Napajanje z visokonapetostnim stikalom (SMPS)/ojačevalni pretvornik za Nixie cevi: 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

Ta SMPS poveča nizko napetost (5-20 voltov) na visoko napetost, potrebno za pogon nixie cevi (170-200 voltov). Bodite opozorjeni: čeprav je to majhno vezje mogoče upravljati z baterijami/nizkonapetostnimi stenskimi pikami, je izhod več kot dovolj, da vas ubije!

Projekt vključuje: Pomožne preglednice EagleCAD CCT in PCB datoteke MikroBasic Vir vdelane programske opreme

1. korak: Kako deluje?

Ta zasnova temelji na Microchip Application Note TB053 z več spremembami, ki temeljijo na izkušnjah članov Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Pridobite opombo o aplikaciji - lepo je prebrati le nekaj strani: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Spodnja slika je izvleček iz TB053. Opisuje osnovno načelo SMPS. Mikrokrmilnik temelji na FET (Q1), ki omogoča vgradnjo naboja v induktor L1. Ko je FET izklopljen, naboj teče skozi diodo D1 v kondenzator C1. Vvfb je povratna informacija delilnika napetosti, ki mikrokontrolerju omogoča spremljanje visoke napetosti in aktiviranje FET po potrebi za vzdrževanje želene napetosti.

2. korak: Lastnosti induktorja

Čeprav se mi zdi zelo lepo, se mi zapis aplikacije Microchip zdi malo nazaj. Začne se z določanjem zahtevane moči, nato izbere čas polnjenja induktorja brez skrbi za razpoložljive induktorje. Zdelo se mi je bolj koristno izbrati induktor in oblikovati aplikacijo okoli tega. Induktorje, ki sem jih uporabil, so "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouserjev del 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 USD), (del Mouser 580-22R104C, 0,67 ojačevalnik, 0,59 USD). Za te induktorje sem se odločil, ker so zelo majhni, zelo poceni, vendar imajo dostojno moč. Že poznamo največjo neprekinjeno moč naše tuljave (0,67 ampera za 22R104C), vendar moramo vedeti, kako dolgo bo trajalo polnjenje (čas vzpona). Namesto da za določitev potrebnih ojačevalnikov tuljave uporabimo fiksni čas polnjenja (glej enačbo 6 v TB053), lahko enačbo 6 zaslišamo in rešimo za čas vzpona: (opomba: enačba 6 v TB053 je napačna, mora biti L, ne 2L) (V volti/induktor uH)*porast_čas = vršni amperi-postane- (induktor uH/volti v)*vršni amperi = čas vzpona.-z uporabo 22R104C s 5-voltnim napajanjem dobimo naslednje-(100/5)*0,67 = 13,5 uS Za popolno polnjenje tuljave induktorja pri 5 voltih bo potrebno 13,5 uS. Očitno se bo ta vrednost spreminjala glede na različne napajalne napetosti. Kot je navedeno v TB053: "Tok v induktorju se ne more takoj spremeniti. Ko je Q1 izklopljen, tok v L1 še naprej teče skozi D1 do shranjevalnega kondenzatorja, C1, in obremenitve, RL. Tako je tok v induktorju linearno se časovno zmanjšuje glede na največji tok. "Čas, ki je potreben, da tok teče iz induktorja, lahko določimo z enačbo TB05 7. V praksi je ta čas zelo kratek. Ta enačba je vključena v priloženo preglednico, vendar tukaj ne bo obravnavana. Koliko moči lahko dobimo iz induktorja 0,67 amp? Skupna moč je določena z naslednjo enačbo (tb053 enačba 5): Moč = (((čas vzpona)*(Volti v)^{2)/(2*Induktor uH))}-z uporabo naših prejšnjih vrednosti ugotovimo-1,68 vatov = (13,5 uS*5 voltov)^2)/(2*100uH)-konvertiranje vatov v mA-mA = ((moč vatov)/(izhodni volti))*1000-z izhodno napetostjo 180 ugotovimo -9,31 mA = (1,68 vatov/180 voltov)*1000 lahko dobimo največ 9,31 mA iz ta tuljava s 5 -voltnim napajanjem, pri čemer se ne upoštevajo vse neučinkovitosti in izgube pri preklopu. Večjo izhodno moč je mogoče doseči s povečanjem napajalne napetosti. Vsi ti izračuni so izvedeni v "Tabeli 1: Izračuni tuljav za visokonapetostno napajanje" preglednice, ki je priložena temu navodilu. Vnesenih je več primerov tuljav.

3. korak: Upravljanje SMPS z mikrokrmilnikom

Zdaj, ko smo izračunali čas porasta naše tuljave, lahko programiramo mikrokrmilnik, da ga napolni toliko časa, da doseže nazivno vrednost mA. Eden najlažjih načinov za to je uporaba strojnega modulatorja širine impulza PIC. Širinsko -pulzna modulacija (PWM) ima dve spremenljivki, opisani na spodnji sliki. Med obratovalnim ciklom PIC vklopi FET, ga ozemlji in pusti tok v indukcijski tuljavi (čas vzpona). V preostalem obdobju je FET izklopljen in tok teče iz induktorja skozi diodo do kondenzatorjev in obremenitve (čas padca). Že poznamo zahtevani čas vzpona iz naših prejšnjih izračunov: 13,5uS. TB053 predlaga, da bo čas vzpona 75% obdobja. Vrednost obdobja sem določil tako, da sem čas vzpona pomnožil z 1,33: 17,9uS. To je v skladu s predlogom v TB053 in zagotavlja, da induktor ostane v prekinjenem načinu - po vsakem polnjenju se popolnoma izprazni. Natančnejše obdobje je mogoče izračunati tako, da izračunanemu času padca dodamo izračunani čas vzpona, vendar tega nisem poskusil. Zdaj lahko določimo dejanski obratovalni cikel in vrednosti obdobja, ki jih je treba vnesti v mikrokrmilnik, da dobimo želene časovne intervale. V priročniku Microchip PIC Mid-range najdemo naslednje enačbe (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (10 bit Value Duty Cycle) * (1 / Frekvenca oscilatorja) * Predrazširjevalnik Če nastavimo predkaler na 1 in to enačbo premagamo z algebrno palico, dobimo: 10 -bitna vrednost obratovalnega cikla = PWM Delovni cikel uS * Frekvenca oscilatorja Za izračunani čas vzpona nadomestimo delovni cikel uS in predpostavimo, da je oscilator 8 Mhz frekvenca: 107 = 13,5uS * 8Mhz107 se vnese v PIC, da dobimo obratovalni cikel 13,5uS. Nato določimo vrednost obdobja PWM. Iz priročnika za srednji razpon dobimo naslednjo enačbo: obdobje PWM uS = ((vrednost obdobja PWM) + 1) * 4 * (1/frekvenca oscilatorja) * (vrednost predrazmerja) Spet nastavimo predkaler na 1 in nadlegujemo enačbo za vrednost obdobja PWM, ki nam daje: vrednost obdobja PWM = ((obdobje PWM uS/(4/frekvenca oscilatorja))-1) nadomestno obdobje uS za (1,33*čas vzpona) in predpostavimo frekvenco oscilatorja 8 Mhz: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 se vnese v PIC, da dobimo obdobje 17.9uS. Ampak počakaj! Ali ni obdobje krajše od delovnega cikla? Ne - PIC imajo 10 -bitni register delovnega cikla in 8 -bitni register. Za vrednost obratovalnega cikla je več ločljivosti, zato bo njena vrednost včasih večja od vrednosti obdobja - zlasti pri visokih frekvencah. Vsi ti izračuni so izvedeni v "Tabeli 2. Izračuni PWM" preglednice, ki je vključena v to navodilo. Vnesenih je več primerov tuljav.

4. korak: Oblikovanje PCB -ja

PCB in CCT sta v formatu EagleCad. Oba sta vključena v arhiv ZIP.

Pri izdelavi tega tiskanega vezja sem si ogledal več obstoječih modelov. Tu so moje opombe glede pomembnih oblikovnih značilnosti: 1. Sledil sem zapisku APP Microchip in uporabil TC4427A za pogon FET. Ta A) ščiti mikrokrmilnik pred povratnimi napetostmi, ki prihajajo iz FET, in B) lahko poganja FET pri višjih napetostih kot PIC za hitrejše/težje preklapljanje z boljšo učinkovitostjo. 2. Razdalja od PWM PIC do FET je čim manjša. 3. FET, induktor, kondenzatorji zelo tesno zapakirani. 4. Sledi zaloga maščob. 5. Dobro ozemljitev med FET in priključno točko stenske pivine. Za ta projekt sem izbral mikrokrmilnik PIC 12F683. To je 8 -polni PIC s strojno PWM, 4 analogno -digitalnimi pretvorniki, notranjim oscilatorjem 8 Mhz in 256 -bajtnim EEPROM -om. Najpomembneje je, da sem imel enega iz prejšnjega projekta. IRF740 FET sem uporabil zaradi velikega priznanja na seznamu Neonixie-L. Obstajata 2 kondenzatorja za izravnavo HV napajanja. Eden je elektrolitski (visoka temperatura, 250 voltov, 1 uF), drugi je kovinski film (250 voltov, 0,47 uf). Slednji je veliko večji in dražji (0,50 USD proti 0,05 USD), vendar je potreben za dosego čistega rezultata. V tej zasnovi sta dva vezja za povratne napetosti. Prvi omogoča, da PIC zazna izhodno napetost in po potrebi uporabi impulze na FET za vzdrževanje želene ravni. "Tabelo3. Izračuni omrežja za visokonapetostno povratno povezavo" se lahko uporabi za določitev pravilne povratne vrednosti glede na razdelilnik napetosti upora 3 in želeno izhodno napetost. Fino nastavitev se izvede s trimmernim uporom 1k. Druga povratna informacija meri napajalno napetost, tako da lahko PIC določi optimalen čas vzpona (in vrednosti obdobja/obratovalnega cikla). Iz enačb v 1. koraku smo ugotovili, da je čas vzpona induktorja odvisen od napajalne napetosti. V vašo sliko PIC je mogoče vnesti natančne vrednosti iz preglednice, vendar če spremenite napajanje, vrednosti niso več optimalne. Če se napaja iz baterij, se bo napetost zmanjšala, ko se baterije izpraznijo, kar zahteva daljši čas vzhajanja. Moja rešitev je bila, da PIC izračuna vse to in nastavi svoje vrednosti (glej vdelano programsko opremo). Tri -polni mostiček izbere vir napajanja za TC4427A in induktorsko tuljavo. Možno je, da deluje tako iz 5 -voltnega regulatorja 7805, vendar večjo učinkovitost in večjo moč dosežemo z večjo napajalno napetostjo. Tako TC4427a kot IRF740 FET preneseta do ~ 20 voltov. Ker se bo PIC kalibriral za katero koli napajalno napetost, jih je smiselno napajati neposredno iz napajalnika. To je še posebej pomembno pri delovanju z baterijo - v 7805 ni treba izgubljati energije, samo napajajte induktor neposredno iz celic. LED diode so neobvezne, vendar priročne za odpravljanje težav. "Leva" LED (rumena na mojih ploščah) označuje, da je povratna informacija HV pod želeno točko, desna LED (rdeča v moji zasnovi) pa pomeni, da je konec. V praksi dobite lep učinek PWM, v katerem LED svetijo glede na trenutno obremenitev. Če rdeča LED (neprekinjeno) ugasne, pomeni, da kljub največjim naporom PIC ne more vzdrževati izhodne napetosti na želeni ravni. Z drugimi besedami, obremenitev presega največjo moč SMPS. NE POZABITE ŠKAMPALNIH ŽIC, KI SO RDEČE! Delna vrednost delna vrednost 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 nosilec X2 3 Vijačni priključek

5. korak: Vdelana programska oprema

Vdelana programska oprema je napisana v MikroBasic, prevajalnik je brezplačen za programe do 2K (https://www.mikroe.com/). Če potrebujete programer PIC, razmislite o moji izboljšani programski plošči JDM2, objavljeni tudi na straneh z navodili (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Osnovno delovanje: 1. Ko se napajanje vklopi, se PIC zažene. 2. PIC zamuja 1 sekundo, da se napetosti stabilizirajo. 3. PIC bere povratne informacije o napajalni napetosti in izračuna optimalne vrednosti obratovalnega cikla in obdobja. 4. PIC beleži odčitke ADC, delovni cikel in vrednosti obdobja v EEPROM. To omogoča odpravljanje težav in pomaga pri diagnosticiranju katastrofalnih napak. Naslov EEPROM 0 je kazalec za pisanje. Pri vsakem (ponovnem) zagonu SMPS se shrani en 4-bajtni dnevnik. Prva dva bajta sta ADC visoko/nizko, tretji bajt je nižji za 8 bitov vrednosti delovnega cikla, četrti bajt je vrednost obdobja. Skupno je 50 kalibracij (200 bajtov) zabeleženih, preden se kazalec za zapisovanje premakne in znova zažene na naslovu EEPROM 1. Najnovejši dnevnik se nahaja pri kazalcu-4. Te lahko iz čipa preberete s programerjem PIC. Zgornjih 55 bajtov ostane prostih za prihodnje izboljšave (glej izboljšave). 5. PIC vstopi v neskončno zanko - izmeri se visokonapetostna povratna informacija. Če je pod želeno vrednostjo, so registri delovnega cikla PWM naloženi z izračunano vrednostjo - OPOMBA: spodnja dva bita sta pomembna in ju je treba naložiti v CPP1CON 5: 4, zgornjih 8 bitov pa gre v CRP1L. Če je povratna informacija nad želeno vrednostjo, PIC naloži registre delovnega cikla z 0. To je sistem "preskok impulza". Za preskok pulza sem se odločil iz dveh razlogov: 1) pri tako visokih frekvencah ni veliko delovne širine (0-107 v našem primeru, veliko manj pri višjih napajalnih napetostih) in 2) možna je frekvenčna modulacija, in daje veliko več prostora za prilagajanje (35-255 v našem primeru), SAMO DOLŽNOST JE DVOJNO BUFERIRANA V OPREMI. Spreminjanje frekvence med delovanjem PWM ima lahko 'čudne' učinke. Uporaba vdelane programske opreme: Za uporabo vdelane programske opreme je potrebnih več korakov umerjanja. Te vrednosti je treba zbrati v vdelani programski opremi. Nekateri koraki so neobvezni, vendar vam bodo pomagali kar najbolje izkoristiti napajanje. const v_ref kot float = 5.1 'float const supply_ratio kot float = 11.35' float const osc_freq kot float = 8 'float const L_Ipeak kot float = 67' float const fb_value kot beseda = 290 'beseda Te vrednosti najdete na vrhu koda vdelane programske opreme. Poiščite vrednosti in jih nastavite na naslednji način. v_ref To je referenčna napetost ADC. To je potrebno za določitev dejanske napajalne napetosti, ki jo je treba vključiti v enačbe, opisane v 1. koraku. Če PIC deluje od 580 -voltnega regulatorja 7805, lahko pričakujemo okoli 5 voltov. Z multimetrom izmerite napetost med napajalnim zatičem PIC (PIN1) in ozemljitvijo na vijačni sponki. Moja natančna vrednost je bila 5,1 voltov. Tukaj vnesite to vrednost. supply_ratio Delilnik napajalne napetosti je sestavljen iz upora 100K in 10K. Teoretično bi morale biti povratne informacije enake napajalni napetosti, deljeni z 11 (glejte tabelo 5. Izračuni omrežja za povratno napetost). V praksi imajo upori različne tolerance in niso natančne vrednosti. Točno razmerje povratnih informacij najdete tako: 1. Izmerite napajalno napetost med vijačnimi sponkami. 2. Izmerite povratno napetost med zatičem PIC 7 in ozemljitvijo na vijačni sponki. 3. Dobavo V razdelite na FB V, da dobite natančno razmerje. Uporabite lahko tudi "Tabelo 6. Umerjanje povratne napetosti napajanja". osc_freq Preprosto frekvenca oscilatorja. Uporabljam notranji 8Mhz oscilator 12F683, zato vnesem vrednost 8. L_Ipeak Pomnožite indukcijsko tuljavo uH z največjimi neprekinjenimi amperi, da dobite to vrednost. V tem primeru je 22r104C tuljava 100uH z neprekinjeno vrednostjo.67amp. 100*.67 = 67. Množenje vrednosti tukaj odpravi eno 32 -bitno spremenljivko s plavajočo vejico in izračun, ki bi ga sicer morali opraviti na PIC. Ta vrednost je izračunana v "Tabeli 1: Izračuni tuljav za visokonapetostno napajanje". fb_value To je dejanska cela vrednost, ki jo bo PIC uporabil za ugotavljanje, ali je visokonapetostni izhod nad ali pod želeno stopnjo. S tabelo 3 določite razmerje med izhodno visokonapetostno in povratno napetostjo, ko je linearni trimer v sredinskem položaju. Uporaba sredinske vrednosti daje prostor za prilagajanje na obeh straneh. Nato vnesite to razmerje in natančno referenčno vrednost napetosti v "Tabelo 4. Nastavljena vrednost ADC -ja za visokonapetostno povratno povezavo", da določite vrednost fb_value. Ko najdete te vrednosti, jih vnesite v kodo in prevedite. Zapišite HEX na PIC in pripravljeni ste! Spomnite se: bajt EEPROM 0 je kazalec za zapisovanje dnevnika. Nastavite na 1, da začnete beleženje v bajt 1 na sveži sliki. Zaradi umerjanja se FET in induktor ne smeta nikoli segreti. Prav tako ne smete slišati zvonjenja iz tuljave induktorja. Oba pogoja označujeta napako pri umerjanju. Preverite dnevnik podatkov v EEPROM -u, da ugotovite, kje je lahko vaša težava.

6. korak: Izboljšave

Nekaj stvari bi lahko izboljšali:

1. Za boljšo pot do tal privijte vijačni priključek bližje FET. 2. Priključite napajalni sled na kondenzatorje in induktor. 3. Dodajte stabilno referenčno napetost, da izboljšate delovanje iz baterij in napajalne napetosti manj kot 7 voltov (kjer izhod 7805 pade pod 5 voltov). 4. Z zgornjimi 55 bajti EEPROM zabeležite fascinantne delce neuporabnih podatkov - skupni čas delovanja, dogodke preobremenitve, min/max/povprečno obremenitev. -ian instructables-at-whereisian-dot-com