Chế độ chuyển mạch điện áp cao Nguồn điện (SMPS) / Bộ chuyển đổi tăng cường cho ống Nixie: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:36

SMPS này tăng điện áp thấp (5-20 volt) lên mức điện áp cao cần thiết để điều khiển các ống nixie (170-200 volt). Hãy cảnh báo: mặc dù mạch nhỏ này có thể hoạt động trên pin / cổng điện áp thấp, nhưng công suất đầu ra quá đủ để giết bạn!

Dự án bao gồm: Bảng tính trợ giúp tệp EagleCAD CCT & PCB Nguồn phần mềm cơ sở MikroBasic

Bước 1: Nó hoạt động như thế nào?

Thiết kế này dựa trên Ghi chú ứng dụng vi mạch TB053 với một số sửa đổi dựa trên kinh nghiệm của các thành viên Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Nhận ghi chú ứng dụng - chỉ có một vài trang đọc rất hay: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Hình minh họa bên dưới được trích từ TB053. Nó phác thảo nguyên tắc cơ bản đằng sau SMPS. Bộ vi điều khiển đặt căn cứ vào FET (Q1), cho phép tích điện trong cuộn cảm L1. Khi tắt FET, điện tích đi qua diode D1 vào tụ C1. Vvfb là phản hồi của bộ chia điện áp cho phép vi điều khiển giám sát điện áp cao và kích hoạt FET khi cần thiết để duy trì điện áp mong muốn.

Bước 2: Đặc điểm cuộn cảm

Mặc dù rất hay, nhưng ghi chú của ứng dụng Microchip có vẻ hơi ngược đối với tôi. Nó bắt đầu bằng cách xác định công suất cần thiết, sau đó chọn thời gian sạc cuộn cảm mà không cần quan tâm đến cuộn cảm có sẵn. Tôi thấy hữu ích hơn khi chọn một cuộn cảm và thiết kế ứng dụng xung quanh đó. Các cuộn cảm mà tôi đã sử dụng là "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). Tôi đã chọn các cuộn cảm này vì chúng rất nhỏ, rất rẻ, nhưng có xếp hạng công suất tốt. tăng thời gian). Thay vì sử dụng thời gian sạc cố định (xem phương trình 6 trong TB053) để xác định amps cuộn dây cần thiết, chúng ta có thể tra cứu phương trình 6 và giải cho thời gian tăng: (lưu ý: phương trình 6 trong TB053 là sai, nó phải là L, không phải 2L) (Volts in / Inductor uH) * tăng_time = Peak Amps -becomes- (Inductor uH / Volts in) * Peak Amps = thời gian tăng.-Sử dụng 22R104C với nguồn cung cấp 5 volt cho kết quả sau- (100/5) * 0,67 = 13,5uSIt sẽ mất 13,5 uS để sạc đầy cuộn dây dẫn ở 5 volt. Rõ ràng, giá trị này sẽ thay đổi với các điện áp cung cấp khác nhau. Như đã lưu ý trong TB053: "Dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đổi ngay lập tức. Khi ngắt Q1, dòng điện trong L1 tiếp tục chạy qua D1 đến tụ lưu trữ, C1 và tải, RL. Do đó, dòng điện trong cuộn cảm giảm tuyến tính theo thời gian từ dòng điện cực đại. "Chúng ta có thể xác định khoảng thời gian để dòng điện chạy ra khỏi cuộn cảm bằng cách sử dụng phương trình TB05 7. Trong thực tế, thời gian này rất ngắn. Phương trình này được thực hiện trong bảng tính kèm theo, nhưng sẽ không được thảo luận ở đây. Chúng ta có thể nhận được bao nhiêu công suất từ cuộn cảm 0,67 amp? Tổng công suất được xác định theo phương trình sau (tb053 phương trình 5): Công suất = (((thời gian tăng) * (Volts in)^{2) / (2 * Cuộn cảm uH))}-sử dụng các giá trị trước đó của chúng tôi, chúng tôi tìm thấy-1,68 Watts = (13,5uS * 5volts^{2) / (2 * 100uH)}-chuyển đổi watt thành mA-mA = ((Công suất Watts) / (vôn đầu ra)) * 1000-sử dụng điện áp đầu ra là 180, chúng tôi tìm thấy-9,31mA = (1,68Watts / 180volt) * 1000 Chúng tôi có thể nhận được tối đa 9,31 mA từ cuộn dây này với nguồn cung cấp 5 volt, bỏ qua tất cả sự kém hiệu quả và tổn thất khi chuyển mạch. Có thể đạt được công suất đầu ra lớn hơn bằng cách tăng điện áp nguồn. Tất cả các tính toán này được thực hiện trong "Bảng 1: Tính toán cuộn dây cho nguồn điện cao áp" của bảng tính đi kèm với tài liệu hướng dẫn này. Một số cuộn dây ví dụ được nhập.

Bước 3: Điều khiển SMPS bằng vi điều khiển

Bây giờ chúng tôi đã tính toán thời gian tăng cho cuộn dây của chúng tôi, chúng tôi có thể lập trình một bộ vi điều khiển để sạc nó đủ lâu để đạt đến mA định mức của nó. Một trong những cách dễ nhất để làm điều này là sử dụng bộ điều chế độ rộng xung phần cứng của PIC. Điều chế độ rộng xung (PWM) có hai biến được nêu trong hình bên dưới. Trong chu kỳ làm việc, PIC bật FET, nối đất cho nó và cho phép dòng điện vào cuộn cảm (thời gian tăng). Trong thời gian còn lại của khoảng thời gian FET tắt và dòng điện chạy ra khỏi cuộn cảm qua diode đến các tụ điện và tải (thời gian rơi). TB053 gợi ý rằng thời gian tăng là 75% thời gian. Tôi đã xác định giá trị chu kỳ của mình bằng cách nhân thời gian tăng với 1,33: 17,9uS. Điều này phù hợp với đề xuất trong TB053 và đảm bảo rằng cuộn cảm ở chế độ không liên tục - phóng điện hoàn toàn sau mỗi lần sạc. Có thể tính toán khoảng thời gian chính xác hơn bằng cách thêm thời gian tăng đã tính toán vào thời gian rơi đã tính toán, nhưng tôi chưa thử điều này.. Trong hướng dẫn sử dụng Microchip PIC Mid-range, chúng tôi tìm thấy các phương trình sau (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / Oscillator Frequency) * Prescaler Nếu chúng ta đặt prescaler thành 1 và đánh bại phương trình này bằng một thanh đại số, chúng ta nhận được: Giá trị chu kỳ nhiệm vụ 10 bit = PWM Chu kỳ làm việc uS * Tần số dao động Kết hợp chu kỳ làm việc uS cho thời gian tăng được tính toán và giả sử một bộ dao động 8 Mhz tần số: 107 = 13,5uS * 8Mhz107 được nhập vào PIC để có chu kỳ nhiệm vụ là 13,5uS. Tiếp theo, chúng tôi xác định Giá trị chu kỳ PWM. Từ Hướng dẫn sử dụng phạm vi trung bình, chúng tôi nhận được phương trình sau: Chu kỳ PWM uS = ((giá trị chu kỳ PWM) + 1) * 4 * (1 / tần số dao động) * (giá trị tỷ lệ đặt trước) Một lần nữa, chúng tôi đặt bộ đếm trước thành 1 và quấy rối phương trình đối với giá trị chu kỳ PWM, cho chúng ta: Giá trị chu kỳ PWM = ((Chu kỳ PWM uS / (4 / Tần số dao động)) - 1) Chu kỳ thay thế uS cho (1,33 * thời gian tăng) và giả sử tần số dao động 8 Mhz: 35 = ((17,9 / (4/8)) - 1) 35 được nhập vào PIC để có khoảng thời gian là 17,9uS. Nhưng chờ đã! Không phải là khoảng thời gian ngắn hơn chu kỳ nhiệm vụ? Không - PIC có một thanh ghi chu kỳ nhiệm vụ 10 bit và một thanh ghi chu kỳ 8 bit. Có nhiều độ phân giải hơn cho giá trị chu kỳ nhiệm vụ, do đó giá trị của nó đôi khi sẽ lớn hơn giá trị chu kỳ - đặc biệt là ở tần số cao. Một số cuộn dây ví dụ được nhập.

Bước 4: Thiết kế PCB

PCB & CCT ở định dạng EagleCad. Cả hai đều có trong kho lưu trữ ZIP.

Tôi đã xem xét một số thiết kế hiện có khi chế tạo PCB này. Dưới đây là các ghi chú của tôi về: các đặc điểm thiết kế quan trọng: 1. Tôi đã làm theo ghi chú của Ứng dụng vi mạch và sử dụng TC4427A để điều khiển FET. Điều này A) bảo vệ bộ vi điều khiển khỏi điện áp ngược từ FET và B) có thể điều khiển FET ở điện áp cao hơn PIC để chuyển đổi nhanh hơn / khó hơn với hiệu quả tốt hơn. 2. Khoảng cách từ PWM của PIC đến FET được giảm thiểu. 3. FET, cuộn cảm, tụ điện đóng gói thực sự chặt chẽ. 4. Vi lượng cung cấp chất béo. 5. Tiếp đất tốt giữa FET và điểm kết nối tường-wort. Tôi đã chọn vi điều khiển PIC 12F683 cho dự án này. Đây là một PIC 8 chân với PWM phần cứng, 4 bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, bộ dao động nội 8Mhz và EEPROM 256 byte. Quan trọng nhất, tôi đã có một cái từ một dự án trước đó. Tôi đã sử dụng IRF740 FET vì nó được đánh giá cao trong danh sách Neonixie-L. Có 2 tụ điện để làm trơn nguồn cung cấp HV. Một là chất điện phân (nhiệt độ cao, 250 vôn, 1uF), còn lại là màng kim loại (250 vôn, 0,47uf). Loại thứ hai lớn hơn và đắt hơn nhiều (0,50 đô la so với 0,05 đô la), nhưng cần thiết để có được đầu ra sạch. Có hai mạch phản hồi điện áp trong thiết kế này. Đầu tiên cho phép PIC cảm nhận điện áp đầu ra và áp dụng các xung cho FET khi cần thiết để duy trì mức mong muốn. "Bảng3. Tính toán mạng phản hồi điện áp cao" có thể được sử dụng để xác định giá trị phản hồi chính xác cho bộ chia điện áp 3 điện trở và điện áp đầu ra mong muốn. Tinh chỉnh được thực hiện với điện trở tông đơ 1k. Phản hồi thứ hai đo điện áp cung cấp để PIC có thể xác định thời gian tăng tối ưu (và giá trị chu kỳ / chu kỳ nhiệm vụ). Từ các phương trình trong bước 1, chúng tôi thấy rằng thời gian tăng cuộn cảm phụ thuộc vào điện áp cung cấp. Có thể nhập các giá trị chính xác từ bảng tính vào PIC của bạn, nhưng nếu nguồn điện bị thay đổi, các giá trị không còn tối ưu nữa. Nếu chạy bằng pin, điện áp sẽ giảm do pin phóng điện đòi hỏi thời gian tăng cao hơn. Giải pháp của tôi là để PIC tính toán tất cả những điều này và đặt các giá trị của riêng nó (xem phần sụn). Bộ nhảy ba chân chọn nguồn cung cấp cho TC4427A và cuộn cảm. Có thể chạy cả hai từ bộ điều chỉnh 7805 5 volt, nhưng đạt được hiệu suất tốt hơn và sản lượng cao hơn với điện áp cung cấp lớn hơn. Cả TC4427a và IRF740 FET sẽ chịu được tới ~ 20 volt. Vì PIC sẽ hiệu chỉnh cho bất kỳ điện áp cung cấp nhất định nào nên việc cấp các điện áp này trực tiếp từ nguồn điện là rất hợp lý. Điều này đặc biệt quan trọng trong hoạt động của pin - 7805 không cần lãng phí điện năng, chỉ cần cấp điện dẫn trực tiếp từ các tế bào. Đèn LED là tùy chọn, nhưng tiện dụng cho những trường hợp khó chụp. Đèn LED 'bên trái' (màu vàng trong bảng của tôi) cho biết phản hồi HV đang ở dưới điểm mong muốn, trong khi đèn LED bên phải (màu đỏ trong thiết kế của tôi) cho biết nó đã kết thúc. Trong thực tế, bạn sẽ có được hiệu ứng PWM đẹp mắt, trong đó đèn LEDS phát sáng ở cường độ so với tải hiện tại. Nếu đèn LED màu đỏ tắt (đồng nhất), điều đó cho thấy rằng, mặc dù đã cố gắng hết sức, PIC không thể giữ điện áp đầu ra ở mức mong muốn. Nói cách khác, tải vượt quá đầu ra tối đa của SMPS. ĐỪNG QUÊN DÂY JUMPER CÓ MÀU ĐỎ! Partlist Giá trị phần 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 Bộ điều chỉnh 5volt IC7 PIC 12F683 L1 Cuộn cảm (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0,47K R3 1K Tông đơ tuyến tính R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 Đầu cắm 3 chân X2 3 Đầu nối vít

Bước 5: Phần mềm cơ sở

Phần sụn được viết bằng MikroBasic, trình biên dịch miễn phí cho các chương trình lên đến 2K (https://www.mikroe.com/). Nếu bạn cần một lập trình viên PIC, hãy xem xét bảng lập trình JDM2 nâng cao của tôi cũng được đăng tại mục hướng dẫn (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Hoạt động cơ bản: 1. Khi cấp nguồn, PIC sẽ bắt đầu. 2. PIC trì hoãn trong 1 giây để cho phép điện áp ổn định. 3. PIC đọc phản hồi điện áp nguồn cung cấp và tính toán các giá trị chu kỳ và chu kỳ nhiệm vụ tối ưu. 4. PIC ghi các giá trị đọc ADC, chu kỳ nhiệm vụ và chu kỳ vào EEPROM. Điều này cho phép chụp một số sự cố và giúp chẩn đoán các lỗi nghiêm trọng. Địa chỉ EEPROM 0 là con trỏ ghi. Một bản ghi 4 byte được lưu mỗi khi SMPS được khởi động (lại). 2 byte đầu tiên là ADC cao / thấp, byte thứ ba là 8 bit thấp hơn của giá trị chu kỳ nhiệm vụ, byte thứ tư là giá trị chu kỳ. Tổng cộng 50 hiệu chuẩn (200 byte) được ghi lại trước khi con trỏ ghi cuộn qua và bắt đầu lại tại địa chỉ EEPROM 1. Nhật ký gần đây nhất sẽ được đặt tại con trỏ-4. Chúng có thể được đọc ra khỏi chip bằng bộ lập trình PIC. 55 byte trên được để trống cho các cải tiến trong tương lai (xem phần cải tiến). 5. PIC đi vào vòng lặp vô tận - giá trị phản hồi điện áp cao được đo. Nếu nó thấp hơn giá trị mong muốn, các thanh ghi chu kỳ nhiệm vụ PWM sẽ được tải với giá trị được tính toán - LƯU Ý: hai bit dưới là quan trọng và phải được tải vào CPP1CON 5: 4, 8 bit trên đi vào CRP1L. Nếu phản hồi cao hơn giá trị mong muốn, PIC tải thanh ghi chu kỳ nhiệm vụ bằng 0. Đây là hệ thống 'bỏ qua xung'. Tôi quyết định bỏ qua xung vì hai lý do: 1) ở tần số cao như vậy không có nhiều độ rộng nhiệm vụ để chơi (0-107 trong ví dụ của chúng tôi, ít hơn nhiều ở điện áp cung cấp cao hơn) và 2) có thể điều chế tần số và cung cấp nhiều chỗ hơn để điều chỉnh (trong ví dụ của chúng tôi là 35-255), nhưng CHỈ CÓ NHIỆM VỤ ĐƯỢC HỖ TRỢ GẤP ĐÔI TRONG PHẦN CỨNG. Thay đổi tần số trong khi PWM đang hoạt động có thể có những tác động 'kỳ lạ'. Sử dụng chương trình cơ sở: Cần có một số bước hiệu chỉnh để sử dụng chương trình cơ sở. Các giá trị này phải được biên dịch vào phần sụn. Một số bước là tùy chọn, nhưng sẽ giúp bạn tận dụng tối đa nguồn điện của mình. 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 'từ mã phần sụn. Tìm các giá trị và thiết lập như sau. v_ref Đây là tham chiếu điện áp của ADC. Điều này là cần thiết để xác định điện áp cung cấp thực tế để đưa vào các phương trình được mô tả ở bước 1. Nếu PIC được chạy từ bộ điều chỉnh 7805 5volt, chúng ta có thể mong đợi khoảng 5 volt. Sử dụng đồng hồ vạn năng đo điện áp giữa chân nguồn PIC (PIN1) và nối đất ở đầu nối vít. Giá trị chính xác của tôi là 5,1 volt. Nhập giá trị này ở đây. supply_ratio Bộ phân áp cung cấp bao gồm một điện trở 100K và 10K. Về mặt lý thuyết, phản hồi phải bằng điện áp cung cấp chia cho 11 (xem Bảng 5. Tính toán mạng phản hồi điện áp cung cấp). Trong thực tế, điện trở có nhiều dung sai khác nhau và không phải là giá trị chính xác. Để tìm tỷ lệ phản hồi chính xác: 1. Đo điện áp cung cấp giữa các đầu nối vít. 2. Đo điện áp phản hồi giữa chân PIC 7 và mặt đất tại đầu cuối vít. 3. Chia Cung V cho FB V để có một tỷ lệ chính xác. Bạn cũng có thể sử dụng "Bảng 6. Hiệu chuẩn phản hồi điện áp nguồn cung cấp". osc_freq Đơn giản là tần số dao động. Tôi sử dụng bộ dao động 8Mhz bên trong 12F683, vì vậy tôi nhập giá trị là 8. L_Ipeak Nhân cuộn cảm uH với amps liên tục tối đa để có giá trị này. Trong ví dụ, 22r104C là cuộn dây 100uH với định mức.67amps liên tục. 100 *.67 = 67. Việc nhân giá trị ở đây sẽ loại bỏ một biến dấu phẩy động 32 bit và phép tính nếu không sẽ phải thực hiện trên PIC. Giá trị này được tính trong "Bảng 1: Tính toán cuộn dây cho nguồn điện cao áp". fb_value Đây là giá trị số nguyên thực tế mà PIC sẽ sử dụng để xác định xem đầu ra điện áp cao là trên hay dưới mức mong muốn. Sử dụng Bảng 3 để xác định tỷ số giữa đầu ra HV và điện áp phản hồi khi tông đơ tuyến tính ở vị trí trung tâm. Sử dụng giá trị trung tâm cung cấp chỗ điều chỉnh ở hai bên. Tiếp theo, nhập tỷ lệ này và tham chiếu điện áp chính xác của bạn trong "Bảng 4. Giá trị đặt ADC phản hồi điện áp cao" để xác định giá trị fb_value. Sau khi bạn tìm thấy những giá trị này, hãy nhập chúng vào mã và biên dịch. Ghi HEX vào PIC và bạn đã sẵn sàng! GHI NHỚ: EEPROM byte 0 là con trỏ ghi nhật ký. Đặt nó thành 1 để bắt đầu ghi vào byte 1 trên một bức ảnh mới. Do hiệu chuẩn, FET và cuộn cảm sẽ không bao giờ trở nên ấm. Bạn cũng không được nghe thấy âm thanh đổ chuông từ cuộn dây cảm ứng. Cả hai điều kiện này đều cho thấy lỗi hiệu chuẩn. Kiểm tra nhật ký dữ liệu trong EEPROM để giúp xác định vị trí vấn đề của bạn có thể xảy ra.

Bước 6: Cải tiến

Một số điều có thể được cải thiện:

1. Đặt thiết bị đầu cuối vít gần FET hơn để có đường dẫn đất tốt hơn. 2. Làm nóng theo dõi nguồn cung cấp cho các tụ điện và cuộn cảm. 3. Thêm tham chiếu điện áp ổn định để cải thiện hoạt động từ pin và cung cấp điện áp nhỏ hơn 7 volt (trong đó đầu ra của 7805 giảm xuống dưới 5 volt). 4. Sử dụng 55 byte EEPROM trên để ghi lại các bit dữ liệu vô dụng hấp dẫn - tổng thời gian chạy, sự kiện quá tải, tải tối thiểu / tối đa / trung bình. -ian guideables-at-whereisian-dot-com