555 timer boost converter tidak memenuhi spesifikasi

Saya sudah main-main dengan tabung nixie belakangan ini yang membutuhkan sumber tegangan tinggi (~ 150V-200V) untuk menghidupkan.

Saya mencari-cari generator tegangan tinggi sederhana dan menemukan sirkuit ini yang menggunakan timer 555 untuk mendapatkan output tegangan tinggi yang dapat diatur dan diatur antara 170V dan 200V.

Saya mendapatkan semua bagian dan saya prototipe di atas papan tempat memotong roti. Setelah memasukkan baterai 9V dan benar-benar yakin bahwa itu tidak akan meledak di wajah saya (misalnya dengan tidak sengaja memasang tutup ke belakang), saya mengukur tegangan output dan mendapatkan output 210V yang bagus tanpa beban dan dengan trimpot disesuaikan untuk memberikan tegangan maksimum.

Sayangnya, tegangan turun ke sekitar 170V segera setelah saya menghubungkan tabung nixie. Saya mengukur dengan tepat berapa banyak arus yang mengalir dan menemukan bahwa konfigurasi hampir tidak efisien 15%. Sirkuit menarik sekitar 100mA pada input tanpa beban! Tabung Nixie sendiri menarik sekitar 0.8mA pada 170V dan input menarik sekitar 120mA.

Saya meletakkannya ke kerugian karena ketidakefisienan dalam switching (saya memang meletakkan ini di atas papan tempat memotong roti) jadi saya menghabiskan sore hari membuat versi PCB sambil dengan hati-hati mengikuti apa pun pedoman tata letak SMPS PCB yang bisa saya temukan. Saya akhirnya mengganti kapasitor C4 keluaran dengan nilai 400V karena 250V masih memotong terlalu dekat. Saya juga menggunakan tutup keramik sebagai ganti tutup film yang disarankan dalam instruksi.

Namun, masih belum ada perbedaan efisiensi yang signifikan.

Saya juga memperhatikan bahwa tegangan keluaran tampaknya bervariasi sebanding dengan tegangan input. Pada 9V, itu akan memberikan tegangan lebih dekat ke 170V dengan beban dan sekitar 140V pada 8V dengan beban.

Jadi saat ini, saya mulai berpikir bahwa saya telah melewatkan sesuatu yang jelas atau rangkaian konverter boost ini agak menyebalkan. Tak perlu dikatakan, saya mungkin akan mencari ke dalam, desain lain yang lebih efisien, tetapi saya masih agak tertarik untuk menemukan mengapa sirkuit ini berperilaku seperti ini.

Saya kira drop tegangan ketika beban terhubung dapat dijelaskan oleh fakta bahwa 555 tidak menghasilkan siklus tugas yang cukup lama untuk switching sehingga tidak ada cukup daya yang dikirim ke output.

Tegangan output yang bervariasi sebanding dengan tegangan input mungkin dapat dijelaskan oleh tidak adanya tegangan referensi yang stabil. Loop umpan balik menggunakan tegangan input sebagai referensi sehingga lebih seperti 'pengali' tegangan yang diatur.

Tapi saya masih tidak tahu di mana 100mA diambil dari input akan terjadi ketika tidak ada beban. Menurut lembar data, 555 timer menarik arus sangat sedikit. Pembagi tegangan umpan balik tentu saja tidak terlalu dekat. Di mana semua daya input itu pergi?

tl; dr adakah yang bisa menjelaskan atau membantu saya memahami mengapa sirkuit ini menyebalkan?

Dibutuhkan hampir 2 mA hanya untuk mengisi dan melepaskan gerbang MOSFET Anda. Anda juga membuang-buang sekitar 5 mA di R1, karena dibumikan melalui pin 7 sekitar separuh waktu. Pembagi umpan balik tegangan Anda menarik sekitar 1 mA dari rel tegangan tinggi, yang diterjemahkan menjadi lebih dari 20 mA pada input.

Ada masalah dengan menggunakan 555 untuk menggerakkan MOSFET besar: Arus keluaran terbatas pada 555 berarti bahwa MOSFET tidak dapat beralih dengan cepat dari full-off ke full-on dan kembali lagi. Ini menghabiskan banyak waktu (relatif berbicara) di wilayah transisi, di mana ia menghabiskan sejumlah besar daya input Anda alih-alih memberikan daya itu ke output. MOSFET memiliki muatan gerbang total 63 nC, dan 555 memiliki arus keluaran maksimum sekitar 200 mA, yang berarti dibutuhkan minimum 63 nC / 200 mA = 315 ns untuk mengisi atau mengeluarkan gerbang. Jika Anda menggunakan CMOS 555, arus keluaran jauh lebih sedikit dan waktu switching lebih lama.

Jika Anda menambahkan chip driver gerbang antara 555 dan MOSFET (yang mampu menghasilkan arus puncak 1-2A), Anda akan melihat peningkatan nyata dalam efisiensi secara keseluruhan. Chip pengendali boost nyata seringkali memiliki driver seperti itu.

Jika Anda serius mengembangkan konverter daya switchmode, Anda pasti perlu mendapatkan osiloskop sehingga Anda dapat melihat efek ini sendiri.

Desain regulator itu juga agak jelek karena alasan lain. Daya melalui konverter mode boost diatur dengan memvariasikan siklus tugas elemen switching. Di sirkuit ini, umpan balik dibuat dengan menggunakan transistor untuk menarik turun pada simpul tegangan kontrol 555, yang mengurangi ambang switching atas. Namun, karena cara 555 dibangun, ini juga mengurangi ambang switching yang lebih rendah dengan jumlah yang proporsional. Ini berarti bahwa perubahan siklus tugas karena tegangan ouptut naik jauh lebih sedikit daripada yang mungkin Anda pikirkan. Ini memiliki efek yang lebih besar pada frekuensi pulsa output, tetapi ini tidak relevan. Sekali lagi, beralih ke chip pengontrol boost yang tepat akan menyelesaikan masalah ini.

By the way, bagian "regulator" dari sirkuit TIDAK menggunakan tegangan input sebagai referensi, itu menggunakan tegangan maju dari persimpangan BE Q1 sebagai referensi.

Seperti yang ditunjukkan Spehro, induktor 100 µH pada frekuensi switching 30 kHz - nominal tepat waktu = 16 µs - dengan sumber 9V akan mencapai puncak arus 1,44 A. Ini benar-benar menyalahgunakan baterai 9V. , belum lagi kerugian I ² R di kedua induktor dan MOSFET. Ini juga tidak nyaman dekat dengan arus jenuh induktor, yang hanya memperburuk kerugian.

Itu induktor agak nilai kecil untuk frekuensi switching yang relatif rendah dan tegangan input - pastikan yang Anda gunakan tidak akan jenuh pada beberapa ampere.

Jika waktu tepat dari urutan 20 mikrodetik dan induktor mulai dari nol itu akan sampai ke beberapa ampere (back-of-envelope guesstimation).

Saya curiga jika Anda mencobanya dengan CMOS 555 di (katakanlah) gandakan frekuensi (kurangi tutup menjadi 1nF) dan induktor yang lebih baik, Anda mungkin melihat peningkatan dramatis dalam efisiensi.

Dave membuat poin bagus (+1 dari saya) tentang betapa sialnya rangkaian itu dan tampaknya berasal dari rangkaian ini dengan menghilangkan resistor, kapasitor, mengubah dioda, dll. Halaman ini memberikan penjelasan tentang rangkaian sebagai proyek untuk menyalakan daya nixies. http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

Saya telah bereksperimen dengan sirkuit yang sama , dan saya pikir masalah utama di sini adalah bahwa 0.8mA pada Nixie tunggal tidak cukup memuat untuk sirkuit ini menjadi sangat efisien:

• Seperti yang telah ditunjukkan orang lain, "biaya tetap" dari sirkuit kontrol 555 ini relatif tinggi dan tidak dapat dihindari.
• Namun, tingkatkan arus atau drive banyak Nixies dan segalanya dengan cepat menjadi lebih baik.
• misal mengendarai IN-14 pada 0,39mA Saya melihat efisiensi 11%, tetapi meningkatkannya menjadi 2mA dan efisiensi naik menjadi 22,2%

Satu faktor lain yang perlu diingat adalah snubber R3 / C3 di FET:

• sementara itu mengurangi dering pada induktor, saya tidak melihat dampak yang berarti pada output jadi bisa dibilang tidak berguna dalam aplikasi ini
• tetapi ia datang dengan biaya dalam efisiensi (sebanding dengan kapasitansi)
• nilai yang dipilih dari 100pF / 2.2kΩ mungkin sekitar optimal - ini harus secara signifikan mengurangi dering dan mungkin biaya hanya 1-2% dalam efisiensi. Tetapi Anda mungkin tertarik untuk membandingkan hasil jika Anda mengetuk ini kembali untuk mengatakan 30pF atau bahkan mengecualikan snubber sepenuhnya.