Catu Daya Mode Sakelar Tegangan Tinggi (SMPS) / Konverter Boost untuk Tabung Nixie: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

SMPS ini meningkatkan tegangan rendah (5-20 volt) ke tegangan tinggi yang dibutuhkan untuk menggerakkan tabung nixie (170-200 volt). Berhati-hatilah: meskipun sirkuit kecil ini dapat dioperasikan dengan baterai/wall-wort bertegangan rendah, outputnya lebih dari cukup untuk membunuh Anda!

Proyek termasuk: Helper Spreadsheet EagleCAD file CCT & PCB Sumber Firmware MikroBasic

Langkah 1: Bagaimana Cara Kerjanya?

Desain ini didasarkan pada Catatan Aplikasi Microchip TB053 dengan beberapa modifikasi berdasarkan pengalaman anggota Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Dapatkan catatan aplikasi - ini adalah bacaan yang bagus hanya beberapa halaman: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Ilustrasi di bawah ini dikutip dari TB053. Ini menguraikan prinsip dasar di balik SMPS. Mikrokontroler membumikan FET (Q1), memungkinkan muatan untuk membangun induktor L1. Ketika FET dimatikan, muatan mengalir melalui dioda D1 ke kapasitor C1. Vvfb adalah umpan balik pembagi tegangan yang memungkinkan mikrokontroler untuk memantau tegangan tinggi dan mengaktifkan FET sesuai kebutuhan untuk mempertahankan tegangan yang diinginkan.

Langkah 2: Karakteristik Induktor

Meskipun sangat bagus, catatan aplikasi Microchip tampak sedikit mundur bagi saya. Ini dimulai dengan menentukan daya yang dibutuhkan, kemudian memilih waktu pengisian induktor tanpa memperhatikan induktor yang tersedia. Saya merasa lebih berguna untuk memilih induktor dan merancang aplikasi di sekitarnya. Induktor yang saya gunakan adalah "Induktor Teknologi C&D RADIAL LEAD 100uH" (bagian Mouse 580-18R104C, 1.2 amp, $1.40), (Bagian Mouse 580-22R104C, 0.67 amp, $0,59). Saya memilih induktor ini karena mereka sangat kecil, sangat murah, namun memiliki peringkat daya yang layak. Kami sudah mengetahui peringkat kontinu maksimum koil kami (0,67 amp untuk 22R104C), tetapi kami perlu tahu berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengisi daya (waktu bangun). Daripada menggunakan waktu pengisian tetap (lihat persamaan 6 dalam TB053) untuk menentukan ampli koil yang diperlukan, kita dapat menginterogasi persamaan 6 dan menyelesaikan waktu naik: (catatan: persamaan 6 dalam TB053 salah, seharusnya L, bukan 2L) (Volt in/Inductor uH)*rise_time=Amp puncak -menjadi-(Induktor uH/Volt in) * Peak Amp = waktu naik.-menggunakan 22R104C dengan suplai 5 volt memberikan yang berikut-(100/5)*0.67= 13.5 uS Diperlukan waktu 13,5 uS untuk mengisi penuh kumparan induktor pada 5 volt. Jelas, nilai ini akan bervariasi dengan tegangan suplai yang berbeda. Seperti dicatat 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. Jadi, arus di induktor berkurang secara linier dalam waktu dari arus puncak. "Kita dapat menentukan jumlah waktu yang dibutuhkan arus untuk mengalir keluar dari induktor menggunakan persamaan TB05 7. Dalam praktiknya waktu ini sangat singkat. Persamaan ini diimplementasikan dalam spreadsheet yang disertakan, tetapi tidak akan dibahas di sini. Berapa banyak daya yang dapat kita peroleh dari induktor 0,67 amp? Daya total ditentukan oleh persamaan berikut (persamaan tb053 5):Daya=(((waktu naik)*(Volt in)^{2)/(2*Induktor uH))}-menggunakan nilai kami sebelumnya, kami menemukan-1,68 Watt=(13.5uS*5volts^2)/(2*100uH)-konversi watt ke mA-mA=((Power Watts)/(output volts))*1000-menggunakan tegangan output 180 kita menemukan-9,31mA = (1,68Watt/180volts)*1000Kita bisa mendapatkan maksimum 9,31 mA dari kumparan ini dengan pasokan 5 volt, mengabaikan semua inefisiensi dan kerugian switching. Daya keluaran yang lebih besar dapat dicapai dengan meningkatkan tegangan suplai. Semua perhitungan ini diimplementasikan dalam "Tabel 1: Perhitungan Kumparan untuk Catu Daya Tegangan Tinggi" dari spreadsheet yang disertakan dengan instruksi ini. Beberapa contoh kumparan dimasukkan.

Langkah 3: Mengemudi SMPS Dengan Mikrokontroler

Sekarang setelah kami menghitung waktu naik untuk koil kami, kami dapat memprogram mikrokontroler untuk mengisi daya cukup lama untuk mencapai nilai mA. Salah satu cara termudah untuk melakukannya adalah dengan menggunakan modulator lebar pulsa perangkat keras dari PIC. Modulasi lebar pulsa (PWM) memiliki dua variabel yang diuraikan pada gambar di bawah ini. Selama siklus kerja, PIC menyalakan FET, membumikannya dan membiarkan arus masuk ke kumparan induktor (waktu naik). Selama sisa periode FET mati dan arus mengalir keluar dari induktor melalui dioda ke kapasitor dan beban (waktu jatuh). Kita sudah tahu waktu naik yang diperlukan dari perhitungan kami sebelumnya: 13.5uS. TB053 menunjukkan bahwa waktu naik menjadi 75% dari periode tersebut. Saya menentukan nilai periode saya dengan mengalikan waktu naik dengan 1,33: 17.9uS. Ini konsisten dengan saran di TB053 dan memastikan bahwa induktor tetap dalam mode terputus-putus - pengosongan sepenuhnya setelah setiap pengisian daya. Dimungkinkan untuk menghitung periode yang lebih tepat dengan menambahkan waktu naik yang dihitung ke waktu jatuh yang dihitung, tetapi saya belum mencobanya. Sekarang kita dapat menentukan siklus tugas dan nilai periode yang sebenarnya untuk dimasukkan ke dalam mikrokontroler untuk mendapatkan interval waktu yang diinginkan. Dalam manual Microchip PIC Mid-range kami menemukan persamaan berikut (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): Siklus Tugas PWM uS = (10 bit Nilai Siklus Tugas) * (1 / oscillator Frequency) * PrescalerJika kita mengatur prescaler ke 1 dan mengalahkan persamaan ini dengan tongkat aljabar, kita mendapatkan: 10 bit Nilai Siklus Tugas = Siklus Tugas PWM uS * Frekuensi Osilator Gantikan Siklus Tugas uS untuk waktu naik yang dihitung, dan asumsikan osilator 8 Mhz frekuensi:107 = 13.5uS * 8Mhz107 dimasukkan ke PIC untuk mendapatkan duty cycle 13.5uS. Selanjutnya kita tentukan Nilai Periode PWM. Dari Manual Mid-Range kita mendapatkan persamaan berikut: Periode PWM uS = ((nilai periode PWM) + 1) * 4 * (1/frekuensi osilator) * (nilai pra-skala)Sekali lagi, kita menetapkan prescaler ke 1 dan melecehkan persamaan untuk nilai periode PWM, berikan kami: nilai periode PWM = ((Periode PWM uS/(4/Frekuensi osilator))-1)Periode Pengganti uS untuk (1,33*waktu naik), dan asumsikan frekuensi osilator 8 Mhz:35= ((17.9/(4/8))-1)35 dimasukkan ke PIC untuk mendapatkan periode 17.9uS. Tapi tunggu! Bukankah periodenya lebih pendek dari duty cycle? Tidak - PIC memiliki register duty cycle 10 bit dan register periode 8 bit. Ada lebih banyak resolusi untuk nilai siklus kerja, sehingga nilainya kadang-kadang akan lebih besar daripada nilai periode - terutama pada frekuensi tinggi. Semua perhitungan ini diimplementasikan dalam "Tabel 2. Perhitungan PWM" dari spreadsheet yang disertakan dengan instruksi ini. Beberapa contoh kumparan dimasukkan.

Langkah 4: Desain PCB

PCB & CCT dalam format EagleCad. Keduanya termasuk dalam arsip ZIP.

Saya melihat beberapa desain yang ada saat membuat PCB ini. Berikut adalah catatan saya kembali: karakteristik desain penting: 1. Saya mengikuti catatan APP Microchip dan menggunakan TC4427A untuk menggerakkan FET. Ini A) melindungi mikrokontroler dari tegangan flyback yang berasal dari FET, dan B) dapat menggerakkan FET pada tegangan yang lebih tinggi daripada PIC untuk peralihan yang lebih cepat/keras dengan efisiensi yang lebih baik. 2. Jarak dari PWM PIC ke FET diminimalkan. 3. FET, induktor, kapasitor dikemas sangat rapat. 4. Jejak pasokan lemak. 5. Ground yang baik antara FET dan titik koneksi wall-wort. Saya memilih mikrokontroler PIC 12F683 untuk proyek ini. Ini adalah PIC 8 pin dengan perangkat keras PWM, 4 konverter analog ke digital, osilator internal 8Mhz, dan EEPROM 256 byte. Yang paling penting, saya punya satu dari proyek sebelumnya. Saya menggunakan FET IRF740 karena pengakuannya yang tinggi pada daftar Neonixie-L. Ada 2 kapasitor untuk memperlancar suplai HV. Salah satunya adalah elektrolit (suhu tinggi, 250 volt, 1uF), yang lainnya adalah film logam (250 volt, 0,47uf). Yang terakhir ini jauh lebih besar dan lebih mahal ($0,50 vs $0,05), tetapi perlu untuk mendapatkan hasil yang bersih. Ada dua rangkaian umpan balik tegangan dalam desain ini. Yang pertama memungkinkan PIC untuk merasakan tegangan output dan menerapkan pulsa ke FET sesuai kebutuhan untuk mempertahankan level yang diinginkan. "Tabel3. Perhitungan Jaringan Umpan Balik Tegangan Tinggi" dapat digunakan untuk menentukan nilai umpan balik yang benar mengingat 3 resistor pembagi tegangan dan tegangan output yang diinginkan. Penyetelan halus dilakukan dengan resistor pemangkas 1k. Umpan balik kedua mengukur tegangan suplai sehingga PIC dapat menentukan waktu naik yang optimal (dan nilai periode/siklus tugas). Dari persamaan pada langkah 1 kami menemukan bahwa waktu naik induktor tergantung pada tegangan suplai. Dimungkinkan untuk memasukkan nilai yang tepat dari spreadsheet ke PIC Anda, tetapi jika catu daya diubah nilainya tidak lagi optimal. Jika menggunakan baterai, tegangan akan berkurang karena baterai habis sehingga memerlukan waktu naik yang lebih lama. Solusi saya adalah membiarkan PIC menghitung semua ini dan menetapkan nilainya sendiri (lihat firmware). Jumper tiga pin memilih sumber suplai untuk TC4427A dan kumparan induktor. Dimungkinkan untuk menjalankan keduanya dari regulator 5 volt 7805, tetapi efisiensi yang lebih baik dan output yang lebih tinggi dicapai dengan tegangan suplai yang lebih besar. Baik TC4427a dan IRF740 FET akan bertahan hingga ~20 volt. Karena PIC akan mengkalibrasi untuk setiap tegangan suplai yang diberikan, masuk akal untuk memberi makan ini langsung dari catu daya. Ini sangat penting dalam pengoperasian baterai - tidak perlu membuang daya di 7805, cukup masukkan induktor langsung dari sel. LED adalah opsional, tetapi berguna untuk pemecahan masalah. LED 'kiri' (kuning di papan saya) menunjukkan bahwa umpan balik HV berada di bawah titik yang diinginkan, sedangkan LED kanan (merah dalam desain saya) menunjukkan bahwa itu sudah berakhir. Dalam praktiknya, Anda mendapatkan efek PWM yang bagus di mana intensitas cahaya LED relatif terhadap beban saat ini. Jika LED merah menyala (padat) itu menunjukkan bahwa, terlepas dari upaya terbaiknya, PIC tidak dapat menjaga tegangan output pada level yang diinginkan. Dengan kata lain, beban melebihi output maksimum SMPS. JANGAN LUPA KABEL JUMPER YANG DITAMPILKAN MERAH! Daftar Bagian Nilai Bagian 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 regulator 5 volt IC7 PIC 12F683 L1 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Pemangkas Linier R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 Header 3 Pin X2 3 Terminal Sekrup

Langkah 5: Firmware

Firmware ditulis dalam MikroBasic, compiler gratis untuk program hingga 2K (https://www.mikroe.com/). Jika Anda memerlukan programmer PIC, pertimbangkan papan programmer JDM2 saya yang disempurnakan juga diposting di instruksi (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Operasi dasar: 1. Ketika daya diterapkan, PIC dimulai. 2. PIC penundaan selama 1 detik untuk memungkinkan tegangan stabil. 3. PIC membaca umpan balik tegangan suplai dan menghitung siklus tugas dan nilai periode yang optimal. 4. PIC mencatat pembacaan ADC, siklus kerja, dan nilai periode ke EEPROM. Ini memungkinkan beberapa pemecahan masalah dan membantu mendiagnosis kegagalan bencana. Alamat EEPROM 0 adalah penunjuk tulis. Satu log 4 byte disimpan setiap kali SMPS (kembali) dimulai. 2 byte pertama adalah ADC tinggi/rendah, byte ketiga lebih rendah 8 bit nilai siklus tugas, byte keempat adalah nilai periode. Sebanyak 50 kalibrasi (200 byte) dicatat sebelum penunjuk tulis bergulir dan dimulai lagi di alamat EEPROM 1. Log terbaru akan ditempatkan di penunjuk-4. Ini dapat dibaca dari chip menggunakan programmer PIC. 55 byte atas dibiarkan gratis untuk peningkatan di masa mendatang (lihat peningkatan). 5. PIC memasuki loop tak berujung - nilai umpan balik tegangan tinggi diukur. Jika di bawah nilai yang diinginkan, register siklus tugas PWM dimuat dengan nilai yang dihitung - CATATAN: dua bit bawah penting dan harus dimuat ke CPP1CON 5:4, 8 bit atas masuk ke CRP1L. Jika umpan balik di atas nilai yang diinginkan, PIC memuat register siklus tugas dengan 0. Ini adalah sistem 'lompatan pulsa'. Saya memutuskan untuk melewatkan pulsa karena dua alasan: 1) pada frekuensi tinggi seperti itu tidak ada banyak lebar tugas untuk dimainkan (0-107 dalam contoh kami, apalagi pada tegangan suplai yang lebih tinggi), dan 2) modulasi frekuensi dimungkinkan, dan memberikan lebih banyak ruang untuk penyesuaian (35-255 dalam contoh kita), tetapi HANYA TUGAS YANG DIPAKAI GANDA DI PERANGKAT KERAS. Mengubah frekuensi saat PWM beroperasi dapat memiliki efek 'aneh'. Menggunakan firmware: Beberapa langkah kalibrasi diperlukan untuk menggunakan firmware. Nilai-nilai ini harus dikompilasi ke dalam firmware. Beberapa langkah bersifat opsional, tetapi akan membantu Anda memaksimalkan catu daya. 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 Nilai-nilai ini dapat ditemukan di bagian atas kode firmware. Temukan nilainya dan tetapkan sebagai berikut. v_ref Ini adalah referensi tegangan dari ADC. Ini diperlukan untuk menentukan tegangan suplai aktual untuk dimasukkan ke dalam persamaan yang dijelaskan pada langkah 1. Jika PIC dijalankan dari regulator 5volt 7805 kita dapat mengharapkan sekitar 5 volt. Menggunakan multimeter, ukur tegangan antara pin daya PIC (PIN1) dan ground di terminal sekrup. Nilai persis saya adalah 5,1 volt. Masukkan nilai ini di sini. supply_ratio Pembagi tegangan suplai terdiri dari resistor 100K dan 10K. Secara teoritis umpan balik harus sama dengan tegangan suplai dibagi 11 (lihat Tabel 5. Perhitungan Jaringan Umpan Balik Tegangan Suplai). Dalam praktiknya, resistor memiliki berbagai toleransi dan bukan nilai eksak. Untuk menemukan rasio umpan balik yang tepat: 1. Ukur tegangan suplai antara terminal sekrup. 2. Ukur tegangan umpan balik antara PIC pin 7 dan ground di terminal sekrup. 3. Bagi Supply V dengan FB V untuk mendapatkan rasio yang tepat. Anda juga dapat menggunakan "Tabel 6. Kalibrasi Umpan Balik Tegangan Pasokan". osc_freq Cukup frekuensi osilator. Saya menggunakan osilator internal 8Mhz 12F683, jadi saya memasukkan nilai 8. L_Ipeak Kalikan kumparan induktor uH dengan ampli kontinu maksimum untuk mendapatkan nilai ini. Dalam contoh 22r104C adalah koil 100uH dengan peringkat 0,67 amp terus menerus. 100*.67=67. Mengalikan nilai di sini menghilangkan satu variabel floating point 32 bit dan perhitungan yang seharusnya dilakukan pada PIC. Nilai ini dihitung dalam "Tabel 1: Perhitungan Kumparan untuk Catu Daya Tegangan Tinggi". fb_value Ini adalah nilai integer aktual yang akan digunakan PIC untuk menentukan apakah output tegangan tinggi di atas atau di bawah level yang diinginkan. Gunakan Tabel 3 untuk menentukan rasio antara output HV dan tegangan umpan balik ketika pemangkas linier berada di posisi tengah. Menggunakan nilai tengah memberikan ruang penyesuaian di kedua sisi. Selanjutnya, masukkan rasio ini dan referensi tegangan tepat Anda di "Tabel 4. Nilai Set ADC Umpan Balik Tegangan Tinggi" untuk menentukan fb_value. Setelah Anda menemukan nilai-nilai ini, masukkan ke dalam kode dan kompilasi. Bakar HEX ke PIC dan Anda siap berangkat! INGAT: EEPROM byte 0 adalah penunjuk penulisan log. Setel ke 1 untuk mulai masuk ke byte 1 pada gambar baru. Karena kalibrasi, FET dan induktor tidak boleh menjadi hangat. Anda juga tidak boleh mendengar suara dering dari kumparan induktor. Kedua kondisi ini menunjukkan kesalahan kalibrasi. Periksa log data di EEPROM untuk membantu menentukan di mana masalah Anda mungkin.

Langkah 6: Perbaikan

Beberapa hal dapat ditingkatkan:

1. Letakkan terminal sekrup lebih dekat ke FET untuk jalur ground yang lebih baik. 2. Gemukkan jejak suplai ke kapasitor dan induktor. 3. Tambahkan referensi tegangan stabil untuk meningkatkan operasi dari baterai dan tegangan suplai kurang dari 7 volt (di mana output dari 7805 turun di bawah 5 volt). 4. Gunakan 55 byte EEPROM teratas untuk mencatat sedikit data tak berguna yang menarik - total waktu berjalan, peristiwa kelebihan beban, beban min/maks/rata-rata. -ian instruksi-di-whereisian-dot-com