2018年10月20日 星期六

自幹世界線變動率探測儀(Nixie Tube Clock):自組高壓電路

一般自組輝光管時鐘都要配高壓電源,當然從 110V 變壓到 180V 再經過整流、穩壓也是一招,但這樣很難調整電壓,自己繞變壓器其實也比直流升壓麻煩,體積跟重量也都大得多。
我們之前買的高壓電板板,要直接用也是 OK,只要在最後 layout 的時候,依照板子的規格在上面鑽洞來接銅柱,接線的地方預留接腳即可。
我的設計是自己接 MC34063 的直流升壓電路(因為好玩),MC34063 算是非常…古老的晶片,它年紀可能足夠當我老爸,網路上一搜可以搜到許多不同人的實作,不過通常蠻簡略的,也會用到一些比較不常見的元件。
這裡是參考強者我同學小新大大所找到的復古咖啡(一)的內容,自己接一個 MC34063 的高壓電路。

這是電路圖:

Boost Converter 的原理請大家自己上 Wiki 說明頁(當初好像是在電機機械實驗遇到這玩意兒),簡單來說我們在電路上加上一個開關,開關接通的時候會對電感充電,關閉的時候則由電感放電到負載,利用電感釋放能量把電壓飆上去,利用二極體把高壓鎖在負載,輸出放一個電容在開關打開的時候維持電壓。
這個開關必須的高速開關,與 boost converter 搭配的,就是 555 或是我們所用的 MC34063 晶片,其實 MC34063 的設計非常簡單:

它做的事情也很簡單,MC 34063 內部會產生 1.25 V 的電源,不斷和 5 腳位的輸入比較,如果輸入低於 1.25 V,就會將內部震盪訊號送出去,使開關不斷開關(這什麼饒口的說法)。
震盪訊號的頻率是由 3 腳位接的電容決定,可以從幾 10 KHz 可以到最高 100 KHz 左右,我接 2.2n 的電容,頻率大約是 20 kHz。
MC 34063 有一個安全機制,因為對電感充電的時候,當電感充電完成時電流會急遽增大(電感變導線了,等於電源直接接地),MC34063 (推測)會用 7 腳位去偵測電壓,如果電壓相比 6 腳位的 VCC 掉太多的時候,表示電感已經飽和,MC34063 就會提早結束充電;這個偵測電壓是 330 mV,使用 330 mV 除以限流就能得到限流電阻值,規格書上的建議最小電阻是 0.2 歐姆(意即限流是 1.65 A),因為市面上買不到小於 1 的電阻,我在這裡就用並聯五個 1 歐姆做到 0.2 歐姆,如果希望限流小一點,可以不要並聯這麼多個電阻。

與 MC34063 搭配的是 MOS 外部開關,讓 MC34063 壓力不會這麼大,這邊就是照復古咖啡的建議選元件,MOS 開關選 IRF840,往高壓的二極體用 FR104;開關 MOS 的二極體要選速度快的,例如 1N914;輸出電容用 250V, 10u 的電解電容。
復古咖啡有提到,增加一路 PNP 2N2907 放電路徑的重要性,我在電路板上驗證的時候有測試過,在輸出 170 V, 1.7 mA 在狀況下,有放電路徑的電路只需要 12V, 62 mA 的輸入,沒放電路徑的電路卻需要 100 mA。

這裡使用的電感千萬不能用色碼電感(電阻式電感),我曾經試過結果它就冒煙了XDD,一定要選銅線繞的電感,在光華也只有一家地下室的源達有在賣,或者也有人用軸向的電感(?),我最後是選銅線繞的電感,感覺比較保險(光華商場買不到參考設計的大顆軸向電感,工字電感有點小顆怕怕的)。
感值的部分應該用 68 - 100 uH 的電感,就可以推動兩到三支管子(沒實際測試過,至少 68 uH 是 OK 的),和直覺相反的,如果這裡要推更大的電流,其實電感要用更小,利用小電感快速放電的特性跟高頻率的振盪把電流逼上去,但因為 MC34063 100 kHz 的振盪頻率不算太快,用太小顆的電感沒事就會飽和,因此 MC34063 的升壓跟輸出電流都有一定限度。

回授電路的部分就是用 511K 和 3.3K 電阻分壓,加上 2k 的可變電阻,這樣分壓的可調範圍是 511K/3.3K -> 511K/5.3K,也就是 193V - 120V,這裡對電阻值比較敏感,因此選用誤差值 1% 的五環精密電阻。

最後在電路板上的完成照,其實我 lay 得滿稀鬆的,外購的高壓板同樣的 48 x 41 mm^2 裡,在麵包板上測試的版本則是忘了照了XDD:

除了 MC34063 之外,下面這個連結也有人有其他效率更高的設計,不過因為他沒有提到更詳細的設計內容,只能當個參考;當然裡面提到的一些 Layout 技巧還是用得上。
我在插麵包板測試的時候,我的電路效率不知道為什麼一直上不去,大約卡在 40 %,外購的高壓板效率可以到 68% 左右;雖然有點懷疑是不是電感品質的問題,或者是 layout 的問題,只要到 PCB 上就解決了?但我在 PCB 上沒有預留量電流的地方,也因此無從驗證了。
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