مزود الطاقة لوضع تبديل الجهد العالي (SMPS) / محول التعزيز لأنابيب Nixie: 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

يعمل هذا SMPS على تعزيز الجهد المنخفض (5-20 فولت) إلى الجهد العالي المطلوب لتشغيل أنابيب nixie (170-200 فولت). كن حذرًا: على الرغم من أنه يمكن تشغيل هذه الدائرة الصغيرة على البطاريات / فتحات الحائط ذات الجهد المنخفض ، إلا أن الإخراج أكثر من كافٍ لقتلك!

يتضمن المشروع: جداول البيانات المساعدة ، ملفات EagleCAD CCT & PCB مصدر البرامج الثابتة MikroBasic

الخطوة 1: كيف يعمل؟

يعتمد هذا التصميم على تطبيق Microchip Application Note TB053 مع العديد من التعديلات بناءً على تجربة أعضاء Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). احصل على ملاحظة التطبيق - إنها قراءة لطيفة من بضع صفحات فقط: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) الرسم التوضيحي أدناه مقتطف من TB053. إنه يحدد المبدأ الأساسي وراء SMPS. يقوم المتحكم الدقيق بتأسيس FET (Q1) ، مما يسمح ببناء شحنة في مغو L1. عند إيقاف تشغيل FET ، تتدفق الشحنة عبر الصمام الثنائي D1 إلى المكثف C1. Vvfb عبارة عن رد فعل لمقسم الجهد يسمح للمتحكم الدقيق بمراقبة الجهد العالي وتنشيط FET حسب الحاجة للحفاظ على الجهد المطلوب.

الخطوة 2: خصائص المحرِّض

على الرغم من كونها لطيفة جدًا ، إلا أن ملاحظة تطبيق Microchip تبدو متخلفة قليلاً بالنسبة لي. يبدأ بتحديد القوة المطلوبة ، ثم يختار وقت شحن المحرِّض دون القلق بشأن المحرِّضات المتاحة. لقد وجدت أنه من المفيد اختيار محث وتصميم التطبيق حول ذلك. المحاثات التي استخدمتها هي "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser part 580-18R104C، 1.2 amp، $ 1.40)، (Mouser part 580-22R104C، 0.67 أمبير 0.59 دولار). لقد اخترت هذه المحاثات لأنها صغيرة جدًا ورخيصة جدًا ومع ذلك تتمتع بتصنيفات طاقة لائقة ، نحن نعلم بالفعل الحد الأقصى المستمر لتصنيف ملفنا (0.67 أمبير لـ 22R104C) ، لكننا نحتاج إلى معرفة المدة التي سيستغرقها الشحن (وقت الشروق). بدلاً من استخدام وقت شحن ثابت (انظر المعادلة 6 في TB053) لتحديد مضخم الملف المطلوب ، يمكننا استجواب المعادلة 6 وحل وقت الارتفاع: (ملاحظة: المعادلة 6 في TB053 خاطئة ، يجب أن تكون L ، وليس 2L) (Volts in / Inductor uH) * height_time = Peak Amps -becomes- (Inductor uH / Volts in) * Peak Amps = وقت الارتفاع. - باستخدام 22R104C مع مصدر 5 فولت يعطي ما يلي- (100/5) * 0.67 = 13.5 uS سوف يستغرق 13.5 uS لشحن ملف الحث بالكامل عند 5 فولت. من الواضح أن هذه القيمة ستختلف باختلاف جهد الإمداد. كما هو مذكور في TB053: "لا يمكن أن يتغير التيار في مغوٍ على الفور. عند إيقاف تشغيل Q1 ، يستمر التيار في L1 بالتدفق عبر D1 إلى مكثف التخزين ، C1 ، والحمل ، RL. وبالتالي ، فإن التيار في المحرِّض يتناقص خطيًا بمرور الوقت من تيار الذروة. "يمكننا تحديد مقدار الوقت الذي يستغرقه التيار للتدفق خارج المحرِّض باستخدام المعادلة TB05 7. عمليًا ، هذا الوقت قصير جدًا. تم تنفيذ هذه المعادلة في جدول البيانات المضمّن ، لكن لن تتم مناقشتها هنا. ما مقدار الطاقة التي يمكننا الحصول عليها من محث 0.67 أمبير؟ يتم تحديد إجمالي الطاقة بالمعادلة التالية (tb053 المعادلة 5): الطاقة = (((وقت الصعود) * (فولت في)^{2) / (2 * محث اه))}- باستخدام قيمنا السابقة نجد 1.68 واط = (13.5uS * 5 فولت^{2) / (2 * 100 فائق التوهج)}- تحويل واط إلى مللي أمبير = ((واط الطاقة) / (فولتات الإخراج)) * 1000 - باستخدام جهد خرج قدره 180 نجد - 9.31 مللي أمبير = (1.68 واط / 180 فولت) * 1000 يمكننا الحصول على 9.31 مللي أمبير كحد أقصى من هذا الملف بجهد 5 فولت ، متجاهلاً جميع أوجه القصور وتبديل الخسائر. يمكن تحقيق طاقة خرج أكبر عن طريق زيادة جهد الإمداد. يتم تنفيذ جميع هذه الحسابات في "الجدول 1: حسابات الملف لإمداد الطاقة عالي الجهد" من جدول البيانات المتضمن في هذه التعليمات. يتم إدخال عدة أمثلة لفائف.

الخطوة 3: قيادة SMPS باستخدام متحكم دقيق

الآن بعد أن حسبنا وقت ارتفاع الملف الخاص بنا ، يمكننا برمجة متحكم دقيق لشحنه لفترة كافية للوصول إلى mA المقدر. تتمثل إحدى أسهل طرق القيام بذلك في استخدام مُعدِّل عرض نبض الجهاز الخاص بالموافقة المسبقة عن علم. يحتوي تعديل عرض النبضة (PWM) على متغيرين مبيّنين في الشكل أدناه. أثناء دورة العمل ، تقوم PIC بتشغيل FET ، مما يؤدي إلى تأريضها والسماح للتيار في ملف الحث (وقت الصعود). خلال الفترة المتبقية من الفترة ، يكون FET متوقفًا ويتدفق التيار من المحرِّض عبر الصمام الثنائي إلى المكثفات والحمل (وقت السقوط) ، ونحن نعلم بالفعل وقت الارتفاع المطلوب من حساباتنا السابقة: 13.5uS. يقترح TB053 أن يكون وقت الصعود 75٪ من الفترة. لقد حددت قيمة فترتي بضرب وقت الصعود في 1.33: 17.9uS. يتماشى هذا مع الاقتراح الوارد في TB053 ويضمن بقاء المحرِّض في الوضع غير المستمر - حيث يتم تفريغه تمامًا بعد كل شحنة. من الممكن حساب فترة أكثر دقة عن طريق إضافة وقت الارتفاع المحسوب إلى وقت السقوط المحسوب ، لكنني لم أحاول ذلك الآن يمكننا تحديد دورة العمل الفعلية وقيم الفترة للدخول في وحدة التحكم الدقيقة للحصول على الفواصل الزمنية المطلوبة. في دليل Microchip PIC متوسط المدى ، نجد المعادلات التالية (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / تردد المذبذب) * Prescaler إذا قمنا بتعيين مقياس مسبق على 1 وتغلبنا على هذه المعادلة باستخدام عصا الجبر ، نحصل على: قيمة دورة التشغيل 10 بت = دورة العمل PWM * تردد المذبذب ، استبدل دورة العمل في الولايات المتحدة لوقت الارتفاع المحسوب ، وافترض مذبذب 8 ميجا هرتز التردد: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 تم إدخالها في الموافقة المسبقة عن علم للحصول على دورة عمل تبلغ 13.5uS ، ثم نحدد قيمة فترة PWM. من دليل متوسط المدى نحصل على المعادلة التالية: PWM period uS = ((قيمة فترة PWM) + 1) * 4 * (1 / تردد مذبذب) * (قيمة prescale) مرة أخرى ، قمنا بتعيين prescaler على 1 وضايقنا المعادلة بالنسبة لقيمة فترة PWM ، مما يعطينا: قيمة فترة PWM = ((PWM Period uS / (4 / Oscillator Frequency)) - 1) فترة الاستبدال uS لـ (1.33 * وقت الصعود) ، وافترض أن تردد مذبذب 8 ميجا هرتز: 35 = ((17.9 / (4/8)) - 1) تم إدخال 35 في الموافقة المسبقة عن علم للحصول على فترة 17.9uS. لكن انتظر! أليست المدة أقصر من دورة العمل؟ لا - لدى بلدان جزر المحيط الهادئ سجل دورة عمل 10 بتات وسجل 8 بتات. هناك المزيد من الدقة لقيمة دورة العمل ، وبالتالي ستكون قيمتها في بعض الأحيان أكبر من قيمة الفترة - خاصة عند الترددات العالية. يتم تنفيذ جميع هذه الحسابات في "الجدول 2. حسابات PWM" من جدول البيانات المضمنة في هذه التعليمات. يتم إدخال عدة أمثلة لفائف.

الخطوة 4: تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور

PCB & CCT بتنسيق EagleCad. يتم تضمين كلاهما في أرشيف ZIP.

نظرت إلى العديد من التصميمات الموجودة عند صنع ثنائي الفينيل متعدد الكلور هذا. فيما يلي ملاحظاتي حول: خصائص التصميم الهامة: 1. لقد اتبعت ملاحظة تطبيق Microchip واستخدمت TC4427A لقيادة FET. هذا A) يحمي الميكروكونترولر من الفولتية العاكسة المنبعثة من FET ، و B) يمكن أن يدفع FET بجهد أعلى من PIC للتبديل الأسرع / الأصعب بكفاءة أفضل. 2. تم تقليل المسافة من PWM للموافقة المسبقة عن علم إلى FET. 3. FET ، مغو ، المكثفات معبأة ضيق حقا. 4. أثر إمداد الدهون. 5. أرضية جيدة بين FET ونقطة اتصال نبتة الجدار. لقد اخترت متحكم PIC 12F683 لهذا المشروع. هذا هو 8 دبوس PIC مع الأجهزة PWM ، 4 محولات تناظرية إلى رقمية ، مذبذب داخلي 8 ميجا هرتز ، و 256 بايت EEPROM. الأهم من ذلك ، كان لدي واحد من مشروع سابق. لقد استخدمت IRF740 FET نظرًا لما تتمتع به من إشادة عالية على قائمة Neonixie-L. هناك مكثفتان لتسهيل إمداد الجهد العالي. أحدهما إلكتروليتي (درجة حرارة عالية ، 250 فولت ، 1 فائق التوهج) ، والآخر عبارة عن فيلم معدني (250 فولت ، 0.47 فائق التوهج). الأخير أكبر بكثير وأكثر تكلفة (0.50 دولار مقابل 0.05 دولار) ، لكنه ضروري للحصول على ناتج نظيف. هناك نوعان من دوائر التغذية المرتدة للجهد في هذا التصميم. الأول يسمح للموافقة المسبقة عن علم (PIC) باستشعار جهد الخرج وتطبيق النبضات على FET حسب الحاجة للحفاظ على المستوى المطلوب. يمكن استخدام "جدول 3. حسابات شبكة التغذية المرتدة للجهد العالي" لتحديد قيمة التغذية المرتدة الصحيحة بالنظر إلى مقسم جهد المقاومة الثلاثة والجهد الناتج المطلوب. يتم إجراء الضبط الدقيق باستخدام مقاوم أداة التشذيب 1 كيلو. تقيس التغذية المرتدة الثانية جهد الإمداد حتى تتمكن الموافقة المسبقة عن علم من تحديد وقت الارتفاع الأمثل (وقيم دورة العمل / الفترة). من المعادلات في الخطوة 1 وجدنا أن زمن صعود المحرِّض يعتمد على جهد الإمداد. من الممكن إدخال القيم الدقيقة من جدول البيانات في الموافقة المسبقة عن علم ، ولكن إذا تم تغيير مصدر الطاقة ، فلن تكون القيم هي الأمثل. في حالة التشغيل من البطاريات ، سينخفض الجهد لأن تفريغ البطاريات يستلزم وقتًا أطول للارتفاع. كان الحل هو السماح للموافقة المسبقة عن علم بحساب كل هذا وتعيين قيمها الخاصة (انظر البرامج الثابتة). تحدد وصلة العبور الثلاثة مصدر الإمداد لـ TC4427A وملف الحث. من الممكن تشغيل كلاهما من المنظم 7805 5 فولت ، ولكن يتم تحقيق كفاءات أفضل وإخراج أعلى بجهد إمداد أكبر. سوف يتحمل كل من TC4427a و IRF740 FET ما يصل إلى ~ 20 فولت. نظرًا لأن الموافقة المسبقة عن علم ستعاير أي جهد إمداد معين ، فمن المنطقي إطعامها مباشرة من مصدر الطاقة. هذا مهم بشكل خاص في تشغيل البطارية - لا داعي لإهدار الطاقة في 7805 ، فقط قم بتغذية المحرِّض مباشرة من الخلايا. تعد مصابيح LED اختيارية ، ولكنها سهلة الاستخدام لحل المشكلات. يشير مؤشر LED "الأيسر" (باللون الأصفر في اللوحات الخاصة بي) إلى أن تعليقات HV تحت النقطة المرغوبة ، بينما يشير مؤشر LED الأيمن (الأحمر في تصميمي) إلى انتهاءه. من الناحية العملية ، تحصل على تأثير PWM لطيف حيث تتوهج مصابيح LEDS بكثافة بالنسبة للحمل الحالي. إذا تم إيقاف تشغيل مؤشر LED الأحمر (ثابت) ، فهذا يشير إلى أنه على الرغم من بذل قصارى جهدها ، لا يمكن للموافقة المسبقة عن علم الحفاظ على جهد الخرج عند المستوى المطلوب. بمعنى آخر ، يتجاوز الحمل الحد الأقصى لإخراج SMPS. لا تنسَ الأسلاك النطاطة المعروضة باللون الأحمر! Partlist قيمة الجزء 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 D1600V 250ns IC2 TC4427a IC5 7805 منظم 5volt IC7 PIC 1268 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1120K R2 0.47K R3 1K آلة تشذيب خطية R4330 أوم R5100K R6330 أوم R7 10K SV1 3 رأس دبوس X2 3 طرف برغي

الخطوة 5: البرامج الثابتة

البرنامج الثابت مكتوب بلغة MikroBasic ، المترجم مجاني للبرامج حتى 2K (https://www.mikroe.com/). إذا كنت بحاجة إلى مبرمج PIC ، ففكر في لوحة مبرمج JDM2 المحسّنة أيضًا على التعليمات (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/؟allSTEPS). التشغيل الأساسي: 1. عند تطبيق الطاقة تبدأ الموافقة المسبقة عن علم. 2. PIC تأخير لمدة 1 ثانية للسماح لاستقرار الفولتية. 3. PIC يقرأ التغذية الراجعة لجهد الإمداد ويحسب دورة العمل المثلى وقيم الفترة. 4. يسجل PIC قراءة ADC ودورة العمل وقيم الفترة إلى EEPROM. هذا يسمح ببعض حل المشاكل ويساعد في تشخيص حالات الفشل الكارثي. عنوان EEPROM 0 هو مؤشر الكتابة. يتم حفظ سجل 4 بايت في كل مرة يتم (إعادة) بدء SMPS. أول 2 بايت هي ADC عالية / منخفضة ، والبايت الثالث أقل 8 بت من قيمة دورة العمل ، والبايت الرابع هو قيمة الفترة. يتم تسجيل إجمالي 50 عملية معايرة (200 بايت) قبل أن يتدحرج مؤشر الكتابة ويبدأ مرة أخرى في عنوان EEPROM 1. سيتم وضع أحدث سجل في المؤشر 4. يمكن قراءتها من الشريحة باستخدام مبرمج PIC. تُترك المقاطع العلوية البالغة 55 بايت مجانًا من أجل التحسينات المستقبلية (انظر التحسينات). 5. تدخل PIC حلقة لا نهاية لها - يتم قياس قيمة التغذية المرتدة للجهد العالي. إذا كانت أقل من القيمة المرغوبة ، يتم تحميل سجلات دورة عمل PWM بالقيمة المحسوبة - ملاحظة: البتتان السفليتان مهمتان ويجب تحميلهما في CPP1CON 5: 4 ، وتنتقل 8 بتات العلوية إلى CRP1L. إذا كانت التغذية المرتدة أعلى من القيمة المطلوبة ، تقوم PIC بتحميل سجلات دورة العمل بـ 0. هذا هو نظام "تخطي النبض". لقد قررت تخطي النبض لسببين: 1) في مثل هذه الترددات العالية ، لا يوجد الكثير من عرض العمل للعب به (0-107 في مثالنا ، أقل بكثير عند الفولتية العالية للإمداد) ، و 2) تعديل التردد ممكن ، ويمنح مساحة أكبر للتعديل (35-255 في مثالنا) ، ولكن الرسوم فقط مزدوجة في الأجهزة. يمكن أن يكون لتغيير التردد أثناء تشغيل PWM تأثيرات "غريبة". استخدام البرنامج الثابت: يلزم إجراء عدة خطوات معايرة لاستخدام البرنامج الثابت. يجب تجميع هذه القيم في البرامج الثابتة. بعض الخطوات اختيارية ، ولكنها ستساعدك في تحقيق أقصى استفادة من مزود الطاقة الخاص بك. 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 يمكن العثور على هذه القيم في الجزء العلوي من كود البرامج الثابتة. ابحث عن القيم وقم بتعيينها على النحو التالي. v_ref هذا هو مرجع الجهد لوحدة ADC. هذا ضروري لتحديد جهد الإمداد الفعلي المراد تضمينه في المعادلات الموضحة في الخطوة 1. إذا تم تشغيل PIC من منظم 7805 5 فولت ، فيمكننا توقع حوالي 5 فولت. باستخدام مقياس متعدد ، قم بقياس الجهد بين دبوس الطاقة PIC (PIN1) والأرض عند طرف المسمار. كانت قيمتي الدقيقة 5.1 فولت. أدخل هذه القيمة هنا. Supply_ratio يتكون مقسم جهد التغذية من مقاوم 100K و 10K. من الناحية النظرية ، يجب أن تكون التغذية الراجعة مساوية لجهد الإمداد مقسومًا على 11 (انظر الجدول 5. حسابات شبكة التغذية الراجعة للجهد). في الممارسة العملية ، المقاومات لها تفاوتات مختلفة وليست قيمًا دقيقة. للعثور على نسبة التغذية المرتدة الدقيقة: 1. قم بقياس جهد الإمداد بين أطراف المسمار. 2 قم بقياس جهد التغذية المرتدة بين دبوس الموافقة المسبقة عن علم رقم 7 والأرضي عند طرف المسمار. 3- قسّم العرض V على FB V للحصول على نسبة دقيقة. يمكنك أيضًا استخدام "جدول 6. معايرة التغذية المرتدة للجهد الكهربي". osc_freq ببساطة تردد المذبذب. أستخدم مذبذب 8Mhz الداخلي 12F683 ، لذلك أدخل قيمة 8. L_Ipeak اضرب ملف المحرِّض uH بأقصى أمبير مستمر للحصول على هذه القيمة. في المثال ، 22r104C عبارة عن ملف 100uH مع تصنيف.67amps مستمر. 100 * 67 = 67. يؤدي ضرب القيمة هنا إلى إزالة متغير واحد للفاصلة العائمة يبلغ 32 بتًا والحساب الذي كان سيتعين إجراؤه على الموافقة المسبقة عن علم. يتم حساب هذه القيمة في "الجدول 1: حسابات الملف لمزود الطاقة عالي الجهد". fb_value هذه هي القيمة الصحيحة الفعلية التي ستستخدمها الموافقة المسبقة عن علم لتحديد ما إذا كان ناتج الجهد العالي أعلى أو أقل من المستوى المطلوب. استخدم الجدول 3 لتحديد النسبة بين خرج الجهد العالي والجهد المرتد عندما تكون آلة الحلاقة الخطية في الموضع المركزي. يعطي استخدام القيمة المركزية مساحة تعديل على كلا الجانبين. بعد ذلك ، أدخل هذه النسبة ومرجع الجهد الدقيق الخاص بك في "الجدول 4. ملاحظات الجهد العالي ADC Set Value" لتحديد fb_value. بعد أن تجد هذه القيم ، أدخلها في الكود وقم بتجميعها. انسخ HEX إلى الموافقة المسبقة عن علم وأنت على استعداد للذهاب! تذكر: EEPROM بايت 0 هو مؤشر كتابة السجل. اضبطه على 1 لبدء التسجيل إلى البايت 1 على صورة جديدة. بسبب المعايرة ، يجب ألا يصبح FET والمحث دافئًا أبدًا. ولا ينبغي أن تسمع صوت رنين من ملف الحث. كلتا الحالتين تشير إلى خطأ في المعايرة. تحقق من سجل البيانات في EEPROM للمساعدة في تحديد مكان مشكلتك.

الخطوة 6: التحسينات

يمكن تحسين شيئين:

1. ضع الطرف اللولبي بالقرب من FET للحصول على مسار أرضي أفضل. 2. تسمين أثر العرض للمكثفات والمحث. 3- أضف مرجع جهد ثابت لتحسين التشغيل من البطاريات وإمداد الفولتية أقل من 7 فولت (حيث ينخفض ناتج 7805 إلى أقل من 5 فولت). 4- استخدم 55 بايت EEPROM العلوي لتسجيل جزء رائع من البيانات غير المفيدة - إجمالي وقت التشغيل ، وأحداث التحميل الزائد ، والحمل الأدنى / الأقصى / المتوسط. -بيان-تعليمات-في-أين-دوت كوم