El convertidor de impulso de 555 temporizadores no cumple con las especificaciones

Últimamente he estado jugando con los tubos nixie que requieren una fuente de alto voltaje (~ 150V-200V) para encender.

Busqué un generador de alto voltaje simple y encontré este circuito que usa un temporizador 555 para obtener una salida de alto voltaje regulable y ajustable entre 170V y 200V.

Obtuve todas las partes y las hice un prototipo en una placa de pruebas. Después de enchufar una batería de 9V y estar absolutamente seguro de que no explotaría en mi cara (por ejemplo, al instalar accidentalmente una tapa hacia atrás), medí el voltaje de salida y obtuve una buena salida de 210V sin carga y con el trimpot ajustado para dar Tensión máxima.

Desafortunadamente, el voltaje bajó a aproximadamente 170 V tan pronto como conecté el tubo nixie. Medí exactamente cuánta corriente fluía y descubrí que la configuración era apenas un 15% eficiente. ¡El circuito consume aproximadamente 100 mA en la entrada sin carga! El propio tubo de Nixie consumió aproximadamente 0,8 mA a 170 V y la entrada consume aproximadamente 120 mA.

Lo atribuí a pérdidas debido a ineficiencias en el cambio (lo coloqué en una placa de prueba), así que pasé la tarde haciendo una versión de PCB mientras seguía cuidadosamente las pautas de diseño de PCB SMPS que pude encontrar. Terminé reemplazando el condensador de salida C4 con uno clasificado para 400V ya que 250V todavía lo estaba cortando demasiado. También usé tapas de cerámica en lugar de las tapas de película sugeridas en el instructable.

Sin embargo, todavía no hubo diferencias significativas en la eficiencia.

También noté que el voltaje de salida parecía variar proporcionalmente al voltaje de entrada. A 9V, daría voltajes más cercanos a 170V con una carga y aproximadamente 140V a 8V con una carga.

Así que en este momento, estoy empezando a pensar que he perdido algo obvio o que este circuito convertidor de impulso es una mierda. No hace falta decir que probablemente buscaré otros diseños más eficientes, pero todavía estoy bastante interesado en descubrir por qué este circuito se comporta de esta manera.

Supongo que la caída de voltaje cuando se conecta una carga puede explicarse por el hecho de que el 555 no produce un ciclo de trabajo lo suficientemente largo para la conmutación, por lo que no se suministra suficiente energía a la salida.

El voltaje de salida variable proporcional al voltaje de entrada puede explicarse probablemente por la ausencia de un voltaje de referencia estable. El circuito de retroalimentación utiliza el voltaje de entrada como referencia, por lo que es más como un 'multiplicador' de voltaje regulado.

Pero todavía no puedo entender hacia dónde van los 100 mA extraídos de la entrada cuando no hay carga. Según las hojas de datos, los 555 temporizadores consumen muy poca corriente. Los divisores de voltaje de retroalimentación ciertamente no se acercan tanto. ¿A dónde va toda esa potencia de entrada?

TL: Dr. ¿Alguien puede explicarme o ayudarme a entender por qué este circuito apesta?

Se necesitan casi 2 mA para cargar y descargar la puerta de su MOSFET. También está desperdiciando aproximadamente 5 mA en R1, ya que está conectado a tierra a través del pin 7 aproximadamente la mitad del tiempo. Su divisor de retroalimentación de voltaje extrae aproximadamente 1 mA del riel de alto voltaje, lo que se traduce en más de 20 mA en la entrada.

Hay un problema con el uso de un 555 para manejar un MOSFET grande: la corriente de salida limitada del 555 significa que el MOSFET no puede cambiar rápidamente de apagado completo a encendido completo y viceversa. Pasa mucho tiempo (relativamente hablando) en una región de transición, en la que disipa una cantidad significativa de su potencia de entrada en lugar de entregar esa potencia a la salida. El MOSFET tiene una carga de puerta total de 63 nC, y el 555 tiene una corriente de salida máxima de aproximadamente 200 mA, lo que significa que se necesita un mínimo de 63 nC / 200 mA = 315 ns para cargar o descargar la puerta. Si está utilizando un CMOS 555, la corriente de salida es mucho menor y el tiempo de conmutación es correspondientemente más largo.

Si agrega un chip controlador de compuerta entre el 555 y el MOSFET (uno que sea capaz de corrientes máximas de 1-2A), verá un marcado aumento en la eficiencia general. Un chip controlador de impulso real a menudo tendrá esos controladores integrados.

Si te tomas en serio el desarrollo de convertidores de potencia de modo de conmutación, definitivamente necesitas un osciloscopio para que puedas ver estos efectos por ti mismo.

Ese diseño del regulador también es bastante malo por otra razón. La potencia a través de un convertidor de modo de refuerzo se regula variando el ciclo de trabajo del elemento de conmutación. En este circuito, la retroalimentación se crea mediante el uso de un transistor para tirar hacia abajo del nodo de voltaje de control del 555, lo que reduce el umbral de conmutación superior. Sin embargo, debido a la forma en que se construye el 555, esto también reduce el umbral de conmutación inferior en una cantidad proporcional. Esto significa que el cambio en el ciclo de trabajo a medida que aumenta el voltaje de salida es mucho menor de lo que podría pensar. Tiene un efecto mayor en la frecuencia de los pulsos de salida, pero esto no es relevante. Nuevamente, cambiar a un chip controlador de refuerzo adecuado resolvería este problema.

Por cierto, la parte del "regulador" del circuito NO está usando el voltaje de entrada como referencia, está usando el voltaje directo de la unión BE de Q1 como referencia.

Como señala Spehro, un inductor de 100 µH a una frecuencia de conmutación de 30 kHz - tiempo nominal de encendido = 16 µs - con una fuente de 9 V alcanzará una corriente máxima de 1,44 A. Esto realmente abusa de una batería de 9 V , sin mencionar las pérdidas I ² R tanto en el inductor como en el MOSFET. Esto también es incómodamente cercano a la corriente de saturación del inductor, que solo exacerba las pérdidas.

Ese inductor es un valor bastante pequeño para la frecuencia de conmutación relativamente baja y el voltaje de entrada, asegúrese de que el que está utilizando no se sature a unos pocos amperios.

Si el tiempo de encendido es del orden de 20 microsegundos y el inductor comienza desde cero, llegará a un par de amperios (estimación aproximada al final de la envolvente).

Sospecho que si lo prueba con un CMOS 555 al (digamos) el doble de frecuencia (reduzca el límite a 1nF) y un mejor inductor puede ver una mejora dramática en la eficiencia.

Dave hace excelentes puntos (+1 de mi parte) sobre cuán sucio es el circuito y parece derivarse de este circuito al omitir resistencias, condensadores, cambiar el diodo, etc. La página explica el circuito como un proyecto para encender nixies http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

He estado experimentando con un circuito similar , y creo que el principal problema aquí es que 0.8 mA en un solo Nixie no es suficiente carga para que este circuito sea particularmente eficiente:

• Como otros han señalado, el "costo fijo" de este circuito de control 555 es relativamente alto e inevitable.
• Pero aumente la corriente o maneje múltiples Nixies y las cosas mejorarán rápidamente.
• por ejemplo, conduciendo un IN-14 a 0.39mA, veo un 11% de eficiencia, pero lo aumento a 2mA y la eficiencia aumenta a 22.2%

Otro factor a tener en cuenta es el amortiguador R3 / C3 en el FET:

• Si bien reduce el sonido en el inductor, no veo ningún impacto significativo en la salida, por lo que podría decirse que no es útil en esta aplicación
• pero viene con un costo en eficiencia (proporcional a la capacitancia)
• los valores seleccionados de 100pF / 2.2kΩ son probablemente óptimos: esto debería amortiguar significativamente el sonido y quizás costar solo un 1-2% en eficiencia. Pero puede interesarle comparar resultados si rechaza esto para decir 30pF o incluso excluye el amortiguador por completo.