555 таймер повышения конвертер не соответствует спецификации

В последнее время я возился с трубками Никси, для включения которых требуется источник высокого напряжения (~ 150В-200В).

Я искал простой генератор высокого напряжения и нашел эту схему, которая использует таймер 555, чтобы получить регулируемый, регулируемый выход высокого напряжения между 170 В и 200 В.

Я получил все детали и прототипировал его на макете. После подключения 9-вольтовой батареи и полной уверенности в том, что она не взорвется у меня на лице (например, при случайной установке крышки назад), я измерил выходное напряжение и получил хороший выходной сигнал 210 В без нагрузки и с регулировкой триммера, чтобы дать максимальное напряжение

К сожалению, напряжение уменьшилось примерно до 170 В, как только я подключил трубку Никси. Я точно измерил, сколько тока протекало, и обнаружил, что эффективность конфигурации была всего 15%. Схема потребляет около 100 мА на входе без нагрузки! Сама трубка Никси потребляла около 0,8 мА при напряжении 170 В, а входная мощность составляет около 120 мА.

Я объяснил это потерями из-за неэффективности переключения (я выложил это на макетной плате), поэтому я провел весь день, делая версию для печатной платы, тщательно следуя всем рекомендациям по компоновке платы SMPS, которые я мог найти. Я закончил тем, что заменил выходной конденсатор C4 на 400 В, так как 250 В все еще перерезал его слишком близко. Я также использовал керамические колпачки вместо пленочных колпачков, предложенных в инструкции.

Однако существенной разницы в эффективности по-прежнему не было.

Я также заметил, что выходное напряжение, казалось, изменялось пропорционально входному напряжению. При напряжении 9 В это даст напряжение ближе к 170 В с нагрузкой и около 140 В при 8 В с нагрузкой.

Итак, сейчас я начинаю думать, что я либо пропустил что-то очевидное, либо эта схема повышающего преобразователя просто отстой. Само собой разумеется, я, вероятно, буду искать другие, более эффективные проекты, но я все еще довольно стремлюсь выяснить, почему эта схема ведет себя таким образом.

Я полагаю, что падение напряжения при подключении нагрузки может быть объяснено тем фактом, что 555 не производит достаточно длинный рабочий цикл для переключения, поэтому на выход не подается достаточная мощность.

Выходное напряжение Различного пропорционально входное напряжение, вероятно, может быть объяснено отсутствием стабильных опорного напряжения. Контур обратной связи использует входное напряжение в качестве эталона, поэтому он больше похож на «множитель» регулируемого напряжения.

Но я все еще не могу понять, куда 100 мА, взятая из входа, идет, когда нет нагрузки. Согласно данным, 555 таймеров потребляют очень мало тока. Делители напряжения обратной связи, конечно же, не слишком похожи. Куда уходит вся эта входная мощность?

tl; dr кто-нибудь может объяснить или помочь мне понять, почему эта схема отстой?

Требуется почти 2 мА только для зарядки и разрядки затвора вашего MOSFET. Вы также теряете около 5 мА в R1, так как он заземлен через контакт 7 примерно половину времени. Ваш делитель обратной связи по напряжению потребляет около 1 мА от высоковольтной шины, что составляет более 20 мА на входе.

Существует проблема с использованием 555 для управления большим MOSFET: ограниченный выходной ток 555 означает, что MOSFET не может быстро переключаться с полного на полный и обратно. Он проводит много времени (условно говоря) в переходной области, в которой он рассеивает значительную часть вашей входной мощности вместо того, чтобы доставлять эту мощность на выход. MOSFET имеет суммарный заряд затвора 63 нКл, а 555 имеет максимальный выходной ток около 200 мА, что означает, что для зарядки или разрядки затвора требуется минимум 63 нК / 200 мА = 315 нс. Если вы используете CMOS 555, выходной ток намного меньше, а время переключения соответственно больше.

Если вы добавите чип драйвера затвора между 555 и MOSFET (тот, который способен к пиковым токам 1-2A), вы увидите заметное увеличение общей эффективности. В настоящий чип встроенного контроллера часто встроены такие драйверы.

Если вы серьезно относитесь к разработке силовых преобразователей с импульсным режимом, вам обязательно нужно приобрести осциллограф, чтобы вы могли сами увидеть эти эффекты.

Этот дизайн регулятора также довольно дурацкий по другой причине. Мощность через преобразователь повышающего режима регулируется путем изменения рабочего цикла переключающего элемента. В этой схеме обратная связь создается с помощью транзистора, который опускает узел управляющего напряжения 555, что снижает верхний порог переключения. Однако из-за способа построения 555 это также уменьшает нижний порог переключения на пропорциональную величину. Это означает, что изменение рабочего цикла при повышении выходного напряжения намного меньше, чем вы могли бы подумать. Это оказывает большее влияние на частоту выходных импульсов, но это не имеет значения. Снова, переключение на надлежащий чип контроллера буста решило бы эту проблему.

Кстати, часть схемы «регулятор» НЕ использует входное напряжение в качестве эталона, она использует прямое напряжение соединения BE Q1 в качестве эталона.

Как указывает Spehro, индуктивность 100 мкГн при частоте переключения 30 кГц - номинальная по времени = 16 мкс - с источником 9 В достигнет пикового тока 1,44 А. Это действительно чертовски неправильно для батареи 9 В , не говоря уже о потерях I ² R как в индуктивности, так и в полевом МОП-транзисторе. Это также неудобно близко к току насыщения индуктора, что только усугубляет потери.

Этот индуктор является довольно небольшим значением для относительно низкой частоты переключения и входного напряжения - убедитесь, что тот, который вы используете, не будет насыщаться при нескольких амперах.

Если время включения составляет порядка 20 микросекунд, а индуктор запускается с нуля, то он достигнет пары ампер (предположение обратной оболочки).

Я подозреваю, что если вы попробуете это с CMOS 555 с (скажем) удвоенной частотой (уменьшите ограничение до 1 нФ) и с лучшей индуктивностью, вы можете увидеть значительное улучшение эффективности.

Дейв делает отличные замечания (+1 от меня) о том, насколько плохая схема, и, кажется, она получена из этой схемы, исключая резисторы, конденсаторы, заменяя диод и т. Д. На странице дается объяснение схемы как проекта для включения питания. никси. http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

Я экспериментировал с подобной схемой , и я думаю, что главная проблема здесь в том, что 0,8 мА на одном Nixie просто недостаточно для того, чтобы эта схема была особенно эффективной:

• Как отмечали другие, «фиксированная стоимость» этой схемы управления 555 относительно высока и неизбежна.
• Но увеличьте ток или управляйте несколькими Nixies, и все быстро улучшится.
• например, вождение IN-14 при 0,39 мА, я вижу эффективность 11%, но увеличиваю ее до 2 мА, а эффективность возрастает до 22,2%.

Еще один фактор, который нужно иметь в виду, это демпфер R3 / C3 на FET:

• в то время как это уменьшает звон на катушке индуктивности, я не вижу какого-либо значимого влияния на выходной сигнал, так что, возможно, это бесполезно
• но это идет с затратами на эффективность (пропорционально емкости)
• выбранные значения 100 пФ / 2,2 кОм, вероятно, примерно оптимальны - это должно значительно снизить гудок и, возможно, стоить всего 1-2% эффективности. Но вам может быть интересно сравнить результаты, если вы отбросите это, скажем, 30 пФ или даже полностью исключите демпфирование.