Жогорку чыңалуу которуу режими Power Supply (SMPS)/Boix Converter Nixie Tubes үчүн: 6 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:42

Бул SMPS төмөн чыңалууну (5-20 вольт) никси түтүктөрүн (170-200 вольт) айдоого керектүү жогорку чыңалууга чейин жогорулатат. Эскертүү: бул кичинекей схема батарейкаларда/төмөн чыңалуудагы дубалдарда иштесе да, чыгаруу сизди өлтүрүүгө жетиштүү!

Долбоор төмөнкүлөрдү камтыйт: Helper Spreadsheet EagleCAD CCT & PCB файлдары MikroBasic Firmware Source

1 -кадам: Бул кантип иштейт?

Бул дизайн Neonixie-L мүчөлөрүнүн тажрыйбасына негизделген бир нече өзгөртүүлөр менен Microchip Application Note TB053 негизделген (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Колдонмонун эскертмесин алыңыз - бул бир нече барактарды гана окуу: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Төмөндөгү сүрөттө TB053 үзүндүсү келтирилген. Бул SMPSтин артындагы негизги принципти баяндайт. Микроконтроллер LET индукторунда зарядды түзүүгө мүмкүндүк берген FET (Q1) негизин түзөт. FET өчүрүлгөндө, заряд D1 диоду аркылуу C1 конденсаторуна агат. Vvfb - бул микро чыңалуучуга жогорку чыңалууну көзөмөлдөөгө жана керектүү чыңалууну сактоо үчүн FETти иштетүүгө мүмкүнчүлүк берген чыңалуу бөлүштүрүүчү кайтарым байланыш.

2 -кадам: Индуктордук мүнөздөмөлөр

Microchip тиркемеси абдан жакшы болгону менен, мага бир аз артка көрүнөт. Бул керектүү кубаттуулукту аныктоо менен башталат, андан кийин жеткиликтүү индукторлорго көңүл бурбастан индуктордун заряддоо убактысын тандайт. Мен индукторду тандап, анын айланасында колдонмону иштеп чыгууну пайдалуу деп таптым. Мен колдонгон индукторлор "C&D Technologies RADIAL LEAD 100uH" (Mouser бөлүгү 580-18R104C, 1.2 ампер, $ 1.40), (Mouser бөлүгү 580-22R104C, 0.67 амп, $ 0.59). Мен бул индукторлорду тандадым, анткени алар абдан кичинекей, абдан арзан, бирок татыктуу кубаттуулукка ээ. Биз буга чейин катушкабыздын максималдуу үзгүлтүксүз рейтингин билебиз (22R104C үчүн 0.67 ампер), бирок биз заряддоого канча убакыт кетерин билишибиз керек (көтөрүлүү убактысы). Катуу амперди аныктоо үчүн белгиленген заряддоо убактысын колдонуунун ордуна (TB053 теӊдемесин 6 карагыла), биз 6 -теңдемени суракка алып, өсүү убактысын чече алабыз: (эскертүү: TB053 теӊдемеси 6 туура эмес, ал 2L эмес, L болушу керек) (Вольт/индуктор uH)*көтөрүлүү_ убактысы = Peak Amps -becomes- (Inductor uH/Volts in)*Peak Amps = өсүү убактысы. 5 вольтто индуктор катушкасын толук кубаттоо үчүн 13.5 АКШ керектелет. Албетте, бул баа ар кандай камсыздоо чыңалуусу менен өзгөрөт. TB053тө белгиленгендей: "Индуктордогу ток бир заматта өзгөрө албайт. Q1 өчүрүлгөндө, L1деги ток D1 аркылуу сактоочу конденсаторго, C1ге жана жүктү, RLге өтүүнү улантат. Ошентип, индуктордогу ток эң жогорку токтон баштап сызыктуу түрдө азаят. "TB05 7 теңдемесин колдонуу менен токтун индуктордон чыгуусуна кетүүчү убакытты аныктай алабыз. Иш жүзүндө бул убакыт өтө кыска. Бул теңдеме киргизилген таблицада ишке ашырылат, бирок бул жерде талкууланбайт. 0.67 амп индукторунан канча күч алабыз? Жалпы күч төмөнкү теңдеме менен аныкталат (tb053 теңдемеси 5): Күч = (((көтөрүлүү убактысы)*(Вольт менен)^{2)/(2*индуктор uH))}-мурунку баалуулуктарыбызды колдонуп, биз табабыз-1.68 Ватт = (13.5uS*5 вольт^2)/(2*100uH)-ватттарды mA-mAга айлантуу = ((Power Watts)/(output volts))*1000-180 чыгаруу чыңалуусун колдонуу менен биз табабыз-9.31mA = (1.68Watts/180volts)*1000We can we get maximum of 9.31 mA 5 вольт менен камсыздалган бул катушка, бардык эффективдүүлүккө жана жоготууларга көңүл бурбоо. Чоң өндүрүш кубаттуулугуна камсыздоо чыңалуусун жогорулатуу аркылуу жетишүүгө болот. Бул эсептөөлөрдүн бардыгы ушул инструктивдүү таблицанын "Таблица 1: Жогорку Чыңалуудагы Электр Жабдуулугуна Каттоо Эсептери" боюнча ишке ашырылат. Бир нече мисал катмары киргизилген.

3 -кадам: SMPSти микроконтроллер менен айдоо

Эми биз катушкабыздын көтөрүлүү убактысын эсептеп чыккандан кийин, микроконтроллерди максималдуу MAга жетүү үчүн аны заряддоого узак убакыт бою программалай алабыз. Мунун эң оңой жолдорунун бири - PICтин аппараттык импульстун модуляторун колдонуу. Pulse туурасы модуляциясы (PWM) төмөндөгү сүрөттө көрсөтүлгөн эки өзгөрмөлүү. Кызмат цикли учурунда PIC FETти күйгүзүп, жерге туташтырат жана токту индуктор катушка киргизет (көтөрүлүү убактысы). Калган мезгилде FET өчүрүлгөн жана ток индуктордон диод аркылуу конденсаторлорго жана жүктөмөлөргө агат (түшүү убактысы). Биз мурунку эсептөөлөрдөн керектүү өсүү убактысын билебиз: 13.5uS. TB053 жогорулоо убактысы мезгилдин 75% ын түзөт. Мен мезгилдин наркын өсүү убактысын 1.33: 17.9uSке көбөйтүү менен аныктадым. Бул TB053 сунушуна шайкеш келет жана индуктордун үзгүлтүксүз режимде болушун камсыздайт - ар бир заряддан кийин толугу менен заряддалат. Түшүнүктүү убакытты эсептелген күз мезгилине кошуу менен дагы так мезгилди эсептөө мүмкүн, бирок мен буга аракет кылган жокмун. Эми биз керектүү убакыт аралыгын алуу үчүн микроконтроллерге кирүү үчүн иш циклинин жана мезгилдин маанилерин аныктай алабыз.. Microchip PIC орто диапазонунда биз төмөнкү теңдемелерди табабыз (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Duty Cycle uS = (10 бит Duty Cycle Value) * (1 Эгерде биз алдын ала эсептегичти 1ге коюп, бул теңдемени алгебра таякчасы менен уруп алсак: 10 бит Duty Cycle Value = PWM Duty Cycle uS * Oscillator Frequency Duty Cycle uSти эсептелген көтөрүлүү убактысына алмаштырып, 8 Mhz осцилляторун кабыл алабыз. жыштык: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 13.5uS кызмат циклин алуу үчүн PICке киргизилет. Кийинки, биз PWM мезгилинин маанисин аныктайбыз. Орто диапазондогу колдонмодон биз төмөнкү теңдемеге ээ болобуз: PWM мезгили uS = ((PWM мезгилинин мааниси) + 1) * 4 * (1/осциллятордун жыштыгы) * (алдын ала баалоо) Кайра биз prescalerди 1 деп коюп, теңдемени бузабыз PWM мезгилинин мааниси үчүн, бизге: PWM мезгилинин мааниси = ((PWM Period uS/(4/Oscillator жыштыгы))-1) USS мезгилин (1.33*көтөрүлүү убактысы) алмаштыруу жана 8 Mhz осциллятор жыштыгын кабыл алуу: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 17.9uS мөөнөтүн алуу үчүн PICке киргизилет. Бирок күт! Мөөнөт кызматтык циклден кыска эмеспи? Жок - ПИКтерде 10 биттик цикл реестри жана 8 биттик мезгил реестри бар. Мөөнөт циклинин мааниси боюнча көбүрөөк чечим бар, андыктан анын мааниси кээде мезгилдин маанисинен чоңураак болот - айрыкча жогорку жыштыктарда. Бул эсептөөлөрдүн бардыгы ушул таблицада камтылган электрондук таблицанын "Таблица 2. PWM Эсептөөлөрүндө" ишке ашырылат. Бир нече мисал катмары киргизилген.

4 -кадам: PCB Дизайн

PCB & CCT EagleCad форматында. Экөө тең ZIP архивине киргизилген.

Бул ПКБны жасоодо мен иштеп жаткан бир нече дизайнды карадым. Бул жерде менин эскертүүлөрүм: маанилүү дизайндык мүнөздөмөлөр: 1. Мен Microchip APP эскертүүсүн ээрчип, FETти айдоо үчүн TC4427A колдондум. Бул A) микроконтроллерди FETтен түшүүчү flyback чыңалууларынан коргойт жана B) жакшыраак эффективдүүлүк менен FETти PICке караганда жогорку чыңалууда айдай алат. 2. PICтин PWMден FETке чейинки аралык минималдаштырылган. 3. FET, индуктор, конденсаторлор чынында тыгыз. 4. Май менен камсыз кылуу изи. 5. FET жана дубал-wort туташуу чекитинин ортосунда жакшы жер. Мен бул долбоор үчүн PIC 12F683 микроконтроллерин тандадым. Бул аппараттык PWM менен 8 пин PIC, санариптик өзгөрткүчтөргө 4 аналог, 8Mhz ички осциллятор жана 256 байт EEPROM. Эң негизгиси, менде мурунку долбоордон бир нерсе бар болчу. Мен IRF740 FETти Neonixie-L тизмесинде жогору бааланганы үчүн колдондум. HV менен камсыз кылуу үчүн 2 конденсатор бар. Бири электролит (жогорку температура, 250 вольт, 1uF), экинчиси металл пленка (250 вольт, 0,47уф). Акыркы кыйла чоң жана кымбат ($ 0,50 vs $ 0,05), бирок таза өндүрүштү алуу үчүн керек. Бул долбоордо эки чыңалуу кайтарым схемасы бар. Биринчиси, PICке керектүү деңгээлди кармап туруу үчүн керектүү болгон чыгымдын чыңалуусун сезүүгө жана FETке импульстарды колдонууга мүмкүнчүлүк берет. "Таблица3. Жогорку чыңалуудагы кайтарым байланыш тармагынын эсептөөлөрү" 3 резистордун чыңалуусун бөлүүчү жана керектүү чыгуу чыңалуусун эске алуу менен туура пикирдин маанисин аныктоо үчүн колдонулушу мүмкүн. Так тюнинг 1к триммер каршылыгы менен жасалат. Экинчи пикир жеткирүү чыңалуусун өлчөйт, андыктан PIC оптималдуу көтөрүлүү убактысын (жана мезгил/милдет циклинин маанилерин) аныктай алат. 1 -кадамдагы теңдемелерден индуктордун көтөрүлүү убактысы берүү чыңалуусуна көз каранды экенин аныктадык. Электрондук таблицадан PICке так маанилерди киргизүүгө болот, бирок эгерде электр менен камсыздоо өзгөрсө, баалуулуктар оптималдуу болбой калат. Батареялардан иштеп жаткан болсо, батареянын заряды кетет, анткени чыңалуу азаят, бул узак убакытты талап кылат. Менин чечимим PIC мунун баарын эсептеп чыгууга жана өз баалуулуктарын коюуга уруксат берүү болду (программаны караңыз). Үч пин -секирик TC4427A жана индуктивдик катушка менен камсыздоо булагын тандайт. 7805 5 вольтту жөнгө салуучу экөөнү тең иштетсе болот, бирок жакшыраак натыйжалуулукка жана жогорку өндүрүм чоңураак камсыздоо чыңалуусу менен ишке ашат. TC4427a жана IRF740 FET экөө тең ~ 20 вольтко чейин туруштук берет. PIC кандайдыр бир берилген чыңалуу үчүн калибрлей тургандыктан, буларды түздөн -түз электр булагынан берүүнүн мааниси бар. Бул батарейканын иштешинде өзгөчө маанилүү - 7805те энергияны текке кетирүүнүн кажети жок, жөн эле индукторду клеткалардан азыктандырыңыз. Светодиоддор милдеттүү эмес, бирок көйгөйдү чечүү үчүн ыңгайлуу. "Сол" светодиод (тактайларымдагы сары) HV пикирлери керектүү чекитте экенин көрсөтөт, ал эми оң LED (менин дизайнымда кызыл) ал бүткөнүн билдирет. Иш жүзүндө сиз жакшы PWM эффектине ээ болосуз, анда LEDлар учурдагы жүктөмгө салыштырмалуу интенсивдүү түрдө жаркырайт. Эгерде кызыл LED өчсө (катуу), бул анын эң жакшы аракетине карабастан, PIC чыгаруу чыңалуусун каалаган деңгээлде сактай албастыгын көрсөтөт. Башка сөз менен айтканда, жүк SMPS максималдуу өндүрүшүнөн ашат. КЫЗЫЛДА КӨРСӨТҮЛГӨН ЖАМПЕР ЗАМЫНДАРДЫ УНУТПАҢЫЗ! Partlist 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 regulator IC7 PIC 12F68 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Lineer Trimmer R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 Pin Header X2 3 Screw Terminal

5 -кадам: Камтылган программа

Камтылган программа MikroBasic тилинде жазылган, компилятор 2Kга чейинки программалар үчүн бекер (https://www.mikroe.com/). Эгерде сизге PIC программисти керек болсо, менин өркүндөтүлгөн JDM2 программист тактамды да карап көрүңүз (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Негизги операция: 1. Күч колдонулганда PIC башталат. 2. PIC чыңалуу стабилдешине жол берүү үчүн 1 секундга кечигет. 3. PIC камсыздоо чыңалуусунун пикирин окуйт жана оптималдуу циклди жана мезгилдин маанилерин эсептейт. 4. PIC EEPROM үчүн ADC окуу, милдет цикли жана мезгил баалуулуктарын каттайт. Бул кээ бир кыйынчылыктарды чечүүгө мүмкүндүк берет жана катастрофалык каталарды аныктоого жардам берет. EEPROM дареги 0 - жазуу көрсөткүчү. Бир 4 байттык журнал SMPS (кайра) башталган сайын сакталат. Биринчи 2 байт ADC жогорку/төмөн, үчүнчү байт төмөнкү 8 цикл циклинин мааниси, төртүнчү байт - мезгил мааниси. Жазуу көрсөткүчү оодарылып, кайра EEPROM дареги 1 башталганга чейин бардыгы болуп 50 калибрлөө (200 байт) катталат. Эң акыркы журнал 4-көрсөткүчтө жайгашат. Буларды PIC программистин жардамы менен чиптен окуса болот. Жогорку 55 байт келечекте өркүндөтүү үчүн бекер калтырылган (жакшыртууларды караңыз). 5. PIC чексиз циклге кирет - жогорку чыңалуудагы пикирдин мааниси өлчөнөт. Эгерде ал каалаган мааниден төмөн болсо, PWM милдети циклинин регистрлери эсептелген мааниге жүктөлөт - ЭСКЕРТҮҮ: төмөнкү эки бит маанилүү жана CPP1CON 5: 4кө жүктөлүшү керек, жогорку 8 бит CRP1Lге кирет. Эгерде кайтарым байланыш керектүү мааниден жогору болсо, PIC кызмат циклинин регистрлерин 0 менен жүктөйт. Бул "импульсту секиртүү" системасы. Мен эки себептен улам импульсту өткөрүп жиберүүнү чечтим: 1) мындай жогорку жыштыктарда ойной турган милдеттердин туурасы көп эмес (биздин мисалда 0-107, жогорку камсыздоо чыңалуусунда азыраак), жана 2) жыштык модуляциясы мүмкүн, жана жөнгө салуу үчүн бир топ орун берет (биздин мисалда 35-255), бирок ГАНА ДЕПУТАТТЫК ЖАБДЫКТА БУФФЕРЛЕНЕТ. PWM иштеп жатканда жыштыкты өзгөртүү "кызыктай" эффекттерге алып келиши мүмкүн. Камтылган программаны колдонуу: Программаны колдонуу үчүн бир нече калибрлөө кадамдары талап кылынат. Бул баалуулуктар камтылган программада түзүлүшү керек. Кээ бир кадамдар милдеттүү эмес, бирок электр энергияңыздын бардык мүмкүнчүлүктөрүн колдонууга жардам берет. const v_ref float = 5.1 'float const supply_ratio float = 11.35' float const osc_freq float = 8 'float const L_Ipeak as float = 67' float const fb_value as word = 290 'word Бул маанилерди үстү жагында табууга болот камтылган программа коду. Маанилерди таап, төмөнкүдөй коюңуз. v_ref Бул ADCтин чыңалуусу. Бул 1 -кадамда сүрөттөлгөн теңдемелерге кошуу үчүн чыныгы берүү чыңалуусун аныктоо үчүн керек. Эгерде PIC 7805 5 вольттуу жөндөгүчтөн иштетилсе, биз 5 вольттун тегерегинде күтүүгө болот. Мультиметрди колдонуу менен PIC электр пини (PIN1) менен винт терминалындагы жердин ортосундагы чыңалуу өлчөнөт. Менин так баамым 5.1 вольт болчу. Бул маанини бул жерге киргизиңиз. supply_ratio Берилүүчү чыңалуу бөлүштүргүч 100K жана 10K каршылыгынан турат. Теориялык жактан пикир 11ге бөлүнгөн камсыздоо чыңалуусуна барабар болушу керек (Таблицаны караңыз. 5. Иш жүзүндө, резисторлор ар кандай толеранттуулукка ээ жана так баалуулуктар эмес. Так пикир катышын табуу үчүн: 1. бурама терминалдарда ортосундагы камсыздоо чыңалуусун өлчөө. 2. бурама терминалында PIC пин 7 жана жер ортосундагы пикир чыңалуусун өлчөө. 3. Так катышты алуу үчүн Supply Vди FB Vге бөлүңүз. Сиз ошондой эле "Table 6. Supply Voltage Feedback Calibration" колдоно аласыз. osc_freq Жөн гана осциллятордун жыштыгы. Мен 12F683 ички 8Mhz осцилляторун колдоном, ошондуктан 8 маанисин киргизем. L_Ipeak Бул маанини алуу үчүн uH индуктор катушун максималдуу үзгүлтүксүз амперге көбөйткүлө. Мисалда 22r104C.67amps тынымсыз рейтинги бар 100uH катушкасы. 100*.67 = 67. Бул жерде маанини көбөйтүү 32 битке өзгөрмөлүү чекиттин өзгөрүүсүн жок кылат, антпесе PICте жасалышы керек болчу. Бул балл "Таблица 1: Жогорку вольттогу электр менен камсыздоо үчүн катушка эсептөөлөрүндө" эсептелет. fb_value Бул PIC жогорку чыңалуусу керектүү деңгээлден жогору же төмөн экендигин аныктоо үчүн колдоно турган чыныгы бүтүн сан. Сызыктуу триммер борбордук абалда болгондо HV чыгаруу менен кайтарым байланыш чыңалуусунун катышын аныктоо үчүн 3 -таблицаны колдонуңуз. Борбордук маанини колдонуу эки жагында жөндөө бөлмөсүн берет. Кийинки, бул катышты жана так чыңалууңузга шилтемени "Таблица 4кө киргизиңиз. Жогорку чыңалууга байланышуу ADC Set Value" fb_value аныктоо үчүн. Бул баалуулуктарды тапкандан кийин аларды кодго киргизиңиз жана түзүңүз. HEXти PICке өрттөп, барууга даярсыз! ЭСТЕБЕҢИЗ: EEPROM байт 0 - журналдын жазуу көрсөткүчү. Жаңы сүрөткө байт 1ге кирүүнү баштоо үчүн аны 1ге коюңуз. Калибрлөө болгондуктан, FET жана индуктор эч качан жылуу болбошу керек. Ошондой эле сиз индуктор катушкасынан шыңгыраган үндү укпашыңыз керек. Бул эки шарт тең калибрлөө катасын көрсөтөт. Проблемаңыздын кайда экенин аныктоого жардам берүү үчүн EEPROMдагы маалымат журналын текшериңиз.

6 -кадам: жакшыртуулар

Бир нече нерсени жакшыртууга болот:

1. Жакшы жер жолу үчүн бурама терминалын FETке жакын коюңуз. 2. Конденсаторлорго жана индукторго жеткирүү изин семиртүү. 3. Аккумуляторлордун иштөөсүн жакшыртуу үчүн туруктуу чыңалуу шилтемесин кошуңуз жана 7 вольттон аз вольтту камсыз кылыңыз (580 вольттон төмөн 7805 чөгүп кетет). 4. Жогорку 55 EEPROM байтынын пайдасыз маалыматтардын кызыктуу бөлүгүн жазуу үчүн колдонуңуз - жалпы иштөө убактысы, ашыкча жүктөө окуялары, мин/макс/орточо жүк. -ian Instructables-at-whereisian-dot-com