Temporizador 555 boost converter ' t cumplir especificaciones

Question

He estado jugando con tubos nixie últimamente que requiere de un alto voltaje de la fuente (~150V-200V) para encender.

Busqué alrededor de un simple generador de alta tensión y encontré este circuito que utiliza un 555 temporizador para obtener una ajustable, regulado de alto voltaje de salida entre 170V y 200V.

Tengo todas las piezas y me prototipo en una protoboard. Después de conectar una batería de 9V y estar absolutamente seguro de que no iba a explotar en mi cara (por ejemplo, por el accidente de instalar una tapa de atrás), he medido el voltaje de salida y tiene un buen 210V de salida sin carga y con el potenciómetro ajustado para dar el máximo de tensión.

Por desgracia, la tensión se sumergió a cerca de 170V tan pronto como se conecta el tubo nixie. He medido exactamente cuánto fue corriente que fluye y se encontró que la configuración fue apenas el 15% de eficiencia. El circuito consume cerca de 100 ma en la entrada sin carga! El Nixie tube sí atrajo a alrededor de 0,8 mA en 170V y la entrada dibuja sobre 120mA.

$$ \frac{170V \times 0.0008 UN}{9V \times 0.1200 A} = \frac{0.136 W}{1.080 W} \approx 12.59\% \text{ eficiente} $$

Lo dejé a las pérdidas por ineficiencias en la conmutación (me hizo sentar en un protoboard) así que me pasé la tarde haciendo una versión de PCB mientras cuidadosamente siguiendo lo que SMPS diseño de la PCB directrices que pude encontrar. Terminé reemplazando a la salida del condensador C4 con una capacidad nominal para 400V desde 250V todavía estaba cortando demasiado cerca. También he usado capacitadores de cerámica en lugar de la película tapas sugerido en el instructable.

Sin embargo, todavía no había diferencia significativa en la eficiencia.

También me di cuenta de que el voltaje de salida parecía variar proporcional a la tensión de entrada. En 9V, sería dar a voltajes más cerca de 170V con una carga y sobre 140V a 8V con una carga.

Así que ahora, estoy empezando a pensar que he entendido algo obvio o este convertidor boost circuito tipo de mierda. Huelga decir que, probablemente voy a estar buscando en otros, diseños más eficientes, pero aún así estoy bastante interesado en descubrir por qué este circuito se comporta de esta manera.

Supongo que la caída de tensión cuando una carga está conectado puede ser explicado por el hecho de que el 555 no es la producción de un largo ciclo de trabajo para la conmutación de modo que no hay suficiente energía que se envía a la salida.

La variación de la tensión de salida proporcional a la tensión de entrada puede explicarse probablemente por la ausencia de una referencia estable de voltaje. El bucle de realimentación se utiliza el voltaje de entrada como referencia, así que es más como una tensión regulada 'multiplicador'.

Pero todavía no puedo averiguar dónde está el 100mA dibujado a partir de la entrada va cuando no hay carga. De acuerdo a las fichas técnicas, los temporizadores 555 dibujar muy poca corriente. La retroalimentación divisores de voltaje, ciertamente, no dibujar en cualquier lugar cerca de lo que mucho. Dónde está todo lo que la potencia de entrada?

tl;dr ¿alguien puede explicar o que me ayude a entender por qué este circuito chupa?

Answer 1

Se necesitan casi 2 mA sólo para cargar y descargar la puerta de su MOSFET. También estás desperdiciando unos 5 mA en R1, ya que está conectado a tierra a través del pin 7 casi la mitad del tiempo. Tu divisor de retroalimentación de voltaje está consumiendo cerca de 1 mA del riel de alto voltaje, lo que se traduce en más de 20 mA en la entrada.

Hay un problema con el uso de un 555 para conducir un gran MOSFET: La limitada corriente de salida del 555 significa que el MOSFET no puede pasar rápidamente de estar totalmente apagado a totalmente encendido y viceversa. Pasa mucho tiempo (relativamente hablando) en una región de transición, en la que disipa una cantidad significativa de su potencia de entrada en lugar de entregar esa potencia a la salida. El MOSFET tiene una carga total en la puerta de 63 nC, y el 555 tiene una corriente máxima de salida de unos 200 mA, lo que significa que tarda un mínimo de 63 nC / 200 mA = 315 ns en cargar o descargar la puerta. Si utilizas un CMOS 555, la corriente de salida es mucho menor y el tiempo de conmutación es correspondientemente mayor.

Si añades un chip controlador de puerta entre el 555 y el MOSFET (uno que sea capaz de soportar corrientes máximas de 1-2A), verás un notable aumento de la eficiencia general. Un verdadero chip controlador de refuerzo a menudo tendrá estos controladores incorporados.

Si te tomas en serio el desarrollo de convertidores de potencia conmutados, definitivamente tienes que conseguir un osciloscopio para poder ver estos efectos por ti mismo.

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El diseño de ese regulador también es bastante cutre por otra razón. La potencia a través de un convertidor en modo boost se regula variando el ciclo de trabajo del elemento de conmutación. En este circuito, la retroalimentación se crea utilizando un transistor para tirar hacia abajo del nodo de tensión de control del 555, lo que reduce el umbral de conmutación superior. Sin embargo, debido a la forma en que está construido el 555, esto también reduce el umbral de conmutación inferior en una cantidad proporcional. Esto significa que el cambio en el ciclo de trabajo a medida que aumenta la tensión de salida es mucho menor de lo que se podría pensar. Tiene un efecto mayor en la frecuencia de los pulsos de salida, pero esto no es relevante. Una vez más, el cambio a un chip controlador de refuerzo adecuado resolvería este problema.

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Por cierto, la parte "reguladora" del circuito NO está usando el voltaje de entrada como su referencia, está usando el voltaje de avance de la unión B-E de Q1 como su referencia.

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Como señala Spehro, un inductor de 100 µH a una frecuencia de conmutación de 30 kHz -tiempo de encendido nominal = 16 µs- con una fuente de 9V va a alcanzar una corriente de pico de 1,44 A. Esto es realmente abusar del infierno de una batería de 9V, por no mencionar la I 2 R pérdidas tanto en el inductor como en el MOSFET. Esto también está incómodamente cerca de la corriente de saturación del inductor, lo que sólo agrava las pérdidas.

Answer 2

Ese inductor tiene un valor bastante pequeño para la frecuencia de conmutación y la tensión de entrada relativamente bajas; asegúrate de que el que utilizas no se satura con unos pocos amperios.

Si el tiempo de encendido es del orden de 20 microsegundos y el inductor parte de cero, llegará a un par de amperios (estimación a posteriori).

Sospecho que si lo intentas con un CMOS 555 a (digamos) el doble de frecuencia (reduce la tapa a 1nF) y un mejor inductor puedes ver una mejora dramática en la eficiencia.

Answer 3

Dave hace excelentes puntos (+1 de mi parte) sobre lo apestoso que es el circuito y parece que se deriva de este circuito omitiendo resistencias, condensadores, cambiando el diodo, etc. La página da una explicación del circuito como un proyecto para alimentar nixies. http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

Answer 4

He estado experimentando con un circuito similar Y creo que el principal problema aquí es que 0.8mA en un solo Nixie no es suficiente carga para que este circuito sea particularmente eficiente:

• Como otros han señalado, el "coste fijo" de este circuito de control 555 es relativamente alto e inevitable.
• Pero aumenta la corriente o maneja varios Nixies y las cosas mejoran rápidamente.
• Por ejemplo, si conduzco un IN-14 a 0,39mA veo un 11% de eficiencia, pero si lo aumento a 2mA la eficiencia sube al 22,2%.

Otro factor a tener en cuenta es el snubber R3/C3 en el FET:

• aunque reduce el timbre en el inductor, no veo ningún impacto significativo en la salida por lo que podría decirse que no es útil en esta aplicación
• pero tiene un coste en eficiencia (proporcional a la capacitancia)
• los valores seleccionados de 100pF/2.2k son probablemente los óptimos - esto debería amortiguar significativamente el timbre y quizás cueste sólo un 1-2% en eficiencia. Pero tal vez le interese comparar los resultados si reduce este valor a, por ejemplo, 30pF o incluso excluye el amortiguador por completo.