Interruptor de modo de fuente de alimentación mediante un attiny84

Question

^{simular este circuito – Esquema creado mediante CircuitLab}

Estoy tratando de construir un "push-pull" fuente de alimentación conmutada. No estoy del todo seguro de si ese es el término correcto, pero se compone de la conducción de un centro de derivación el devanado de un transformador con dos dispositivos de conmutación. En mi caso, este diseño permite el uso de dos NMOSFETs, los cuales son bastante comunes las partes.

La primera cosa que hice fue programar un attiny84 para generar un 10 khz de onda cuadrada. Estoy usando el contador de 16 bits y una interrupción para hacer esto

#define F_CPU 8000000UL

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <avr/power.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>

#define HALF_PERIOD 400

int
main (void)
{
    clock_prescale_set(clock_div_1);

    DDRB |= _BV(DDB0); 
    DDRB |= _BV(DDB1);

    TCCR1B = _BV(CS10);
    TCCR1B |= _BV(WGM12);

    TIMSK1 = _BV(OCIE1A);

    OCR1A = HALF_PERIOD;

    PORTB = _BV(PB0);
    TCNT1 = 0;
    sei();

    while(1);
}

ISR(TIM1_COMPA_vect)
{
  if(PORTB & _BV(PB0) != 0) {
    PORTB = 0;
    _delay_loop_1(1);
    PORTB = _BV(PB1);  
  } else {
    PORTB = 0;
    _delay_loop_1(1);
    PORTB = _BV(PB0);  
  }

}

La lógica detrás de configuración OCR1A a 400, es que debe ser la mitad del período de la frecuencia que desea generar. Esto debería generar un 10 kilohercios de la señal. El vector de interrupción de llamadas _delay_loop_1(1) a inyectar una pequeña cantidad de tiempo muerto. Mi entendimiento es que este código debe cambiar entre PB0 y PB1 siendo alta. No tengo un osciloscopio para verificar esta desgracia.

A partir de las salidas PB0 y PB1 necesito de la unidad de MOSFETs. Mi entendimiento es que usted no debe conducir un MOSFET de puerta directamente de los chips digitales pines de salida. La forma más fácil conductor del circuito que pude encontrar fue un "emisor-seguidor" de par.

Este es el circuito que se me ocurrió. Yo estoy manejando las puertas de los Transistores a +12 VDC así como la toma central del transformador. La fuente de alimentación me estoy manejando con está clasificado para 50 amperios.

XFMR1 es un transformador yo hiero a mí mismo de un toroide. La sección transversal es de 1.2 centímetros cuadrados. Se trata de un 10 encienda el transformador con derivación central. Mi lógica, el número de vueltas es de +12 VCC es el voltaje pico, por lo que el voltaje RMS del circuito es \$12\sqrt2\$. Los turnos se calcula de la siguiente manera a partir de aquí.

\$ N = (E * 10^8) / (4 * f * B *)\\ E = 8.46\\ f = 10000\\ B = 5000\\ a = 1.2\\ N = \frac{(8.46 * 10^8)}{(4 * 10000 * 5000 * a)}\\ N = 3.53 vueltas \$

Así que he usado 5 vueltas para tener algo de margen de seguridad y el número total se duplicó desde que estoy usando un centro de toque. Este desechos de cobre, pero es más simple. Pongo un clip de plomo de la herida alrededor de la esquina con un par de vueltas para que yo pueda medir la frecuencia de salida y el voltaje.

El resistor R3 está ahí para evitar que las cosas vuelan. En realidad no debería estar allí. Si me enciende el circuito sin la tensión de alimentación de la toma central del transformador, puedo usar mi Extech MN47 para medir un 9.85 khz de la señal en la compuerta y la fuente de cada uno de los MOSFET. Si puedo poner el multímetro en el modo de corriente y poner en serie con el resistor veo 1.4 amperios de corriente que fluye continuamente. Esto parece indicar que algo está mal con mi circuito. Con el centro del grifo conectado, el multímetro indica una frecuencia de 24 hz en ambos las puertas y la bobina de la salida. Estoy asumiendo que algo está muy mal con mi circuito.

Hice la primaria error en el diseño del circuito? Son R1 y R2 elegido correctamente?

Aquí está una foto del circuito, si eso hace la diferencia.

Actualización 1

He modificado mi diseño para el circuito especificado por 'jms'. Estoy utilizando todo 2N3906 y 2N3904 ahora. He encontrado algunos otros MOSFETs en mi basura que estoy usando ahora. Son MTP50N05Es. Estos tienen una emisora de sólo 0.028 ohmios. La corriente de drenaje es de hasta 50 amperios. La Vgs es similar a no más de +/- 20 voltios. Ahora estoy usando 10 ohm resistencias de inmersión de las puertas desde el emisor-seguidor del circuito.

He construido el controlador de circuito en un perfboard en un pequeño chasis hice. Sin los Transistores conectados puedo medir un 9.85 khz señal de entrada y de salida del circuito. Con los Transistores conectados puedo medir sólo un 13.85 hz de la señal en cualquier lugar del circuito.

Sólo tengo una de 50 amperios "de 12 voltios" Astron fuente de alimentación a la unidad. Salida real está más cerca de 14.5 voltios. Sin embargo, el suavizado de los condensadores en esta fuente de alimentación son enormes. Como resultado, incluso con el circuito, el voltaje de la fuente de alimentación cae muy lentamente. Si enciendo el controlador, conecte el centro de toque y el poder en el Astron veo 13.85 hz en la salida. Si a continuación, apague el Astron la tensión desciende muy lentamente. Después de la caída de voltaje un poco, la cosa funciona. Puedo escuchar un ~10 khz tono, medida ~10 khz en el secundario del transformador, y medir varios voltios de salida de CA en la secundaria también. Por supuesto, los condensadores, finalmente, la descarga y el circuito se apaga. ¿Por qué sucede esto?

Mientras yo intentaba minimizar la puerta de la longitud de cable todavía me terminó con alrededor de 3 cm de alambre que conduce de la perfboard a las puertas. Es esto suficiente para causar que el "zumbido" de las puertas? Por favor vea la imagen, la puerta de las unidades son de color verde.

Actualización 2:

También he intentado mover los MOSFETs hacia abajo sobre la placa perforada (sin disipador de calor). La puerta de la conexión de la unidad no es sólo una resistencia de 10 ohmios, nada más. El comportamiento es idéntico a lo que he descrito anteriormente en la actualización 1.

Actualización 3:

En cada emisor-seguidor par, he conectado un 472K (472,000 pF) de la ronda de cerámica del condensador directamente a través de los coleccionistas de cada transistor.

En el attiny84, he instalado un 104K (de 100.000 pF) condensador de cerámica directamente a través de la VCC y GND de la IC.

El circuito, ahora funciona como se pretende. Soy capaz de medir 9.83 khz salida en el secundario del transformador. Yo era capaz de medir 8.81 voltios de CA, así como en la secundaria.

Con mi actual de la resistencia limitadora instalado vi a una corriente de 0.91 amperios en el centro de toque. Con que la quiten, vi a una corriente de 4.3 amperios. Este es sin carga en el secundario. Mi conclusión es que este núcleo es, probablemente, no deseado, pero que está bien.

Answer 1

Insuficiente voltaje de salida del conductor de la puerta

Los conductores de sus puertas sólo conducirán las puertas del MOSFET de 0.85 V (IO pin bajo) a 4 V (IO pin alto, 5V ATtiny supply) o 2.3 V (IO pin alto, 3.3V ATtiny supply).
Para que el transistor NPN del conductor de la puerta pueda conducir y tirar de la puerta en alto, la corriente tiene que fluir desde la clavija IO de ATtiny hasta la base del transistor. Suponiendo una tensión de alimentación de 5V ATtiny y un transistor NPN ideal, el transistor sólo conduciría hasta que el emisor (y la puerta MOSFET) alcance los 5V, en cuyo momento la diferencia de tensión entre la base y el emisor caería a cero, provocando que la corriente de la base se detuviera, apagando el transistor NPN.
Como el transistor NPN no es un transitor ideal, se produce una nueva caída de tensión en el emisor de base. Esta caída depende del transistor específico que haya elegido, y en su caso resta un 1V adicional al voltaje de salida del ATtiny.
Puede rectificar esto añadiendo un único transistor NPN como amplificador de voltaje invertido:

simular este circuito - Esquema creado utilizando CircuitLab

Esto tiene el desafortunado efecto secundario de invertir la forma de onda de la unidad, las puertas del MOSFET estarán altas cuando las salidas del AVR estén bajas. R4 está ahí para evitar que los MOSFETs se enciendan cuando los pines IO del AVR estén en un estado de alta impedancia (por ejemplo, cuando el ATtiny se esté iniciando o haya fallos).

Falta de condensadores de desacoplamiento

No veo cualquier desacoplando condensadores en el conductor de la puerta o en la placa de la ATtiny. El desacoplamiento no es sólo una tarea hecha sólo para cumplir con las normas de interferencia electromagnética, es muy necesario para el correcto funcionamiento de los circuitos, especialmente la lógica digital de alta velocidad (el microcontrolador).

La fuente de alimentación tiene una impedancia relativamente alta a altas frecuencias debido en gran parte a la inductancia parásita de los cables de alimentación, lo que hace que cualquier cambio rápido de corriente (por ejemplo, cuando el conductor de la puerta cambia de estado) dé lugar a un transitorio de voltaje considerable. Es muy probable que esto se acople inductiva y capacitivamente a la alimentación de ATtiny (especialmente porque también carece de desacoplamiento), reiniciando el microcontrolador y posiblemente dañándolo por sobretensión en el proceso. Un condensador de desacoplamiento reaccionará mucho más rápido a los cambios en el consumo de corriente que la fuente de alimentación y sus largas derivaciones podrían esperar hacerlo, poniendo estos efectos problemáticos bajo control.

La señal de 13,85 Hz que viste era probablemente sólo el microcontrolador despertando, esperando el retardo de encendido, conmutando el estado de los controladores de puerta y siendo reiniciado por el transitorio de conmutación resultante.

Un condensador de 100 nF debe estar conectado directamente entre los pines VCC y GND del ATtiny84, físicamente tan cerca como sea posible del chip. Otro condensador de 100 nF debe ser conectado entre los colectores de Q2 y Q3 de ambos controladores de puerta.

La inductancia perdida entre los conductores y los MOSFETs

Debe tratar de minimizar el área del bucle formado por la conexión entre la salida del controlador y la puerta y el camino de retorno de la corriente, o se enfrentará a problemas de timbres incluso con un controlador bien diseñado y una resistencia de puerta adecuada. Lo ideal sería que el driver estuviera en la misma PCB que el MOSFET, los conductores que conectan la compuerta y el drenaje a los transistores del driver serían muy cortos y los conductores mencionados estarían cerca uno del otro en toda la distancia. En su actualización, usted conectó la puerta con una longitud de cable aceptable, pero el camino de retorno de la corriente es todavía muy larga, lo que lleva a una mejora sólo marginal.

simular este circuito

Ver esta excelente respuesta para una explicación más profunda.

Resistencia de puerta sobredimensionada

Las resistencias de puerta (R1 y R2 en su diagrama) están ahí para evitar que se produzcan oscilaciones de alta frecuencia (causadas por inductancias y capacitancias parásitas) durante la conmutación. 50 Ω es un poco excesivo y es probable que ralentice bastante la conmutación. Es posible determinar un valor de resistencia óptimo para un MOSFET y una aplicación específicos, pero una resistencia 10 Ω debería ser una elección conservadora adegada para la mayoría de las aplicaciones.

Selección subóptima de MOSFET

Los MOSFETs que eligió no son óptimos para lo que está tratando de hacer, a menos que planee operar sus MOSFETs a voltajes mucho más altos después de la prueba. Están clasificados para un voltaje de 500 V (25 veces lo que usted necesita), y por consiguiente tienen una alta resistencia (270 mΩ) que conduce a altas pérdidas de conducción. Lo ideal sería utilizar un MOSFET con un voltaje nominal de 25 V o más, y una resistencia interna de 20 mΩ o menos. Un MOSFET adecuado sería el omnipresente IRFZ44n o cualquier otra parte similar.