Nixie-Netzteil

Für meine erste Nixie-Uhr hatte ich ja bereits einen kleinen Schaltregler auf Basis eines MC34063 eingesetzt, der aus der 12V-Versorgung der Uhr eine Hochspannung von etwa 180V für die Röhren erzeugt. Bei den ersten Versuchen zum Bau meiner zweiten Nixie-Uhr (Mark-II - kommt bald!) hat sich gezeigt, dass diese Schaltung leider nicht gut genug ist ...

Nixie-Netzteil

Deshalb entstand die Idee, als Vorab-Projekt ein neues, besseres Netzteil als kleines Modul zu entwickeln, das auch eigenständig für Experimente benutzt werden kann oder in andere Designs einfach integriert werden kann. Das Ergebnis soll hier vorgestellt werden.

ACHTUNG !!
Die hier vorgestellte Schaltung erzeugt eine Spannung von bis zu 200V, die in ungünstigen Fällen lebensgefährlich sein kann. Wer diese Schaltung nachbauen möchte, sollte deshalb wissen, was er tut und entsprechende Sorgfalt walten lassen. Ich übernehme keine Haftung für Schäden, die beim Nachbau entstanden sind!

Erste Vorversuche

Bei den ersten Vorversuchen hab ich die gleiche Netzteil-Schaltung wie in der ersten Uhr aufgebaut, die ja im Original von Stefan Kneller stammt. Im folgenden Bild ist sie auf der kleinen Platine freifliegend aufgebaut. Außerdem auf der Platine ist eine Stromquelle, deren Ausgangsstrom über ein Poti eingestellt werden kann; mit ihr wird die Balkenanzeige-Röhre (vorne im Bild) angesteuert. Im Bild ist nur eine Nixie-Röhre angeschlossen; da in der Uhr aber noch fünf weitere Röhren vorhanden sein werden, simuliert ein Hochlastwiderstand (oben rechts) deren Strom.

Vorversuch mit MC34063

Dabei war zu beobachten, dass die Ausgangsspannung, die im Leerlauf bei etwa 180V lag, bei voller Belastung bis auf unter 120V eingebrochen ist. Da könnte es passieren, dass eine oder mehrere der Nixie-Röhren schon nicht mehr zünden würden (die Zündspannung liegt für eine IN-12 bei bis zu 170V!). Schlimmer noch: je nach Aussteuerung der Balkenanzeige schwankt durch die sich ändernde Betriebsspannung auch die Helligkeit der Nixie-Röhren ....

Hier nochmal ein Bild meines freifliegenden Aufbaus auf einer durchgehend mit einer Kupferfläche versehenen Platine, die hier als "Massefläche" dient.

Freifliegender Aufbau

Zuerst dachte ich daran, statt eines einfachen Vorwiderstandes für die Nixie-Röhren einfache Stromquellen in die Uhr einzubauen. Das hätte die sich ändernde Helligkeit behoben, das Zündproblem würde aber trotzdem weiterhin bestehen. Somit war klar: ein besseres Netzteil muss her!

Der Flyback-Wandler

Ein kurzer Blick auf die Physik: bei einem Aufwärts-Schaltregler mit einfacher Spule kann man das Tastverhältnis, also das Verhältnis von Einschaltzeit des Treibertransistors zur Schaltfrequenz, mit folgender Formel berechnen (gilt für den "nicht-lückenden Betrieb", wenn also der Strom durch die Spule nicht zu null wird):

Tastverhaeltnis des Aufwaerts-Wandlers

Das bedeutet, der Transistor wäre 93,3% der Zeit eingeschaltet. Das ist viel ;-) Eigentlich kann das der MC34063 gar nicht mehr, da er nur bis etwa 85% schalten kann. (Warum schafft er dann trotzdem im Leerlauf die 180V? Naja, bei kleinem Ausgangsstrom ist er im "lückenden" Betrieb, d.h. der Strom durch die Spule wird zwischenzeitlich zu null; der Regler hat dann genug Zeit, den Ausgangselko auf die 180V "hochzupumpen", da ja keine oder nur wenig Energie abfließt.)

Um das Tastverhältnis in vernünftige Bereiche zu bringen, ist deshalb ein Übertrager notwendig, der durch sein Windungsverhältnis auch bei kleinerem Tastverhältnis eine hohe Ausgangsspannung erzeugen kann. Für einen Wandler mit Übertrager (oder Trafo) gibt es viele mögliche Schaltungsvarianten, Durchflusswandler, Sperrwandler, Resonanzwandler .... und wie sie alle heißen. Für das Nixie-Netzteil fiel die Wahl recht schnell auf einen Sperrwandler oder auch Flyback-Konverter, da dieser gut für kleinere Leistungen geeignet und außerdem prinzipbedingt kurzschlussfest ist.

Im Netz hab ich für Flyback-Wandler für Nixie-Uhren zwar ein paar Anregungen gefunden (z.B. hier), aber so recht überzeugt hat mich das nicht. In der verlinkten Schaltung wird ein NE555 als Schaltregler "vergewaltigt" ... Naja ... :-/

Verwicklungen

Als Basis für mein Netzteil habe ich mich für den UC3843 entschieden, einen "Current Mode PWM-Controller", den ich auch schon in ein paar anderen Nixie-Designs entdeckt hatte (z.B. hier oder hier).

Das zentrale Element eines solchen Flyback-Wandlers ist der Übertrager. Es gibt im Netz hier und da fertig gewickelte Typen (zum Beispiel hier von Coilcraft), aber es ist wie so oft - so richtig passt doch keiner. Deshalb fiel die Entscheidung recht schnell darauf, den Übertrager selbst zu wickeln.

Trafo, die erste...

Den ersten Übertrager habe ich auf einem Kern, den es bei Reichelt zu kaufen gibt, gewickelt. Die entsprechenden Wickeldaten hab ich selbst berechnet und bin von SEHR konservativen Annahmen ausgegangen. So kam ich auf etwa 600 (!) Windungen sekundär, und demzufolge 40 Windungen primär, um auf das erforderliche Wicklungsverhältnis von 1:15 (entsprechend 12V:180V) zu kommen. Prinzipiell hat das Design schon funktioniert, wie man im Bild an der leuchtenden Glimmlampe sehen kann - unter Last fing es jedoch an, im Trafo zu zirpen, und die Spannung ist schnell eingebrochen ...

Als Ursache hierfür hab ich die schlechte Isolation zwischen den inneren und äußeren Wicklungslagen ausgemacht (hey, es war schließlich der erste Versuch!). Um das schöner hinzubekommen, hab ich mir dann einen etwas größeren Kern besorgt, und erneut von Hand etwa 600 Wicklungen in drei Sessions zu je einer halben Stunde aufgebracht ...

Trafo, die zweite...

Das Ergebnis sieht man oben, der Trafo ist quick & dirty in die bestehende Schaltung reinverdrahtet. Diesmal hatte ich die einzelnen Lagen mit dünnem Kapton-Klebeband voneinander isoliert, und versucht, den Draht in jeder Lage möglichst sauber nebeneinander liegend aufzuwickeln (daher die drei Sessions zu je einer halben Stunde). Das Ergebnis: kein Zirpen mehr, und die Spannung blieb auch unter Last zumindest stabiler als mit dem ersten Design. Sonderlich gut war das jedoch noch immer nicht, bei höheren Lastströmen fing das Ding zu fiepen an (trotz der 100kHz-Schaltfrequenz), und die Ansteuerung des Gate-Transistors war nicht wirklich sauber.

Ich hab das auf den freifliegenden Aufbau geschoben, der wohl für ein Schaltnetzteil einfach ungeeignet ist. Deswegen hab ich mich dann nochmals in die Designphase begeben und die Schaltung mit einem neuen Trafo erneut aufgebaut, diesmal auf einer Lochrasterplatine mit möglichst kurzer und direkter Masseführung.

Trafo, die dritte...

Funktioniert hat die Schaltung dann im Prinzip, die Regelung arbeitete aber nicht ganz einwandfrei. Im Bild sieht man die Gate-Ansteuerung (cyan) bei einem Ausgangsstrom von 25mA, die immer abwechselnd eine Periode ganz und in der nächsten Periode nur kurz einschaltet. (Außerdem im Bild: die Ausgangsspannung am Übertrager (gelb) vor der Gleichrichterdiode, sowie die Spannung am ISense-Pin des UC3843 (pink)). Da passt also etwas in der Regelung nicht, oder in der Überwachung des Transistorstromes.

Gate-Ansteuerung (alt)

Mit Hilfe aus dem mikrocontroller.net-Forum konnte ich diese Probleme dann größtenteils ausmerzen. Der wichtigste Hinweis war, den als Shunt eingesetzten Zementwiderstand gegen einen Widerstand mit niedriger Induktivität zu tauschen; ich habe dann später einfach vier 2,2 Ohm-Widerstände parallel geschaltet.

Jetzt passt auch die Ansteuerung, wie das folgende Bild zeigt, das ebenfalls bei 25mA Ausgangsstrom aufgenommen ist. Für diesen Aufbau habe ich dann auch den endgültigen Trafo mit neuen Wickeldaten benutzt; wie dieser ausgelegt wurde, das erkläre ich weiter unten beim Schaltplan genauer.

Gate-Ansteuerung (alt)

Die Schaltung

Das Endergebnis all dieser Versuche ist im Schaltplan des Nixie-Netzteils zu bewundern, für den es dann auch ein Platinen-Layout gibt. Das Nixie-Netzteil kann eigenständig benutzt werden, wofür Schraubklemmen zum Anschluss der Versorgung und des Hochspannungsausgangs vorgesehen sind; alternativ ist die Integration in eine andere Schaltung möglich (z.B. eine Nixie-Uhr), hierfür sind Anschlüsse für Stift- oder Buchsenleisten vorgesehen, mit denen das Modul dann einfach eingesteckt werden kann. Zum Schutz der Schaltung ist eine 1A-SMD-Sicherung und ein Verpolungsschutz mit dem P-Kanal-MOSFET T2 am Eingang vorgesehen; R3 und D1 dienen zur Begrenzung seiner Gate-Source-Spannung.

Zentrales Element des Netzteils ist der PWM-Controller U1 vom Typ UC3843. Er wird an Pin 7 (VCC) und Pin 5 (GND) mit der Eingangsspannung versorgt; ab einer Spannung von 8,4V beginnt er zu arbeiten. Die RC-Kombination R2/C3 an Pin 4 (RT/CT) legt die Arbeitsfrequenz fest, mit der gewählten Kombination ist eine Frequenz von etwa 95kHz eingestellt, also deutlich über dem hörbaren Bereich (auch für Katzen). An Pin 8 (VREF) steht eine Referenzspannung von 5V zur Verfügung, die mit C1 gepuffert wird.

Nixie-Netzteil

An Pin 6 (OUT) wird über R7 der MOSFET T4 angesteuert. Mit den Shunt-Widerständen R9, R12, R13 und R14 wird der Strom gemessen, der durch ihn fließt, so dass der Controller bei zu hohem Strom den MOSFET abschalten kann. Über das RC-Glied R8/C7 wird die über den Shunts abfallende Spannung gefiltert und dem Controller an Pin 3 (ISense) zugeführt. Über T1 und R1 ist an diesem Pin auch eine Slope-Kompensation möglich, die aber in dieser Schaltung nicht benötigt wird; T1 und R1 sind deswegen nicht bestückt. T4 schaltet dann direkt die Primärseite des Trafos TR1. Die Kombination D2, R10, R11 und C8 bildet einen sogenannten "Snubber": wenn der MOSFET abschaltet, möchte die Primärinduktivität des Trafos den fließenden Strom gerne weitertreiben und versucht das, indem sie die Spannung in entgegengesetzter Richtung hochtreibt. In diesem Fall wird D2 leitend, und C8 fängt diesen Spannungspuls ab. R10 und R11 sorgen dafür, dass sich der Kondensator nicht unendlich auflädt.

Auf der Sekundärseite des Trafos wird dessen Ausgangsspannung von D3 gleichgerichtet und mit C9 gepuffert. Über den Spannungsteiler R15, R16 und R17 wird ein Teil der Ausgangsspannung auf den Feedback-Eingang Pin 2 (VFB) von U1 zurückgeführt, der so die Ausgangsspannung regeln kann. Er steuert den MOSFET so an, dass an VFB 2,5V anliegen; mit dem Spannungsteiler ergibt sich damit eine nominelle Ausgangsspannung von ca. 178V. R4 und R5 bilden ein Kompensationsnetzwerk, das - ohne nachzurechnen - von hier übernommen wurde. Über T3 kann der Kompensationseingang (Pin 1, COMP) auf Masse gezogen werden, womit man den Wandler abschalten kann; das ist zum Beispiel hilfreich, wenn man eine Uhr mit DCF-Empfänger hat und während der Synchronisation den Schaltregler deaktivieren möchte/muss. An P3 (Stiftleiste) und P4 (Schraubklemme) steht dann die Ausgangsspannung zur Verfügung.

Der Trafo

Jetzt will ich noch zeigen, wie ich den Trafo ausgelegt und gewickelt habe - und zwar gleich die endgültige Version. Die ersten Fehlversuche erspare ich euch :-)

Die Auslegung habe ich mit Hilfe der hervorragenden Seite von Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter gemacht. Dort kann man in einer Maske die minimale und maximale Eingangsspannung, die gewünschte Ausgangsspannung, den Ausgangsstrom und die Schaltfrequenz eingeben, und erhält die Primärinduktivität, die notwendig ist, dass bei mittlerer Eingangsspannung und 50% Tastverhältnis gerade nicht-lückender Betrieb eintritt (Strom durch die Primärinduktivität nie 0).

Hand-Wickel-Station

Die Induktivität muss bei KLEINEN Ausgangsströmen GRÖSSER werden, um den Strom länger "aufrechtzuerhalten" - deswegen gebe ich hier den minimal zu erwartenden Ausgangsstrom von 10mA an. Als Spannungsbereich soll der Wandler von 9 bis 12V arbeiten, mit einer Frequenz von 100kHz. Der Rechner liefert mir damit eine notwendige Induktivität von etwa 100µH, und ein Tastverhältnis von N1/N2 = 0,0664 - das ist doof dargestellt, umgedreht ergibt sich N2/N1 = 1 / 0,0664 = 15, also genau das was wir für ein Spannungsverhältnis von 180V/12V erwarten.

Mit diesen 100µH geht es jetzt auf die Suche nach einem passenden Kern. Einen allerersten Anhaltspunkt kann dort auch die Tabelle geben, die man auf der Seite von Prof. Schmidt-Walter nach Klick auf die "Wickeldaten" bekommt. Ich habe mich dann schließlich für einen EFD-Kern entschieden, das ist im Prinzip ein E-Kern (sprich: der Ferrit-Kern ist aus zwei "E"-förmigen Hälften zusammengesteckt) in flacherer Ausführung; die gewählte Größe ist ein EFD25/13/9 (die Zahlen entsprechen den äußeren Abmessungen des Kerns).

Wickeln des Übertragers 1)

Wie kommt man jetzt auf die Wickeldaten? Zunächst mal muss man den Luftspalt festlegen - da es ein Sperrwandler werden soll, wird die übertragene Energie im Kern "zwischengespeichert" in Form von magnetischer Energie. Das passiert im Luftspalt; hätte der Kern keinen Spalt, würde das Ferritmaterial schon bei kleineren Strömen in Sättigung gehen. Ich habe den kleinsten Spalt für den Trafo geählt, sprich 0,22mm. (siehe Datenblatt des Kerns. Wichtig: für den Übertrager werden zwei Kernhälften benötigt, nur EINE Hälfte ist etwas kürzer um den Spalt zu erzeugen; die andere Kernhälfte weist keinen Spalt auf.) Gleichzeitig wird für diesen Spalt ein AL-Wert von 315nH angegeben, mit ihm kann die benötigte Windungszahl berechnet werden.

Die Induktivität ergibt sich zu L = AL * n², wobei n die Anzahl der Windungen angibt. Wir benötigen primär demnach n = Wurzel (L / AL) = Wurzel (100µH / 315nH) = 18 Windungen. Sekundär ergibt sich die Windungszahl durch das Übersetzungsverhältnis, sprich 15 * 18 = 270 Windungen.

Soweit sogut - fehlt noch die notwendige Drahtstärke. Man kann die maximal mögliche Drahtstärke über den zur Verfügung stehenden Bauraum abschätzt. Der EFD-Kern bzw. der Spulenformer hat eine Fläche für die Wicklungen von AN = 40,7mm². Wenn man dieses Volumen für Primär- und Sekundärwicklung gleichmäßig aufteilt, hat jede Wicklung etwa 20mm² zur Verfügung. Den (maximalen) Drahtdurchmesser kann man dann errechnen zu: d = Wurzel ( AN / ( 2 * n )). Für die Sekundärwicklung ergibt sich d = Wurzel ( 20mm² / 270 ) = 0,27mm, für die Primärwicklung entsprechend 1,0mm. Das ist natürlich nur das theoretische Maximum, gerade für das Wickeln von Hand sollte man da deutlich drunter bleiben - deswegen habe ich 0,2mm und 0,85mm für die beiden Kupferlackdrähte gewählt.

Wickeln des Übertragers 2

Die Bilder zeigen, wie das Wickeln dann vor sich ging. Ich habe die Drahtrolle auf einen Stift gesteckt, der in meinem kleinen Schraubstock fixiert wurde. So kann man den Draht schön auf Spannung halten. Dann beginnt die Fleißarbeit - man muss jede Windung sauber an die vorhergehende anlegen und Überschneidungen vermeiden. Ist eine Reihe voll, dann habe ich die Wicklung mit dünnem Kapton-Klebeband fixiert. (Es geht auch jedes andere, es sollte nur möglichst dünn sein). Falls die Breite nicht passt, kann man das Klebeband auch entsprechend zuschneiden. Nach jeder Lage habe ich die Windungszahl dann noch auf das Klebeband notiert, so kann man gefahrlos auch mal eine Pause einlegen, ohne zu vergessen, wie viel man schon gewickelt hat :-)

Wickeln des Übertragers 3

Die Primärwicklung wird dann mit anderem Wicklungssinn gewickelt. Aufgrund des dickeren Drahtes geht das etwas schwieriger, aber dafür sind es nur 18 Windungen. Zum Schluss wird alles nochmal mit Klebeband fixiert, und anschließend der Trafo zusammengebaut (Ferritkerne einstecken und mit Klammern sichern) und die Drähte mit den Anschlussstiften verlötet. Vor dem Verlöten empfiehlt es sich, die Lackierung des Drahtes mit einem scharfen Messer anzukratzen, damit er sich leichter löten lässt.

Nachbau

Ist der Übertrager gewickelt, ist schon die größte Hürde für den Nachbau genommen. Für die Elektronik habe ich wieder eine kleine Platine erstellt, die sämtliche Komponenten trägt. Bis auf die Elkos, den Snubberkondensator, den Übertrager und die Klemmen / Stiftleisten sind alle Teile in SMD ausgeführt, inklusive dem Schalttransistor.

Die Projektunterlagen, inkl. Stückliste, Schaltplan und Bestückungsplan im PDF-Format, kann man sich hier herunterladen. Die aktuelle Version ist bereits die 1.1, bei der 1.0 war nur eine Beschriftung auf der Platine falsch, ansonsten ist nichts geändert. Wer die Platine fertigen lassen will, kann direkt die ZIP-Datei im CAM-Folder verwenden; sie enthält alle notwendigen Gerber-Files.

Was kann das Ding denn nun?

Zum Abschluss hab ich mir dann nochmal angeschaut, was das Netzteil alles kann. Zunächst hab ich die Ausgangsspannung bei verschiedenen Eingangsspannungen (zwischen 9V und 15V) und verschiedenen Ausgangsströmen (bis 50mA) gemessen, das Ergebnis zeigt die folgende Grafik.

Ausgangsspannung

Im Leerlauf hat das Netzteil eine Spannung von etwa 178V am Ausgang. Durch Verändern des Spannungsteilers R15, R16, R17 könnte man die Spannung noch genauer einstellen, aber für Nixie-Röhren ist das so gut genug. Mit höherem Ausgangsstrom fällt dann die Ausgangsspannung etwas ab, bei 30mA und 12V Eingangsspannung ist man bei etwa 174V. Bei höheren Strömen beginnt die Ausgangsspannung dann einzubrechen, und zwar umso eher je niedriger die Eingangsspannung ist. Bei 50mA Ausgangsstrom und 12V Eingangsspannung ist man dann etwa bei 166V.

Wirkungsgrad

Die zweite Grafik zeigt den Wirkungsgrad, welcher bei kleinen Ausgangsströmen natürlich eher niedrig ist - bei 12V und 5mA Ausgangsstrom sind es gerade einmal 52%, d.h. auf der 12V-Seite zieht das Netzteil etwa 160mA. Bei höheren Strömen, so ab 20mA, und Eingangsspannungen von 12V und mehr liegt man dann so um die 80% Wirkungsgrad.

Gar nicht so schlecht! :-)