Nixie Boruları üçün Yüksək Gərginlikli Açar Modu Güc Təchizatı (SMPS)/Boost Dönüştürücü: 6 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:48

Bu SMPS, aşağı gərginliyi (5-20 volt) nixie borularını idarə etmək üçün lazım olan yüksək gərginliyə (170-200 volt) qədər artırır. Xəbərdar olun: bu kiçik dövrə batareyalarla/aşağı gərginlikli divarlarla işlədilsə də, çıxış sizi öldürmək üçün kifayət qədər çoxdur!

Layihə daxildir: EagleCAD CCT və PCB faylları köməkçisi MikroBasic Firmware Mənbəsi

Addım 1: Necə işləyir?

Bu dizayn Neonixie-L üzvlərinin təcrübəsinə əsaslanan bir neçə modifikasiya ilə Microchip Tətbiqi Qeyd TB053-ə əsaslanır (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Tətbiq qeydini alın - yalnız bir neçə səhifəni oxumaq çox xoşdur: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Aşağıdakı şəkil TB053 -dən alınmışdır. SMPS -in əsas prinsipini təsvir edir. Mikro nəzarətçi, L1 indüktöründə bir yük yaratmağa imkan verən FET (Q1) əsaslandırır. FET söndürüldükdə, yük D1 diodundan C1 kondansatörünə axır. Vvfb, mikrokontrolörün yüksək gərginliyi izləməsinə və istədiyiniz gərginliyi qorumaq üçün lazım olduqda FET -i aktivləşdirməsinə imkan verən bir gərginlik bölücü rəyidir.

Addım 2: İnduktor Xüsusiyyətləri

Çox gözəl olsa da, Microchip tətbiq notu mənə bir qədər geriyə bənzəyir. Lazımi gücü təyin etməklə başlayır, sonra mövcud induktorlara əhəmiyyət vermədən bir indüktörün şarj müddətini seçir. İstifadə etdiyim induktorlar "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser hissəsi 580-18R104C, 1.2 amp, 1.40 dollar), (Mouser hissəsi 580-22R104C, 0.67) amp, 0.59 dollar). Çox kiçik, çox ucuz, lakin layiqli güc göstəricilərinə malik olduqları üçün bu indüktörləri seçdim. Bobininizin maksimum davamlı reytinqini (22R104C üçün 0.67 amper) artıq bilirik, ancaq şarj etmək üçün nə qədər vaxt lazım olduğunu bilməliyik (qalxma vaxtı). Lazım olan bobin amperini təyin etmək üçün sabit bir yükləmə vaxtı (TB053 -dəki 6 -cı tənliyə baxın) istifadə etmək əvəzinə, 6 -cı tənliyi sorğu -suala tutub yüksəlmə müddətini həll edə bilərik: (qeyd: TB053 -dəki tənlik 6 səhvdir, 2L deyil, L olmalıdır) (Volt/İndüktör uH)*yüksəliş_ vaxtı = Pik Amper-olur İndüktör bobini 5 voltda tam doldurmaq üçün 13.5 uS lazım olacaq. Aydındır ki, bu dəyər fərqli təchizat gərginliyi ilə dəyişəcək. TB053 -də qeyd edildiyi kimi: "Bir induktordakı cərəyan dərhal dəyişə bilməz. Q1 söndürüldükdə, L1 -dəki cərəyan D1 vasitəsilə saxlama kondansatörünə, C1 və yükə, RL -ə axmağa davam edir. Beləliklə, induktordakı cərəyan pik cərəyanından zamanla xətti olaraq azalır. "TB05 7 tənliyindən istifadə edərək cərəyanın indüktordan çıxması üçün lazım olan vaxtı təyin edə bilərik. Təcrübədə bu müddət çox qısadır. Bu tənlik daxil edilmiş elektron cədvəldə tətbiq olunur, lakin burada müzakirə edilməyəcək. 0.67 amperlik induktordan nə qədər güc çıxara bilərik? Ümumi güc aşağıdakı tənlik ilə təyin olunur (tb053 tənliyi 5): Güc = (((artım vaxtı)*(Volt ilə)^{2)/(2*indüktör uH))}-əvvəlki dəyərlərimizdən istifadə edərək tapırıq-1.68 Vat = (13.5uS*5 volt)^2)/(2*100uH)-Watt-ı mA-mA-ya çevirin = ((Güc Vat)/(Çıxış voltları))*1000-180 çıxış gərginliyi istifadə edərək tapırıq-9.31mA = (1.68Watt/180volts)*1000 5 volt təchizatı olan bu bobin, bütün səmərəsizlikləri və kommutasiya itkilərini nəzərə almır. Təchizat gərginliyini artırmaqla daha böyük çıxış gücü əldə edilə bilər. Bu hesablamaların hamısı bu təlimata daxil edilmiş elektron cədvəlin "Cədvəl 1: Yüksək Gərginlik Güc Təchizatı üçün Bobin Hesablamaları" nda həyata keçirilir. Bir neçə nümunə rulon daxil edilir.

Addım 3: SMPS -ni bir mikro nəzarətçi ilə idarə etmək

Bobinin yüksəlmə müddətini hesabladıqdan sonra, bir mikro nəzarətçini nominal mA -ya çatmaq üçün kifayət qədər uzun müddət şarj etmək üçün proqramlaşdıra bilərik. Bunun ən asan yollarından biri, PIC -in nəbz genişliyi modulyatorundan istifadə etməkdir. Pulse width modulation (PWM), aşağıdakı şəkildə təsvir olunan iki dəyişənə malikdir. İş dövrü ərzində PIC, FET -i işə salır, onu topraklayır və indüktör bobininə cərəyan verir (artım vaxtı). Qalan müddət ərzində FET sönür və cərəyan induktordan diod vasitəsilə kondansatörlərə və yükə axır (düşmə vaxtı). Əvvəlki hesablamalarımızdan tələb olunan artım müddətini artıq bilirik: 13.5uS. TB053, artım müddətinin dövrün 75% -i olduğunu irəli sürür. Dövr dəyərimi yüksəliş vaxtını 1.33: 17.9uS ilə vuraraq təyin etdim. Bu, TB053 -dəki təklifə uyğundur və induktorun fasiləsiz rejimdə qalmasını təmin edir - hər şarjdan sonra tamamilə boşalır. Hesablanmış yüksəliş vaxtını hesablanmış düşmə vaxtına əlavə edərək daha dəqiq bir dövr hesablamaq mümkündür, amma mən buna cəhd etməmişəm. İstənilən vaxt aralığını əldə etmək üçün mikro nəzarətçiyə daxil olmaq üçün faktiki iş dövrü və dövr dəyərlərini təyin edə bilərik.. Microchip PIC Orta sıra təlimatında aşağıdakı tənlikləri tapırıq (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 Öncədən hesablayıcıyı 1 olaraq təyin etsək və bu tənliyi bir cəbr çubuğu ilə məğlub etsək: 10 bit Duty Cycle Value = PWM Duty Cycle uS * Osilatör Frekansı Hesablanmış artım müddəti üçün Duty Cycle uS -ni əvəz edin və 8 Mhz osilatoru qəbul edin. tezlik: 107 = 13.5uS * 8Mhz107, 13.5uS bir iş dövrü əldə etmək üçün PIC -ə daxil edilir. Sonra PWM Dövr Dəyərini təyin edirik. Orta Səviyyə Təlimatından aşağıdakı tənliyi alırıq: PWM dövrü uS = ((PWM dövrü dəyəri) + 1) * 4 * (1/osilator tezliyi) * (qiymətləndirmə dəyəri) Yenə də prescaler 1 olaraq təyin edirik və tənliyi təhqir edirik bizə verən PWM dövrü dəyəri üçün: PWM dövrü dəyəri = ((PWM Dövrü uS/(4/Osilatör tezliyi))-1) Dövr uS-ni (1.33*artım vaxtı) ilə əvəz edin və 8 Mhz osilatör tezliyi qəbul edin: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35, 17.9uS müddətini əldə etmək üçün PIC-ə daxil edilir. Amma gözləyin! Dövr vəzifə dövründən daha qısa deyilmi? Xeyr - PIC -lərdə 10 bitlik vəzifə dövrü reyestri və 8 bitlik dövr qeydiyyatı var. Vəzifə dövrü dəyəri üçün daha çox qətnamə var, buna görə də dəyəri bəzən dövr dəyərindən daha böyük olacaq - xüsusən də yüksək tezliklərdə. Bu hesablamaların hamısı bu təlimata daxil edilmiş cədvəlin "Cədvəl 2. PWM Hesablamaları" nda həyata keçirilir. Bir neçə nümunə rulon daxil edilir.

Addım 4: PCB Dizaynı

PCB və CCT EagleCad formatındadır. Hər ikisi ZIP arxivinə daxil edilmişdir.

Bu PCB hazırlayarkən bir neçə mövcud dizaynı araşdırdım. İşdə qeydlərim: vacib dizayn xüsusiyyətləri: 1. Microchip APP qeydini izlədim və FET sürmək üçün TC4427A istifadə etdim. Bu A) mikro nəzarətçini FET -dən gələn geri dönmə gərginliklərindən qoruyur və B) daha yaxşı səmərəliliyi ilə daha sürətli/daha sərt keçid üçün FET -i PIC -dən daha yüksək gərginlikdə idarə edə bilər. 2. PIC -in PWM -dən FET -ə olan məsafə minimuma endirilir. 3. FET, indüktör, kondansatörler həqiqətən sıxdır. 4. Yağ tədarükü izi. 5. FET ilə wall-wort əlaqə nöqtəsi arasında yaxşı zəmin. Bu layihə üçün PIC 12F683 mikro nəzarətçisini seçdim. Bu, hardware PWM, 4 analoqdan rəqəmsal çeviriciyə, 8Mhz daxili osilatora və 256 baytlıq EEPROM -ə malik 8 pinli PIC -dir. Ən əsası, əvvəlki bir layihədən bir şeyim vardı. Neonixie-L siyahısında yüksək bəyənmə qazandığı üçün IRF740 FET-dən istifadə etdim. HV təchizatını hamarlaşdırmaq üçün 2 kondansatör var. Biri elektrolitik (yüksək temperatur, 250 volt, 1uF), digəri metal bir filmdir (250 volt, 0.47uf). İkincisi daha böyük və daha bahalıdır ($ 0,50 vs 0,05), lakin təmiz bir çıxış əldə etmək üçün lazımdır. Bu dizaynda iki gerilim geribildirim dövrəsi var. Birincisi, PIC -in çıxış gərginliyini hiss etməsinə və istədiyiniz səviyyəni qorumaq üçün FET -ə zərbələr tətbiq etməsinə imkan verir. "Cədvəl3. Yüksək Gərginlikli Əlaqə Şəbəkəsi Hesablamaları" 3 rezistorlu gərginlik bölücüsünü və istənilən çıxış gərginliyini nəzərə alaraq düzgün geribildirim dəyərini təyin etmək üçün istifadə edilə bilər. İncə tənzimləmə 1k trimmer rezistoru ilə aparılır. İkinci geribildirim, təchizat gərginliyini ölçür, belə ki PIC optimal yüksəliş vaxtını (və dövr/vəzifə dövrü dəyərlərini) təyin edə bilər. 1 -ci addımdakı tənliklərdən induktorun yüksəlmə müddətinin təchizat gərginliyindən asılı olduğunu gördük. PIC -ə elektron tablodan dəqiq dəyərlər daxil etmək mümkündür, ancaq enerji təchizatı dəyişdirilərsə, dəyərlər artıq optimal deyil. Batareyalarla işləsəniz, batareyaların boşalması ilə gərginlik azalacaq, çünki daha uzun bir artım müddəti lazımdır. Mənim həllim, PIC -in bütün bunları hesablamasına və öz dəyərlərini təyin etməsinə icazə vermək idi (firmware -ə baxın). Üç pinli tullanan, TC4427A və indüktör bobini üçün təchizat mənbəyini seçir. Hər ikisini 7805 5 voltluq tənzimləyicidən işə salmaq mümkündür, lakin daha böyük səmərəlilik və daha yüksək çıxış daha böyük bir təchizat gərginliyi ilə əldə edilir. Həm TC4427a, həm də IRF740 FET ~ 20 volta qədər davam edə bilər. PIC hər hansı bir təchizat gərginliyi üçün kalibrləmə aparacağından, bunları birbaşa enerji təchizatı ilə təmin etmək məntiqlidir. Bu, batareyanın işində xüsusilə vacibdir - 7805 -də güc itkisinə ehtiyac yoxdur, sadəcə induktoru birbaşa hüceyrələrdən qidalandırın. LEDlər isteğe bağlıdır, lakin problemlərin aradan qaldırılması üçün əlverişlidir. 'Sol' LED (lövhələrimdəki sarı), HV geribildiriminin istənilən nöqtənin altında olduğunu, sağdakı LED (dizaynımda qırmızı) bitdiyini göstərir. Təcrübədə, LED -lərin cari yükə nisbətən intensiv olaraq parladığı gözəl bir PWM effekti əldə edirsiniz. Qırmızı LED sönərsə (bərk), bu, ən yaxşı səyinə baxmayaraq, PIC -in çıxış gərginliyini istənilən səviyyədə saxlaya bilməyəcəyini göstərir. Başqa sözlə, yük SMPS maksimum çıxışını aşır. QIRMIZI GÖSTƏRİLƏN JUMPER TELLƏRİ UNUTMAYIN! Parça siyahısı Qiymət 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 voltlu tənzimləyici IC7 PIC 12F68 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Lineer Giyotin R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 Pinli Başlıq X2 3 Vidalı Terminal

Addım 5: Firmware

Firmware MikroBasic -də yazılmışdır, tərtibçi 2K -a qədər olan proqramlar üçün pulsuzdur (https://www.mikroe.com/). Bir PIC proqramçısına ehtiyacınız varsa, təlimatlarda yerləşdirilmiş təkmilləşdirilmiş JDM2 proqramçı lövhəmi nəzərdən keçirin (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Əsas əməliyyat: 1. Güc tətbiq edildikdə PIC başlayır. 2. Gərginliyin sabitləşməsinə imkan vermək üçün PIC 1 saniyə gecikir. 3. PIC, təchizat gərginliyi geribildirimini oxuyur və optimal iş dövrü və dövr dəyərlərini hesablayır. 4. PIC, ADC oxunuşunu, vəzifə dövrünü və dövr dəyərlərini EEPROM -a qeyd edir. Bu, müəyyən problemlərin aradan qaldırılmasına imkan verir və fəlakətli uğursuzluqların diaqnozuna kömək edir. EEPROM ünvanı 0 yazma göstəricisidir. SMPS hər dəfə (yenidən) başladıqda bir 4 baytlıq qeyd saxlanılır. İlk 2 bayt ADC yüksək/aşağı, üçüncü bayt daha aşağı 8 bit vəzifə dövrü dəyəridir, dördüncü bayt dövr dəyəridir. Yazı göstəricisi yuvarlanmadan və EEPROM 1 ünvanında yenidən başlamazdan əvvəl cəmi 50 kalibrləmə (200 bayt) qeyd olunur. Ən son qeyd göstərici-4-də yerləşəcəkdir. Bunları bir PIC proqramçısı istifadə edərək çipdən oxumaq olar. Üst 55 bayt gələcək inkişaflar üçün pulsuz olaraq qalır (təkmilləşdirmələrə baxın). 5. PIC sonsuz döngəyə daxil olur - yüksək gərginlikli geribildirim dəyəri ölçülür. İstədiyiniz dəyərin altındadırsa, PWM vəzifə dövrü qeydləri hesablanmış dəyərlə yüklənir - DİQQƏT: alt iki bit vacibdir və CPP1CON 5: 4 -ə yüklənməlidir, yuxarı 8 bit CRP1L -ə daxil olur. Geribildirim istədiyiniz dəyərdən yüksəkdirsə, PIC iş dövrü qeydlərini 0 ilə yükləyir. Bu 'nəbz atlama' sistemidir. İki səbəbdən nəbz atlamasına qərar verdim: 1) belə yüksək tezliklərdə oynamaq üçün çoxlu vəzifə genişliyi yoxdur (nümunəmizdə 0-107, daha yüksək təchizat gərginliyində daha az) və 2) tezlik modulyasiyası mümkündür, və tənzimləmə üçün daha çox yer verir (nümunəmizdə 35-255), ancaq SADƏCƏ VƏZİFƏ ƏLAQƏDƏ İKİ QƏFƏRDİR. PWM işləyərkən tezliyin dəyişdirilməsi 'qəribə' təsirlərə səbəb ola bilər. Firmware istifadə: Firmware istifadə etmək üçün bir neçə kalibrləmə addımı tələb olunur. Bu dəyərlər firmware -də toplanmalıdır. Bəzi addımlar isteğe bağlıdır, ancaq enerji təchizatınızdan maksimum faydalanmanıza kömək edəcək. const v_ref float = 5.1 'float kimi const tədarükü = 11.35' float const osc_freq kimi float = 8 'float const L_Ipeak kimi float = 67' float const fb_value olaraq söz = 290 'söz Bu dəyərlər üst hissədə tapıla bilər firmware kodu. Dəyərləri tapın və aşağıdakı kimi təyin edin. v_ref Bu ADC -nin gərginlik istinadıdır. Bu, 1 -ci addımda təsvir olunan tənliklərə daxil olmaq üçün faktiki təchizat gərginliyini təyin etmək üçün lazımdır. PIC 7805 5 voltluq bir tənzimləyicidən işləyirsə, təxminən 5 volt gözləmək olar. Bir multimetrdən istifadə edərək, vida terminalındakı PIC güc pimi (PIN1) ilə torpaq arasındakı gərginliyi ölçün. Mənim dəqiq dəyərim 5.1 volt idi. Bu dəyəri bura daxil edin. supply_ratio Təchizat gərginliyi bölücü 100K və 10K rezistordan ibarətdir. Teorik olaraq geribildirim, 11 -ə bölünən təchizat gərginliyinə bərabər olmalıdır (bax. Cədvəl 5. Təchizat Gərginliyi Əlaqə Şəbəkəsi Hesablamaları). Praktikada rezistorlar müxtəlif tolerantlıqlara malikdir və dəqiq dəyərlər deyil. Dəqiq geribildirim nisbətini tapmaq üçün: 1. Vida terminalları arasındakı təchizat gərginliyini ölçün. 2. Vida terminalında PIC pin 7 ilə torpaq arasındakı geribildirim gərginliyini ölçün. 3. Tam bir nisbət əldə etmək üçün Supply V -ni FB V -ə bölün. "Cədvəl 6. Təchizat Gərginliyi Əlaqə Kalibrasiyası" ndan da istifadə edə bilərsiniz. osc_freq Sadəcə osilatorun tezliyi. 12F683 daxili 8Mhz osilatordan istifadə edirəm, buna görə də 8 dəyərini daxil edirəm. L_Ipeak Bu dəyəri əldə etmək üçün uH indüktör bobini maksimum davamlı amperə vurun. Nümunədə 22r104C.67amps davamlı qiymətləndirmə ilə 100uH bobindir. 100*.67 = 67. Burada dəyərin vurulması, 32 bitlik üzən nöqtə dəyişənini və əks halda PIC -də edilməli olan hesablamanı aradan qaldırır. Bu dəyər "Cədvəl 1: Yüksək Gərginlik Güc Təchizatı üçün Bobin Hesablamaları" nda hesablanır. fb_value Bu, yüksək gərginlikli çıxışın istənilən səviyyədən yuxarı və ya aşağı olduğunu müəyyən etmək üçün PIC -in istifadə edəcəyi faktiki tam dəyərdir. Xətti trimmer mərkəzi mövqedə olduqda HV çıxışı ilə geribildirim gərginliyi arasındakı nisbəti təyin etmək üçün Cədvəl 3 -dən istifadə edin. Mərkəz dəyərinin istifadəsi hər iki tərəfdə tənzimləmə otağı verir. Daha sonra, fb_value təyin etmək üçün "Cədvəl 4. Yüksək Gerilim Əlaqəsi ADC Set Dəyəri" nə bu nisbəti və dəqiq gərginlik istinadınızı daxil edin. Bu dəyərləri tapdıqdan sonra onları koda daxil edin və tərtib edin. HEX -i PIC -ə yandırın və getməyə hazırsınız! UNUTMAYIN: EEPROM bayt 0, log yazma göstəricisidir. Təzə bir fotoşəkildə bayt 1 -ə daxil olmağa başlamaq üçün 1 -ə qoyun. Kalibrləmə səbəbindən FET və indüktör heç vaxt isinməməlidir. İndüktör bobinindən bir zəng səsi eşitməməlisiniz. Bu şərtlərin hər ikisi bir kalibrləmə səhvini göstərir. Probleminizin harada ola biləcəyini təyin etmək üçün EEPROMdakı məlumat qeydini yoxlayın.

Addım 6: Təkmilləşdirmələr

Bir neçə şeyi yaxşılaşdırmaq olar:

1. Daha yaxşı torpaq yolu üçün vida terminalını FET -ə yaxın qoyun. 2. Təchizat izini kondansatörlərə və induktora yağlayın. 3. Batareyaların işini və 7 voltdan az olan təchizat gərginliyini yaxşılaşdırmaq üçün sabit bir gərginlik arayışını əlavə edin (7805 -in çıxışı 5 voltdan aşağı olduqda). 4. Üstün 55 EEPROM baytından faydasız məlumatların cüzi hissəsini daxil etmək üçün istifadə edin - ümumi iş vaxtı, həddindən artıq yükləmə hadisələri, min/maksimum/orta yük. -ian-instisiyalar-at-harada-dot-com