555 timer boost converter non soddisfa le specifiche

Ultimamente ho avuto problemi con i tubi Nixie che richiedono una fonte ad alta tensione (~ 150 V-200 V) per accendersi.

Ho cercato un semplice generatore di alta tensione e trovato questo circuito che utilizza un timer 555 per ottenere un'uscita ad alta tensione regolabile e regolata tra 170 V e 200 V.

Ho ottenuto tutte le parti e l'ho prototipato su una breadboard. Dopo aver collegato una batteria da 9 V ed essere assolutamente sicuro che non mi esploderebbe in faccia (ad esempio installando accidentalmente un cappuccio all'indietro), ho misurato la tensione di uscita e ho ottenuto una bella uscita di 210 V senza carico e con il trimpot regolato per dare massima tensione.

Sfortunatamente, la tensione è scesa a circa 170 V non appena ho collegato il tubo Nixie. Ho misurato esattamente quanta corrente scorreva e ho scoperto che la configurazione era appena del 15% efficiente. Il circuito assorbe circa 100 mA sull'ingresso senza carico! Il tubo Nixie stesso ha assorbito circa 0,8 mA a 170 V e l'ingresso assorbe circa 120 mA.

L'ho ridotto alle perdite dovute alle inefficienze nella commutazione (l'ho disposto su una breadboard), quindi ho trascorso il pomeriggio a creare una versione per PCB seguendo attentamente le linee guida di layout PCB SMPS che sono riuscito a trovare. Ho finito per sostituire il condensatore di uscita C4 con uno nominale per 400 V poiché 250 V lo stava ancora tagliando troppo vicino. Ho usato anche tappi in ceramica al posto dei tappi per pellicole suggeriti nell'istruttore.

Tuttavia, non vi era ancora alcuna differenza significativa in termini di efficienza.

Ho anche notato che la tensione di uscita sembrava variare in modo proporzionale alla tensione di ingresso. A 9 V, darebbe tensioni più vicine a 170 V con un carico e circa 140 V a 8 V con un carico.

Quindi in questo momento, sto iniziando a pensare che o mi sia sfuggito qualcosa di ovvio o che questo circuito di convertitore boost sia solo un po 'schifo. Inutile dire che probabilmente esaminerò altri progetti più efficienti, ma sono ancora piuttosto interessato a scoprire perché questo circuito si comporta in questo modo.

Suppongo che la caduta di tensione quando un carico è collegato possa essere spiegata dal fatto che il 555 non sta producendo un ciclo di lavoro abbastanza lungo per la commutazione, quindi non c'è abbastanza energia erogata all'uscita.

La variazione della tensione di uscita proporzionale alla tensione di ingresso può probabilmente essere spiegata dall'assenza di una tensione di riferimento stabile. Il loop di feedback utilizza la tensione di ingresso come riferimento, quindi è più simile a un "moltiplicatore" di tensione regolata.

Ma non riesco ancora a capire dove stanno andando i 100 mA estratti dall'ingresso quando non c'è un carico. Secondo i fogli dati, i 555 timer assorbono pochissima corrente. I divisori di tensione di feedback certamente non si avvicinano così tanto. Dove sta andando tutta quella potenza in ingresso?

tl; dr qualcuno può spiegare o aiutarmi a capire perché questo circuito fa schifo?

Ci vogliono quasi 2 mA solo per caricare e scaricare il gate del MOSFET. Stai sprecando anche circa 5 mA in R1, poiché è collegato a terra attraverso il pin 7 circa la metà delle volte. Il divisore di feedback della tensione sta attingendo circa 1 mA dalla guida ad alta tensione, che si traduce in più di 20 mA all'ingresso.

C'è un problema con l'uso di un 555 per pilotare un MOSFET di grandi dimensioni: la corrente di uscita limitata del 555 significa che il MOSFET non può passare rapidamente da full-off a full-on e viceversa. Trascorre molto tempo (relativamente parlando) in una regione di transizione, in cui dissipa una quantità significativa della potenza in ingresso invece di erogare tale potenza all'uscita. Il MOSFET ha una carica di gate totale di 63 nC e il 555 ha una corrente di uscita massima di circa 200 mA, il che significa che sono necessari almeno 63 nC / 200 mA = 315 ns per caricare o scaricare il gate. Se si utilizza un CMOS 555, la corrente di uscita è molto inferiore e il tempo di commutazione è di conseguenza più lungo.

Se aggiungi un chip gate driver tra il 555 e il MOSFET (uno capace di correnti di picco di 1-2A), vedrai un marcato aumento dell'efficienza complessiva. Un vero chip del controller boost avrà spesso tali driver integrati.

Se sei seriamente intenzionato a sviluppare convertitori di potenza in modalità switch, devi assolutamente procurarti un oscilloscopio in modo da poter vedere questi effetti da solo.

Quel design del regolatore è anche piuttosto scadente per un altro motivo. La potenza attraverso un convertitore di modalità boost è regolata variando il ciclo di lavoro dell'elemento di commutazione. In questo circuito, il feedback viene creato utilizzando un transistor per abbassare il nodo della tensione di controllo del 555, che riduce la soglia di commutazione superiore. Tuttavia, a causa del modo in cui è costruito il 555, ciò riduce anche la soglia di commutazione inferiore di una quantità proporzionale. Ciò significa che la variazione del ciclo di lavoro all'aumentare della tensione di uscita è molto inferiore a quanto si potrebbe pensare altrimenti. Ha un effetto maggiore sulla frequenza degli impulsi di uscita, ma questo non è rilevante. Ancora una volta, il passaggio a un chip controller boost corretto risolverà questo problema.

A proposito, la parte "regolatore" del circuito NON utilizza la tensione di ingresso come riferimento, ma utilizza la tensione diretta della giunzione BE di Q1 come riferimento.

Come sottolinea Spehro, un induttore da 100 µH con una frequenza di commutazione di 30 kHz - tempo nominale = 16 µs - con una sorgente da 9 V raggiungerà una corrente di picco di 1,44 A. Questo sta davvero abusando di una batteria da 9 V , per non parlare delle perdite di I ² R sia nell'induttore che nel MOSFET. Questo è anche scomodamente vicino alla corrente di saturazione dell'induttore, che aggrava solo le perdite.

Quell'induttore ha un valore piuttosto piccolo per la frequenza di commutazione relativamente bassa e la tensione di ingresso: assicurati che quello che stai usando non si saturi a pochi ampere.

Se il tempo di accensione è dell'ordine di 20 microsecondi e l'induttore parte da zero, arriverà a un paio di ampere (ipotesi sul retro dell'inviluppo).

Sospetto che se lo provi con un CMOS 555 a (diciamo) il doppio della frequenza (riduci il limite a 1nF) e un induttore migliore potresti notare un notevole miglioramento dell'efficienza.

Dave fa ottimi punti (+1 da me) su quanto sia complicato il circuito e sembra derivare da questo circuito omettendo resistori, condensatori, cambiando il diodo ecc. La pagina fornisce una spiegazione del circuito come progetto per accendere Nixies. http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

Ho sperimentato un circuito simile e penso che il problema principale qui sia che 0,8 mA su un singolo Nixie non siano sufficienti per rendere questo circuito particolarmente efficiente:

• Come altri hanno sottolineato, il "costo fisso" di questo circuito di controllo 555 è relativamente elevato e inevitabile.
• Ma aumenta la corrente o guida più Nixie e le cose migliorano rapidamente.
• ad esempio, guidando un IN-14 a 0,39 mA, vedo un'efficienza dell'11%, ma la spingo a 2 mA e l'efficienza sale al 22,2%

Un altro fattore da tenere a mente è lo snubber R3 / C3 sul FET:

• mentre riduce lo squillo sull'induttore, non vedo alcun impatto significativo sull'output, quindi probabilmente non è utile in questa applicazione
• ma ha un costo in termini di efficienza (proporzionale alla capacità)
• i valori selezionati di 100pF / 2.2kΩ sono probabilmente circa ottimali: ciò dovrebbe smorzare in modo significativo la suoneria e forse costare solo l'1-2% in termini di efficienza. Ma potresti essere interessato a confrontare i risultati se lo ribassi per dire 30pF o addirittura escludi completamente lo snubber.