Le convertisseur de boost de la minuterie 555 ne répond pas aux spécifications

J'ai récemment joué avec des tubes nixie qui nécessitent une source haute tension (~ 150V-200V) pour s'allumer.

J'ai cherché un simple générateur haute tension et j'ai trouvé ce circuit qui utilise une minuterie 555 pour obtenir une sortie haute tension régulée réglable entre 170V et 200V.

J'ai obtenu toutes les pièces et je les ai prototypées sur une planche à pain. Après avoir branché une batterie 9V et être absolument sûr qu'elle n'exploserait pas sur mon visage (par exemple en installant accidentellement un capuchon à l'envers), j'ai mesuré la tension de sortie et obtenu une belle sortie 210V sans charge et avec le potentiomètre ajusté pour donner tension maximale.

Malheureusement, la tension a chuté à environ 170 V dès que j'ai connecté le tube nixie. J'ai mesuré exactement la quantité de courant circulant et j'ai constaté que la configuration était à peine 15% efficace. Le circuit consomme environ 100mA sur l'entrée sans charge! Le tube Nixie lui-même a attiré environ 0,8 mA à 170 V et l'entrée consomme environ 120 mA.

Je l'ai mis sur le compte de pertes dues à des inefficacités dans la commutation (j'ai mis cela sur une planche à pain) alors j'ai passé l'après-midi à faire une version PCB tout en suivant attentivement les directives de mise en page PCB SMPS que je pouvais trouver. J'ai fini par remplacer le condensateur de sortie C4 par un condensateur évalué à 400V, car 250V le coupait encore trop près. J'ai également utilisé des bouchons en céramique au lieu des bouchons en film suggérés dans l'instructible.

Cependant, il n'y avait toujours pas de différence significative d'efficacité.

J'ai également remarqué que la tension de sortie semblait varier proportionnellement à la tension d'entrée. À 9V, cela donnerait des tensions plus proches de 170V avec une charge et d'environ 140V à 8V avec une charge.

Donc en ce moment, je commence à penser que j'ai raté quelque chose d'évident ou que ce circuit de convertisseur de boost est un peu nul. Inutile de dire que je chercherai probablement d'autres modèles plus efficaces, mais je préfère toujours découvrir pourquoi ce circuit se comporte de cette façon.

Je suppose que la chute de tension lorsqu'une charge est connectée peut s'expliquer par le fait que le 555 ne produit pas un cycle de service suffisamment long pour la commutation, il n'y a donc pas assez de puissance délivrée à la sortie.

La variation de la tension de sortie proportionnelle à la tension d'entrée peut probablement s'expliquer par l'absence d'une tension de référence stable. La boucle de rétroaction utilise la tension d'entrée comme référence, elle ressemble donc plus à un «multiplicateur» de tension régulée.

Mais je n'arrive toujours pas à comprendre où vont les 100 mA tirés de l'entrée lorsqu'il n'y a pas de charge. Selon les fiches techniques, les 555 minuteries consomment très peu de courant. Les diviseurs de tension de rétroaction ne s'approchent certainement pas autant. Où va toute cette puissance d'entrée?

tl; dr quelqu'un peut-il expliquer ou m'aider à comprendre pourquoi ce circuit est nul?

Il suffit de près de 2 mA pour charger et décharger la grille de votre MOSFET. Vous perdez également environ 5 mA dans R1, car il est mis à la terre via la broche 7 environ la moitié du temps. Votre diviseur de rétroaction de tension tire environ 1 mA du rail haute tension, ce qui se traduit par plus de 20 mA à l'entrée.

Il y a un problème avec l'utilisation d'un 555 pour piloter un MOSFET de grande taille: le courant de sortie limité du 555 signifie que le MOSFET ne peut pas passer rapidement de l'état complet à l'état complet et inversement. Il passe beaucoup de temps (relativement parlant) dans une région de transition, dans laquelle il dissipe une quantité importante de votre puissance d'entrée au lieu de fournir cette puissance à la sortie. Le MOSFET a une charge totale de grille de 63 nC, et le 555 a un courant de sortie maximum d'environ 200 mA, ce qui signifie qu'il faut un minimum de 63 nC / 200 mA = 315 ns pour charger ou décharger la grille. Si vous utilisez un CMOS 555, le courant de sortie est beaucoup moins élevé et le temps de commutation est d'autant plus long.

Si vous ajoutez une puce de pilote de porte entre le 555 et le MOSFET (une qui est capable de courants de pointe de 1-2A), vous verrez une augmentation marquée de l'efficacité globale. Une vraie puce de contrôleur de boost aura souvent de tels pilotes intégrés.

Si vous envisagez sérieusement de développer des convertisseurs de puissance à découpage, vous devez absolument vous procurer un oscilloscope afin que vous puissiez voir ces effets par vous-même.

Cette conception du régulateur est également plutôt merdique pour une autre raison. La puissance via un convertisseur de mode boost est régulée en faisant varier le rapport cyclique de l'élément de commutation. Dans ce circuit, la rétroaction est créée en utilisant un transistor pour abaisser le nœud de tension de commande du 555, ce qui réduit le seuil de commutation supérieur. Cependant, en raison de la façon dont le 555 est construit, cela réduit également le seuil de commutation inférieur d'une quantité proportionnelle. Cela signifie que le changement de rapport cyclique à mesure que la tension de sortie augmente est bien inférieur à ce que vous pourriez penser autrement. Cela a un effet plus important sur la fréquence des impulsions de sortie, mais ce n'est pas pertinent. Encore une fois, le passage à une puce de contrôleur de boost appropriée résoudrait ce problème.

Soit dit en passant, la partie "régulateur" du circuit n'utilise PAS la tension d'entrée comme référence, elle utilise la tension directe de la jonction BE de Q1 comme référence.

Comme le souligne Spehro, une inductance de 100 µH à une fréquence de commutation de 30 kHz - temps de mise en marche nominal = 16 µs - avec une source de 9 V va atteindre un courant de crête de 1,44 A. Cela abuse vraiment de l'enfer d'une batterie de 9 V , sans parler des pertes I ² R dans l'inductance et le MOSFET. Ceci est également inconfortablement proche du courant de saturation de l'inductance, ce qui ne fait qu'exacerber les pertes.

Cette inductance a une valeur plutôt faible pour la fréquence de commutation et la tension d'entrée relativement basses - assurez-vous que celle que vous utilisez ne saturera pas à quelques ampères.

Si le temps d'activation est de l'ordre de 20 microsecondes et que l'inductance démarre à zéro, elle atteindra quelques ampères (estimation de l'arrière de l'enveloppe).

Je soupçonne que si vous l'essayez avec un CMOS 555 à (disons) le double de la fréquence (réduisez le plafond à 1 nF) et un meilleur inducteur, vous pourrez constater une amélioration spectaculaire de l'efficacité.

Dave fait d'excellents points (+1 de ma part) sur la façon dont le circuit est nul et il semble être dérivé de ce circuit en omettant les résistances, les condensateurs, en changeant la diode, etc. La page donne une explication du circuit comme un projet à mettre sous tension nixies. http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html

J'ai expérimenté avec un circuit similaire , et je pense que le principal problème ici est que 0,8 mA sur un seul Nixie n'est tout simplement pas assez de charge pour que ce circuit soit particulièrement efficace:

• Comme d'autres l'ont souligné, le «coût fixe» de ce circuit de commande 555 est relativement élevé et inévitable.
• Mais augmentez le courant ou pilotez plusieurs Nixies et les choses s'améliorent rapidement.
• Par exemple, en conduisant un IN-14 à 0,39 mA, je vois une efficacité de 11%, mais je l'augmente à 2 mA et l'efficacité monte à 22,2%

Un autre facteur à garder à l'esprit est le snubber R3 / C3 sur le FET:

• bien que cela réduise la sonnerie sur l'inductance, je ne vois aucun impact significatif sur la sortie, donc ce n'est sans doute pas utile dans cette application
• mais il a un coût en efficacité (proportionnel à la capacité)
• les valeurs sélectionnées de 100pF / 2,2kΩ sont probablement à peu près optimales - cela devrait amortir considérablement la sonnerie et peut-être ne coûter que 1-2% en efficacité. Mais vous pouvez être intéressé à comparer les résultats si vous faites reculer cela pour dire 30pF ou même excluez complètement le snubber.