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[Arduino] 使用 Arduino 搭建程控反激电源,助力把玩各路高压真空电子管(原创)

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发表于 2023-8-28 19:13:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
【背景】

某天闲来无事,忆起实验课的万能测长仪:

img0a.jpg

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:

img0b.gif

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:

img1a.jpg

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:

img1b.jpg

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.

img2a.png

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:

eq1.gif

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:

eq2.gif

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:

eq3.gif

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。

img3a.jpg

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:

img3b.png

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:

img3c.png

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:

img3d.png

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:

img4a.png

焊接好的效果,优雅:

img4b.jpg

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。

img4c.png

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:

img5a.JPG

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:

img6a.png

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:

img6b.jpg

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:

img6c.gif

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:

img7a.JPG

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:

img7b.JPG

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:

img7c.png

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:

img7d.gif

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:

img7e.png

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:

img7f.PNG

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:

img7g.PNG

挂个串口,就可以看到实时的 CPM 数值了:

img7h.png

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)

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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!


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发表于 2023-8-28 19:29:55 | 显示全部楼层
大神什么东西都是信手拈来,同样是9年义务教育,差距咋就这么大捏?
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发表于 2023-8-28 19:46:08 | 显示全部楼层
这是一个挺不错的思路
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发表于 2023-8-28 20:02:33 | 显示全部楼层
猪小呆 发表于 2023-8-28 19:29
大神什么东西都是信手拈来,同样是9年义务教育,差距咋就这么大捏?

估计我们这些纯粹是去义务了
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 楼主| 发表于 2023-8-28 21:02:16 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
猪小呆 发表于 2023-8-28 19:29
大神什么东西都是信手拈来,同样是9年义务教育,差距咋就这么大捏?

哈哈哈感谢支持!
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 楼主| 发表于 2023-8-28 21:02:43 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
aping365 发表于 2023-8-28 19:46
这是一个挺不错的思路

模块化实验,自己给自己搭桥
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发表于 2023-8-28 21:08:31 | 显示全部楼层
同样是义务教育,楼主如此优秀,让一众人汗颜.猫眼电子管是电子管收音机常见元件,和数字电路结合在一起,算是比尔克林顿和秦始皇谈心了!
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发表于 2023-8-28 22:16:50 | 显示全部楼层
来来来 先测测刚买的大闸蟹超标了没%
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发表于 2023-8-28 23:02:43 | 显示全部楼层
多年前盖革管火了一把,看来现在又要来一波了哇
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发表于 2023-8-28 23:23:44 | 显示全部楼层
牛!高手就是高手,厉害厉害
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发表于 2023-8-29 08:24:00 | 显示全部楼层
太厉害了,只能膜拜了
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发表于 2023-8-29 08:52:13 | 显示全部楼层
真的太厉害了~~我真的好羡慕啊!我也在学Arduino但是就只会简单的~
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发表于 2023-8-29 10:07:02 | 显示全部楼层
可调高压电源
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发表于 2023-8-29 10:48:51 | 显示全部楼层
这个技术真不错呀,厉害!
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发表于 2023-8-29 10:54:58 | 显示全部楼层
靠海的,过段时间用的上了
操蛋的小日本
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发表于 2023-8-29 11:25:44 | 显示全部楼层
公式大佬 膜拜
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发表于 2023-8-29 11:38:57 | 显示全部楼层
这个厉害,测一下辐岛核废水的辐射过来没?
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发表于 2023-8-29 12:24:15 | 显示全部楼层
万能的 Arduino
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发表于 2023-8-29 12:32:46 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
能不能改成原边反馈,这样就不需要在高压侧电阻分压了
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