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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:09

Ovaj SMPS pojačava niski napon (5-20 volti) do visokog napona potrebnog za pogon niksi cijevi (170-200 volti). Budite upozoreni: iako ovaj mali krug može raditi 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 je baziran na Microchip Application Note TB053 sa nekoliko modifikacija zasnovanih 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 ispod je izvađena iz TB053. On ocrtava osnovni princip koji stoji iza SMPS -a. Mikrokontroler utemeljuje FET (Q1), dopuštajući naboju da se ugradi u induktor L1. Kada je FET isključen, naboj teče kroz diodu D1 u kondenzator C1. Vvfb je povratna sprega razdjelnika napona koja omogućava mikrokontroleru da prati visoki napon i aktivira FET prema potrebi za održavanje željenog napona.

Korak 2: Karakteristike induktora

Iako jako lijepa, bilješka o aplikaciji Microchip djeluje mi pomalo unatrag. Počinje određivanjem potrebne snage, zatim bira vrijeme punjenja induktora bez brige o dostupnim induktorima. Smatrao sam da je korisnije izabrati induktor i dizajnirati aplikaciju oko toga. Induktori koje sam koristio su "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser-dio 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 USD), (Mouser dio 580-22R104C, 0,67 pojačalo, 0,59 USD). Odabrao 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 uspona). Umjesto da koristimo fiksno vrijeme 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 sa 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. Očigledno, ova vrijednost će se razlikovati ovisno o 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 koliko je vremena potrebno da struja istekne iz induktora koristeći jednadžbu 7. TB05. U praksi je ovo vrijeme vrlo kratko. Ova jednadžba je implementirana u priloženoj proračunskoj tablici, ali o tome neće biti riječi ovdje. Koliko snage 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)-konvertiramo vate u mA-mA = ((Snaga u vatima)/(izlazni volti))*1000-koristeći izlazni napon od 180 nalazimo-9,31 mA = (1,68 vati/180 volti)*1000 Možemo dobiti najviše 9,31 mA iz ova zavojnica s napajanjem od 5 volti, zanemarujući sve neefikasnosti i gubitke pri uključivanju. Veća izlazna snaga može se postići povećanjem napona napajanja. Svi ovi proračuni su implementirani 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 dostigne nazivnu mA. Jedan od najjednostavnijih načina za to je upotreba 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). Tokom ostatka perioda 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 proračuna: 13,5uS. TB053 sugerira da vrijeme uspona iznosi 75% perioda. Odredio sam vrijednost razdoblja množenjem vremena uspona sa 1,33: 17,9uS. To je u skladu s prijedlogom u TB053 i osigurava da induktor ostane u diskontinuiranom načinu rada - potpuno se prazni nakon svakog punjenja. Moguće je izračunati tačniji period dodavanjem izračunatog vremena porasta izračunatom vremenu pada, ali to nisam pokušao. Sada možemo odrediti stvarni radni ciklus i vrijednosti perioda koje treba unijeti u mikrokontroler kako bismo dobili željene vremenske intervale. U Microchip PIC priručniku srednjeg opsega 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 jednačinu 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. Zatim utvrđujemo vrijednost perioda PWM -a. Iz priručnika za srednje opsege dobivamo sljedeću jednadžbu: PWM period uS = ((vrijednost perioda PWM) + 1) * 4 * (1/frekvencija oscilatora) * (vrijednost predskale) Opet postavljamo predskaler na 1 i uznemiravamo jednadžbu za vrijednost perioda PWM-a, dajući nam: vrijednost perioda PWM-a = ((Period PWM-a uS/(4/frekvencija oscilatora))-1) Zamjenski period uS za (1,33*vrijeme porasta), i pretpostavimo frekvenciju oscilatora od 8 Mhz: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 se unosi u PIC da dobije period od 17.9uS. Ali čekajte! Nije li period kraći od radnog ciklusa? Ne - PIC -ovi imaju 10 -bitni registar radnog ciklusa i 8 -bitni registar perioda. Postoji veća razlučivost za vrijednost radnog ciklusa, pa će njena vrijednost ponekad biti veća od vrijednosti perioda - posebno na visokim frekvencijama. Svi ovi proračuni su implementirani 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. Oba su uključena 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. Ovo A) štiti mikrokontroler od povratnih napona koji dolaze sa FET -a, i B) može pokrenuti FET na višim naponima od PIC -a za brže/teže prebacivanje s boljom efikasnošću. 2. Udaljenost od PWM -a PIC -a do FET -a je minimizirana. 3. FET, induktor, kondenzatori jako zbijeni. 4. Trag zaliha masti. 5. Dobro uzemljenje između FET-a i spojne tačke zida. Za ovaj projekt odabrao sam mikrokontroler PIC 12F683. Ovo je 8 -polni PIC sa hardverskim PWM -om, 4 analogno -digitalna pretvarača, internim oscilatorom 8 Mhz i EEPROM -om od 256 bajtova. 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 nesmetano napajanje 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 da bi se postigao čist rezultat. U ovom dizajnu postoje dva povratna kola napona. Prvi omogućava PIC -u da osjetiti izlazni napon i primijeniti impulse na FET -u prema potrebi za održavanje željenog nivoa. "Tablica 3. Proračuni mreže visokog napona za povratnu vezu" može se koristiti za određivanje ispravne vrijednosti povratne sprege s obzirom na razdjelnik napona od 3 otpornika i željeni izlazni napon. Fino podešavanje se vrši pomoću 1k trimer otpornika. Druga povratna informacija mjeri napon napajanja tako da PIC može odrediti optimalno vrijeme porasta (i vrijednosti perioda/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 (pogledajte firmver). Tropolni kratkospojnik odabire izvor napajanja za TC4427A i zavojnicu induktora. Moguće je raditi i s 5 -voltnim regulatorom 7805, ali bolja efikasnost i veća snaga postižu se s većim naponom napajanja. I TC4427a i IRF740 FET će izdržati do ~ 20 volti. Budući da će se PIC kalibrirati za bilo koji napon napajanja, ima smisla napajati ih izravno iz izvora napajanja. Ovo je posebno 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 HV ispod željene točke, dok desna LED (crvena po mom dizajnu) označava da je završena. U praksi se postiže lijep PWM efekt u kojem LED diode 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 željenom nivou. Drugim riječima, opterećenje premašuje maksimalni izlaz SMPS -a. NEMOJTE ZABORAVITI KAMPER ŽICE POKAZANE CRVENO! Dio udjela 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 MikroBasic -u, 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. Kada se napajanje uključi, PIC se pokreće. 2. PIC odgađa 1 sekundu kako bi se omogućilo stabilizacija napona. 3. PIC čita povratnu informaciju o naponu napajanja i izračunava optimalne vrijednosti radnog ciklusa i vrijednosti perioda. 4. PIC zapisuje očitanja ADC -a, radni ciklus i vrijednosti perioda u EEPROM. To omogućuje rješavanje problema i pomaže u dijagnosticiranju katastrofalnih kvarova. EEPROM adresa 0 je pokazivač za upisivanje. Svaki 4 bajtni dnevnik se sprema 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 perioda. Ukupno se 50 kalibracija (200 bajtova) bilježi prije nego što se pokazivač za prebacivanje prevrne i ponovo počne na EEPROM adresi 1. Najnoviji dnevnik će se nalaziti 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. Ovo je sistem 'preskakanja impulsa'. Odlučio sam se za preskakanje pulsa iz dva razloga: 1) na tako visokim frekvencijama nema puno radne širine za igru (0-107 u našem primjeru, mnogo manje na višim naponima napajanja), i 2) moguća je frekvencijska modulacija, i daje mnogo više prostora za prilagođavanje (35-255 u našem primjeru), ali SAMO DUŽNOST SE DVOSTRUKO BUFERIRA U HARDVERU. Promjena frekvencije dok PWM radi može imati „čudne“efekte. Korištenje firmvera: Za korištenje firmvera potrebno je nekoliko koraka kalibracije. Ove se vrijednosti moraju kompilirati u firmver. Neki koraci nisu obavezni, ali će vam pomoći da izvučete maksimum iz napajanja. const v_ref kao float = 5.1 'float const supply_ratio kao 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 vrijednosti se mogu pronaći na vrhu kod firmvera. Pronađite vrijednosti i postavite na sljedeći način. v_ref Ovo je naponski napon ADC -a. To je potrebno za određivanje stvarnog napona napajanja koji treba uključiti u jednadžbe opisane u koraku 1. Ako se PIC pokreće sa 7805 5voltnog regulatora, možemo očekivati oko 5 volti. Pomoću multimetra izmjerite napon između pin -a za napajanje PIC -a (PIN1) i mase na vijčanoj stezaljki. Moja tačna vrijednost je bila 5,1 volti. Ovdje unesite ovu vrijednost. supply_ratio Razdjelnik napona se sastoji od 100K i 10K otpornika. Teoretski, povratna sprega treba biti jednaka naponu napajanja podijeljenom s 11 (vidi Tablicu 5. Mrežni proračuni napona napajanja). 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 tačan omjer. Također možete koristiti "Tablicu 6. Kalibracija povratne veze napona napajanja". osc_freq Jednostavno frekvencija oscilatora. Koristim 12F683 interni oscilator od 8 MHz, pa unosim vrijednost 8. L_Ipeak Pomnožite zavojnicu induktora uH s maksimalnim kontinuiranim amperima 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 proračun koji bi se inače morao 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 željenog nivoa. Pomoću tablice 3 odredite omjer između izlaznog i naponskog 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 kod i kompajlirajte. Snimite HEX na PIC i spremni ste za rad! ZAPAMTITE: EEPROM bajt 0 je pokazivač pisanja dnevnika. Postavite ga na 1 da biste započeli prijavljivanje u bajt 1 na svježoj slici. Zbog kalibracije, FET i induktor nikada ne bi trebali zagrijati. Niti biste trebali čuti zvuk zvona iz zavojnice induktora. Oba ova uslova ukazuju na grešku u kalibraciji. Provjerite evidenciju podataka u EEPROM -u kako biste lakše utvrdili gdje bi mogao biti vaš problem.

Korak 6: Poboljšanja

Nekoliko stvari bi se moglo poboljšati:

1. Stavite vijčani terminal bliže FET -u radi boljeg puta uzemljenja. 2. Pričvrstite trag napajanja kondenzatora i prigušnice. 3. Dodajte stabilnu referencu 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