Furnizimi me energji i modalitetit të ndërrimit të tensionit të lartë (SMPS)/Konvertuesi i rritjes për tubat Nixie: 6 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:28

Ky SMPS rrit tensionin e ulët (5-20 volt) në tensionin e lartë të nevojshëm për të drejtuar tubat nixie (170-200 volt). Jini të paralajmëruar: edhe pse ky qark i vogël mund të operohet me bateri/worts të tensionit të ulët, prodhimi është më se i mjaftueshëm për t'ju vrarë!

Projekti përfshin: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT & fotografi PCB MikroBasic Firmware Source

Hapi 1: Si funksionon?

Ky dizajn bazohet në Shënimin e Aplikimit të Mikroçipit TB053 me disa modifikime të bazuara në përvojën e anëtarëve të Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Merrni shënimin e aplikacionit - është një lexim i këndshëm i vetëm disa faqeve: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Ilustrimi më poshtë është nxjerrë nga TB053. Ai përshkruan parimin bazë prapa SMPS. Një mikrokontrollues bazon një FET (Q1), duke lejuar që një ngarkesë të krijohet në induktorin L1. Kur FET është fikur, ngarkesa rrjedh përmes diodës D1 në kondensatorin C1. Vvfb është një reagim i ndarjes së tensionit që lejon mikrokontrolluesin të monitorojë tensionin e lartë dhe të aktivizojë FET sipas nevojës për të ruajtur tensionin e dëshiruar.

Hapi 2: Karakteristikat e induktorit

Edhe pse shumë e bukur, shënimi i aplikacionit Microchip më duket pak prapa. Fillon duke përcaktuar fuqinë e kërkuar, pastaj zgjedh një kohë të ngarkimit të induktorit pa u shqetësuar për induktorët në dispozicion. Më dukej më e dobishme të zgjidhja një induktor dhe të hartoja aplikacionin rreth tij. Induktorët që kam përdorur janë "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Pjesa e Mouser 580-18R104C, 1.2 amp, 1.40 $), (Pjesa e mausit 580-22R104C, 0.67 amp, 0.59 dollarë) Zgjodha këta induktorë sepse janë shumë të vegjël, shumë të lirë, por kanë vlerësime të mira të fuqisë. Ne tashmë e dimë vlerësimin maksimal të vazhdueshëm të spirales sonë (0.67 amper për 22R104C), por duhet të dimë se sa kohë do të duhet për tu ngarkuar (koha e ngritjes). Në vend që të përdorim një kohë fikse të ngarkimit (shih ekuacionin 6 në TB053) për të përcaktuar amperet e spirales së kërkuar, ne mund të marrim në pyetje ekuacionin 6 dhe të zgjidhim për kohën e ngritjes: (shënim: ekuacioni 6 në TB053 është i gabuar, duhet të jetë L, jo 2L) (Volt në/Inductor uH)*koha e ngritjes = Peak Amps -ndodh- (Inductor uH/Volt in)*Peak Amps = koha e ngritjes. -Përdorimi i 22R104C me një furnizim 5 volt jep sa më poshtë- (100/5)*0.67 = 13.5uSI do të duhen 13.5 uS për të ngarkuar plotësisht spiralen e induktorit në 5 volt. Natyrisht, kjo vlerë do të ndryshojë me tensione të ndryshme të furnizimit. Siç është cekur në TB053: "Rryma në një induktor nuk mund të ndryshojë menjëherë. Kur Q1 është i fikur, rryma në L1 vazhdon të rrjedhë përmes D1 në kondensatorin e magazinimit, C1 dhe ngarkesën, RL. Kështu, rryma në induktor zvogëlohet në mënyrë lineare në kohë nga rryma e pikut. "Ne mund të përcaktojmë sasinë e kohës që i duhet rrymës për të dalë nga induktori duke përdorur ekuacionin TB05 7. Në praktikë kjo kohë është shumë e shkurtër. Ky ekuacion zbatohet në tabelën e përfshirë, por nuk do të diskutohet këtu. Sa fuqi mund të nxjerrim nga një induktor 0.67 amp? Fuqia totale përcaktohet nga ekuacioni i mëposhtëm (ekuacioni tb053 5): Fuqia = (((koha e ngritjes)*(Volt në)^{2)/(2*Induktori uH))}-përdorimi i vlerave tona të mëparshme gjejmë-1.68 Watt = (13.5uS*5volt^2)/(2*100uH)-konvertoni vat në mA-mA = ((Fuqia Watts)/(voltazhet e daljes))*1000-duke përdorur një tension dalës prej 180 gjejmë-9.31mA = (1.68Watts/180volts)*1000Mund të marrim një maksimum prej 9.31 mA nga kjo spirale me një furnizim 5 volt, duke injoruar të gjitha joefikasitetet dhe humbjet e ndërrimit. Fuqia më e madhe dalëse mund të arrihet duke rritur tensionin e furnizimit. Të gjitha këto llogaritje zbatohen në "Tabela 1: Llogaritjet e mbështjelljes për furnizimin me energji të tensionit të lartë" të tabelës së përfshirë me këtë udhëzues. Janë futur disa spirale shembull.

Hapi 3: Drejtimi i SMPS me një mikrokontrollues

Tani që kemi llogaritur kohën e ngritjes për spiralen tonë, ne mund të programojmë një mikrokontrollues që ta ngarkojë atë mjaftueshëm për të arritur mA -në e tij të vlerësuar. Një nga mënyrat më të lehta për ta bërë këtë është të përdorni moduluesin e gjerësisë së pulsit të harduerit të një PIC. Modulimi i gjerësisë së pulsit (PWM) ka dy ndryshore të përshkruara në figurën më poshtë. Gjatë ciklit të punës, PIC ndez FET, duke e argumentuar atë dhe duke lejuar që rryma në spiralen e induktorit (koha e ngritjes). Gjatë pjesës së mbetur të periudhës FET është fikur dhe rryma rrjedh nga induktori përmes diodës në kondensatorët dhe ngarkesa (koha e rënies). Ne tashmë e dimë kohën e kërkuar të ngritjes nga llogaritjet tona të mëparshme: 13.5uS. TB053 sugjeron që koha e rritjes të jetë 75% e periudhës. Unë përcaktova vlerën time të periudhës duke shumëzuar kohën e rritjes me 1.33: 17.9uS. Kjo është në përputhje me sugjerimin në TB053 dhe siguron që induktori të qëndrojë në gjendje të ndërprerë - duke u shkarkuar plotësisht pas çdo ngarkimi. Isshtë e mundur të llogaritet një periudhë më e saktë duke shtuar kohën e llogaritur të rritjes në kohën e llogaritur të rënies, por unë nuk e kam provuar këtë. Tani ne mund të përcaktojmë ciklin aktual të detyrës dhe vlerat e periudhës për të hyrë në mikrokontrollues për të marrë intervalet kohore të dëshiruara Me Në manualin Microchip PIC Mid-range gjejmë ekuacionet e mëposhtme (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Cikli i Detyrës uS = (10 bit Vlera e Ciklit të Detyrës) * (1 / Ocillatori Frekuenca) * PrescalerNëse e vendosim prescaler në 1 dhe e mundim këtë ekuacion me një shkop algjebër marrim: 10 bit Vlera e Ciklit të Detyrës = Cikli i Detyrës PWM uS * Frekuenca e oshilatorit Zëvendësoni Ciklin e Detyrës uS për kohën e ngritjes së llogaritur dhe supozojmë një oshilator 8 Mhz frekuenca: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 futet në PIC për të marrë një cikël detyre prej 13.5uS. Tjetra, ne përcaktojmë Vlerën e Periudhës PWM. Nga Manuali i Shkallës së Mesme marrim ekuacionin e mëposhtëm: Periudha PWM uS = ((vlera e periudhës PWM) + 1) * 4 * (1/frekuenca e oshilatorit) * (vlera e parashkrimit) Përsëri, vendosim prescaler në 1 dhe ngacmojmë ekuacionin për vlerën e periudhës PWM, duke na dhënë: Vlera e periudhës PWM = ((PWM Periudha uS/(4/Frekuenca e oshilatorit))-1) Periudha zëvendësuese uS për (1.33*koha e ngritjes), dhe supozojmë një frekuencë oshilator 8 Mhz: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 futet në PIC për të marrë një periudhë prej 17.9uS. Por prit! A nuk është periudha më e shkurtër se cikli i punës? Jo - PIC -të kanë një regjistër të ciklit të detyrave 10 bit dhe një regjistër të periudhës 8 bit. Ka më shumë zgjidhje për vlerën e ciklit të punës, kështu që vlera e tij nganjëherë do të jetë më e madhe se vlera e periudhës - veçanërisht në frekuenca të larta. Të gjitha këto llogaritje zbatohen në "Tabela 2. Llogaritjet PWM" të spreadsheet -it të përfshirë me këtë udhëzues. Janë futur disa spirale shembull.

Hapi 4: Dizajni i PCB

PCB & CCT janë në formatin EagleCad. Të dyja përfshihen në arkivin ZIP.

Shikova disa modele ekzistuese kur bëra këtë PCB. Këtu janë shënimet e mia: karakteristikat e rëndësishme të projektimit: 1. Unë ndoqa shënimin e Microchip APP dhe përdor një TC4427A për të drejtuar FET. Kjo A) mbron mikrokontrolluesin nga tensionet e kthimit që dalin nga FET, dhe B) mund të drejtojë FET në tensione më të larta se PIC për ndërrim më të shpejtë/më të fortë me efikasitet më të mirë. 2. Distanca nga PWM e PIC në FET është minimizuar. 3. FET, induktor, kondensatorë të mbushur me të vërtetë të shtrënguar. 4. Gjurmë e furnizimit me yndyrë. 5. Tokë e mirë midis FET dhe pikës së lidhjes mur-wort. Zgjodha mikrokontrolluesin PIC 12F683 për këtë projekt. Ky është një PIC 8 pin me PWM harduerike, 4 konvertues analogë në dixhitalë, oshilator të brendshëm 8Mhz dhe 256 bajt EEPROM. Më e rëndësishmja, unë kisha një pishinë nga një projekt i mëparshëm. Kam përdorur IRF740 FET për shkak të vlerësimit të tij të lartë në listën Neonixie-L. Ka 2 kondensatorë për të zbutur furnizimin me HV. Njëra është një elektrolitike (temperaturë e lartë, 250 volt, 1uF), tjetra është një film metalik (250 volt, 0.47uf). Kjo e fundit është shumë më e madhe dhe më e shtrenjtë ($ 0.50 kundrejt $ 0.05), por e nevojshme për të marrë një prodhim të pastër. Ekzistojnë dy qarqe të reagimit të tensionit në këtë dizajn. E para lejon që PIC të ndiejë tensionin e daljes dhe të zbatojë impulse në FET sipas nevojës për të ruajtur nivelin e dëshiruar. "Tabela3. Llogaritjet e Rrjetit të Reagimit të Tensionit të Lartë" mund të përdoren për të përcaktuar vlerën e saktë të reagimit duke pasur parasysh ndarësin e tensionit të rezistencës 3 dhe tensionin e dëshiruar të daljes. Akordimi i mirë bëhet me rezistencën e prerësit 1k. Reagimi i dytë mat tensionin e furnizimit në mënyrë që PIC të mund të përcaktojë kohën optimale të ngritjes (dhe vlerat e periudhës/ciklit të punës). Nga ekuacionet në hapin 1 ne zbuluam se koha e ngritjes së induktorit varet nga tensioni i furnizimit. Pshtë e mundur të futni vlera të sakta nga spreadsheet në PIC -in tuaj, por nëse ndryshoni furnizimin me energji, vlerat nuk janë më optimale. Nëse funksionon nga bateritë, tensioni do të ulet ndërsa bateritë shkarkohen duke kërkuar një kohë më të gjatë ngritjeje. Zgjidhja ime ishte të lejoja që PIC të llogariste të gjitha këto dhe të vendoste vlerat e veta (shiko firmware -in). Bluza me tre kunja zgjedh burimin e furnizimit për spiralen TC4427A dhe induktorin. Bothshtë e mundur të punoni të dy nga rregullatori 7 volt 5 volt, por efikasitet më të mirë dhe dalje më të lartë arrihet me një tension më të madh të furnizimit. Të dy TC4427a dhe IRF740 FET do të përballojnë deri në 20 volt. Meqenëse PIC do të kalibrojë për çdo tension të caktuar të furnizimit, ka kuptim t'i ushqejmë ato drejtpërdrejt nga furnizimi me energji. Kjo është veçanërisht e rëndësishme në funksionimin e baterisë - nuk ka nevojë të humbni energji në 7805, thjesht ushqeni induktorin direkt nga qelizat. LED -të janë opsionale, por të përshtatshme për të shkrepur probleme. LED -i 'majtas' (i verdhë në dërrasat e mia) tregon se reagimet ndaj HV janë nën pikën e dëshiruar, ndërsa LED -ja e djathtë (e kuqe në modelin tim) tregon se ka mbaruar. Në praktikë ju merrni një efekt të bukur PWM në të cilin LEDS shkëlqejnë në intensitet në lidhje me ngarkesën aktuale. Nëse LED i kuq fiket (i ngurtë) tregon se, pavarësisht përpjekjes së tij më të madhe, PIC nuk mund ta mbajë tensionin e daljes në nivelin e dëshiruar. Me fjalë të tjera, ngarkesa tejkalon daljen maksimale të SMPS. MOS HARRONI TELET K JRKUES T SH TREGUAR N KUQ! Pjesa e vlerës Pjesa 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 5volt rregullator IC7 PIC 12F68 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Trimmer linear R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 Pin Header X2 3 Terminali i vidave

Hapi 5: Firmware

Firmware është shkruar në MikroBasic, përpiluesi është falas për programet deri në 2K (https://www.mikroe.com/). Nëse keni nevojë për një programues PIC, merrni parasysh bordin tim të programuesit të zgjeruar JDM2 të postuar gjithashtu në instructables (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Funksionimi bazë: 1. Kur aplikohet fuqia, PIC fillon. 2. PIC vonon për 1 sekondë për të lejuar stabilizimin e tensioneve. 3. PIC lexon reagimet e tensionit të furnizimit dhe llogarit ciklin optimal të punës dhe vlerat e periudhës. 4. PIC regjistron leximin ADC, ciklin e punës dhe vlerat e periudhës në EEPROM. Kjo lejon disa probleme të shtënat dhe ndihmon në diagnostikimin e dështimeve katastrofike. Adresa EEPROM 0 është treguesi i shkrimit. Një regjistër prej 4 bajtësh ruhet sa herë që SMPS (ri-) fillon. 2 bajtët e parë janë të lartë/të ulët ADC, bajti i tretë është më i ulët 8 bit i vlerës së ciklit të punës, bajti i katërt është vlera e periudhës. Gjithsej 50 kalibrime (200 bajt) regjistrohen para se treguesi i shkrimit të rrokulliset dhe të fillojë përsëri në adresën 1. EEPROM. Regjistri më i fundit do të gjendet në treguesin-4. Këto mund të lexohen nga çipi duke përdorur një programues PIC. 55 bajtët e sipërm lihen të lirë për përmirësimet e ardhshme (shiko përmirësimet). 5. PIC hyn në lak të pafund - matet vlera e reagimit të tensionit të lartë. Nëse është nën vlerën e dëshiruar, regjistrat e ciklit të punës PWM ngarkohen me vlerën e llogaritur - SHENIM: dy bitët e poshtëm janë të rëndësishëm dhe duhet të ngarkohen në CPP1CON 5: 4, 8 bitët e sipërm hyjnë në CRP1L. Nëse reagimi është mbi vlerën e dëshiruar, PIC ngarkon regjistrat e ciklit të punës me 0. Ky është një sistem 'kalimi i pulsit'. Vendosa për kalimin e pulsit për dy arsye: 1) në frekuenca kaq të larta nuk ka shumë gjerësi detyre për të luajtur (0-107 në shembullin tonë, aq më pak në tensione më të larta të furnizimit), dhe 2) modulimi i frekuencës është i mundur, dhe jep shumë më tepër hapësirë për rregullim (35-255 në shembullin tonë), por VETLM DETYRIMI BUFEROHET DYFISHT N IN HARDWARE. Ndryshimi i frekuencës gjatë funksionimit të PWM mund të ketë efekte 'të çuditshme'. Përdorimi i firmuerit: Kërkohen disa hapa kalibrimi për të përdorur firmware -in. Këto vlera duhet të përpilohen në firmware. Disa hapa janë opsionale, por do t'ju ndihmojnë të përfitoni sa më shumë nga furnizimi me energji elektrike. const v_ref si 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 Këto vlera mund të gjenden në krye të kodi i firmuerit. Gjeni vlerat dhe vendosni si më poshtë. v_ref Kjo është referenca e tensionit e ADC. Kjo është e nevojshme për të përcaktuar tensionin aktual të furnizimit për t'u përfshirë në ekuacionet e përshkruara në hapin 1. Nëse PIC drejtohet nga një rregullator 7805 5 volt, mund të presim rreth 5 volt. Duke përdorur një multimetër matni tensionin midis kunjit të fuqisë PIC (PIN1) dhe tokëzimit në terminalin e vidhave. Vlera ime e saktë ishte 5.1 volt. Vendosni këtë vlerë këtu. furnizimi_ratio Ndarësi i tensionit të furnizimit përbëhet nga një rezistencë 100K dhe 10K. Teorikisht reagimi duhet të jetë i barabartë me tensionin e furnizimit të ndarë me 11 (shih Tabelën 5. Llogaritjet e Rrjetit të Reagimit të Tensionit të Furnizimit). Në praktikë, rezistorët kanë toleranca të ndryshme dhe nuk janë vlera të sakta. Për të gjetur raportin e saktë të reagimit: 1. Matni tensionin e furnizimit midis terminaleve të vidhave. 2. Matni tensionin e reagimit midis kunjit PIC 7 dhe tokëzimit në terminalin e vidave. 3. Ndani Furnizimin V me FB V për të marrë një raport të saktë. Ju gjithashtu mund të përdorni "Tabela 6. Kalibrimi i Reagimit të Tensionit të Furnizimit". osc_freq Thjesht frekuenca e oshilatorit. Unë përdor oshilatorin 12F683 të brendshëm 8Mhz, kështu që fut një vlerë prej 8. L_Ipeak Shumëzoni spiralen e induktorit uH me amperet maksimale të vazhdueshme për të marrë këtë vlerë. Në shembullin 22r104C është një spirale 100uH me një vlerësim prej.67amps të vazhdueshëm. 100*.67 = 67. Shumëzimi i vlerës këtu eliminon një variabël të pikave lundruese 32 bit dhe llogaritjen që përndryshe do të duhej të bëhej në PIC. Kjo vlerë llogaritet në "Tabela 1: Llogaritjet e Spirales për Furnizim me Tension të Lartë". fb_value Kjo është vlera aktuale e plotë që PIC do të përdorë për të përcaktuar nëse dalja e tensionit të lartë është mbi ose nën nivelin e dëshiruar. Përdorni Tabelën 3 për të përcaktuar raportin midis daljes HV dhe tensionit të reagimit kur prerësja lineare është në pozicionin qendror. Përdorimi i vlerës qendrore jep hapësirë rregullimi në të dyja anët. Tjetra, futni këtë raport dhe referencën tuaj të saktë të tensionit në "Tabela 4. Vlerësimi i Përcaktimit të Tensionit të Lartë të ADC" për të përcaktuar vlerën fb_vlerë. Pasi t'i gjeni këto vlera, futini ato në kod dhe përpiloni. Djeg HEX në PIC dhe jeni gati për të shkuar! Mbani mend: Bajti EEPROM 0 është treguesi i shkrimit të regjistrit. Vendoseni atë në 1 për të filluar regjistrimin në bajt 1 në një fotografi të freskët. Për shkak të kalibrimit, FET dhe induktori nuk duhet të bëhen kurrë të ngrohtë. As nuk duhet të dëgjoni një zë kumbues nga spiralja e induktorit. Të dyja këto kushte tregojnë një gabim të kalibrimit. Kontrolloni regjistrin e të dhënave në EEPROM për të ndihmuar në përcaktimin se ku mund të jetë problemi juaj.

Hapi 6: Përmirësimet

Disa gjëra mund të përmirësohen:

1. Vendoseni terminalin e vidave më afër FET për rrugë më të mirë tokësore. 2. Shndërroni gjurmën e furnizimit me kondensatorët dhe induktorin. 3. Shtoni një referencë të qëndrueshme të tensionit për të përmirësuar funksionimin nga bateritë dhe tensionet e furnizimit më pak se 7 volt (ku prodhimi i 7805 ulet nën 5 volt). 4. Përdorni 55 bajtët e sipërm të EEPROM për të regjistruar pak interesante të të dhënave të padobishme - koha totale e ekzekutimit, ngjarjet e mbingarkesës, min/max/ngarkesa mesatare. -ian udhëzues-at-whereisian-dot-com