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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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1#
发表于 2023-8-28 19:13:19 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
【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)

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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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2#
发表于 2023-8-28 19:29:55 | 只看该作者
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？
3#
发表于 2023-8-28 19:46:08 | 只看该作者
这是一个挺不错的思路
4#
发表于 2023-8-28 20:02:33 | 只看该作者
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
5#
 楼主| 发表于 2023-8-28 21:02:16 来自手机浏览器 | 只看该作者
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！
6#
 楼主| 发表于 2023-8-28 21:02:43 来自手机浏览器 | 只看该作者
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
7#
发表于 2023-8-28 21:08:31 | 只看该作者
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!
8#
发表于 2023-8-28 22:16:50 | 只看该作者
来来来 先测测刚买的大闸蟹超标了没%
9#
发表于 2023-8-28 23:02:43 | 只看该作者
多年前盖革管火了一把，看来现在又要来一波了哇
10#
发表于 2023-8-28 23:23:44 | 只看该作者
牛！高手就是高手，厉害厉害
11#
发表于 2023-8-29 08:24:00 | 只看该作者
太厉害了，只能膜拜了
12#
发表于 2023-8-29 08:52:13 | 只看该作者
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~
14#
发表于 2023-8-29 10:07:02 | 只看该作者
可调高压电源
15#
发表于 2023-8-29 10:48:51 | 只看该作者
这个技术真不错呀，厉害！
16#
发表于 2023-8-29 10:54:58 | 只看该作者
靠海的，过段时间用的上了
操蛋的小日本
17#
发表于 2023-8-29 11:25:44 | 只看该作者
公式大佬 膜拜
18#
发表于 2023-8-29 11:38:57 | 只看该作者
这个厉害，测一下辐岛核废水的辐射过来没？
19#
发表于 2023-8-29 12:24:15 | 只看该作者
万能的 Arduino
20#
发表于 2023-8-29 12:32:46 来自手机浏览器 | 只看该作者
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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