Design-Check für einen High-Side-Schaltkreis zum Ansteuern von Nixie-Röhren

Ich entwerfe eine Schaltung, die es ermöglicht, ein Arduino-Board zum Ansteuern von Nixie-Röhren ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nixie_tube ) zu verwenden, bei denen es sich um LED-ähnliche Geräte handelt, die ~ 170 V zum Zünden und ~ 140 V zum Halten benötigen Zündung. Ein Widerstand in Reihe wird verwendet, um den Strom auf 1-5 mA zu begrenzen.

Um die 10 Ziffern in der Röhre einzeln zu steuern, verwende ich eine gemeinsame Lösung, ein Hochspannungsregister (80 V) (HV57708), das mit jedem der 10 Kathodenstifte der Röhre verbunden ist, sodass ich jede Ziffer programmgesteuert umschalten kann ( durch Umschalten zwischen 0 V und 80 V beträgt der Spannungsabfall entweder 170 V oder 90 V über jede einzelne Ziffer, was dem Ein- und Aus-Zustand dieser Ziffer entspricht).

Diese Art der Steuerung erlaubt es mir jedoch nicht, die Helligkeit der Röhren zu ändern, die entweder durch Variieren des Stroms oder durch PWM moduliert werden muss. (Das Ändern der Eingangsspannung ist keine empfohlene Lösung zum Anpassen der Röhrenhelligkeit, da es die Gleichmäßigkeit des Glühens beeinflusst.) Der durch HV57708 vermittelte Low-Side-Schalter könnte nur Software-PWM unterstützen, was alle Ressourcen des Arduino-Prozessors beanspruchen würde . (dh der gesamte Prozessor muss dieser Software-PWM-Aufgabe gewidmet werden, was für meine Anwendung nicht ideal ist.)

Daher würde ich gerne einen zusätzlichen High-Side-Schalter implementieren, der mit dem einzelnen Anodenstift der Röhre verbunden wäre (und damit die gesamte Röhre ein- oder ausschalten würde, über alle Ziffern hinweg, was ein Verhalten ist, das ich anstrebe ).

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Ich habe ziemlich wenig Erfahrung mit Schaltungsdesign, bin aber nach ~ 1 Woche Recherche zu folgendem Design gekommen (siehe beigefügtes Bild). Ich möchte fragen, ob ein paar Fragen zu dieser Schaltung:

(1) Würde diese Schaltung aus erfahrener Sicht (a) sicher und zuverlässig arbeiten und (b) das beabsichtigte Schaltverhalten erreichen?

Um diese Schaltung zu erklären:

-- Q3 ist ein p-Kanal-Leistungs-MOSFET; Q2 ist ein n-Kanal-Leistungs-MOSFET, der Q3 treibt. (Andernfalls können die 5V von Arduino die 170V-Versorgungsspannung nicht treiben).

- R1 und R2 sind ein Spannungsteiler, um die Spannung auf ~ 165 V zu senken, wenn Q2 eingeschaltet ist (wenn Arduino 5 V ausgibt). Diese Differenz von 5 V schaltet Q3 ein. (Die Grenze für V_GS von Q3 beträgt +/- 20 V. Daher scheint es notwendig, diesen Spannungsteiler zu haben, anstatt nur die vollen 170 V auf V_GS zu werfen.) Die hohen Widerstandswerte wurden ausgewählt, um den Strom im EIN-Zustand niedrig zu halten, da R2 fällt ~ 165 V ab, und daher könnte die Verlustleistung selbst bei einem Strom von ~ 1 mA leicht über die Nennleistung des SMD-Widerstands (~ 100 mW) steigen.

- R3 ist ein Pulldown-Widerstand, um sicherzustellen, dass der Pin niemals schwebt. Ich wähle 10K (Durchlassstrom von 0,5 mA) ohne triftigen Grund; Bitte schlagen Sie vor, ob andere Werte besser funktionieren könnten.

- Der Ausgangsstift unten ist von HV57708, der mit allen 10 Kathodenstiften der Nixie-Röhre verbunden ist. Typischerweise würden 9 von 10 auf 80 V eingestellt werden (ein Aus-Zustand, denn selbst wenn der obere Schalter eingeschaltet ist, reichen 170 V - 80 V = 90 V nicht aus, um die Röhre zu zünden), während 1 von 10 dies tun würde auf 0 V gesetzt werden (ein eingeschalteter Zustand; nur an die Kathode angelegt, die der Ziffer entspricht, die wir leuchten wollen).

-- Betrachten Sie X vorerst als offenen Stromkreis (nichts angeschlossen).

(2) Würde dieser High-Side-Schalter eine PWM-basierte Helligkeitssteuerung unterstützen, wenn der Pin „Arduino-Ausgang“ ein PWM-kompatibler Pin auf Arduino ist?

(3) Lassen Sie uns nun sagen, dass wir die Verwendung von PWM vollständig vermeiden wollen, was Vorteile haben könnte, da einige die Hypothese aufgestellt haben, dass es die Lebensdauer der Röhre verkürzt. Um in einem solchen Fall Anpassungen der Röhrenhelligkeit zu erreichen, scheint es ein plausibler Ansatz zu sein, die gesamte Box 1 zu duplizieren und zu spiegeln und sie an der mit "X" markierten Stelle zu platzieren, die wiederum über R4 verbunden ist. Unter einem solchen Schema könnte der Arduino die Anzahl (und welche) der parallel geschalteten Strombegrenzungswiderstände (R4) steuern.

Mehr parallele Widerstände würden den Gesamtstrom von der 170-V-Quelle erhöhen und somit die Röhre aufhellen - richtig? Beispielsweise könnten mit nur 2 dieser Schaltungen, eine mit R4_A = 15K und eine mit R4_B = 30K, drei verschiedene Helligkeitsstufen im EIN-Zustand erzeugt werden. ( I = (170V-140V) / R_equivalent, wobei R_equivalent entweder 15K, 30K oder 1/(1/15+1/30) = 10K ist, was zu I = 3mA, 2mA oder 1mA führt. Dies scheint für meinen Zweck ausreichend zu sein Würde diese Art von Stapelstrategie funktionieren?

(4) Wenn ein Experte andere Lösungen oder Erkenntnisse zur Implementierung dieser Röhrenhelligkeitsanpassung hat, bin ich sehr gespannt, zu hören. (Ich dachte anfangs darüber nach, ein einzelnes digitales Potentiometer zu verwenden; dh 170 V werden an R4, dann an Digi-POT, dann an die Nixie-Röhre und dann an den HV57708-Ausgang angeschlossen. Bestehende Digi-POTs scheinen jedoch eine niedrige Stromstärke zu haben (~ 5 mA, was ungefähr der Strom ist, der durchgelassen werden muss) und niedriger tolerierter Spannungsabfall (< 30 V).)