Жоғары кернеулі қосқыш режимінің қуат көзі (SMPS)/Nixie түтіктеріне арналған Boost түрлендіргіші: 6 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

Бұл SMPS төменгі кернеуді (5-20 вольт) никси құбырларын (170-200 вольт) жүргізуге қажетті жоғары кернеуге дейін арттырады. Ескерту: бұл шағын тізбекті аккумуляторлармен/төмен кернеулі қабырғадағы токпен жұмыс істеуге болатынына қарамастан, шығыс сізді өлтіруге жеткілікті!

Жобаға мыналар кіреді: EagleCAD электронды кестесінің көмекші кестесі және ПХД файлдары MikroBasic микробағдарлама көзі

1 -қадам: Бұл қалай жұмыс істейді?

Бұл дизайн TB053 Microchip қосымшасына негізделген, Neonixie-L мүшелерінің тәжірибесіне негізделген бірнеше өзгертулермен (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Қолданбаның жазбасын алыңыз - бұл тек бірнеше беттерді жақсы оқу: (https://ww1.microchip.com/downloads/kz/AppNotes/91053b.pdf) Төмендегі суретте TB053 -тен алынған. Ол SMPS -тің негізгі принципін көрсетеді. Микроконтроллер L1 индукторында зарядты құруға мүмкіндік беретін FET (Q1) негізін салады. FET өшірілген кезде заряд D1 диод арқылы C1 конденсаторына түседі. Vvfb - кернеуді бөлу бойынша кері байланыс, бұл микроконтроллерге жоғары кернеуді бақылауға және қажетті кернеуді ұстап тұру үшін қажет болған жағдайда FET қосуға мүмкіндік береді.

2 -қадам: индукторлық сипаттамалар

Microchip қосымшасы өте жақсы болғанымен, маған сәл артта қалған сияқты. Ол қажетті қуатты анықтаудан басталады, содан кейін индукторларға алаңдамай индуктивті зарядтау уақытын таңдайды. Мен индукторды таңдауды және осы қосымшаны жобалауды пайдалы деп таптым. Мен қолданған индукторлар-«C&D технологиялары индукторлары RADIAL LEAD 100uH» (Mouser бөлігі 580-18R104C, 1,2 ампер, 1,40 доллар), (Mouser бөлігі 580-22R104C, 0,67 амп, $ 0.59). Мен бұл индукторларды таңдадым, өйткені олар өте кішкентай, өте арзан, бірақ лайықты қуат көрсеткіштері бар. Біз катушкамыздың үздіксіз үздіксіз рейтингісін білеміз (22R104C үшін 0,67 ампер), бірақ біз зарядтауға қанша уақыт кететінін білуіміз керек (көтерілу уақыты). Қажетті катушка амперін анықтау үшін тұрақты зарядтау уақытын пайдаланудың орнына (TB053 теңдеуін қараңыз 6), біз 6 теңдеуді сұрап, көтерілу уақытын шеше аламыз: (ескерту: TB053 -те 6 -теңдеу дұрыс емес, ол 2L емес, L болуы керек) (Вольт/индуктор uH)*көтерілу_ уақыты = Шыңдық ампер -болады- (Индуктор uH/Вольт)*Шыңдық ампер = көтерілу уақыты. -22R104C-ты 5 вольтты қоректену арқылы қолдану мынаны береді-(100/5)*0,67 = Индуктивті катушканы 5 вольтте толық зарядтау үшін 13,5 uS қажет болады. Әрине, бұл мән әр түрлі кернеу кезінде өзгереді. TB053 -те айтылғандай: «Индуктордағы ток бірден өзгере алмайды. Q1 сөндірілгенде, L1 ток D1 арқылы сақтау конденсаторына, С1 -ге және RL жүктемесіне өтеді. Осылайша, индуктордағы ток ең жоғары токтан уақыт бойынша сызықты түрде төмендейді. «TB05 7 теңдеуін қолдана отырып, токтың индуктордан шығуына кететін уақытты анықтай аламыз. Іс жүзінде бұл уақыт өте қысқа. Бұл теңдеу енгізілген электрондық кестеде енгізілген, бірақ бұл жерде талқыланбайды, 0,67 амп индукторынан қанша қуат алуға болады? Толық қуат келесі теңдеумен анықталады (tb053 теңдеуі 5): Қуат = (((көтерілу уақыты)*(Вольт)^{2)/(2*индуктор uH))}-алдыңғы мәндерді қолдана отырып, біз табамыз-1.68 Ватт = (13.5uS*5 вольт^2)/(2*100uH)-ваттты мА-мА-ға түрлендіру = ((Қуат Ватт)/(шығыс вольты))*1000-180 шығыс кернеуінің көмегімен біз табамыз-9,31мА = (1,68Ватт/180 вольт)*1000 Біз максимум 9,31 мА ала аламыз. 5 вольтты кернеуі бар катушка, барлық тиімсіздікті және коммутациялық шығындарды елемейді. Үлкен шығыс қуатына кернеуді жоғарылату арқылы қол жеткізуге болады. Барлық есептеулер осы нұсқаулыққа енгізілген электрондық кестенің «1 -кесте: жоғары вольтты электрмен жабдықтау үшін катушкалық есептеулерде» жүзеге асады. Бірнеше катушкалар үлгісі енгізілген.

3 -қадам: SMPS -ті микроконтроллермен басқару

Енді біз өз катушкамыздың көтерілу уақытын есептеп шығардық, біз микроконтроллерді зарядталған мА -ға жету үшін жеткілікті ұзақ зарядтауға бағдарламалай аламыз. Мұны істеудің ең оңай әдістерінің бірі - PIC аппараттық импульстік ені модуляторын пайдалану. Импульстік ен модуляциясы (PWM) төмендегі суретте көрсетілген екі айнымалыға ие. Жұмыс циклі кезінде PIC FET қосады, оны жерге тұйықтайды және индуктивті катушкаға ток береді (көтерілу уақыты). Қалған уақыт ішінде ФЭТ өшірулі және ток индуктордан диод арқылы конденсаторларға және жүктемеге түседі (түсу уақыты). Біз алдыңғы есептеулерден қажетті көтерілу уақытын білеміз: 13.5uS. TB053 көтерілу уақыты кезеңнің 75% құрайды деп болжайды. Мен көтерілу уақытын 1,33: 17,9uS -ке көбейту арқылы кезеңдік мәнімді анықтадым. Бұл TB053 ұсынысына сәйкес келеді және индуктордың тоқтаусыз режимде болуын қамтамасыз етеді - әр зарядтан кейін толық разряд. Есептелген түсу уақытын есептік түсу уақытына қосу арқылы дәлірек кезеңді есептеуге болады, бірақ мен бұған тырысқан жоқпын, енді қажетті уақыт аралығын алу үшін микроконтроллерге кіру үшін нақты жұмыс циклы мен кезең мәндерін анықтай аламыз.. Microchip PIC Орташа нұсқаулықта біз келесі теңдеулерді табамыз (https://ww1.microchip.com/downloads/kz/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Duty Cycle uS = (10 разрядтық цикл мәні) * (1 Алдын ала есептегішті 1 -ге қойып, алгебра таяқшасымен осы теңдеуді ұрып -соғатын болсақ, біз мынаны аламыз: 10 биттік цикл мәні = PWM Duty Cycle uS * осциллятор жиілігі US -тың есептік көтерілу уақытына ауыстырыңыз және 8 МГц осцилляторды қабылдаймыз. жиілік: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 13.5uS жұмыс циклын алу үшін PIC -ке енгізіледі, содан кейін біз PWM кезеңінің мәнін анықтаймыз. Орташа нұсқаулықтан келесі теңдеуді аламыз: PWM периоды uS = ((PWM периодының мәні) + 1) * 4 * (1/осциллятор жиілігі) * (алдын ала өлшеу мәні) Тағы да біз алдын ала есептегішті 1-ге қойып, теңдеуді мазалаймыз. PWM периодтық мәні үшін бізге береді: PWM период мәні = ((PWM кезеңі uS/(4/Осциллятор жиілігі))-1) uS кезеңін (1.33*көтерілу уақыты) ауыстырыңыз және 8 МГц осциллятор жиілігін қабыл алыңыз: 35 = ((17.9/(4/8))-1) 35 PIC-ке 17.9uS кезеңін алу үшін енгізіледі. Бірақ күте тұрыңыз! Кезең жұмыс циклінен қысқа емес пе? Жоқ - PIC -тің 10 биттік циклдік регистрі және 8 биттік кезеңдік регистрі бар. Жұмыс циклінің мәні үшін көбірек рұқсат бар, сондықтан оның мәні периодтық мәннен үлкен болады - әсіресе жоғары жиілікте. Бұл есептеулердің барлығы осы нұсқаулыққа енгізілген электрондық кестенің «PWM есептеулері» кестесінде жүзеге асырылады. Бірнеше катушкалар үлгісі енгізілген.

4 -қадам: ПХД дизайны

PCB және CCT EagleCad форматында. Екеуі де ZIP архивіне енгізілген.

Мен бұл ПХД жасау кезінде бірнеше қолданыстағы дизайнды қарадым. Міне, менің ескертулерім: маңызды дизайн сипаттамалары: 1. Мен Microchip APP жазбасын орындадым және FET -ті басқару үшін TC4427A қолдандым. Бұл A) микроконтроллерді FET -тен түсетін кернеуден қорғайды, және B) тиімділікті жоғарылату үшін FET -ті PIC -тен жоғары кернеулерде басқара алады. 2. PIC PWM -ден FET -ке дейінгі қашықтық минималды. 3. FET, индуктор, конденсаторлар шынымен тығыз. 4. Маймен қамтамасыз ету ізі. 5. FET пен қабырғаға қосылу нүктесі арасында жақсы жер. Мен бұл жоба үшін PIC 12F683 микроконтроллерін таңдадым. Бұл аппараттық PWM, 4 аналогты цифрлық түрлендіргіші бар 8 істікшелі PIC, 8 МГц ішкі осциллятор және 256 байт EEPROM. Ең бастысы, менде алдыңғы жобада болған. Мен IRF740 FET-ті Neonixie-L тізімінде жоғары бағалағандықтан қолдандым. ЖЖ қоректенуін тегістеу үшін 2 конденсатор бар. Бірі - электролиттік (жоғары температура, 250 вольт, 1уФ), екіншісі - металл пленка (250 вольт, 0,47уф). Соңғысы әлдеқайда үлкен және қымбат (0,50 долларға қарсы 0,05 доллар), бірақ таза өнім алу үшін қажет. Бұл конструкцияда кернеудің екі кері тізбегі бар. Біріншісі PIC -ке шығыс кернеуін сезінуге және қажетті деңгейдегі ұстап тұру үшін FET -ке импульстарды қолдануға мүмкіндік береді. «Кесте 3. Жоғары кернеулі кері байланыс желісінің есептеулері» кернеудің 3 резисторлық бөлгішін және керекті шығыс кернеуін ескере отырып, кері байланыстың дұрыс мәнін анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Нақты баптау 1к қайшының резисторының көмегімен жүзеге асады. Екінші кері байланыс PIC оңтайлы көтерілу уақытын (және период/жұмыс циклінің мәндерін) анықтай алатын жеткізу кернеуін өлшейді. 1 -қадамдағы теңдеулерден индуктордың көтерілу уақыты қоректену кернеуіне тәуелді екенін анықтадық. Электрондық кестеден PIC -ге нақты мәндерді енгізуге болады, бірақ егер қуат көзі өзгертілсе, мәндер бұдан былай оңтайлы болмайды. Егер аккумулятордан жұмыс істесе, кернеу төмендейді, себебі батареяның заряды ұзарады, бұл ұзақ уақытты қажет етеді. Менің шешімім PIC -ге осының бәрін есептеуге және өз мәндерін орнатуға мүмкіндік беру болды (микробағдарламаны қараңыз). Үш істікшелі секіргіш TC4427A мен индуктивті катушканың жеткізу көзін таңдайды. 7805 5 вольтты реттегіштен екеуін де іске қосуға болады, бірақ үлкен кернеу кезінде тиімділік пен жоғары өнімділікке қол жеткізіледі. TC4427a мен IRF740 FET екеуі де ~ 20 вольтке дейін төзеді. PIC кез келген берілген кернеуді калибрлейтіндіктен, оларды тікелей қуат көзінен беру маңызды. Бұл батарея жұмысында өте маңызды - 7805 қуатын жоғалтудың қажеті жоқ, индукторды ұяшықтардан тікелей беру жеткілікті. Жарық диодтары міндетті емес, бірақ проблемаларды шешуге ыңғайлы. «Сол жақ» жарық диоды (тақталарымда сары) ЖЖ кері байланыс қажетті нүктенің астында екенін көрсетеді, ал оң жақ жарық диоды (менің дизайнымда қызыл) оның аяқталғанын көрсетеді. Іс жүзінде сіз PWM жақсы әсерін аласыз, онда жарық диодтары ағымдағы жүктемеге қатысты қарқынды түрде жарқырайды. Егер қызыл жарық диоды сөніп қалса, ол қанша тырысқанымен, PIC шығыс кернеуін қажетті деңгейде ұстай алмайтынын көрсетеді. Басқаша айтқанда, жүктеме SMPS максималды шығысынан асып түседі. ҚЫЗЫЛДА КӨРСЕТІЛГЕН ЖАМПЕР СЫМДАРЫН ҰМЫТПАҢЫЗ! Бөлшектер тізімі Бөлшек мәні 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 вольтты реттегіш IC7 PIC 12F68 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K сызықтық қайшы R4 330 Ом R5 100K R6 330 Ом R7 10K SV1 3 істікшелі X2 3 бұрандалы терминал

5 -қадам: микробағдарлама

Микробағдарлама MikroBasic -те жазылған, компилятор 2K дейінгі бағдарламалар үшін ақысыз (https://www.mikroe.com/). Егер сізге PIC бағдарламашысы қажет болса, нұсқаулықтарда орналастырылған менің жетілдірілген JDM2 бағдарламашылар тақтасын қарастырыңыз (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Негізгі жұмыс: 1. Қуат қосылған кезде PIC іске қосылады. 2. PIC кернеуді тұрақтандыруға мүмкіндік беру үшін 1 секундқа кешіктіреді. 3. PIC кернеудің кері байланысын оқиды және оңтайлы жұмыс циклы мен период мәндерін есептейді. 4. PIC ADE оқуын, жұмыс циклін және кезең мәндерін EEPROM -ге тіркейді. Бұл кейбір қиындықтарды шешуге мүмкіндік береді және апатты сәтсіздіктерді анықтауға көмектеседі. EEPROM адресі 0 - жазу көрсеткіші. SMPS (қайта) іске қосылған сайын бір 4 байтты журнал сақталады. Алғашқы 2 байт ADC жоғары/төмен, үшінші байт 8 цикл циклінің мәнінен төмен, төртінші байт - кезеңдік мән. Жазу көрсеткіші аударылмай тұрып және EEPROM 1 мекен-жайынан қайта басталмай тұрып, барлығы 50 калибрлеу (200 байт) тіркеледі. Ең соңғы журнал-4 көрсеткішінде орналасады. Оларды чиптен PIC бағдарламашысының көмегімен оқуға болады. Жоғарғы 55 байт болашақта жақсарту үшін бос қалады (жақсартуларды қараңыз). 5. PIC шексіз циклге кіреді - жоғары кернеудің кері мәні өлшенеді. Егер ол қажетті мәннен төмен болса, PWM жұмыс циклінің регистрлері есептелген мәнмен жүктеледі - ЕСКЕРТПЕ: төменгі екі бит маңызды және CPP1CON 5: 4 -ке жүктелуі керек, жоғарғы 8 бит CRP1L -ге түседі. Егер кері байланыс қажетті мәннен жоғары болса, PIC жұмыс циклінің регистрлерін 0 -ге жүктейді. Бұл - импульсті өткізіп жіберу жүйесі. Мен импульсті өткізіп жіберуді екі себеп бойынша шештім: 1) мұндай жоғары жиіліктерде ойнауға болатын жұмыс ені көп емес (біздің мысалда 0-107, жоғары кернеуде әлдеқайда аз) және 2) жиілікті модуляциялау мүмкін, және түзетуге көбірек орын береді (біздің мысалда 35-255), бірақ ТЕК ТЕК ДАСТАВНИКАДА ҚОСЫМША БУФЕРЛЕНДІ. PWM жұмыс істеп тұрған кезде жиілікті өзгерту «оғаш» әсер етуі мүмкін. Микробағдарламаны қолдану: микробағдарламаны пайдалану үшін бірнеше калибрлеу қадамдары қажет. Бұл мәндер микробағдарламаға жинақталуы керек. Кейбір қадамдар міндетті емес, бірақ қуат көзін барынша пайдалануға көмектеседі. const v_ref float = 5.1 'float const жеткізілім_рәулесі float = 11.35' float const osc_freq float = 8 'float const L_Ipeak float = 67' float const fb_value word = 290 'word Бұл мәндерді табудың жоғарғы жағында табуға болады. микробағдарлама коды. Мәндерді тауып, төмендегідей орнатыңыз. v_ref Бұл ADC кернеу сілтемесі. Бұл 1 -қадамда сипатталған теңдеулерге қосу үшін кернеудің нақты кернеуін анықтау үшін қажет. Егер PIC 7805 5 вольтты реттегіштен іске қосылса, біз шамамен 5 вольтты күтуге болады. Мультиметр көмегімен бұрандалы терминалдағы PIC қуат штыры мен PIN арасындағы кернеуді өлшеңіз. Менің нақты мәнім 5,1 вольт болды. Бұл мәнді осында енгізіңіз. supply_ratio Қоректену кернеуін бөлгіш 100K және 10K резистордан тұрады. Теориялық түрде кері байланыс кернеудің 11 -ге бөлінуіне тең болуы керек (5 -кестені қараңыз. Кернеудің кері байланыс желісінің есептеулері). Іс жүзінде резисторлар әр түрлі төзімділікке ие және дәл мәндер емес. Кері байланыс коэффициентін табу үшін: 1. Бұрандалы терминалдар арасындағы кернеуді өлшеңіз. 2. Бұрандалы терминалдағы PIC штыры мен жер арасындағы кері кернеуді өлшеңіз. 3. Нақты қатынасты алу үшін Supply V FB V бөліңіз. Сіз сондай -ақ «Кесте 6. Кернеудің кері байланысын калибрлеуді» пайдалана аласыз. osc_freq Жай ғана осциллятор жиілігі. Мен 12F683 8МГц ішкі осцилляторды қолданамын, сондықтан 8 мәнін енгіземін. L_Ipeak Бұл мәнді алу үшін uH индуктивті катушкасын максималды үздіксіз амперлерге көбейтіңіз. Мысалда 22r104C - 100uH катушкасы, рейтингі.67ампер үздіксіз. 100*.67 = 67. Мұндағы мәнді көбейту 32 биттік өзгермелі нүктенің айнымалы мәнін жояды, әйтпесе бұл PIC -те жасалуы керек еді. Бұл мән «1 -кесте: жоғары вольтты электрмен жабдықтау үшін катушкалық есептеулерде» есептеледі. fb_value Бұл жоғары кернеудің керекті деңгейден жоғары немесе төмен екенін анықтау үшін PIC қолданатын нақты бүтін мән. Сызықтық триммер орталық позицияда болғанда ЖЖ шығысы мен кері кернеудің арасындағы қатынасты анықтау үшін 3 -кестені қолданыңыз. Орташа мәнді пайдалану екі жақта да реттеу бөлмесін береді. Содан кейін, fb_value анықтау үшін «Кесте 4. Жоғары кернеудің кері байланысының ADC орнатылған мәніне» осы коэффициент пен кернеудің нақты сілтемесін енгізіңіз. Осы мәндерді тапқаннан кейін оларды кодқа енгізіп, құрастырыңыз. HEX -ті PIC -ге жазыңыз және сіз баруға дайынсыз! Естеріңізде болсын: EEPROM байт 0 - журнал жазу көрсеткіші. Жаңа суретке байт 1 -ге кіруді бастау үшін оны 1 -ге орнатыңыз. Калибрлеуге байланысты FET пен индуктор ешқашан қызып кетпеуі керек. Сондай -ақ индуктивті катушкадан қоңырау дыбысын естімеу керек. Бұл шарттардың екеуі де калибрлеу қателігін көрсетеді. Мәселе қай жерде болуы мүмкін екенін анықтау үшін EEPROM деректер журналын тексеріңіз.

6 -қадам: жақсартулар

Бірнеше нәрсені жақсартуға болады:

1. Жақсы жерге түсіру үшін бұрандалы терминалды FET -ке жақындатыңыз. 2. Конденсаторлар мен индукторға жеткізу жолын майлаңыз. 3. Батареялардың жұмысын жақсарту үшін тұрақты кернеу сілтемесін қосыңыз және кернеуі 7 вольттан төмен (мұнда 7805 шығуы 5 вольттан төмен). 4. Пайдасыз деректердің қызықты бөлігін тіркеу үшін жоғарғы 55 EEPROM байтын қолданыңыз - жалпы жұмыс уақыты, шамадан тыс жүктеме оқиғалары, мин/максимум/орташа жүктеме. -ian нұсқаулары-at-whereisian-dot-com