Ugavi wa Nguvu ya Njia ya Kubadili Voltage (SMPS) / Boost Converter kwa Nixie Tubes: 6 Hatua

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:54

SMPS hii inaongeza voltage ya chini (volts 5-20) kwa voltage ya juu inayohitajika kuendesha mirija ya nixie (volts 170-200). Tahadharishwa: ingawa mzunguko huu mdogo unaweza kuendeshwa kwa betri / nguvu za chini za ukuta, pato ni zaidi ya kutosha kukuua!

Mradi ni pamoja na: Lahajedwali la Msaidizi EagleCAD CCT na faili za PCB MikroBasic Firmware Source

Hatua ya 1: Inafanyaje Kazi?

Ubunifu huu unategemea Microchip Application Note TB053 na marekebisho kadhaa kulingana na uzoefu wa washiriki wa Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Pata kidokezo cha programu - ni kusoma vizuri kwa kurasa chache tu: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) Kielelezo hapo chini kimesemwa kutoka TB053. Inaelezea kanuni ya msingi nyuma ya SMPS. Udhibiti wa microcontroller FET (Q1), ikiruhusu tozo ijenge kwa inductor L1. Wakati FET imezimwa, malipo hutiririka kupitia diode D1 kuwa capacitor C1. Vvfb ni maoni ya mgawanyiko wa voltage ambayo inaruhusu microcontroller kufuatilia voltage kubwa na kuamsha FET inahitajika ili kudumisha voltage inayotakiwa.

Hatua ya 2: Sifa za Inductor

Ingawa ni nzuri sana, noti ya programu ya Microchip inaonekana nyuma kidogo kwangu. Huanza kwa kuamua nguvu inayohitajika, halafu huchagua muda wa malipo ya inductor bila kujali inductors zilizopo. Nimeona ni muhimu zaidi kuchagua inductor na kubuni programu karibu na hiyo. Waendeshaji waliotumia ni "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (Mouser sehemu 580-18R104C, 1.2 amp, $ 1.40), (Mouser sehemu 580-22R104C, 0.67 amp, $ 0.59). Nilichagua inductors hizi kwa sababu ni ndogo sana, bei rahisi sana, lakini zina viwango vya nguvu vyema. Tayari tunajua kiwango cha juu cha kuendelea kwa coil yetu (0.67 amps kwa 22R104C), lakini tunahitaji kujua itachukua muda gani kulipia (wakati wa kupanda). Badala ya kutumia muda wa malipo uliowekwa (tazama equation 6 katika TB053) kuamua amps za coil zinazohitajika, tunaweza kuhoji equation 6 na kutatua kwa muda wa kuongezeka: (kumbuka: equation 6 katika TB053 ni makosa, inapaswa kuwa L, sio 2L) (Volts in / Inductor uH) * rise_time = Peaks Amps -inakuwa- (Inductor uH / Volts in) * Peak Amps = muda wa kuongezeka. 13.5uSIt itachukua 13.5 uS kuchaji kikamilifu coil ya inductor kwa volts 5. Kwa wazi, thamani hii itatofautiana na voltages tofauti za usambazaji. Kama ilivyoainishwa katika TB053: "Sasa ndani ya inductor haiwezi kubadilika mara moja. Wakati Q1 imezimwa, sasa katika L1 inaendelea kupita kupitia D1 kwenda kwa capacitor ya uhifadhi, C1, na mzigo, RL. Kwa hivyo, ya sasa katika inductor inapungua kwa wakati kutoka kwa kilele cha sasa. "Tunaweza kuamua kiwango cha wakati inachukua sasa kutolewa kutoka kwa inductor kwa kutumia usawa wa TB05 7. Katika mazoezi wakati huu ni mfupi sana. Usawa huu unatekelezwa katika lahajedwali lililojumuishwa, lakini haitajadiliwa hapa. Je! Tunaweza kupata nguvu ngapi kutoka kwa inductor ya 0.67 amp? Nguvu ya jumla imedhamiriwa na equation ifuatayo (equation tb053 5): Power = (((muda wa kupanda) * (Volts in)^{2) / (2 * Inductor uH))}-kutumia maadili yetu ya awali tunapata-Watts 1.68 = (13.5uS * 5volts^{2) / (2 * 100uH)}-badilisha watts kwa mA-mA = ((Power Watts) / (volts ya pato)) * 1000-kutumia voltage ya pato la 180 tunapata-9.31mA = (1.68Watts / 180volts) * 1000Tunaweza kupata kiwango cha juu cha 9.31 mA kutoka coil hii na usambazaji wa volt 5, ikipuuza ufanisi wote na kubadilisha hasara. Nguvu kubwa ya pato inaweza kupatikana kwa kuongeza voltage ya usambazaji. Hesabu hizi zote zinatekelezwa katika "Jedwali 1: Mahesabu ya Coil ya Usambazaji wa Umeme wa Voltage" ya lahajedwali iliyojumuishwa na hii inayoweza kufundishwa. Mifano kadhaa ya mfano imeingizwa.

Hatua ya 3: Kuendesha SMPS na Microcontroller

Sasa kwa kuwa tumehesabu wakati wa kuongezeka kwa coil yetu tunaweza kupanga microcontroller kuichaji kwa muda mrefu tu wa kutosha kufikia mA iliyokadiriwa. Njia moja rahisi ya kufanya hivyo ni kutumia moduli ya upana wa vifaa vya PIC. Urekebishaji wa upana wa kunde (PWM) una vigeuzi viwili vilivyoainishwa kwenye takwimu hapa chini. Wakati wa mzunguko wa wajibu PIC inawasha FET, ikituliza na kuruhusu sasa kuwa coil ya inductor (muda wa kuongezeka). Wakati wa kipindi kilichobaki FET imezimwa na sasa inapita nje ya inductor kupitia diode kwenda kwa capacitors na mzigo (wakati wa kuanguka). Tayari tunajua wakati unaotakiwa wa kuongezeka kutoka kwa mahesabu yetu ya awali: 13.5uS. TB053 inapendekeza kwamba wakati wa kuongezeka uwe 75% ya kipindi hicho. Niliamua thamani yangu ya kipindi kwa kuzidisha wakati wa kuongezeka kwa 1.33: 17.9uS. Hii ni sawa na pendekezo katika TB053 na inahakikisha kwamba inductor anakaa katika hali ya kukomesha â € arkuacha kabisa kila malipo. Inawezekana kuhesabu kipindi halisi zaidi kwa kuongeza muda ulioongezeka wa mahesabu kwa wakati ulioanguka wa mahesabu, lakini sijajaribu hii. Sasa tunaweza kuamua mzunguko halisi wa ushuru na maadili ya kipindi kuingia kwenye microcontroller kupata vipindi vya wakati unaotakiwa. Katika mwongozo wa Mid-range wa Microchip PIC tunapata hesabu zifuatazo (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf): Mzunguko wa Ushuru wa PWM uS = (Thamani ya Mzunguko wa Ushuru wa 10) * (1 / oscillator Frequency) * Prescaler Ikiwa tunaweka prescaler kwa 1 na kupiga equation hii na fimbo ya algebra tunapata: 10 Thamani ya Mzunguko wa Ushuru = Mzunguko wa Ushuru wa PWM uS * Oscillator FrequencyBadilisha Mzunguko wa Ushuru uS kwa muda uliohesabiwa wa kuongezeka, na kudhani oscillator ya 8 Mhz frequency: 107 = 13.5uS * 8Mhz107 imeingizwa kwenye PIC kupata mzunguko wa ushuru wa 13.5uS. Ifuatayo, tunaamua Thamani ya Kipindi cha PWM. Kutoka kwa Mwongozo wa Mid-Range tunapata equation ifuatayo: Kipindi cha PWM uS = ((PWM value value) + 1) * 4 * (1 / oscillator frequency) * (prescale value) Tena, tunaweka prescaler kwa 1 na kunyanyasa equation kwa thamani ya kipindi cha PWM, ikitupatia: PWM value value = ((PWM Period uS / (4 / Oscillator frequency)) - 1) Kipindi cha mbadala uS kwa (1.33 * muda wa kupanda), na kuchukua frequency ya 8 Mhz oscillator: 35 = ((17.9 / (4/8)) - 1) 35 imeingizwa kwenye PIC kupata kipindi cha 17.9uS. Lakini subiri! Je! Kipindi sio kifupi kuliko mzunguko wa ushuru? Hakuna - PICs zina rejista ya mzunguko wa ushuru wa 10 na rejista ya kipindi cha 8 bit. Kuna azimio zaidi kwa thamani ya mzunguko wa ushuru, kwa hivyo thamani yake wakati mwingine itakuwa kubwa kuliko thamani ya kipindi - haswa kwa masafa ya juu. Mahesabu haya yote yanatekelezwa katika "Jedwali 2. Mahesabu ya PWM" ya lahajedwali lililojumuishwa na hii inayoweza kufundishwa. Mifano kadhaa ya mfano imeingizwa.

Hatua ya 4: Ubunifu wa PCB

PCB & CCT ziko katika muundo wa EagleCad. Zote mbili zimejumuishwa kwenye kumbukumbu ya ZIP.

Niliangalia miundo kadhaa iliyopo wakati wa kutengeneza PCB hii. Hapa kuna maelezo yangu: sifa muhimu za muundo: 1. Nilifuata dokezo la Microchip APP na nilitumia TC4427A kuendesha FET. Hii A) inalinda microcontroller kutoka kwa voltages zinazoruka kutoka FET, na B) zinaweza kuendesha FET kwa viwango vya juu kuliko PIC kwa ubadilishaji wa haraka / ngumu na ufanisi mzuri. 2. Umbali kutoka PWM ya PIC hadi FET umepunguzwa. 3. FET, inductor, capacitors zilizojaa sana. 4. Athari ya usambazaji wa mafuta. 5. Ardhi nzuri kati ya sehemu ya unganisho la FET na ukuta wa wort. Nilichagua PIC 12F683 microcontroller kwa mradi huu. Hii ni pini 8 ya PIC na vifaa vya PWM, analog 4 kwa waongofu wa dijiti, oscillator ya ndani ya 8Mhz, na 256 byte EEPROM. Jambo muhimu zaidi, nilikuwa na moja kutoka kwa mradi uliopita. Nilitumia IRF740 FET kwa sababu ya sifa yake kubwa kwenye orodha ya Neonixie-L. Kuna 2 capacitors kulainisha usambazaji wa HV. Moja ni elektrolitiki (joto la juu, volts 250, 1uF), nyingine ni filamu ya chuma (250 volts, 0.47uf). Ya mwisho ni kubwa zaidi na ni ghali zaidi ($ 0.50 vs $ 0.05), lakini ni muhimu kupata pato safi. Kuna nyaya mbili za maoni ya voltage katika muundo huu. Ya kwanza inaruhusu PIC kuhisi voltage ya pato na kutumia kunde kwa FET kama inahitajika ili kudumisha kiwango kinachohitajika. "Jedwali3. Mahesabu ya Mtandao wa Maoni ya Voltage ya Juu" yanaweza kutumiwa kuamua dhamana sahihi ya maoni ikipewa mgawanyiko wa voltage ya kontena 3 na voltage inayotaka ya pato. Utunzaji mzuri unafanywa na kipinzani cha 1k trimmer. Maoni ya pili hupima voltage ya usambazaji ili PIC iweze kuamua wakati mzuri wa kuongezeka (na vipindi / viwango vya mzunguko wa ushuru). Kutoka kwa equations katika hatua ya 1 tuligundua kuwa muda wa kupanda kwa inductor unategemea voltage ya usambazaji. Inawezekana kuingiza maadili halisi kutoka kwa lahajedwali kwenye PIC yako, lakini ikiwa umeme unabadilishwa maadili hayana sawa tena. Ikiwa inaendesha kutoka kwa betri, voltage itapungua kadri betri zinavyotoa zinahitaji muda mrefu wa kuongezeka. Suluhisho langu lilikuwa kuruhusu PIC ihesabu yote haya na kuweka maadili yake (angalia firmware). Jumper ya pini tatu huchagua chanzo cha usambazaji wa TC4427A na coil ya inductor. Inawezekana kukimbia zote kutoka kwa mdhibiti wa 7805 5 volt, lakini ufanisi bora na pato kubwa hupatikana na voltage kubwa ya usambazaji. TC4427a na IRF740 FET zitasimama hadi volts 20. Kwa kuwa PIC itaweka sawa kwa voltage yoyote ya usambazaji ni busara kulisha hizi moja kwa moja kutoka kwa usambazaji wa umeme. Hii ni muhimu sana katika utendaji wa betri - hakuna haja ya kupoteza nguvu katika 7805, lisha tu inductor moja kwa moja kutoka kwa seli. LED ni za hiari, lakini zinafaa kwa upigaji wa shida. LED ya 'kushoto' (njano kwenye bodi zangu) inaonyesha kuwa maoni ya HV yako chini ya sehemu inayotakikana, wakati taa ya kulia ya LED (nyekundu katika muundo wangu) inaonyesha imekwisha. Katika mazoezi unapata athari nzuri ya PWM ambayo LEDS inawaka kwa nguvu ukilinganisha na mzigo wa sasa. Ikiwa taa nyekundu ya LED imezima (imara) inaonyesha kuwa, licha ya bidii bora, PIC haiwezi kuweka voltage ya pato katika kiwango kinachotakiwa. Kwa maneno mengine, mzigo unazidi kiwango cha juu cha pato la SMPS. USISAHAU WIRES ZA JUMPER ZILIZOONYESHWA KWA RED! Thamani ya Sehemu ya Sehemu ya 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 mdhibiti IC7 PIC 12F683 L1 (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Linear Trimmer R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 3 Pin Header X2 3 Screw Terminal

Hatua ya 5: Firmware

Firmware imeandikwa katika MikroBasic, mkusanyaji ni bure kwa programu hadi 2K (https://www.mikroe.com/). Ikiwa unahitaji programu ya PIC, fikiria bodi yangu ya programu iliyoboreshwa ya JDM2 pia imechapishwa kwenye mafundisho (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Operesheni ya kimsingi: 1. Wakati nguvu inatumiwa PIC huanza. 2. Ucheleweshaji wa PIC kwa sekunde 1 kuruhusu voltages itulie. 3. PIC inasoma maoni ya usambazaji wa umeme na huhesabu mzunguko bora wa ushuru na maadili ya kipindi. 4. PIC huweka kumbukumbu ya kusoma kwa ADC, mzunguko wa ushuru, na maadili ya kipindi kwa EEPROM. Hii inaruhusu shida ya kupigwa risasi na husaidia kugundua kutofaulu kwa janga. Anwani ya EEPROM 0 ni kiashiria cha kuandika. Leti moja ya baiti 4 imehifadhiwa kila wakati SMPS ina (re-) kuanza. Baiti 2 za kwanza ni ADC juu / chini, ka ya tatu ni chini 8 bits ya dhamana ya mzunguko wa ushuru, baiti ya nne ni kipindi cha thamani. Jumla ya hesabu 50 (ka 200) zimeingia kabla ya pointer ya kuandika kuvingirishwa na kuanza tena kwenye anwani ya EEPROM 1. Logi ya hivi karibuni itakuwa iko kwenye pointer-4. Hizi zinaweza kusomwa kutoka kwa chip kutumia programu ya PIC. Baiti 55 za juu zimeachwa bure kwa nyongeza za siku zijazo (tazama maboresho). 5. PIC inaingia kitanzi kisicho na mwisho - thamani ya maoni ya voltage ya juu hupimwa. Ikiwa iko chini ya thamani inayotakikana rejista za mzunguko wa ushuru wa PWM zimebeba dhamana iliyohesabiwa - KUMBUKA: bits mbili za chini ni muhimu na lazima zipakizwe kwenye CPP1CON 5: 4, bits 8 za juu ziingie CRP1L. Ikiwa maoni yako juu ya thamani inayotakikana, PIC inapakia sajili za mzunguko wa ushuru na 0. Huu ni mfumo wa 'kuruka kwa kunde'. Niliamua kuruka kwa kunde kwa sababu mbili: 1) katika masafa ya juu kama hiyo hakuna upana wa ushuru wa kucheza na (0-107 kwa mfano wetu, kidogo chini kwa voltages za usambazaji wa juu), na 2) moduli ya masafa inawezekana, na inatoa nafasi zaidi ya marekebisho (35-255 katika mfano wetu), lakini KAZI PEKEE NDIO INAFAFISHWA KWA HARDWARE. Kubadilisha masafa wakati PWM inafanya kazi kunaweza kuwa na athari za 'kushangaza'. Kutumia firmware: Hatua kadhaa za upimaji zinahitajika kutumia firmware. Thamani hizi lazima zijumuishwe kwenye firmware. Hatua zingine ni za hiari, lakini zitakusaidia kupata zaidi kutoka kwa umeme wako. const v_ref kama kuelea = 5.1 'kuelea const supply_ratio kama kuelea = 11.35' kuelea const osc_freq kama kuelea = 8 'kuelea const L_Ipeak kama kuelea = 67' kuelea const fb_value kama neno = 290 'neno Thamani hizi zinaweza kupatikana juu ya nambari ya firmware. Pata maadili na uweke kama ifuatavyo. v_ref Hii ni kumbukumbu ya voltage ya ADC. Hii inahitajika kuamua voltage halisi ya usambazaji kujumuisha katika hesabu zilizoelezewa katika hatua1. Ikiwa PIC inaendeshwa kutoka kwa mdhibiti wa 7805 5volt tunaweza kutarajia karibu volts 5. Kutumia kipimo cha multimeter voltage kati ya pini ya nguvu ya PIC (PIN1) na ardhi kwenye kituo cha screw. Thamani yangu halisi ilikuwa volts 5.1. Ingiza thamani hii hapa. ugavi_ratio Mgawanyiko wa voltage ya usambazaji una kontena la 100K na 10K. Kinadharia maoni yanapaswa kuwa sawa na voltage ya usambazaji iliyogawanywa na 11 (tazama Jedwali 5. Mahesabu ya Mtandao wa Maoni ya Voltage). Katika mazoezi, wapinzani wana uvumilivu anuwai na sio maadili halisi. Ili kupata uwiano halisi wa maoni: 1. Pima voltage ya usambazaji kati ya vituo vya screw. 2. Pima voltage ya maoni kati ya PIC pin 7 na ardhi kwenye terminal screw. 3. Gawanya Ugavi V na FB V kupata uwiano halisi. Unaweza pia kutumia "Jedwali la 6. Uwasilishaji wa Maoni ya Voltage". osc_freq Mzunguko wa oscillator tu. Ninatumia oscillator ya ndani ya 12F683 ya 8Mhz, kwa hivyo ninaingiza thamani ya 8. L_Ipeak Zidisha coil ya inductor uH kwa kiwango cha juu cha amps ili kupata thamani hii. Katika mfano 22r104C ni coil 100uH na ukadiriaji wa.67amps zinazoendelea. 100 *.67 = 67. Kuzidisha thamani hapa hupunguza kutofautisha kwa kiwango kidogo cha kuhesabu 32 na hesabu ambayo ingehitajika kufanywa kwenye PIC. Thamani hii imehesabiwa katika "Jedwali 1: Mahesabu ya Coil ya Usambazaji wa Umeme wa Voltage". fb_value Hii ndio nambari kamili ambayo PIC itatumia kuamua ikiwa pato kubwa la voltage liko juu au chini ya kiwango kinachotakiwa. Tumia Jedwali 3 kuamua uwiano kati ya pato la HV na voltage ya maoni wakati kipenyo cha mstari kiko katika nafasi ya katikati. Kutumia thamani ya kituo hutoa chumba cha kurekebisha pande zote mbili. Ifuatayo, ingiza uwiano huu na rejeleo lako halisi la voltage katika "Jedwali la 4. Maoni ya Voltage ya Juu ADC Weka Thamani" kuamua fb_value. Baada ya kupata maadili haya yaingie kwenye nambari na ujumuishe. Choma HEX kwa PIC na uko tayari kwenda! KUMBUKA: EEPROM byte 0 ni kiashiria cha kuandika logi. Weka kwa 1 ili kuanza kuingia kwa byte 1 kwenye picha mpya. Kwa sababu ya usawa, FET na inductor haipaswi kamwe kuwa joto. Wala haupaswi kusikia sauti ya mlio kutoka kwa coil ya inductor. Masharti haya yote yanaonyesha kosa la calibration. Angalia kumbukumbu ya data kwenye EEPROM ili kusaidia kujua shida yako inaweza kuwa wapi.

Hatua ya 6: Maboresho

Vitu kadhaa vinaweza kuboreshwa:

1. Weka kituo cha screw karibu na FET kwa njia bora ya ardhini. 2. Toa ufuatiliaji wa usambazaji kwa capacitors na inductor. 3. Ongeza rejeleo thabiti la voltage ili kuboresha utendaji kutoka kwa betri na usambazaji wa voltages chini ya volts 7 (ambapo pato la 7805 linazama chini ya volts 5). 4. Tumia baiti 55 za juu za EEPROM kuingia data ndogo ya kupendeza - wakati wote wa kukimbia, hafla za kupakia, min / max / mzigo wastani. - mafundisho-ya-wapiisi-dot-com