napięcia. 3. PIC odczytuje sprzężenie zwrotne napięcia zasilania i oblicza optymalne wartości cyklu pracy i okresu. 4. PIC rejestruje odczyty ADC, cykl pracy i wartości okresu w pamięci EEPROM. Pozwala to na rozwiązywanie problemów i pomaga diagnozować katastrofalne awarie. Adres EEPROM 0 jest wskaźnikiem zapisu. Za każdym razem, gdy SMPS jest (ponownie) uruchamiany, zapisywany jest jeden 4-bajtowy dziennik. Pierwsze 2 bajty to ADC wysoki/niski, trzeci bajt to niższe 8 bitów wartości cyklu pracy, czwarty bajt to wartość okresu. W sumie 50 kalibracji (200 bajtów) jest rejestrowanych, zanim wskaźnik zapisu przesunie się i zacznie ponownie od adresu EEPROM 1. Najnowszy dziennik będzie zlokalizowany przy wskaźniku-4. Można je odczytać z chipa za pomocą programatora PIC. Górne 55 bajtów pozostaje wolnych na potrzeby przyszłych ulepszeń (patrz ulepszenia). 5. PIC wchodzi w pętlę nieskończoną - mierzona jest wartość sprzężenia zwrotnego wysokiego napięcia. Jeśli jest poniżej żądanej wartości, rejestry cyklu pracy PWM są ładowane obliczoną wartością - UWAGA: dwa dolne bity są ważne i muszą być załadowane do CPP1CON 5:4, górne 8 bitów trafia do CRP1L. Jeśli sprzężenie zwrotne jest powyżej żądanej wartości, PIC ładuje rejestry cyklu pracy z 0. Jest to system „pomijania impulsów”. Zdecydowałem się na pomijanie impulsów z dwóch powodów: 1) przy tak wysokich częstotliwościach nie ma zbyt dużej szerokości wypełnienia (0-107 w naszym przykładzie, znacznie mniej przy wyższych napięciach zasilania) i 2) modulacja częstotliwości jest możliwa, i daje dużo więcej miejsca na regulację (w naszym przykładzie 35-255), ale TYLKO OBOWIĄZEK JEST PODWÓJNIE BUFOROWANY W SPRZĘCIE. Zmiana częstotliwości podczas pracy PWM może mieć „dziwne” efekty. Korzystanie z oprogramowania układowego: Aby korzystać z oprogramowania układowego, należy wykonać kilka kroków kalibracji. Te wartości muszą być wkompilowane w firmware. Niektóre czynności są opcjonalne, ale pomogą w pełni wykorzystać możliwości zasilacza. 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 'słowo kod oprogramowania układowego. Znajdź wartości i ustaw w następujący sposób. v_ref Jest to napięcie odniesienia ADC. Jest to potrzebne do określenia rzeczywistego napięcia zasilania, które należy uwzględnić w równaniach opisanych w kroku 1. Jeśli PIC jest uruchamiany z regulatora 7805 5 V, możemy spodziewać się około 5 woltów. Za pomocą multimetru zmierz napięcie między pinem zasilania PIC (PIN1) a masą na zacisku śrubowym. Moja dokładna wartość wynosiła 5,1 wolta. Wpisz tę wartość tutaj. supply_ratio Dzielnik napięcia zasilania składa się z rezystora 100K i 10K. Teoretycznie sprzężenie zwrotne powinno być równe napięciu zasilania podzielonemu przez 11 (patrz Tabela 5. Obliczenia sieci sprzężenia zwrotnego napięcia zasilania). W praktyce rezystory mają różne tolerancje i nie są dokładnymi wartościami. Aby znaleźć dokładny współczynnik sprzężenia zwrotnego: 1. Zmierz napięcie zasilania między zaciskami śrubowymi. 2. Zmierzyć napięcie sprzężenia zwrotnego między stykiem 7 PIC a masą na zacisku śrubowym. 3. Podziel dostawę V przez FB V, aby uzyskać dokładny stosunek. Można również skorzystać z „Tabeli 6. Kalibracja sprzężenia zwrotnego napięcia zasilania”. osc_freq Po prostu częstotliwość oscylatora. Używam wewnętrznego oscylatora 12F683 8Mhz, więc wpisuję wartość 8. L_Ipeak Pomnóż cewkę indukcyjną uH przez maksymalne ciągłe ampery, aby uzyskać tę wartość. W przykładzie 22r104C jest cewką 100uH o mocy ciągłej 0,67 ampera. 100*.67=67. Pomnożenie wartości w tym miejscu eliminuje jedną 32-bitową zmienną zmiennoprzecinkową i obliczenia, które w innym przypadku musiałyby zostać wykonane na PIC. Wartość ta jest obliczana w „Tabeli 1: Obliczenia cewek dla zasilania wysokonapięciowego”. fb_value Jest to rzeczywista wartość całkowita, której PIC użyje do określenia, czy wyjście wysokiego napięcia jest powyżej lub poniżej żądanego poziomu. Skorzystaj z tabeli 3, aby określić stosunek między napięciem wyjściowym HV a napięciem sprzężenia zwrotnego, gdy trymer liniowy znajduje się w pozycji środkowej. Użycie wartości środkowej daje możliwość regulacji po obu stronach. Następnie wprowadź ten stosunek i dokładne napięcie odniesienia w "Tabela 4. Wartość zadana ADC wysokiego napięcia sprzężenia zwrotnego", aby określić wartość fb_value. Po znalezieniu tych wartości wprowadź je do kodu i skompiluj. Nagraj HEX do PIC i jesteś gotowy do pracy! PAMIĘTAJ: Bajt 0 EEPROM jest wskaźnikiem zapisu dziennika. Ustaw go na 1, aby rozpocząć logowanie do bajtu 1 na nowym zdjęciu. Ze względu na kalibrację FET i cewka nigdy nie powinny się nagrzewać. Nie powinieneś też słyszeć dzwonka z cewki indukcyjnej. Oba te warunki wskazują na błąd kalibracji. Sprawdź dziennik danych w pamięci EEPROM, aby określić, gdzie może leżeć problem.

Krok 6: Ulepszenia

Kilka rzeczy można by poprawić:

1. Umieść zacisk śrubowy bliżej FET, aby uzyskać lepszą ścieżkę uziemienia. 2. Dopasuj ścieżkę zasilania do kondensatorów i cewki indukcyjnej. 3. Dodaj stabilne napięcie odniesienia, aby poprawić działanie z akumulatorów i napięcia zasilania mniejsze niż 7 woltów (gdzie wyjście 7805 spada poniżej 5 woltów). 4. Użyj górnych 55 bajtów EEPROM do rejestrowania fascynujących bitów bezużytecznych danych - całkowity czas pracy, zdarzenia przeciążenia, minimalne/maksymalne/średnie obciążenie. -ian instructables-at-whereisian-dot-com