Fuente de alimentación conmutada de alto voltaje (SMPS) / convertidor de refuerzo para tubos Nixie: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Este SMPS aumenta el voltaje bajo (5-20 voltios) al alto voltaje necesario para impulsar los tubos nixie (170-200 voltios). Tenga cuidado: aunque este pequeño circuito puede funcionar con baterías / mosquitos de pared de bajo voltaje, ¡la salida es más que suficiente para matarlo!

El proyecto incluye: Hoja de cálculo auxiliar EagleCAD CCT y archivos PCB Fuente de firmware MikroBasic

Paso 1: ¿Cómo funciona?

Este diseño se basa en la nota de aplicación de Microchip TB053 con varias modificaciones basadas en la experiencia de los miembros de Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Obtenga la nota de la aplicación: es una buena lectura de solo unas pocas páginas: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) La siguiente ilustración es un extracto de TB053. Describe el principio básico detrás del SMPS. Un microcontrolador conecta a tierra un FET (Q1), lo que permite que se incorpore una carga en el inductor L1. Cuando se apaga el FET, la carga fluye a través del diodo D1 hacia el condensador C1. Vvfb es una retroalimentación del divisor de voltaje que permite al microcontrolador monitorear el alto voltaje y activar el FET según sea necesario para mantener el voltaje deseado.

Paso 2: Características del inductor

Aunque es muy agradable, la nota de la aplicación Microchip me parece un poco al revés. Comienza determinando la potencia requerida, luego elige un tiempo de carga del inductor sin preocuparse por los inductores disponibles. Me pareció más útil elegir un inductor y diseñar la aplicación en torno a eso. Los inductores que utilicé son "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser part 580-18R104C, 1.2 amp, $ 1.40), (Mouser part 580-22R104C, 0.67 amperio, $ 0.59). Elegí estos inductores porque son muy pequeños, muy baratos, pero tienen clasificaciones de potencia decentes. Ya conocemos la clasificación continua máxima de nuestra bobina (0,67 amperios para el 22R104C), pero necesitamos saber cuánto tiempo llevará cargar (hora de levantarse). En lugar de usar un tiempo de carga fijo (consulte la ecuación 6 en TB053) para determinar los amperios de bobina requeridos, podemos interrogar la ecuación 6 y resolver el tiempo de subida: (nota: la ecuación 6 en TB053 es incorrecta, debería ser L, no 2L) (Voltios en / Inductor uH) * tiempo de subida = Amperios pico -se convierte en- (Inductor uH / Voltios en) * Amperios pico = tiempo de subida. -Usar el 22R104C con un suministro de 5 voltios da lo siguiente- (100/5) * 0,67 = 13,5 uS tomará 13,5 uS para cargar completamente la bobina del inductor a 5 voltios. Obviamente, este valor variará con diferentes voltajes de suministro. Como se indica en TB053: "La corriente en un inductor no puede cambiar instantáneamente. Cuando Q1 se apaga, la corriente en L1 continúa fluyendo a través de D1 hacia el condensador de almacenamiento, C1, y la carga, RL. Por lo tanto, la corriente en el inductor disminuye linealmente en el tiempo desde la corriente máxima. "Podemos determinar la cantidad de tiempo que tarda la corriente en salir del inductor utilizando la ecuación 7 de TB05. En la práctica, este tiempo es muy corto. Esta ecuación está implementada en la hoja de cálculo incluida, pero no se discutirá aquí ¿Cuánta potencia podemos obtener de un inductor de 0.67 amperios? La potencia total se determina mediante la siguiente ecuación (tb053 ecuación 5): Potencia = (((tiempo de subida) * (Voltios en)^{2) / (2 * Inductor uH))}-utilizando nuestros valores anteriores encontramos -1,68 Watts = (13,5uS * 5voltios^{2) / (2 * 100uH)}-convertir vatios a mA-mA = ((potencia Watts) / (voltios de salida)) * 1000-usando un voltaje de salida de 180 encontramos -9,31 mA = (1,68 vatios / 180 voltios) * 1000 Podemos obtener un máximo de 9,31 mA de esta bobina con un suministro de 5 voltios, ignorando todas las ineficiencias y pérdidas de conmutación. Se puede lograr una mayor potencia de salida aumentando el voltaje de suministro. Todos estos cálculos se implementan en la "Tabla 1: Cálculos de bobina para suministro de energía de alto voltaje" de la hoja de cálculo incluida con este instructivo. Se ingresan varias bobinas de ejemplo.

Paso 3: conducción del SMPS con un microcontrolador

Ahora que hemos calculado el tiempo de subida de nuestra bobina, podemos programar un microcontrolador para que la cargue el tiempo suficiente para alcanzar su mA nominal. Una de las formas más fáciles de hacer esto es utilizar el modulador de ancho de pulso de hardware de un PIC. La modulación de ancho de pulso (PWM) tiene dos variables que se describen en la siguiente figura. Durante el ciclo de trabajo, el PIC enciende el FET, conectándolo a tierra y permitiendo que entre corriente en la bobina del inductor (tiempo de subida). Durante el resto del período, el FET está apagado y la corriente sale del inductor a través del diodo a los condensadores y la carga (tiempo de caída). Ya sabemos el tiempo de subida requerido de nuestros cálculos anteriores: 13.5uS. TB053 sugiere que el tiempo de subida sea el 75% del período. Determiné el valor de mi período multiplicando el tiempo de subida por 1.33: 17.9uS. Esto es consistente con la sugerencia en TB053 y asegura que el inductor permanezca en modo discontinuo, descargándose completamente después de cada carga. Es posible calcular un período más exacto agregando el tiempo de subida calculado al tiempo de caída calculado, pero no lo he intentado. Ahora podemos determinar el ciclo de trabajo real y los valores de período para ingresar en el microcontrolador para obtener los intervalos de tiempo deseados.. En el manual de rango medio de Microchip PIC encontramos las siguientes ecuaciones (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS = (10 bit Duty Cycle Value) * (1 / oscillator Frequency) * Prescaler Si configuramos el prescaler en 1 y batimos esta ecuación con una barra de álgebra, obtenemos: Valor del ciclo de trabajo de 10 bits = Ciclo de trabajo PWM uS * Frecuencia del oscilador Sustituya el ciclo de trabajo uS por el tiempo de subida calculado, y suponga un oscilador de 8 Mhz frecuencia: 107 = 13.5uS * 8Mhz 107 se ingresa en el PIC para obtener un ciclo de trabajo de 13.5uS. A continuación, determinamos el valor del período PWM. Del Manual de rango medio obtenemos la siguiente ecuación: período PWM uS = ((valor del período PWM) + 1) * 4 * (1 / frecuencia del oscilador) * (valor de preescala) Nuevamente, establecemos el preescalador en 1 y hostigamos la ecuación para el valor del período PWM, dándonos: Valor del período PWM = ((Período PWM uS / (4 / Frecuencia del oscilador)) - 1) Sustituya el Período uS por (1.33 * tiempo de subida), y suponga una frecuencia de oscilador de 8 Mhz: 35 = ((17.9 / (4/8)) - 1) Se ingresa 35 en el PIC para obtener un período de 17.9uS. ¡Pero espera! ¿No es el período más corto que el ciclo de trabajo? No: los PIC tienen un registro de ciclo de trabajo de 10 bits y un registro de período de 8 bits. Hay más resolución para el valor del ciclo de trabajo, por lo que su valor a veces será mayor que el valor del período, especialmente en altas frecuencias. Todos estos cálculos se implementan en la "Tabla 2. Cálculos PWM" de la hoja de cálculo incluida con este instructable. Se ingresan varias bobinas de ejemplo.

Paso 4: Diseño de PCB

PCB y CCT están en formato EagleCad. Ambos están incluidos en el archivo ZIP.

Miré varios diseños existentes al hacer esta PCB. Aquí están mis notas sobre características de diseño importantes: 1. Seguí la nota de la APLICACIÓN de Microchip y usé un TC4427A para manejar el FET. Esto A) protege el microcontrolador de los voltajes de retorno que salen del FET, y B) puede impulsar el FET a voltajes más altos que el PIC para una conmutación más rápida / más fuerte con mejor eficiencia. 2. La distancia desde el PWM del PIC al FET se minimiza. 3. FET, inductor, condensadores empaquetados muy apretados. 4. Traza de suministro de grasa. 5. Buena conexión a tierra entre el FET y el punto de conexión pared-mosto. Elegí el microcontrolador PIC 12F683 para este proyecto. Este es un PIC de 8 pines con hardware PWM, 4 convertidores analógicos a digitales, oscilador interno de 8 Mhz y EEPROM de 256 bytes. Lo más importante es que tenía uno de un proyecto anterior. Usé el IRF740 FET debido a su gran reconocimiento en la lista Neonixie-L. Hay 2 condensadores para suavizar el suministro de alta tensión. Uno es un electrolítico (alta temperatura, 250 voltios, 1 uF), el otro es una película metálica (250 voltios, 0,47 uf). Este último es mucho más grande y caro ($ 0,50 frente a $ 0,05), pero es necesario para obtener una salida limpia. Hay dos circuitos de retroalimentación de voltaje en este diseño. El primero permite que el PIC detecte el voltaje de salida y aplique pulsos al FET según sea necesario para mantener el nivel deseado. "Tabla 3. Cálculos de red de retroalimentación de alto voltaje" se puede utilizar para determinar el valor de retroalimentación correcto dado el divisor de voltaje de 3 resistencias y el voltaje de salida deseado. El ajuste fino se realiza con la resistencia recortadora de 1k. La segunda retroalimentación mide el voltaje de suministro para que el PIC pueda determinar el tiempo de aumento óptimo (y los valores del período / ciclo de trabajo). A partir de las ecuaciones del paso 1, encontramos que el tiempo de subida del inductor depende de la tensión de alimentación. Es posible ingresar valores exactos de la hoja de cálculo en su PIC, pero si se cambia la fuente de alimentación, los valores ya no son óptimos. Si funciona con baterías, el voltaje disminuirá a medida que las baterías se descargan, lo que requiere un tiempo de subida más prolongado. Mi solución fue dejar que el PIC calcule todo esto y establezca sus propios valores (ver firmware). El puente de tres clavijas selecciona la fuente de alimentación para el TC4427A y la bobina del inductor. Es posible ejecutar ambos desde el regulador 7805 de 5 voltios, pero se logran mejores eficiencias y mayor salida con un voltaje de suministro mayor. Tanto el TC4427a como el IRF740 FET soportarán hasta ~ 20 voltios. Dado que el PIC se calibrará para cualquier voltaje de suministro dado, tiene sentido alimentarlos directamente desde la fuente de alimentación. Esto es especialmente importante en el funcionamiento de la batería: no es necesario desperdiciar energía en el 7805, simplemente alimente el inductor directamente desde las celdas. Los LED son opcionales, pero útiles para solucionar problemas. El LED 'izquierdo' (amarillo en mis tableros) indica que la retroalimentación de HV está por debajo del punto deseado, mientras que el LED derecho (rojo en mi diseño) indica que ha terminado. En la práctica, obtiene un buen efecto PWM en el que los LED brillan en intensidad en relación con la carga actual. Si el LED rojo se apaga (fijo) indica que, a pesar de su mejor esfuerzo, el PIC no puede mantener el voltaje de salida en el nivel deseado. En otras palabras, la carga excede la salida máxima de SMPS. ¡NO OLVIDE LOS CABLES DE PUENTE QUE SE MUESTRAN EN ROJO! Lista de piezas Valor de la pieza 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 Regulador de 5 voltios IC7 PIC 12F683 L1 Inductor (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Recortadora lineal R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 Cabezal de 3 clavijas X2 3 Terminal de tornillo

Paso 5: firmware

El firmware está escrito en MikroBasic, el compilador es gratuito para programas de hasta 2K (https://www.mikroe.com/). Si necesita un programador PIC, considere mi tablero de programador JDM2 mejorado también publicado en instructables (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Operación básica: 1. Cuando se aplica energía, se inicia el PIC. 2. PIC demora 1 segundo para permitir que los voltajes se estabilicen. 3. PIC lee la retroalimentación del voltaje de suministro y calcula el ciclo de trabajo óptimo y los valores del período. 4. PIC registra la lectura de ADC, el ciclo de trabajo y los valores del período en la EEPROM. Esto permite solucionar algunos problemas y ayuda a diagnosticar fallas catastróficas. La dirección EEPROM 0 es el puntero de escritura. Se guarda un registro de 4 bytes cada vez que se (reinicia) SMPS. Los primeros 2 bytes son ADC alto / bajo, el tercer byte son los 8 bits más bajos del valor del ciclo de trabajo, el cuarto byte es el valor del período. Se registra un total de 50 calibraciones (200 bytes) antes de que el puntero de escritura se desplace y comience de nuevo en la dirección EEPROM 1. El registro más reciente se ubicará en el puntero-4. Estos se pueden leer en el chip utilizando un programador PIC. Los 55 bytes superiores quedan libres para futuras mejoras (ver mejoras). 5. PIC entra en bucle sin fin: se mide el valor de retroalimentación de alto voltaje. Si está por debajo del valor deseado, los registros del ciclo de trabajo de PWM se cargan con el valor calculado - NOTA: los dos bits inferiores son importantes y deben cargarse en CPP1CON 5: 4, los 8 bits superiores van a CRP1L. Si la retroalimentación está por encima del valor deseado, el PIC carga los registros de ciclo de trabajo con 0. Este es un sistema de "salto de pulso". Me decidí por el salto de pulso por dos razones: 1) a frecuencias tan altas no hay mucho ancho de trabajo para jugar (0-107 en nuestro ejemplo, mucho menos a voltajes de suministro más altos), y 2) es posible la modulación de frecuencia, y da mucho más espacio para el ajuste (35-255 en nuestro ejemplo), pero SÓLO EL FUNCIONAMIENTO TIENE DOBLE BÚFER EN EL HARDWARE. Cambiar la frecuencia mientras el PWM está funcionando puede tener efectos "extraños". Uso del firmware: se requieren varios pasos de calibración para usar el firmware. Estos valores deben compilarse en el firmware. Algunos pasos son opcionales, pero lo ayudarán a aprovechar al máximo su fuente de alimentación. 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 Estos valores se pueden encontrar en la parte superior de la código de firmware. Encuentre los valores y configúrelos de la siguiente manera. v_ref Esta es la referencia de voltaje del ADC. Esto es necesario para determinar el voltaje de suministro real que se debe incluir en las ecuaciones descritas en el paso 1. Si el PIC se ejecuta desde un regulador 7805 de 5 voltios, podemos esperar alrededor de 5 voltios. Con un multímetro, mida el voltaje entre el pin de alimentación del PIC (PIN1) y tierra en el terminal de tornillo. Mi valor exacto fue de 5,1 voltios. Ingrese este valor aquí. supply_ratio El divisor de voltaje de suministro consta de una resistencia de 100K y 10K. En teoría, la retroalimentación debe ser igual a la tensión de alimentación dividida por 11 (consulte la Tabla 5. Cálculos de la red de retroalimentación de la tensión de alimentación). En la práctica, las resistencias tienen varias tolerancias y no son valores exactos. Para encontrar la relación de retroalimentación exacta: 1. Mida la tensión de alimentación entre los terminales de tornillo. 2. Mida el voltaje de retroalimentación entre el pin 7 del PIC y tierra en el terminal de tornillo. 3. Divida el suministro V por FB V para obtener una proporción exacta. También puede utilizar la "Tabla 6. Calibración de retroalimentación de voltaje de suministro". osc_freq Simplemente la frecuencia del oscilador. Utilizo el oscilador interno 12F683 de 8Mhz, por lo que ingreso un valor de 8. L_Ipeak Multiplica la bobina del inductor uH por los amperios continuos máximos para obtener este valor. En el ejemplo, el 22r104C es una bobina de 100 uH con una clasificación de.67 amperios continuos. 100 * 0,67 = 67. Al multiplicar el valor aquí, se elimina una variable de coma flotante de 32 bits y el cálculo que de otro modo tendría que hacerse en el PIC. Este valor se calcula en la "Tabla 1: Cálculos de bobinas para fuente de alimentación de alto voltaje". fb_value Este es el valor entero real que utilizará el PIC para determinar si la salida de alto voltaje está por encima o por debajo del nivel deseado. Utilice la Tabla 3 para determinar la relación entre la salida de alto voltaje y el voltaje de retroalimentación cuando el potenciómetro lineal está en la posición central. El uso del valor central da espacio de ajuste a ambos lados. A continuación, ingrese esta relación y su referencia de voltaje exacta en la "Tabla 4. Valor de ajuste del ADC de retroalimentación de alto voltaje" para determinar el valor fb. Después de encontrar estos valores, introdúzcalos en el código y compile. ¡Grabe el HEX en el PIC y estará listo para comenzar! RECUERDE: EEPROM byte 0 es el puntero de escritura del registro. Configúrelo en 1 para comenzar a registrar el byte 1 en una imagen nueva. Debido a la calibración, el FET y el inductor nunca deben calentarse. Tampoco debería escuchar un sonido de timbre de la bobina del inductor. Ambas condiciones indican un error de calibración. Consulte el registro de datos en la EEPROM para ayudar a determinar dónde podría estar su problema.

Paso 6: mejoras

Se podrían mejorar un par de cosas:

1. Coloque el terminal de tornillo más cerca del FET para una mejor ruta de tierra. 2. Apriete la traza de suministro a los condensadores y al inductor. 3. Agregue una referencia de voltaje estable para mejorar el funcionamiento de las baterías y suministrar voltajes de menos de 7 voltios (donde la salida del 7805 cae por debajo de 5 voltios). 4. Utilice los 55 bytes superiores de EEPROM para registrar fascinantes bits de datos inútiles: tiempo de ejecución total, eventos de sobrecarga, carga mínima / máxima / promedio. -ian instructables-en-whereisian-punto-com