O conversor de aumento do temporizador 555 não atende às especificações

Ultimamente, tenho mexido com os tubos Nixie, que exigem uma fonte de alta tensão (~ 150V-200V) para ligar.

Procurei um gerador simples de alta tensão e encontrei este circuito que usa um temporizador 555 para obter uma saída de alta tensão regulável e ajustável entre 170V e 200V.

Peguei todas as peças e prototipei em uma tábua de pão. Depois de conectar uma bateria de 9V e ter certeza absoluta de que ela não explodiria na minha cara (por exemplo, instalando uma tampa acidentalmente para trás), medi a tensão de saída e obtive uma boa saída de 210V sem carga e com o trimpot ajustado para dar tensão máxima.

Infelizmente, a tensão caiu para cerca de 170V assim que eu conectei o tubo Nixie. Eu medi exatamente quanta corrente estava fluindo e descobri que a configuração era apenas 15% eficiente. O circuito consome cerca de 100mA na entrada sem carga! O próprio tubo Nixie consumiu cerca de 0,8mA a 170V e a entrada consumiu cerca de 120mA.

Eu o reduzi a perdas devido a ineficiências na comutação (eu coloquei isso em uma placa de ensaio); então, passei a tarde criando uma versão PCB, seguindo cuidadosamente as diretrizes de layout de SMPS PCB que encontrei. Acabei substituindo o capacitor de saída C4 por um avaliado para 400V, uma vez que 250V ainda o estava cortando muito perto. Também usei tampas de cerâmica em vez das tampas de filme sugeridas no manual.

No entanto, ainda não havia diferença significativa na eficiência.

Notei também que a tensão de saída parecia variar proporcionalmente à tensão de entrada. Em 9V, daria tensões próximas a 170V com uma carga e cerca de 140V a 8V com uma carga.

Então, agora, estou começando a pensar que perdi algo óbvio ou esse circuito conversor de impulso é meio que uma merda. Desnecessário dizer que provavelmente estarei pesquisando outros projetos mais eficientes, mas ainda estou bastante interessado em descobrir por que esse circuito se comporta dessa maneira.

Suponho que a queda de tensão quando uma carga está conectada pode ser explicada pelo fato de o 555 não estar produzindo um ciclo de serviço longo o suficiente para a comutação, para que não haja energia suficiente sendo fornecida à saída.

A tensão de saída variável proporcional à tensão de entrada provavelmente pode ser explicada pela ausência de uma tensão de referência estável. O loop de feedback usa a tensão de entrada como referência, por isso é mais como um 'multiplicador' de tensão regulada.

Mas ainda não consigo descobrir para onde estão indo os 100mA da entrada quando não há carga. De acordo com as folhas de dados, os 555 temporizadores consomem muito pouca corrente. Os divisores de tensão de feedback certamente não chegam nem perto disso. Para onde está indo toda essa energia de entrada?

tl; dr alguém pode explicar ou me ajudar a entender por que esse circuito é péssimo?

Leva quase 2 mA apenas para carregar e descarregar a porta do seu MOSFET. Você também está desperdiçando cerca de 5 mA no R1, pois ele é aterrado pelo pino 7 cerca da metade do tempo. Seu divisor de realimentação de tensão está utilizando cerca de 1 mA do trilho de alta tensão, que se traduz em mais de 20 mA na entrada.

Há um problema com o uso de um 555 para acionar um MOSFET grande: A corrente de saída limitada do 555 significa que o MOSFET não pode alternar rapidamente de total para completo e novamente. Ele passa muito tempo (relativamente falando) em uma região de transição, na qual dissipa uma quantidade significativa de sua energia de entrada em vez de fornecer essa energia à saída. O MOSFET possui uma carga total de porta de 63 nC e o 555 possui uma corrente de saída máxima de cerca de 200 mA, o que significa que é necessário um mínimo de 63 nC / 200 mA = 315 ns para carregar ou descarregar a porta. Se você estiver usando um CMOS 555, a corrente de saída é muito menor e o tempo de comutação é correspondentemente maior.

Se você adicionar um chip de driver de porta entre o 555 e o MOSFET (um capaz de correntes de pico de 1-2A), verá um aumento acentuado na eficiência geral. Um chip controlador de impulso real geralmente possui esses drivers incorporados.

Se você é sério sobre o desenvolvimento de conversores de energia de modo de comutador, definitivamente precisa de um osciloscópio para poder ver esses efeitos por si mesmo.

Esse design do regulador também é um pouco ruim por outro motivo. A potência através de um conversor de modo auxiliar é regulada variando o ciclo de trabalho do elemento de comutação. Nesse circuito, o feedback é criado usando um transistor para puxar para baixo o nó de tensão de controle do 555, o que reduz o limite superior de comutação. No entanto, devido à maneira como o 555 é construído, isso também reduz o limite de comutação mais baixo em uma quantidade proporcional. Isso significa que a mudança no ciclo de trabalho à medida que a tensão de saída aumenta é muito menor do que você imagina. Ele tem um efeito maior na frequência dos pulsos de saída, mas isso não é relevante. Mais uma vez, mudar para um chip controlador de impulso adequado resolveria esse problema.

A propósito, a parte "reguladora" do circuito NÃO está usando a tensão de entrada como referência, está usando a tensão direta da junção BE do Q1 como referência.

Como Spehro aponta, um indutor de 100 µH a uma frequência de comutação de 30 kHz - nominal no tempo = 16 µs - com uma fonte de 9V alcançará um pico de corrente de 1,44 A. Isso realmente está abusando muito de uma bateria de 9V , sem mencionar as perdas de I ² R no indutor e no MOSFET. Isso também é desconfortavelmente próximo da corrente de saturação do indutor, que apenas exacerba as perdas.

Esse indutor é um valor bastante pequeno para a frequência de comutação e a tensão de entrada relativamente baixas - verifique se o que você está usando não satura em alguns amperes.

Se o tempo de ativação for da ordem de 20 microssegundos e o indutor começar do zero, ele chegará a alguns amperes (estimativa do verso do envelope).

Eu suspeito que se você tentar com um CMOS 555 em (digamos) o dobro da frequência (reduza o limite para 1nF) e um indutor melhor, você poderá observar uma melhoria drástica na eficiência.

Dave faz excelentes pontos (+1 de mim) sobre o quão ruim é o circuito e parece ser derivado desse circuito, omitindo resistores, capacitores, alterando o diodo etc. A página fornece uma explicação do circuito como um projeto para ligar nixies. http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

Eu tenho experimentado um circuito semelhante e acho que o principal problema aqui é que 0,8 mA em um único Nixie não é carga suficiente para que esse circuito seja particularmente eficiente:

• Como outros já apontaram, o "custo fixo" deste circuito de controle 555 é relativamente alto e inevitável.
• Mas aumente a corrente ou gere vários Nixies e as coisas melhoram rapidamente.
• por exemplo, dirigindo um IN-14 a 0,39mA, vejo 11% de eficiência, mas aumente para 2mA e a eficiência sobe para 22,2%

Outro fator a ser lembrado é o amortecedor R3 / C3 no FET:

• Embora reduza o toque no indutor, não vejo nenhum impacto significativo na saída; portanto, sem dúvida, não é útil nesta aplicação.
• mas tem um custo em eficiência (proporcional à capacitância)
• os valores selecionados de 100pF / 2,2kΩ provavelmente são ótimos - isso deve reduzir significativamente o toque e talvez custar apenas 1-2% em eficiência. Mas você pode estar interessado em comparar os resultados se você voltar a dizer 30pF ou até excluir o amortecedor completamente.