Convertisseur d'alimentation à découpage haute tension (SMPS) / Boost pour tubes Nixie : 6 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Ce SMPS augmente la basse tension (5-20 volts) à la haute tension nécessaire pour alimenter les tubes Nixie (170-200 volts). Soyez averti: même si ce petit circuit peut fonctionner avec des piles/des moûts muraux basse tension, la sortie est plus que suffisante pour vous tuer !

Le projet comprend: Feuille de calcul d'aide EagleCAD CCT & fichiers PCB MikroBasic Firmware Source

Étape 1: Comment ça marche ?

Cette conception est basée sur la note d'application Microchip TB053 avec plusieurs modifications basées sur l'expérience des membres de Neonixie-L (https://groups.yahoo.com/group/NEONIXIE-L/). Obtenez la note d'application - c'est une bonne lecture de seulement quelques pages: (https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/91053b.pdf) L'illustration ci-dessous est extraite de TB053. Il décrit le principe de base du SMPS. Un microcontrôleur met à la terre un FET (Q1), permettant à une charge de s'accumuler dans l'inducteur L1. Lorsque le FET est éteint, la charge traverse la diode D1 dans le condensateur C1. Vvfb est un retour de diviseur de tension qui permet au microcontrôleur de surveiller la haute tension et d'activer le FET au besoin pour maintenir la tension souhaitée.

Étape 2: Caractéristiques de l'inducteur

Bien que très agréable, la note de l'application Microchip me semble un peu en arrière. Il commence par déterminer la puissance requise, puis choisit un temps de charge d'inductance sans se soucier des inductances disponibles. J'ai trouvé plus utile de choisir un inducteur et de concevoir l'application autour de cela. Les inducteurs que j'ai utilisés sont "C&D Technologies Inductors RADIAL LEAD 100uH" (pièce Mouse 580-18R104C, 1,2 amp, 1,40 $), (pièce Mouse 580-22R104C, 0,67 ampli, 0,59 $). J'ai choisi ces inducteurs car ils sont très petits, très bon marché, mais ont des puissances nominales décentes. Nous connaissons déjà la puissance nominale continue maximale de notre bobine (0,67 ampères pour le 22R104C), mais nous devons savoir combien de temps il faudra pour charger (temps de montée). Plutôt que d'utiliser un temps de charge fixe (voir l'équation 6 dans TB053) pour déterminer les ampères de bobine requis, nous pouvons interroger l'équation 6 et résoudre le temps de montée: (remarque: l'équation 6 dans TB053 est fausse, elle devrait être L, pas 2L) (Volts in/Inductor uH)*rise_time=Peak Amps -becomes-(Inductor uH/Volts in) * Peak Amps = temps de montée.-utiliser le 22R104C avec une alimentation de 5 volts donne ce qui suit-(100/5)*0.67= 13,5 uSil faudra 13,5 uS pour charger complètement la bobine d'inductance à 5 volts. Évidemment, cette valeur variera avec différentes tensions d'alimentation. Comme indiqué dans TB053: "Le courant dans un inducteur ne peut pas changer instantanément. Lorsque Q1 est éteint, le courant dans L1 continue de traverser D1 vers le condensateur de stockage, C1, et la charge, RL. Ainsi, le courant dans l'inducteur diminue linéairement dans le temps à partir du courant de crête. "Nous pouvons déterminer le temps qu'il faut au courant pour sortir de l'inducteur à l'aide de l'équation TB05 7. En pratique, ce temps est très court. Cette équation est implémentée dans la feuille de calcul incluse, mais ne sera pas discutée ici. Quelle puissance pouvons-nous tirer d'une inductance de 0,67 A ? La puissance totale est déterminée par l'équation suivante (tb053 équation 5):Power=(((rise time)*(Volts in)^{2)/(2*Inducteur uH))}-en utilisant nos valeurs précédentes, nous trouvons-1,68 Watts = (13,5uS * 5volts^2)/(2*100uH)-convertir les watts en mA-mA=((Power Watts)/(output volts))*1000-en utilisant une tension de sortie de 180, nous trouvons-9,31mA = (1,68Watts/180volts)*1000Nous pouvons obtenir un maximum de 9,31 mA de cette bobine avec une alimentation de 5 volts, ignorant toutes les inefficacités et pertes de commutation. Une plus grande puissance de sortie peut être obtenue en augmentant la tension d'alimentation. Tous ces calculs sont mis en œuvre dans le « Tableau 1: Calculs de bobine pour l'alimentation haute tension » de la feuille de calcul incluse avec cette instructable. Plusieurs exemples de bobines sont entrés.

Étape 3: Pilotage du SMPS avec un microcontrôleur

Maintenant que nous avons calculé le temps de montée de notre bobine, nous pouvons programmer un microcontrôleur pour la charger juste assez longtemps pour atteindre son mA nominal. L'un des moyens les plus simples de le faire est d'utiliser le modulateur de largeur d'impulsion matériel d'un PIC. La modulation de largeur d'impulsion (PWM) a deux variables décrites dans la figure ci-dessous. Pendant le cycle de service, le PIC allume le FET, le met à la terre et permet au courant d'entrer dans la bobine d'inductance (temps de montée). Pendant le reste de la période, le FET est éteint et le courant sort de l'inducteur à travers la diode vers les condensateurs et la charge (temps de chute). Nous connaissons déjà le temps de montée requis d'après nos calculs précédents: 13,5 uS. TB053 suggère que le temps de montée soit de 75 % de la période. J'ai déterminé ma valeur de période en multipliant le temps de montée par 1,33: 17,9 uS. Ceci est cohérent avec la suggestion de TB053 et garantit que l'inducteur reste en mode discontinu - se déchargeant complètement après chaque charge. Il est possible de calculer une période plus exacte en ajoutant le temps de montée calculé au temps de chute calculé, mais je n'ai pas essayé cela. Maintenant, nous pouvons déterminer le cycle de service réel et les valeurs de période à entrer dans le microcontrôleur pour obtenir les intervalles de temps souhaités. Dans le manuel Microchip PIC Mid-range, nous trouvons les équations suivantes (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/33023a.pdf):PWM Duty Cycle uS =(10 bit Duty Cycle Value) * (1 / Fréquence de l'oscillateur) * PrescalerSi nous réglons le prescaler sur 1 et battons cette équation avec un bâton d'algèbre, nous obtenons: 10 bit Duty Cycle Value = PWM Duty Cycle uS * Oscillator FrequencyRemplacez le Duty Cycle uS par le temps de montée calculé et supposez un oscillateur de 8 Mhz fréquence: 107 = 13,5 uS * 8 Mhz107 est entré dans le PIC pour obtenir un cycle de service de 13,5 uS. Ensuite, nous déterminons la valeur de la période PWM. Du manuel de milieu de gamme, nous obtenons l'équation suivante: période PWM uS = ((valeur de période PWM) + 1) * 4 * (1/fréquence de l'oscillateur) * (valeur de pré-échelle) Encore une fois, nous définissons le pré-échelonneur sur 1 et harcelons l'équation pour la valeur de la période PWM, nous donnant: Valeur de la période PWM = ((PWM Période uS/(4/Fréquence de l'oscillateur))-1) Remplacez la période uS par (1,33*temps de montée) et supposez une fréquence d'oscillateur de 8 Mhz:35= ((17.9/(4/8))-1)35 est entré dans le PIC pour obtenir une période de 17,9uS. Mais attendez! La période n'est-elle pas plus courte que le cycle de service ? Non - Les PIC ont un registre de cycle de service de 10 bits et un registre de période de 8 bits. Il y a plus de résolution pour la valeur du cycle de service, donc sa valeur sera parfois plus grande que la valeur de la période - en particulier aux hautes fréquences. Tous ces calculs sont mis en œuvre dans le "Tableau 2. Calculs PWM" de la feuille de calcul incluse avec cette instructable. Plusieurs exemples de bobines sont entrés.

Étape 4: Conception de PCB

PCB et CCT sont au format EagleCad. Les deux sont inclus dans l'archive ZIP.

J'ai examiné plusieurs conceptions existantes lors de la fabrication de ce PCB. Voici mes notes concernant les caractéristiques de conception importantes: 1. J'ai suivi la note de l'application Microchip et utilisé un TC4427A pour piloter le FET. Cela A) protège le microcontrôleur des tensions de retour provenant du FET, et B) peut piloter le FET à des tensions plus élevées que le PIC pour une commutation plus rapide/plus dure avec une meilleure efficacité. 2. La distance entre le PWM du PIC et le FET est minimisée. 3. FET, inductance, condensateurs très serrés. 4. Trace d'approvisionnement en graisses. 5. Bonne mise à la terre entre le FET et le point de connexion mur-moût. J'ai choisi le microcontrôleur PIC 12F683 pour ce projet. Il s'agit d'un PIC à 8 broches avec PWM matériel, 4 convertisseurs analogiques-numériques, un oscillateur interne de 8 MHz et une EEPROM de 256 octets. Plus important encore, j'en avais un sur un projet précédent. J'ai utilisé le FET IRF740 en raison de sa grande popularité sur la liste Neonixie-L. Il y a 2 condensateurs pour lisser l'alimentation HT. L'un est un électrolytique (haute température, 250 volts, 1 uF), l'autre est un film métallique (250 volts, 0,47 uf). Ce dernier est beaucoup plus gros et plus cher (0,50 $ contre 0,05 $), mais nécessaire pour obtenir une sortie propre. Il y a deux circuits de retour de tension dans cette conception. Le premier permet au PIC de détecter la tension de sortie et d'appliquer des impulsions au FET si nécessaire pour maintenir le niveau souhaité. Le "Tableau 3. Calculs du réseau de retour haute tension" peut être utilisé pour déterminer la valeur de retour correcte en fonction du diviseur de tension à 3 résistances et de la tension de sortie souhaitée. Le réglage fin est effectué avec la résistance de réglage 1k. Le deuxième retour mesure la tension d'alimentation afin que le PIC puisse déterminer le temps de montée optimal (et les valeurs de période/cycle d'utilisation). À partir des équations de l'étape 1, nous avons constaté que le temps de montée de l'inducteur dépend de la tension d'alimentation. Il est possible d'entrer des valeurs exactes de la feuille de calcul dans votre PIC, mais si l'alimentation est modifiée, les valeurs ne sont plus optimales. Si vous utilisez des batteries, la tension diminuera au fur et à mesure que les batteries se déchargent, ce qui nécessite un temps de montée plus long. Ma solution était de laisser le PIC calculer tout cela et définir ses propres valeurs (voir firmware). Le cavalier à trois broches sélectionne la source d'alimentation pour le TC4427A et la bobine d'inductance. Il est possible de faire fonctionner les deux à partir du régulateur 7805 5 volts, mais une meilleure efficacité et une sortie plus élevée sont obtenues avec une tension d'alimentation plus élevée. Le TC4427a et le FET IRF740 supporteront jusqu'à ~20 volts. Étant donné que le PIC se calibrera pour n'importe quelle tension d'alimentation donnée, il est logique de les alimenter directement à partir de l'alimentation. Ceci est particulièrement important dans le fonctionnement sur batterie - pas besoin de gaspiller de l'énergie dans le 7805, il suffit d'alimenter l'inducteur directement à partir des cellules. Les LED sont facultatives, mais pratiques pour le dépannage. La LED « gauche » (jaune sur mes cartes) indique que la rétroaction HV est sous le point souhaité, tandis que la LED droite (rouge dans ma conception) indique qu'elle est terminée. En pratique, vous obtenez un bel effet PWM dans lequel les LED brillent en intensité par rapport à la charge actuelle. Si la LED rouge s'éteint (solide), cela indique que, malgré tous ses efforts, le PIC ne peut pas maintenir la tension de sortie au niveau souhaité. En d'autres termes, la charge dépasse la sortie maximale SMPS. N'OUBLIEZ PAS LES FILS DE CAVALIER MONTRÉS EN ROUGE ! Liste des pièces Valeur de la pièce 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 Régulateur 5 volts IC7 PIC 12F683 L1 Inductance (22R104C) LED1 LED2 Q1 IRF740 R1 120K R2 0.47K R3 1K Trimmer linéaire R4 330 Ohm R5 100K R6 330 Ohm R7 10K SV1 Embase 3 broches X2 Borne à 3 vis

Étape 5: Micrologiciel

Le firmware est écrit en MikroBasic, le compilateur est gratuit pour les programmes jusqu'à 2K (https://www.mikroe.com/). Si vous avez besoin d'un programmeur PIC, pensez à ma carte de programmation JDM2 améliorée également publiée sur instructables (https://www.instructables.com/ex/i/6D80A0F6DA311028931A001143E7E506/?ALLSTEPS). Opération de base: 1. Lorsque l'alimentation est appliquée, le PIC démarre. 2. PIC retarde pendant 1 seconde pour permettre aux tensions de se stabiliser. 3. PIC lit le retour de tension d'alimentation et calcule les valeurs de cycle de service et de période optimales. 4. PIC enregistre la lecture ADC, le cycle de service et les valeurs de période dans l'EEPROM. Cela permet un dépannage et aide à diagnostiquer les pannes catastrophiques. L'adresse EEPROM 0 est le pointeur d'écriture. Un journal de 4 octets est enregistré chaque fois que le SMPS est (re)démarré. Les 2 premiers octets sont ADC haut/bas, le troisième octet est inférieur à 8 bits de la valeur du cycle de service, le quatrième octet est la valeur de période. Un total de 50 étalonnages (200 octets) est enregistré avant que le pointeur d'écriture ne se retourne et ne redémarre à l'adresse EEPROM 1. Le journal le plus récent sera situé au pointeur-4. Ceux-ci peuvent être lus à partir de la puce à l'aide d'un programmeur PIC. Les 55 octets supérieurs sont laissés libres pour de futures améliorations (voir améliorations). 5. PIC entre en boucle sans fin - la valeur de retour haute tension est mesurée. S'il est inférieur à la valeur souhaitée, les registres de cycle de service PWM sont chargés avec la valeur calculée - REMARQUE: les deux bits inférieurs sont importants et doivent être chargés dans CPP1CON 5:4, les 8 bits supérieurs entrent dans CRP1L. Si le retour est supérieur à la valeur souhaitée, le PIC charge les registres de cycle de service avec 0. Il s'agit d'un système de « saut d'impulsion ». J'ai choisi le saut d'impulsion pour deux raisons: 1) à des fréquences aussi élevées, il n'y a pas beaucoup de largeur de service avec laquelle jouer (0-107 dans notre exemple, beaucoup moins à des tensions d'alimentation plus élevées), et 2) la modulation de fréquence est possible, et donne beaucoup plus de place pour l'ajustement (35-255 dans notre exemple), mais SEUL DUTY EST DOUBLE TAMPON DANS LE MATÉRIEL. Changer la fréquence pendant que le PWM fonctionne peut avoir des effets « étranges ». Utilisation du firmware: Plusieurs étapes de calibrage sont nécessaires pour utiliser le firmware. Ces valeurs doivent être compilées dans le firmware. Certaines étapes sont facultatives, mais vous aideront à tirer le meilleur parti de votre alimentation électrique. 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 Ces valeurs se trouvent en haut du code du micrologiciel. Trouvez les valeurs et définissez comme suit. v_ref C'est la référence de tension de l'ADC. Ceci est nécessaire pour déterminer la tension d'alimentation réelle à inclure dans les équations décrites à l'étape 1. Si le PIC est exécuté à partir d'un régulateur 7805 5 volts, nous pouvons nous attendre à environ 5 volts. À l'aide d'un multimètre, mesurez la tension entre la broche d'alimentation PIC (PIN1) et la terre au niveau de la borne à vis. Ma valeur exacte était de 5,1 volts. Saisissez cette valeur ici. supply_ratio Le diviseur de tension d'alimentation se compose d'une résistance de 100K et 10K. Théoriquement, la rétroaction doit être égale à la tension d'alimentation divisée par 11 (voir le Tableau 5. Calculs du réseau de rétroaction de la tension d'alimentation). En pratique, les résistances ont différentes tolérances et ne sont pas des valeurs exactes. Pour trouver le rapport de retour exact: 1. Mesurez la tension d'alimentation entre les bornes à vis. 2. Mesurez la tension de retour entre la broche 7 du PIC et la terre au niveau de la borne à vis. 3. Divisez Supply V par FB V pour obtenir un rapport exact. Vous pouvez également utiliser le "Tableau 6. Calibrage du retour de tension d'alimentation". osc_freq Simplement la fréquence de l'oscillateur. J'utilise l'oscillateur interne 12F683 8Mhz, j'entre donc une valeur de 8. L_Ipeak Multipliez la bobine d'inductance uH par les ampères continus maximum pour obtenir cette valeur. Dans l'exemple, le 22r104C est une bobine de 100uH avec une valeur nominale de 0,67 ampères en continu. 100*.67=67. Multiplier la valeur ici élimine une variable à virgule flottante de 32 bits et un calcul qui devrait autrement être effectué sur le PIC. Cette valeur est calculée dans le « Tableau 1: Calculs de bobine pour l'alimentation haute tension ». fb_value C'est la valeur entière réelle que le PIC utilisera pour déterminer si la sortie haute tension est supérieure ou inférieure au niveau souhaité. Utilisez le tableau 3 pour déterminer le rapport entre la sortie HT et la tension de retour lorsque le trimmer linéaire est en position centrale. L'utilisation de la valeur centrale donne une marge de réglage de chaque côté. Ensuite, entrez ce rapport et votre référence de tension exacte dans le "Tableau 4. Valeur de consigne ADC de retour haute tension" pour déterminer la valeur fb_value. Une fois que vous avez trouvé ces valeurs, entrez-les dans le code et compilez-les. Gravez le HEX sur le PIC et vous êtes prêt à partir ! N'OUBLIEZ PAS: l'octet 0 de l'EEPROM est le pointeur d'écriture du journal. Réglez-le sur 1 pour commencer à vous connecter à l'octet 1 sur une nouvelle photo. En raison de l'étalonnage, le FET et l'inducteur ne doivent jamais devenir chauds. Vous ne devriez pas non plus entendre une sonnerie provenant de la bobine d'induction. Ces deux conditions indiquent une erreur d'étalonnage. Vérifiez le journal des données dans l'EEPROM pour vous aider à déterminer où pourrait être votre problème.

Étape 6: Améliorations

Quelques éléments pourraient être améliorés:

1. Rapprochez la borne à vis du FET pour un meilleur chemin de terre. 2. Fixez la piste d'alimentation aux condensateurs et à l'inducteur. 3. Ajoutez une référence de tension stable pour améliorer le fonctionnement des batteries et des tensions d'alimentation inférieures à 7 volts (où la sortie du 7805 chute en dessous de 5 volts). 4. Utilisez les 55 octets supérieurs de l'EEPROM pour enregistrer des données inutiles fascinantes - temps d'exécution total, événements de surcharge, charge min/max/moyenne. -ian instructables-at-whereisian-dot-com