Применение фотоэлектронного умножителя — это очень простой способ получить высочайшую чувствительность фотоприемника, вплоть до регистрации единичных фотонов при прекрасном быстродействии. А учитывая массу ФЭУ, выпущенных в СССР и до сих пор лежащих на складах, это еще и относительно недорого (современные «фирменные» ФЭУ все-таки неприлично дороги для любительского применения). Но для питания фотоэлектронного умножителя нужен источник напряжения в 1-3 киловольта, и притом очень стабильный.
Дело в том, что чувствительность ФЭУ зависит от анодного напряжения экспоненциально и очень резко: она увеличивается в 10 раз при увеличении напряжения на 80-300 В, в зависимости от типа ФЭУ. И если нужно обеспечить стабильность усиления на уровне процента, для некоторых ФЭУ необходимо, чтобы напряжение не менялось больше, чем на 0,1-0,3 В!
В данной статье я привожу схему источника высокого напряжения для ФЭУ, который хорошо зарекомендовал себя в лабораторных условиях. Он обеспечивает выходное напряжение от нескольких сотен до 1500 В при выходном токе до 1 мА и стабильности не хуже 0,2 В за час при неизменном потребляемом токе после прогрева. Несложная переделка увеличивает верхний предел напряжения до 3 кВ, правда, ценой меньшей стабильности.
Схема
Основой источника является двухтактный инвертор, работающий на трансформатор для CCFL-ламп. Инвертор выполнен на основе отечественной микросхемы для ЭПРА — КФ1211ЕУ1. Равных этой микросхеме мне в продаже найти не удалось: она может управлять затворами полевых транзисторов непосредственно и для работы ей нужно лишь два внешних элемента (времязадающие резистор и конденсатор), при этом она штатно работает от 5 В и стоит недорого. К сожалению, НПО «Дельта» давно не производит эту микросхему, но она до сих пор есть в продаже и добыть ее не составляет труда. Никаких средств регулирования коэффициента заполнения у этой микросхемы нет, но нам это не нужно — регулирование выходного напряжения осуществляется изменением напряжения питания выходного каскада инвертора. Ключевым элементом является сдвоенный n-МОП-транзистор VT1 типа IRF7341. Резисторы R2 и R3 ограничивают броски тока при перезарядке емкостей затворов.
Инвертор работает на частоте 40 кГц. Опытным путем установлено, что на этой частоте примененный трансформатор работает лучше всего и имеет наилучший КПД. Частота эта задается цепочкой R1C1.
Трансформатор я использовал из серии TMS91429CT, имеющий две одинаковые первичные и две одинаковые изолированные друг от друга вторичные обмотки. Это дает возможность исключить умножитель напряжения с большими потерями, заменив его двумя однотактными выпрямителями, выходные напряжения которых складываются, образуя не совсем обычный на вид, но по сути такой же двухтактный выпрямитель. Нарисованная на схеме конфигурация работает с данным трансформатором несколько лучше, чем классическая «с отводом от середины». Если нужны более высокие напряжения, в каждой из «половинок» можно собрать удвоитель.
Резистор R8 и конденсатор C9 образуют фильтр, уменьшающий пульсации высокого напряжения. Резистор R10 снижает опасность смертельного поражения электрическим током: несмотря на то, что сила постоянного тока, вырабатываемого данным источником, не представляет никакой серьезной опасности, энергия, запасаемая в конденсаторе C9 вполне достаточна для того, чтобы убить, и ограничение пикового тока его разряда до ~ 60 мА при максимальном напряжении эту возможность снижает (при кратковременном — сотые доли секунды — воздействии такой ток обычно не является смертельным). Вместе с тем, при токе 1 мА на этом резисторе падает 22 В, что, скорее всего, недопустимо. Поэтому если нужны токи больше сотни микроампер, его придется убрать, но в этом случае — помнить, что выходное напряжение источника — смертельно опасно. С резистором R10, впрочем, тоже, но опасность не столь высока.
Выходное напряжение, поделенное делителем R7R9 в 500 раз, подается на вход усилителя ошибки на ОУ DA1.2. На второй его вход подается опорное напряжение (через повторитель на DA1.1), которое задает выходное напряжение, которое в соответствии с коэффициентом деления делителя R7R9 будет в 500 раз больше (например, при опорном напряжении 3 В выходное составит 1,5 кВ). Коэффициент усиления усилителя ошибки подобран экспериментально. Его увеличение повышает точность стабилизации, но снижает устойчивость. Конденсатор C8 компенсирует задержку в петле обратной связи и обеспечивает устойчивость регулирования. Соотношение коэффициента усиления усилителя ошибки и постоянной времени цепи R6C8 — вопрос компромисса между точностью поддержания выходного напряжения и временем его установления.
Выходное напряжение усилителя ошибки подается на регулирующий элемент — p-МОП транзистор VT2. Транзистор полностью закрыт, когда напряжение на выходе DA1.2 близко к напряжению питания (то есть если высокое напряжение сильно превышает заданное), и полностью открывается при снижении его до нуля (при сильно заниженном высоком напряжении), что обеспечивает его поддержание на уровне несколько выше опорного напряжения, помноженного на коэффициент деления. Далеко не все МОП-транзисторы хорошо работают в линейном режиме, и указанный на схеме делает это вполне приемлемо. Резистор R4 предотвращает неустойчивость ОУ при работе на емкостную нагрузку, которой является затвор транзистора.
В качестве источника опорного напряжения может быть использован многооборотный потенциометр, питающийся от стабилизированного источника напряжения, но при повышенных требованиях к стабильности его может оказаться недостаточно, так как даже самые лучшие из таких переменных резисторов в той или иной степени «шумят», хаотически меняя сопротивление в небольших пределах, даже если ручку регулировки не трогают. Для ее повышения желательно ограничить диапазон плавной перестройки до 100-200 В и ввести переключатель для дискретной грубой установки напряжения. Другой вариант — сделать цифровой ИОН на основе какого-нибудь ЦАП.
Данная схема выдает высокое напряжение положительного знака. Для питания ФЭУ удобно использовать отрицательное напряжение питания с заземленным анодом. Для этого схему придется скорректировать — во-первых, изменив полярности диодов в высоковольтной части. Во-вторых, придется ввести в схему еще один операционный усилитель. Вместо делителя R9R7 у нас появляется инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления минус 1/500 на ОУ DA2, и резисторы R9 и R7 оказываются в его цепи ООС.
Чтобы получить 3 киловольта, придется заменить выпрямители во вторичных цепях на удвоители напряжения и увеличить R9 до 100 МОм. Стабильность при этом ухудшится примерно в те же два раза.
Компоненты и монтаж
В низковольтных и слаботочных цепях можно использовать конденсаторы и резисторы типоразмера 0805 или даже 0603. Конденсатор C2 — танталовый. Конденсатор С4 — пленочный, так как через него протекает заметный импульсный ток и керамический SMD конденсатор здесь будет греться и быстро выйдет из строя.
Со стороны высокого напряжения необходимо монтировать все цепи переменного тока настолько короткими соединениями, насколько возможно, так как иначе они сильно излучают (однако, не забывая соблюдать изоляционные зазоры). Диоды набраны каждый из двух последовательно соединенных диодов на 1000 В. В связи с отсутствием в магазинах быстрых диодов на 1000 В в SMD-исполнении применены выводные диоды HER1008, установленные по два последовательно. Для уменьшения длины выводов они загнуты под корпус диода и обрезаны, и таким образом, диод переделан в SMD. При этом анод одного диода в паре спаивается с катодом второго непосредственно и максимально близко к выходу вывода из корпуса, а не через печатный проводник. Конденсаторы С6 и С7 также набраны из четырех конденсаторов 0,015 мкФ х 1000 В типоразмера 1812, соединенных последовательно-параллельно и спаянных «этажеркой» друг на друге. Конденсатор C9 произвольного типа — я использовал батарею из отечественных К15-4, для надежности залитую компаундом.
Резистор R8 — типоразмера 2512. R10 набран из десяти таких резисторов, соединенных последовательно на отдельной маленькой плате и залитых изоляционным компаундом. Аналогично можно поступить и с R9, либо применить резистор серии FHV-100. А совсем идеально поставить делитель фирмы Caddock серии THV10. От термостабильности данного резистора (а он нагревается проходящим через него током) зависит дрейф напряжения. Теплоизоляция его, увеличивая время установления стабильного напряжения, тем не менее, резко уменьшает его хаотичные колебания, поэтому настоятельно рекомендуется. Также при монтаже следует обратить внимание на возможные пути утечки, которые также резко снизят стабильность. На печатной плате следует предусмотреть прорези и окна, отделяющие высоковольтные цепи от низковольтных и между близко расположенными проводниками с резко различающимися потенциалами. И не жалейте спирта — малейшая влага, следы канифоли или палтцев — и напряжение будет скакать, как дикий мустанг. Само собой разумеется, что вся высоковольтная часть должна быть залита компаундом, так как иначе зазоры пришлось бы делать очень большими. А большие зазоры — это большая длина проводников и сильное излучение. При работе первоначального макета, где я использовал конденсаторы К78-1, выводные диоды со слегка укороченными выводами и зазоры, рекомендуемые при печатном монтаже на воздухе — на холостом ходу схема потребляла почти 200 мА при 1500 В, а неонка горела в 10 см от конструкции. Невозможно было даже посмотреть форму напряжения на первичных обмотках трансформатора — на щуп осциллографа наводилась помеха размахом под сотню вольт. Ни о каком практическом использовании столь сильно излучающей помехи схемы не могло идти речи. После перехода на SMD и максимально компактный монтаж (потребовавший заливки — на воздухе все тут же пробивается), потребляемый на холостом ходу ток упал до пары десятков миллиампер, а неоновая лампочка горела только вплотную к обмотке трансформатора. Разумеется, готовый прибор нужно поместить в металлический корпус, снабженный хорошим высоковольтным разъемом (например, типа LEMO).
Разводка печатной платы (свою не привожу, так как она оказалась не слишком удачной и в финальной конструкции покрылась, как плесенью, очагами навесного монтажа, исправляющего ошибки первоначального замысла) должна быть сделана с учетом того, что VT2 греется и отводит тепло через выводы (рассеиваемая мощность может достигать 2 Вт). VT1 остается при работе практически холодным. Кроме того, уделите внимание земле, особенно в окрестностях ключевых транзисторов. Последние вместе с DD1 удобно разместить под брюхом трансформатора, вокруг которого можно отделить земляной полигон зазором, соединив его с остальной землей в единственной точке около разъема питания.
И о заменах. Трансформатор может быть заменен практически любым аналогичным трансформатором с такой же конфигурацией обмоток (то есть две одинаковые первичные обмотки и две раздельные высоковольтные) и такой же габаритной мощностью, при этом может потребоваться подбор частоты коммутации и емкости конденсатора C4. Транзисторную сборку VT1 можно заменить на аналогичные отдельные n-МОП транзисторы с напряжением исток-сток не менее 20 В и током стока не менее 3 А, способные работать с 5 В на затворе. VT2 заменять нежелательно.
Немного о безопасности
Как я уже говорил, данный прибор смертельно опасен для жизни. Несмотря на то, что ток в несколько миллиампер, обеспечиваемый данным устройством, не опасен даже при прохождении по пути «язык-рука», разряд емкости на выходе, пусть не гарантированно убьет, но вполне может это сделать, так как ток при этом достигает нескольких ампер (!), а энергия разряда при максимальном напряжении составляет около 0,1 Дж, чего вполне достаточно для вызывания фибрилляции желудочков в уязвимую фазу. Так что будьте осторожны — особенно в процессе наладки. На это время рекомендую заменить конденсатор С9 на менее емкий.
Комментарии (42)
Fox_Alex
19.07.2019 22:35+1Хорошая статья и конструкция! Я тоже когда-то применял трансформаторы CCFL для питания ФЭУ и проп-счетчиков. Готовое изделие значительно дешевле и надежнее всяких самопальных трансформаторов. По опыту скажу, что из 200-300 аппаратов отказы по трансформатору были лишь дважды. Правда транс там был более мелкий, на 2,5 Вт. И да, как уже говорилось выше — в обратную связь нужны специальные резисторы. Я ставил готовый делитель, типа вот такого:
Но схема у меня была более классическая, генератор Роера на двух транзисторах. Ее главное преимущество — работа на резонансе. Сигнал на выходе синусоидальный, а от того более низкие помехи. Но и недостаток — нагрев транзисторов и не высокий КПД.
Neuromantix
20.07.2019 08:42А широкополосным осциллографом не лазили в сторону высокого? потому что по-нормальному там должна быть постоянка, и излучать там нечему, а если оно фонит — значит там гуляют импульсные помехи, и судя по силе фона — очень сильные. Что в случае пушпула вовсе не удивительно.
jar_ohty Автор
20.07.2019 13:47Я смотрел на предмет помех от высокого на выходе ФЭУ. Тут все было хорошо: они не мешали видеть одноэлектронеые импульсы.
"Фонит" не постоянное высокое, а цепи переменного тока до и внутри выпрямителя. Там амплитуда напряжения — тыща вольт с лишним, и было бы удивительно, если бы оно не излучало. Неважно, пушпул, обратноход… Обратноход, кстати, еще сильнее гадит.
Solgo
20.07.2019 13:48Судя по документации к микросхеме, она работает от 12 вольт. В свое время тоже искал недорогую микросхему, чтобы сделать пуш-пул питающийся от 5 вольт, не нашел, пришлось делать на микроконтроллере PIC10F322, с грубой реализацией ПИД регулировки в обратной связи.
jar_ohty Автор
20.07.2019 13:49По даташиту у нее 3-9 В, максимально допустимое — 12. Но у нее нет ШИМ.
Solgo
20.07.2019 14:38Да, напряжение питания от 3 до 9 вольт, в час ночи не в ту табличку посмотрел. И да, ШИМа там нет, переключает коэффициенты деления. Получается недорогого контроллера для пуш-пула с питанием от 5 вольт с ШИМом опять найти не получилось.
Neuromantix
20.07.2019 15:18UCC28084/086 не подойдет?
Solgo
20.07.2019 17:01Да, подойдут, дорогие только, цена примерно в 3 раза больше чем у pic10f322. Мне большая мощность не нужна была, преобразователь питался от USB 2, соответственно максимальная мощность ограничивалась 2.5 ваттами. Хватило выходных токов контроллера чтобы управлять ключевыми транзисторами. Спасибо за наводку.
sim2q
20.07.2019 15:43Спасибо, интересно!
Очень обрадовался увидев заголовок, но тут к сожалению источник без гальванической развязки, что всё упрощает.
ps Никак не могу«красиво»дешево нарисовать. У меня 750V маломощный источник, но обязательно с развязкой, но гнать ООС через оптрон мне видится расточительно. Но ничего не могу придумать.
Всякую экзотику типа изолированных ОУ — не очень хочется.jar_ohty Автор
20.07.2019 16:31Каковы требования к стабильности напряжения? Если не шибко большие — можно стабилизировать амплитуду на дополнительной обмотке трансформатора, намотанной максимально близко к высоковольтной.
sim2q
20.07.2019 18:12Требования не строгие, порядка +-5-10V думаю (это только в процессе можно узнать). Это поддержания дежурного (горячего) заряда конденсаторов. Так что возможно старт/стоп режим. Топология скорее всего fly back от сети. Про «обмотку рядом» — не очень уверен — страшно:) Хотелось бы что-то понепосредственнее.
Для «народного» оптрона PC817 в районе наибольшей чувствительности (1-3мА), — 1W чисто на standby — жалко. Ещё вариант с импульсным включением оптрона выключающем генерацию на некоторое время, но как то — слишком много неизвестных.Fox_Alex
21.07.2019 19:45в комментарии ниже это уже посоветовалиНу так не обязательно прямо через него гнать выходное напряжение! Сделайте делитель обратной связи, с него сигнал на компаратор, а уже компаратор пусть зажигает оптрон. Можно вместо компаратора повторитель и работать с аналоговым сигналом (но там в оптроне большая нелинейность). Единственное что нужна одполнительная обмотка или отдельный dc-dc для питания компаратора и оптрона.sim2q
22.07.2019 12:10Спасибо. Вспомнил, почему этот вариант кроме очевидного усложнения не очень подходил. Запитывать пришлось бы совсем от отдельного питания, т.к. питание ОУ от дополнительной обмотки этого же источника скорее всего было бы не стабильно в силу работы в старт/стоп режиме.
ps но тут вскрылись новые обстоятельства:) — схемы нет, приходится реверсить, не всё очевидно. Нашелся резистор на котором высаживается > 1W, есть повод пересмотреть подход.
Neuromantix
20.07.2019 16:50Ну что первое приходит на ум — запитать ОУ от отдельной обмотки трансформатора, на выход ОУ поставить оптрон. и током через фототранзистор оптрона управлять регулирующим элементом, для простоты его можно сделать из биполярного транзистора и перенести из цепи питания в цепь земли.
sim2q
20.07.2019 18:26Ну да, так в принципе можно, но ОУ придётся питать от другого источника, т.к. этот будет работать скорее всего в режиме старт/стоп.
amartology
22.07.2019 00:16Всякую экзотику типа изолированных ОУ — не очень хочется.
Почему экзотику и почему не хочется? ADuM4190 — это же ровно то, что вам нужно, и недорого, разве нет?sim2q
22.07.2019 12:04Да, ADUM3190 имел в виду, подешевле и есть в магазине. Такой подход для этого любительского проекта я не могу включить. Там если всё специализированное поставить, то совсем негуманно получится.
amartology
22.07.2019 12:30Нууу, если для любительского проекта триста рублей — дорого, тогда понятно. Мне просто казалось, что наоборот, в любительском проекте можно позволить себе чуть более дорогие, но более интересные и новые решения, чем в серии, где за каждый цент себестоимости надо бороться.
sim2q
22.07.2019 12:54Тут немного другой акцент.
ps Конечно проще поставить специальную микросхему, но порой мне кажется что некоторые серии живут исключительно из за лени или криворукости «специалистов» не осиливших схемотехнику или нормальную разводку. Но я не в коем случае не хочу к вам в оппоненты этим комментом, мы тут в разных мирах:)
avf1906
20.07.2019 21:07Рекомендую автору поинтересоваться ТАУ и ПИ-регуляторами, можно у Титце-Шенка. Тогда не будет шаманства с подбором коэф. усиления и его влияния на точность. Ну и насчет реальной точности есть сомнения. 1В от 1500В это 0.07%. А мы только на вв резистрах с их 400ппм/С имеем 0.04%/С. Точность опоры и влияние ОУ отдельная грустная тема, хотя лучше чем с резисторами, но и там есть нюансы. В общем статья интересная, но заявка на прецезионность не выполнена. Скорее можно озаглавить как "недорогой бп фэу из подручных средств".
jar_ohty Автор
20.07.2019 23:09Использованы резисторы с 100 ppm, и я не зря написал про теплоизоляцию — это своего рода пассивное термостатирование, устраняющее "пляску" сопротивления из-за разнотемпературных потоков и оставляющее в лишь медленный дрейф, сходящий к нулю с прогревом. А указанные параметры получены экспериментально.
Что касается Титце и Шенка, то с ПИ-регуляторами я обрел некое чутье, настраивая терморегуляторы печей, в которых росли мои кристаллы. С теорией я знаком, но по вышеуказанной причине мне было проще подобрать. Тем более в расчете по-любому пришлось бы от чего-то плясать, учитывая инертность этой "печки", которую не так просто рассчитать.
RV3EFE
20.07.2019 23:45статья понравилась. это довольно простая схема подобной конструкции. классно. не подскажете, в статье говорилось, что не все полевики нормально работаю в линейном режиме, а почему не применили биполяр?
Fox_Alex
20.07.2019 23:50Операционнику может не хватить выходного тока, чтобы открыть мощный биполярный транзистор. Пришлось бы делать два каскада на транзисторах.
KbRadar
21.07.2019 10:16При такой низкой мощности проблем не будет. Проблемы начинаются с десятков рассеиваемых ватт: в ячеистой структуре полевика появляются и быстро развиваются неоднородности и полевик выходит из строя.
jar_ohty Автор
21.07.2019 11:00Здесь то же самое, только эти неустойчивости приводят не к выводу из строя, а к нестабильности всей схемы.
sim2q
22.07.2019 11:53Мне тоже глядя не схему захотелось охватить полевик отдельной цепью ООС, но прочитав:
обрел некое чутье, настраивая терморегуляторы печей, в которых росли мои кристаллы
Моё восхищение!
Сам закапываюсь часто, усложняя схему из расчёта каких то эффектов которые потом оказываются несущественными, но зато всплывают другие.
Buhram
21.07.2019 21:37Я, для источника питания счетчика Гейгера, использовал делитель 4 ГОм в верхнем плече и 100 МОм в нижнем. Паял чистой спиртоканифолью. После отмывки и покрытия лаком Plastik 70, все работало отлично.
Вместо КФ1211ЕУ1 можно применить IRS2153D.jar_ohty Автор
21.07.2019 22:24Она от 12 вольт работать начинает.
Для Гейгера нет таких жестких требований к точности, поэтому там можно такие высокоомные делители. А в нашем случае пришлось бы делать изоляцию, как в электрометрических усилителях.Buhram
22.07.2019 08:42Есть еще замечательный ШИМ-контроллер LTC6992
Ну, дрейф в 0.2 В не сказать что особо точно как для питальника ФЭУ.
DenisHW
Спасибо за статью и опыт.
У вас еще операционный усилитель может иметь смещение порядка 300 мкв и более, у вас их два и с учетом коэф усиления 500, стабильность уже будет порядка 0.3В.
R9 51М не многовато ли? Утечки, конечно будут сказываться. Можно было бы попробовать делитель 10к-5.1М. В одной компании было внутренне правило для измерительных цепей для резисторов MELF сопротивление не более 300к. Иначе сразу влияли утечки по плате и влажность даже на покрытых лаком платах.
DanilinS
Для резистора 51М сопротивление будет гулять да-же от потожировых следов. Приходилось налаживать схемы с аналогичными сопротивлениями. Все приходилось очень тчательно спиртом промывать. Иначе неуправляемый дрейф нуля или большая нестабильность в показаниях.
jar_ohty Автор
Сначала я так и сделал, поставив в качестве верхнего плеча делителя 5,1 МОм. Получил АЦЦКИЙ дрейф в несколько вольт. Проблема была в саморазогреве: на нем рассеивалось почти полватта, и даже если разбить эти полватта на 10 резисторов, разогрева хватало на 10-15 градусов. А это у ширпотребных резисторов давало несколтко десятых процента. В итоге попался высоковольтный плоский резистор на 51 МОм, и с ним все стало хорошо. Но у меня все залито.
Смещение операционника — это да. Только там за счет самой схемы смещение в несколько вольт. Но к счастью, оно довольно хорошо стабилизируется после прогрева, давая в итоге указанные 0,2 В/час. Можно лучше, да. Заменить операционник на хороший и дорогой, усовершенствовать схему, скомпенсировав вышеупомянутое смещение.
Fox_Alex
Еще в высоковольтных делителях неплохо себя показали резисторы VR68 от Vishay. Сопротивление 68 МОм, 200 ppm на градус.
jar_ohty Автор
FHV100, который у меня — это тоже вишаевская работа. У него еще меньше ТКС, 100 ppm.
DenisHW
Да, еще у вас R6 портит картину, обычно его просто нет в схемах, что бы не было статической ошибки. Сейчас у вас на затворе VT2 пусть 2В. Тогда засчет R6 R5 статическая ошибка на входе операционника 20мВ и умножаем на 500, итого 10В статической ошибки.
johnfound
Просто резистор R9 должен быть составлен из нескольких соединенных последовательно. Наверное не меньше четырех. И конечно залить компаундом как вся высоковольтная часть. Тогда греться будет меньше и утечки будут меньше влиять на точность.
KbRadar
1500*1500/300000= 7.5 Вт. Был бы киловаттный источник — можно было бы подумать о таком…
По моему опыту при аккуратной работе достаточную для гамма-спектрометрии стабильность напряжения можно получить при сопротивлении 1-2 ГОм в цепи обратной связи.