|
|
发表于 2023-8-28 19:13:19
|
显示全部楼层
|
【背景】
某天闲来无事，忆起实验课的万能测长仪：
仪器如何巧妙避免阿贝误差啥的，差不多都忘干净了；然而有个称作“电眼”的玩意在脑海中挥之不去。
测长仪大致原理是：使用测球来接触工件，带动标尺进行长度读数。
为避免接触压力过大造成形变误差，需要检测测球与工件临界的接触状态，于是“电眼”应运而生。
“电眼”实则是一种称为“猫眼管”的真空电子管，这个电子管本质是个“压控显示器”，
施加不同的电压信号，可以改变管内电子束角度，进而影响荧光屏亮暗面积。由于亮色的开合好似猫眼，故得名：
测长仪将测球（金属）与工件（金属）组成一个电回路，通过猫眼管检测临界的接触状态。
只记得实验课上一群人围着一个猫眼管在看，我实在挤不进去也就作罢，不想竟成执念。
【入坑】
多年后回想起那堂课，不就是个带临界的通断检测么，现代运放随便搞下，都能把老掉牙的猫眼按地上摩擦。
然而还是太年轻，低估了执念的威力。以至于练个科二都在满脑子回忆猫眼悠悠的绿光，一咬牙买买买。
不就是个真空管么，炸了坏了或者不会玩，就当我把教练车开地里了，就当教练又铁青脸了：
结果入手最常见的国产 6e2，似乎和测长仪上的不太一样，翻出掉渣的资料果然是 em84 风格：
更要命的是，这个管子需要 250v 直流高压加速电子，这也就有理由折腾了：
直接用 ac220v 整流分压多不安全，关键还得处处插电不优雅；搞个小功率升压电源才是好玩。
【反激结构】
由于不是专职折腾电源出身，只能从物理上搞搞原理，大致确定方向再逐步优化。
电源目标输入 9-12v 低压，然后能出一个 200-400v 的可控直流高压就行，功率不超过 10w.
最开始设想的升压方案如上图（左）所示，基于电感 l1 的自感升压，对应 boost 拓扑斩波器。
这也是以前经常拿来折腾单 1.5v 点亮 led 的万能电路之一，俗称焦耳小偷。
法拉第定律可以推导出磁通量 φ 与外接恒压源 u 的关系：
负号代表感生电压与恒压源方向相反。
回到上述 boost 斩波器，不考虑开关损耗、肖特基压降，则开关器件 q1 的开启/关闭（ton/toff）状态下磁通平衡有：
式中 d 为开关导通占空比（0-100%），并假定电感工作在电流连续模式（ccm）。
抬高工作占空比 d，即可抬高输出电压；当 d 无限接近 100% 时理论输出电压无限大。
对于此次 9v 升 200-400v 的需求，可以算得 d= 96%~98%，接近电路死区着实有点难办。
进而考虑用一级 1:n (n>1) 变压器进行辅助升压，也就有了上图（右）的 flyback 反激方式。
同样使用磁通平衡方程导出电压变换比：
这样一来可以轻松不少，升压比大多数由变压器参数 n 完成，占空比 d 仅用于微调最终电压。
以 n=10 为例，同样 9v 升 200-400v，求解得 d= 69%~82%，驱动精度、难度下降不少。
以上仅简单对比了电源的拓扑结构，实际设计还得考虑频率、电感等一众参数。
【原理验证】
电源结构大致确定，首先是找个合适的变压器。按着 w 级别功率，正巧和手头万能充的 ee10 匹配上。
依照店家资料，该变压器有着 145:18:14 三个绕组，其中 145:14 为功率回路，反过来正好用作升压。
测试先走一波起来：掏出面包板，临时借 3dd15 充当下开关，高压用 cbb 防止上来就炸：
振荡部分直接用 arduino 来搞，想要多少频率、多少占空比都是软件说了算。iccavr 写个简单方波：
通上电不冒烟，测量高压还可以。然而 3dd15 毕竟太大，考虑做小型便携式模块不现实，况且铁壳不优雅。
按照原理分析，高压端达到 400v 时，激励端开关管大约承受 49v 尖峰电压。偷个懒直接上达林顿：
头一次把 2003 用在开关电源上，实际效果出乎预料的好，多路并联甚至可以轻松解决电流不足的焦虑。
至此在实物层面基本验证了用 arduino 反激升压的可行性。
【模块焊接】
原理参数搞清楚后，闷头就是焊。先用 cad 走个线，主要是把各零件安排妥当，避免干涉：
焊接好的效果，优雅：
除了既定的反激升压单元外，额外增加一片带散热的 7806，用于给真空管灯丝（6.3v）供电。
使用插件达林顿，还可以便于调试维护：过流烧毁了换一片继续造。
程控方面，扩展板将高压进行了约 100:1 的降压处理，精确比值可由电位器调节，之后由 adc 采样转换。
软件当中调整 adc 采样基准、换算系数，即可实现程控 手控混合调压。
【工作测试】
由于输出电流不大，整个反激升压工作在间歇振荡模式。静态的功耗大多消耗在 1mω 高压采样电阻上。
软件里使用 1.1v 的参考电压，实测输出可以在 120v~400v 之间任意调节，电路稳定不发热。
示波器浮空供电，挂一下变压器原边：
可以看到反激充电时长（第一个负脉冲宽）大约持续 5-6us，变压器未发生磁饱和，激励 释放均正常。
第一个正向尖峰即为高压整流时刻，后续振荡源自于整流管反偏，原副边与寄生电容发生了 lc 反应。
严格意义上需要吸收电路来保护下，不过自用也就无所谓了。
至此，确认程控反激升压工作正常，可以开造后续真空管了。
【弄亮 6e2】
费这么大劲的初衷就是要点亮万恶的 6e2，赶紧模块焊起来：
小心翼翼怼上 6e2，信号负压源接起来， 250v、 6.3v 都接上通电开机，这管子的效果着实令人着迷：
接上东北黑煤烧出的大碴子味儿火电，通上格瓦斯口感的迪斯科，头和荧光棒都给我摇起来：
至此终于玩到了猫眼管，执念得以了却。
【弄响 j304】
既然是通用的高压电源模块，顺手玩一把盖革管也是不错的选择。翻出珍藏多年的 j304βγ：
这个螺口灯泡头是经典的设计，使用常规 e10 灯泡座就能可靠安装。
高压部分按照手册需要 mω 实现限流 分压，那就电阻堆叠切来：
高压部分用 arduino 反激电源来提供，低压部分简单插几个三极管，能放大出脉冲就行：
电压加上去以后，就可以看到盖革管 j304 开始工作，每次电离辐射，都会对应闪灯一次，
喇叭同步发出“咔咔”的催命盖革声。俗话说“盖格一响，爹妈白养”大致如此：
然而这个盖革计除了会咔咔闪灯催命，还缺少关键一步：频率计数 剂量换算。
索性把这堆调理电路焊在一起，给个 oc 输出到单片机供计数。二层小楼搭起来：
连好电路后，直接输出 oc 信号给单片机就可以由每分脉冲数（cpm）换算辐射强度了：
这次软件略复杂，需要根据每个电离脉冲时刻，估算出管子瞬时 cpm 数值，老老实实上 arduino ide：
挂个串口，就可以看到实时的 cpm 数值了：
科普下：我们所处的环境充斥着微弱的核辐射，称作 “本底辐射”，大约 0.1~0.2usv/h 量级。
对于我这个 j304 管子，本底辐射对应的计数值约为 20-30 cpm，与测试曲线走势基本一致。
当发生核爆时，大量放射性粒子穿过 j304 引起频繁电离放电，就会看到这个曲线疯狂上扬的样子。
当然日常测试，用 am241 烟雾传感器也能搞，没入手这个祸害索性作罢。
至此，用基于 arduino 的程控反激电源成功点亮/点响了两个真空管，电路功能正常，工作稳定。
附上涉及的固件：
反激电源相关固件.rar
(2.16 kb, 下载次数: 0)
-----------------------------------------------------------------------------------
以上，使用 arduino 搭建程控反激电源，配合变压器反激升压，实现 120v~400v 可调高压源。
并借此点亮了 6e2、点响了 j304，折腾了一把复古真空电子管，了却了心中执念。
最后祝大家把玩顺利，电路永不冒烟！
|
打赏
-
查看全部打赏
|
ip归属地
雷达卡
提帖卡
置顶卡
锁帖卡
解锁卡
显目卡
千斤顶
发表于 2023-8-28 19:29:55
楼主
发表于 2023-8-28 23:02:43
