منبع تغذیه سوئیچ ولتاژ بالا (SMPS)/تقویت کننده برای لوله های نیکسی: 6 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

این SMPS ولتاژ پایین (5-20 ولت) را به ولتاژ بالا مورد نیاز برای هدایت لوله های نیکسی (170-200 ولت) افزایش می دهد. هشدار داده شود: حتی اگر این مدار کوچک را می توان با باتری/دیوارهای ولتاژ پایین کار کرد ، خروجی برای کشتن شما بیش از حد کافی است!

پروژه شامل: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT & PCB files MikroBasic Firmware Source

مرحله 1: چگونه کار می کند؟

این طرح بر اساس Microchip Application Note TB053 با چندین تغییر بر اساس تجربه اعضای Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/) طراحی شده است. یادداشت برنامه را دریافت کنید - فقط چند صفحه آن را بخوانید: (https://ww1.microchip.com/downloads/fa/AppNotes/91053b.pdf) تصویر زیر برگرفته از TB053 است. این اصل اساسی در پشت SMPS را بیان می کند. یک میکروکنترلر FET (Q1) را محکم می کند و اجازه می دهد تا یک بار در سلف L1 ایجاد شود. هنگامی که FET خاموش است ، بار از طریق دیود D1 به خازن C1 جریان می یابد. Vvfb یک بازخورد تقسیم ولتاژ است که به میکروکنترلر اجازه می دهد ولتاژ بالا را کنترل کرده و FET را در صورت نیاز برای حفظ ولتاژ مورد نظر فعال کند.

مرحله 2: ویژگی های سلف

اگرچه بسیار خوب است ، اما یادداشت برنامه Microchip برای من کمی عقب تر به نظر می رسد. با تعیین توان مورد نیاز شروع می شود ، سپس زمان بارگذاری سلف را بدون نگرانی از سلف های موجود انتخاب می کند. به نظر من انتخاب یک سلف و طراحی برنامه در اطراف آن مفیدتر است. سلف هایی که استفاده کردم "C & D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" هستند (قسمت موزر 580-18R104C ، 1.2 آمپر ، 1.40 دلار) ، (بخش موز 580-22R104C ، 0.67 آمپر ، 0.59 دلار) من این سلف ها را انتخاب کردم زیرا بسیار کوچک هستند ، بسیار ارزان هستند ، اما دارای قدرت مناسب هستند. ما در حال حاضر حداکثر درجه پیوسته سیم پیچ ما (0.67 آمپر برای 22R104C) را می دانیم ، اما باید بدانیم چقدر طول می کشد تا شارژ شود (زمان برخاستن). به جای استفاده از زمان شارژ ثابت (به معادله 6 در TB053 مراجعه کنید) برای تعیین آمپرهای سیم پیچ مورد نیاز ، می توانیم معادله 6 را مورد بازجویی قرار دهیم و زمان افزایش را حل کنیم: (توجه: معادله 6 در TB053 اشتباه است ، باید L باشد ، نه 2L) (ولتاژ در/سلف uH)*زمان_جلو = پیک آمپر-می شود- (سلف uH/ولت در)*پیک آمپر = زمان افزایش. استفاده از 22R104C با منبع تغذیه 5 ولت موارد زیر را نشان می دهد- (100/5)*0.67 = برای شارژ کامل سیم پیچ سلف در 5 ولت 13.5 uS زمان نیاز است. بدیهی است که این مقدار با ولتاژهای تغذیه متفاوت متفاوت خواهد بود. همانطور که در TB053 ذکر شد: "جریان در یک سلف نمی تواند به طور لحظه ای تغییر کند. هنگامی که Q1 خاموش است ، جریان در L1 از طریق D1 به خازن ذخیره ، C1 و بار RL ادامه می دهد. بنابراین ، جریان در سلف از زمان پیک به طور خطی کاهش می یابد. "ما می توانیم با استفاده از معادله 7 TB05 مقدار زمان لازم برای خروج جریان از سلف را تعیین کنیم. در عمل این زمان بسیار کوتاه است. این معادله در صفحه گسترده موجود اجرا شده است ، اما در اینجا مورد بحث قرار نخواهد گرفت. چه مقدار قدرت می توانیم از یک سلف 0.67 آمپر خارج کنیم؟ کل توان با معادله زیر (معادله 5 tb053) تعیین می شود: قدرت = (((زمان افزایش)*(ولتاژ در)^{2)/(2*القایی uH))}با استفاده از مقادیر قبلی-1.68 وات = (13.5uS*5 ولت)^2)/(2*100uH)-تبدیل وات به mA-mA = ((توان وات)/(ولتاژ خروجی))*1000-با استفاده از ولتاژ خروجی 180 به دست می آوریم-9.31mA = (1.68 وات/180 ولت)*1000 ما حداکثر می توانیم 9.31 میلی آمپر از این سیم پیچ با منبع تغذیه 5 ولت ، نادیده گرفتن همه ناکارآمدی ها و تلفات سوئیچینگ را در نظر می گیرد. با افزایش ولتاژ منبع تغذیه می توان به خروجی بیشتری دست یافت. همه این محاسبات در "جدول 1: محاسبات سیم پیچ برای منبع تغذیه ولتاژ بالا" از صفحه گسترده ای که همراه این دستورالعمل است ، اجرا شده است. چندین کویل نمونه وارد شده است.

مرحله 3: رانندگی SMPS با میکروکنترلر

اکنون که زمان افزایش سیم پیچ خود را محاسبه کرده ایم ، می توانیم یک میکروکنترلر را طوری برنامه ریزی کنیم که آن را به اندازه کافی شارژ کند تا به mA نامی خود برسد. یکی از ساده ترین راه ها برای انجام این کار استفاده از تعدیل کننده عرض پالس سخت افزاری یک PIC است. مدولاسیون عرض پالس (PWM) دارای دو متغیر است که در شکل زیر مشخص شده است. در طول چرخه وظیفه ، PIC FET را روشن می کند ، آن را زمین می کند و اجازه می دهد جریان به سیم پیچ سلف (زمان افزایش) برسد. در طول باقی مانده دوره FET خاموش است و جریان از سلف از طریق دیود به خازن ها و بار (زمان سقوط) خارج می شود. ما قبلاً زمان افزایش مورد نیاز را از محاسبات قبلی خود می دانیم: 13.5uS. TB053 پیشنهاد می کند که زمان افزایش 75 of از دوره باشد. من مقدار دوره خود را با ضرب زمان افزایش در 1.33: 17.9uS تعیین کردم. این با پیشنهاد TB053 مطابقت دارد و اطمینان می دهد که سلف در حالت ناپیوسته باقی می ماند - پس از هر بار شارژ کاملاً تخلیه می شود. ممکن است با افزودن زمان افزایش محاسبه شده به زمان پاییز محاسبه شده ، یک دوره دقیق تر محاسبه شود ، اما من این کار را انجام نداده ام. اکنون می توان چرخه وظیفه واقعی و مقادیر دوره را برای ورود به میکروکنترلر برای بدست آوردن بازه های زمانی مورد نظر تعیین کرد. به در راهنمای میان رده Microchip PIC ما معادلات زیر را پیدا می کنیم (https://ww1.microchip.com/downloads/fa/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 اگر پیش سنج را روی 1 قرار دهیم و این معادله را با یک چوب جبری بکوبیم ، بدست می آوریم: فرکانس: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 برای دریافت چرخه وظیفه 13.5uS وارد PIC می شود. در مرحله بعد ، ما مقدار دوره PWM را تعیین می کنیم. از راهنمای محدوده متوسط معادله زیر را بدست می آوریم: دوره PWM uS = ((مقدار دوره PWM) + 1) * 4 * (فرکانس 1/نوسان ساز) * (مقدار پیش تعیین شده) مجددا ، پیش سنج را روی 1 تنظیم کرده و معادله را آزار می دهیم برای مقدار دوره PWM ، به ما می دهد: مقدار دوره PWM = (((PWM Period uS/(4/فرکانس نوسان ساز))-1) دوره US جایگزین برای (1.33*زمان افزایش) ، و فرض فرکانس نوسان ساز 8 مگاهرتز: 35 = (((17.9/(4/8))-1) 35 به PIC وارد می شود تا دوره 17.9uS دریافت کند. اما صبر کن! آیا این دوره کوتاهتر از چرخه وظیفه نیست؟ خیر - PIC ها دارای یک رجیستر چرخه وظیفه 10 بیتی و یک رجیستر دوره 8 بیتی هستند. وضوح بیشتری برای مقدار چرخه وظیفه وجود دارد ، بنابراین مقدار آن گاهی بزرگتر از مقدار دوره - به ویژه در فرکانس های بالا است. همه این محاسبات در "جدول 2. محاسبات PWM" صفحه گسترده ای که همراه این دستورالعمل است ، اجرا می شود. چندین کویل نمونه وارد شده است.

مرحله 4: طراحی PCB

PCB و CCT در قالب EagleCad هستند. هر دو در بایگانی ZIP قرار دارند.

هنگام ساخت این PCB چندین طرح موجود را بررسی کردم. در اینجا یادداشت های من مربوط به ویژگی های مهم طراحی است: 1. من تبصره برنامه Microchip را دنبال کردم و از TC4427A برای رانندگی FET استفاده کردم. این الف) از میکروکنترلر در برابر ولتاژهای برگشتی از FET محافظت می کند ، و B) می تواند FET را با ولتاژهای بالاتر از PIC برای سوئیچ سریع تر/سخت تر و با کارایی بهتر هدایت کند. 2. فاصله از PWM PIC تا FET به حداقل می رسد. 3. FET ، سلف ، خازن ها بسته بندی شده اند. 4. رد عرضه چربی. 5. زمین خوب بین FET و نقطه اتصال دیوار وورت. من میکروکنترلر PIC 12F683 را برای این پروژه انتخاب کردم. این یک PIC 8 پین با سخت افزار PWM ، 4 مبدل آنالوگ به دیجیتال ، نوسان ساز داخلی 8 مگاهرتز و 256 بایت EEPROM است. مهمتر از همه ، من یک مورد از پروژه قبلی داشتم. من از IRF740 FET به دلیل استقبال زیاد در لیست Neonixie-L استفاده کردم. 2 خازن برای صاف کردن منبع HV وجود دارد. یکی الکترولیتی (دمای بالا ، 250 ولت ، 1uF) ، دیگری یک فیلم فلزی (250 ولت ، 0.47uf) است. دومی بسیار بزرگتر و گرانتر است (0.50 دلار در مقابل 0.05 دلار) ، اما برای دستیابی به خروجی پاک ضروری است. در این طرح دو مدار بازخورد ولتاژ وجود دارد. اولین مورد به PIC اجازه می دهد تا ولتاژ خروجی را حس کرده و در صورت نیاز برای حفظ سطح مطلوب ، پالس هایی را به FET اعمال کند. با توجه به تقسیم کننده ولتاژ مقاومت 3 و ولتاژ خروجی مطلوب ، می توان از "جدول 3 محاسبات شبکه بازخورد ولتاژ بالا" استفاده کرد. تنظیم دقیق با مقاومت تریمر 1k انجام می شود. بازخورد دوم ولتاژ منبع را اندازه گیری می کند تا PIC بتواند زمان صعود بهینه (و مقادیر دوره/دوره کار) را تعیین کند. از معادلات مرحله 1 دریافتیم که زمان افزایش سلف به ولتاژ منبع بستگی دارد. ممکن است مقادیر دقیق را از صفحه گسترده در PIC خود وارد کنید ، اما در صورت تغییر منبع تغذیه ، دیگر مقادیر بهینه نیستند. در صورت کار با باتری ، با خالی شدن باتری ها ولتاژ کاهش می یابد و زمان افزایش طولانی تری را لازم می کند. راه حل من این بود که اجازه دهم PIC همه این موارد را محاسبه کرده و مقادیر خود را تعیین کند (به سیستم عامل مراجعه کنید). بلوز سه پین منبع تغذیه TC4427A و سیم پیچ سلف را انتخاب می کند. می توان هر دو را از رگولاتور 5 ولت 7805 اجرا کرد ، اما با ولتاژ تغذیه بیشتر بازدهی بهتر و خروجی بالاتر حاصل می شود. TC4427a و IRF740 FET تا 20 ولت پوند مقاومت خواهند کرد. از آنجا که PIC برای هرگونه ولتاژ منبع کالیبره می شود ، منطقی است که آنها را مستقیماً از منبع تغذیه تغذیه کنیم. این امر در عملکرد باتری بسیار مهم است - نیازی به هدر دادن قدرت در 7805 نیست ، فقط سلف را مستقیماً از سلول ها تغذیه کنید. LED ها اختیاری هستند ، اما برای مشکل عکاسی مفید هستند. LED "سمت چپ" (زرد در تخته های من) نشان می دهد که بازخورد HV زیر نقطه مورد نظر است ، در حالی که LED سمت راست (در طراحی من قرمز) نشان می دهد که تمام شده است. در عمل شما یک اثر PWM خوب به دست می آورید که در آن شدت LEDS نسبت به بار فعلی می درخشد. اگر LED قرمز خاموش شود (ثابت) نشان می دهد که با وجود تمام تلاش خود ، PIC نمی تواند ولتاژ خروجی را در سطح مطلوب نگه دارد. به عبارت دیگر ، بار بیش از حداکثر خروجی SMPS است. سیم های پرش نشان داده شده با قرمز را فراموش نکنید! Partlist Part Part Value 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 IC7 PIC 12F68 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K تریمر خطی R4 330 اهم R5 100K R6 330 اهم R7 10K SV1 3 پین هدر X2 3 پایانه پیچ

مرحله 5: سیستم عامل

سیستم عامل به زبان MikroBasic نوشته شده است ، کامپایلر برای برنامه های حداکثر تا 2K (https://www.mikroe.com/) رایگان است. اگر به برنامه نویس PIC احتیاج دارید ، صفحه برنامه نویس JDM2 پیشرفته من را که در دستورالعمل ها (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/؟ALLSTEPS) ارسال شده است در نظر بگیرید. عملیات اصلی: 1. هنگامی که برق اعمال می شود PIC شروع می شود. 2. PIC به مدت 1 ثانیه تأخیر می کند تا ولتاژها تثبیت شوند. 3. PIC بازخورد ولتاژ منبع را می خواند و چرخه بهینه کار و مقادیر دوره را محاسبه می کند. 4. PIC خواندن ADC ، چرخه وظیفه و مقادیر دوره را به EEPROM وارد می کند. این به شما امکان می دهد در عکاسی مشکل ایجاد کنید و به تشخیص خرابی های فاجعه بار کمک کنید. آدرس EEPROM 0 اشاره گر نوشتن است. هر بار که SMPS (دوباره) شروع می شود ، یک گزارش 4 بایت ذخیره می شود. 2 بایت اول ADC بالا/پایین است ، بایت سوم 8 بیت پایین تر از چرخه وظیفه است ، چهارمین بایت مقدار دوره است. در مجموع 50 کالیبراسیون (200 بایت) قبل از چرخاندن نشانگر نوشتار وارد شده و دوباره در آدرس EEPROM 1 شروع می شود. اینها را می توان با استفاده از یک برنامه نویس PIC از تراشه خواند. 55 بایت بالا برای پیشرفتهای بعدی رایگان است (به بهبودها مراجعه کنید). 5. PIC وارد حلقه بی پایان می شود - مقدار بازخورد ولتاژ بالا اندازه گیری می شود. اگر زیر مقدار دلخواه باشد ، ثبت کننده های چرخه وظیفه PWM با مقدار محاسبه شده بارگذاری می شوند - توجه: دو بیت پایین مهم هستند و باید در CPP1CON 5: 4 بارگذاری شوند ، 8 بیت بالا به CRP1L می رود. اگر بازخورد از مقدار مورد نظر بیشتر باشد ، PIC ثبت کننده چرخه وظیفه را با 0 بارگذاری می کند. این یک سیستم "رد کردن پالس" است. من به دو دلیل در مورد رد شدن پالس تصمیم گرفتم: 1) در چنین فرکانسهای بالا عرض زیادی برای بازی وجود ندارد (در مثال ما 0-107 ، در ولتاژهای منبع تغذیه بیشتر کمتر) ، و 2) تعدیل فرکانس امکان پذیر است ، و فضای بیشتری برای تعدیل می دهد (در مثال ما 35-255) ، اما فقط وظیفه در سخت افزار دو برابر می شود. تغییر فرکانس در حین کار PWM می تواند تأثیرات "عجیبی" داشته باشد. استفاده از سیستم عامل: چندین مرحله کالیبراسیون برای استفاده از سیستم عامل مورد نیاز است. این مقادیر باید در سیستم عامل کامپایل شوند. برخی از مراحل اختیاری است ، اما به شما کمک می کند حداکثر استفاده را از منبع تغذیه خود ببرید. 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 این مقادیر را می توان در بالای عبارت یافت کد سیستم عامل مقادیر را پیدا کرده و به صورت زیر تنظیم کنید. v_ref این مرجع ولتاژ ADC است. این امر برای تعیین ولتاژ تغذیه واقعی لازم است تا در معادلات شرح داده شده در مرحله 1 گنجانده شود. اگر PIC از تنظیم کننده 7805 5 ولت اجرا شود ، می توانیم حدود 5 ولت انتظار داشته باشیم. با استفاده از مولتی متر ، ولتاژ بین پین برق PIC (PIN1) و زمین را در ترمینال پیچ اندازه گیری کنید. مقدار دقیق من 5.1 ولت بود. این مقدار را در اینجا وارد کنید. supply_ratio تقسیم ولتاژ منبع تغذیه از یک مقاومت 100K و 10K تشکیل شده است. از نظر تئوری بازخورد باید برابر ولتاژ تغذیه تقسیم بر 11 باشد (به جدول 5 مراجعه کنید. محاسبات شبکه بازخورد ولتاژ منبع تغذیه). در عمل ، مقاومت ها تحمل های مختلفی دارند و مقادیر دقیقی نیستند. برای پیدا کردن نسبت بازخورد دقیق: 1. ولتاژ منبع تغذیه بین پایانه های پیچ را اندازه گیری کنید. 2. ولتاژ بازخورد بین پایه PIC 7 و زمین را در ترمینال پیچ اندازه گیری کنید. 3. برای بدست آوردن نسبت دقیق ، Supply V را با FB V تقسیم کنید. همچنین می توانید از "جدول 6. کالیبراسیون بازخورد ولتاژ منبع تغذیه" استفاده کنید. osc_freq به سادگی فرکانس نوسان ساز. من از نوسان ساز 12F683 داخلی 8 مگاهرتز استفاده می کنم ، بنابراین مقدار 8 را وارد می کنم. در مثال 22r104C یک سیم پیچ 100uH با امتیاز.67 آمپر پیوسته است. 100*.67 = 67. ضرب مقدار در اینجا یک متغیر نقطه شناور 32 بیتی و محاسبه ای که در غیر این صورت باید در PIC انجام شود را حذف می کند. این مقدار در "جدول 1: محاسبه کویل برای منبع تغذیه ولتاژ بالا" محاسبه می شود. fb_value این مقدار صحیح واقعی است که PIC از آن برای تعیین میزان خروجی ولتاژ بالا از سطح مطلوب یا پایین استفاده می کند. از جدول 3 برای تعیین نسبت بین خروجی HV و ولتاژ بازخورد هنگامی که تریمر خطی در موقعیت مرکزی قرار دارد ، استفاده کنید. با استفاده از مقدار مرکز ، اتاق تنظیم در هر دو طرف ایجاد می شود. در مرحله بعد ، این نسبت و مرجع دقیق ولتاژ خود را در "جدول 4. مقدار ولتاژ بالا Feedback ADC Set Value" برای تعیین fb_value وارد کنید. پس از یافتن این مقادیر ، آنها را در کد وارد کرده و کامپایل کنید. HEX را به PIC بسوزانید و آماده رفتن هستید! به یاد داشته باشید: EEPROM بایت 0 نشانگر نوشتن log است. آن را روی 1 تنظیم کنید تا ورود به بایت 1 در یک عکس تازه شروع شود. به دلیل کالیبراسیون ، FET و سلف هرگز نباید گرم شوند. همچنین نباید صدای زنگ را از سیم پیچ سلف بشنوید. هر دوی این شرایط خطای کالیبراسیون را نشان می دهد. ورود اطلاعات در EEPROM را بررسی کنید تا مشخص شود مشکل شما کجاست.

مرحله 6: پیشرفت ها

چند مورد می تواند بهبود یابد:

1. ترمینال پیچ را برای مسیر بهتر زمین به FET نزدیک کنید. 2. اثری از منبع تغذیه به خازن ها و سلف. 3. یک مرجع ولتاژ پایدار برای بهبود عملکرد باتری ها و ولتاژهای کمتر از 7 ولت (جایی که خروجی 7805 به زیر 5 ولت کاهش می یابد) اضافه کنید. 4. از 55 بایت EEPROM بالا برای ثبت کمی از داده های بی فایده - کل زمان اجرا ، رویدادهای اضافه بار ، حداقل/حداکثر/بار متوسط استفاده کنید. دستورالعمل های -ian-at-whereisian-dot-com