Der 555 Timer Boost Converter entspricht nicht den Spezifikationen

Ich habe in letzter Zeit mit Nixie-Röhren herumgespielt, für deren Einschalten eine Hochspannungsquelle (~ 150V-200V) erforderlich ist.

Ich suchte nach einem einfachen Hochspannungsgenerator und fand diese Schaltung, die einen 555-Timer verwendet, um einen einstellbaren, geregelten Hochspannungsausgang zwischen 170 V und 200 V zu erhalten.

Ich habe alle Teile bekommen und sie auf einem Steckbrett prototypisiert. Nachdem ich eine 9-V-Batterie eingesteckt hatte und absolut sicher war, dass sie nicht in meinem Gesicht explodieren würde (z. B. durch versehentliches Installieren einer Kappe nach hinten), maß ich die Ausgangsspannung und erhielt einen schönen 210-V-Ausgang ohne Last und mit eingestelltem Trimpot maximale Spannung.

Leider ist die Spannung auf ca. 170V gesunken, sobald ich die Nixie-Röhre angeschlossen habe. Ich habe genau gemessen, wie viel Strom fließt, und festgestellt, dass die Konfiguration kaum 15% effizient war. Die Schaltung zieht ca. 100mA am Eingang ohne Last! Die Nixie-Röhre selbst zog bei 170 V etwa 0,8 mA und der Eingang etwa 120 mA.

Ich habe es auf Verluste aufgrund von Ineffizienzen beim Umschalten zurückgeführt (ich habe dies auf einem Steckbrett ausgelegt), also habe ich den Nachmittag damit verbracht, eine PCB-Version zu erstellen, während ich sorgfältig die SMPS-Richtlinien für das PCB-Layout befolgt habe, die ich finden konnte. Am Ende ersetzte ich den Ausgangskondensator C4 durch einen für 400 V, da 250 V ihn immer noch zu eng schnitten. Ich habe auch Keramikkappen anstelle der in der Anleitung vorgeschlagenen Filmkappen verwendet.

Es gab jedoch immer noch keinen signifikanten Unterschied in der Effizienz.

Ich bemerkte auch, dass die Ausgangsspannung proportional zur Eingangsspannung zu variieren schien. Bei 9 V würde es Spannungen geben, die bei einer Last näher an 170 V und bei 8 V bei einer Last bei etwa 140 V liegen.

Im Moment fange ich an zu denken, dass ich entweder etwas Offensichtliches verpasst habe oder dass diese Aufwärtswandlerschaltung einfach nur scheiße ist. Unnötig zu erwähnen, dass ich mich wahrscheinlich mit anderen, effizienteren Designs befassen werde, aber ich bin immer noch sehr daran interessiert herauszufinden, warum sich diese Schaltung so verhält.

Ich nehme an, der Spannungsabfall beim Anschließen einer Last kann durch die Tatsache erklärt werden, dass der 555 kein ausreichend langes Tastverhältnis für das Schalten erzeugt, sodass nicht genügend Strom an den Ausgang abgegeben wird.

Die zur Eingangsspannung proportionale Änderung der Ausgangsspannung kann wahrscheinlich durch das Fehlen einer stabilen Referenzspannung erklärt werden. Die Rückkopplungsschleife verwendet die Eingangsspannung als Referenz, sodass sie eher einem geregelten Spannungsvervielfacher ähnelt.

Aber ich kann immer noch nicht herausfinden, wohin die vom Eingang gezogenen 100 mA gehen, wenn keine Last vorhanden ist. Den Datenblättern zufolge verbrauchen die 555-Timer nur sehr wenig Strom. Die Rückkopplungsspannungsteiler ziehen sicherlich nicht annähernd so viel. Wohin geht die ganze Eingangsleistung?

Kann mir jemand erklären oder mir helfen zu verstehen, warum diese Schaltung scheiße ist?

Das Laden und Entladen des Gates Ihres MOSFET dauert fast 2 mA. Sie verschwenden auch ungefähr 5 mA in R1, da es ungefähr die Hälfte der Zeit über Pin 7 geerdet ist. Ihr Spannungsrückkopplungsteiler zieht ungefähr 1 mA von der Hochspannungsschiene, was am Eingang mehr als 20 mA entspricht.

Es gibt ein Problem bei der Verwendung eines 555 zum Ansteuern eines großen MOSFET: Der begrenzte Ausgangsstrom des 555 bedeutet, dass der MOSFET nicht schnell von Voll-Aus auf Voll-Ein und wieder zurück schalten kann. Es verbringt viel Zeit (relativ gesehen) in einem Übergangsbereich, in dem es einen erheblichen Teil Ihrer Eingangsleistung verbraucht, anstatt diese Leistung an den Ausgang zu liefern. Der MOSFET hat eine Gesamtgatterladung von 63 nC und der 555 hat einen maximalen Ausgangsstrom von etwa 200 mA, was bedeutet, dass zum Laden oder Entladen des Gatters mindestens 63 nC / 200 mA = 315 ns erforderlich sind. Wenn Sie ein CMOS 555 verwenden, ist der Ausgangsstrom viel geringer und die Schaltzeit entsprechend länger.

Wenn Sie einen Gate-Treiber-Chip zwischen dem 555 und dem MOSFET hinzufügen (einer, der Spitzenströme von 1-2 A verarbeiten kann), wird die Gesamteffizienz deutlich gesteigert. In einem echten Boost-Controller-Chip sind häufig solche Treiber eingebaut.

Wenn Sie es ernst meinen mit der Entwicklung von Switchmode-Stromrichtern, benötigen Sie auf jeden Fall ein Oszilloskop, damit Sie diese Effekte selbst sehen können.

Dieses Reglerdesign ist auch aus einem anderen Grund ziemlich beschissen. Die Leistung durch einen Boost-Mode-Wandler wird durch Variieren des Arbeitszyklus des Schaltelements geregelt. In dieser Schaltung wird die Rückkopplung erzeugt, indem ein Transistor verwendet wird, um den Steuerspannungsknoten des 555 herunterzuziehen, wodurch die obere Schaltschwelle verringert wird. Aufgrund der Art und Weise, wie der 555 aufgebaut ist, reduziert dies jedoch auch die untere Schaltschwelle um einen proportionalen Betrag. Dies bedeutet, dass die Änderung des Arbeitszyklus mit steigender Ausgangsspannung viel geringer ist, als Sie sonst vielleicht denken. Dies hat einen größeren Einfluss auf die Frequenz der Ausgangsimpulse, ist jedoch nicht relevant. Wiederum würde das Umschalten auf einen geeigneten Boost-Controller-Chip dieses Problem lösen.

Übrigens verwendet der "Regler" -Teil der Schaltung NICHT die Eingangsspannung als Referenz, sondern die Durchlassspannung des BE-Übergangs von Q1 als Referenz.

Wie Spehro hervorhebt, wird eine 100-µH-Induktivität mit einer Schaltfrequenz von 30 kHz - nominal Einschaltdauer = 16 µs - mit einer 9-V-Quelle einen Spitzenstrom von 1,44 A erreichen. Dies missbraucht die Hölle einer 9-V-Batterie ganz zu schweigen von den I ² R-Verlusten sowohl im Induktor als auch im MOSFET. Dies liegt auch unangenehm nahe am Sättigungsstrom des Induktors, was die Verluste nur verschlimmert.

Dieser Induktor ist für die relativ niedrige Schaltfrequenz und Eingangsspannung ein eher kleiner Wert. Stellen Sie sicher, dass der von Ihnen verwendete Induktor nicht mit einigen Ampere gesättigt ist.

Wenn die Einschaltzeit in der Größenordnung von 20 Mikrosekunden liegt und der Induktor bei Null beginnt, erreicht er einige Ampere (Schätzung der Hüllkurvenrückseite).

Ich vermute, wenn Sie es mit einem CMOS 555 bei (sagen wir) doppelter Frequenz (reduzieren Sie die Kappe auf 1 nF) und einem besseren Induktor versuchen, können Sie eine dramatische Verbesserung der Effizienz feststellen.

Dave macht ausgezeichnete Punkte (+1 von mir) darüber, wie blöd die Schaltung ist, und sie scheint von dieser Schaltung abgeleitet zu sein, indem er Widerstände, Kondensatoren, das Wechseln der Diode usw. weglässt. Die Seite enthält eine Erläuterung der Schaltung als Projekt zum Einschalten Nixies. http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

Ich habe mit einer ähnlichen Schaltung experimentiert und ich denke, das Hauptproblem hier ist, dass 0,8 mA an einem einzelnen Nixie einfach nicht genug Last sind, um diese Schaltung besonders effizient zu machen:

• Wie andere betont haben, sind die "Fixkosten" dieser 555-Steuerschaltung relativ hoch und unvermeidbar.
• Aber steigern Sie den Strom oder fahren Sie mehrere Nixies und die Dinge werden schnell besser.
• Wenn ich zB einen IN-14 mit 0,39 mA fahre, sehe ich einen Wirkungsgrad von 11%, aber erhöhe diesen auf 2 mA und der Wirkungsgrad steigt auf 22,2%

Ein weiterer zu beachtender Faktor ist der R3 / C3-Dämpfer am FET:

• Obwohl es das Klingeln am Induktor verringert, sehe ich keine bedeutenden Auswirkungen auf den Ausgang, so dass es in dieser Anwendung wohl nicht nützlich ist
• Die Effizienz ist jedoch mit Kosten verbunden (proportional zur Kapazität).
• Die ausgewählten Werte von 100pF / 2,2 kΩ sind wahrscheinlich ungefähr optimal - dies sollte das Klingeln erheblich dämpfen und möglicherweise nur 1-2% Wirkungsgrad kosten. Aber Sie könnten interessiert sein, Ergebnisse zu vergleichen, wenn Sie dies zurückwerfen, um 30pF zu sagen, oder sogar den Snubber vollständig ausschließen.