VN zdroj pro obrazový zesilovač
Toto zapojení vzniklo jako část mé diplomové práce Automatizace experimentu na prachových zrnech. Zdroje byly určeny pro aparaturu pro výzkum nabíjecích procesů na prachových zrnech na Katedře fyziky povrchů a plazmatu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Jedná se tedy o poměrně specifickou konstrukci, která ovšem může poskytnout inspiraci také ostatním
Při práci s vysokonapěťovými zdroji dbejte zvýšené opatrnosti. Pokud se rozhodnete konstruovat níže popsané zapojení, činíte tak na vlastní zodpovědnost. Autor tohoto textu nenese žádnou odpovědnost za zranění či škody způsobené realizací níže popsaného zapojení.
Jako vysokonapěťový zdroj pro obrazový zesilovač byl původně zamýšlen zdroj s typovým označení C6706-20 od firmy Hamamatsu. Uvedený zdroj poskytuje vhodná napětí, avšak jeho zemní potenciál je přiveden na výstupní konec mikrokanálkové destičky, a tak neumožňuje snadno měřit intenzitu světelného signálu. Bylo tak potřeba zkonstruovat jiný zdroj, který by odpovídal původně zamýšlenému zdroji s parametry popsanými v dokumentaci [1] a který by měl zároveň luminoforovou vrstvu připojenu na zem. Konstrukce byla pojata jako tři navzájem nezávislé zdroje, jejichž dostatečné galvanické oddělení umožňuje vhodné spojení do požadované napěťové kaskády.
Byly určeny následující požadavky na vstupní parametry zdrojů:
- napájecí napětí +5 V (proti "digitální zemi"),
- regulační napětí +5 až +10 V (proti "analogové zemi"),
- napájecí napětí pro galvanické oddělení regulačního napětí +15 V (proti "analogové zemi").
Jako výstupní požadavky bylo určeno následující:
- napětí luminofor-mikrokanálková destička -6 kV/1 µ A (galvanicky odděleno),
- regulovatelné napětí na mikrokanálkové destičce -500 až -1000 V / 20 µ A (galvanicky odděleno s průrazným napětím vyšším než 8 kV),
- napětí mikrokanálková destička-fotokatoda -200 V (galvanicky odděleno s průrazným napětím vyšším než 10 kV).
Při návrhu bylo potřeba dodržovat oddělení digitální a analogové země, tak jak je popsáno u řídícího zdroje pro obrazový zesilovač. Požadavek na galvanické oddělení pro zdroj luminofor-mikrokanálková destička tak zajišťuje, že nenastanou problémy s měřením proudu elektronů dopadajících na luminoforovou vrstvu, který se měří vzhledem k analogové zemi. Vzájemné propojení všech zdrojů je znázorněno na obrázku 1.
Obrazek 1: Blokové schéma propojení VN zdrojů.
Zdroj 200 V
Konstrukce 200 V zdroje je poměrně jednoduchá. Základem je měnič, který je realizován integrovaným obvodem TDA7052A. Jedná se o zapojení popsané v časopise Praktická elektronika [2]. Pomocí tohoto integrovaného obvodu je buzen transformátor, jehož výstup je přiveden na násobič napětí tvořený diodami a kondenzátory. Stabilizace napětí je prováděna pomocí Zenerovy diody se Zenerovým napětím 200 V. U použité diody uvádí výrobce [3] teplotní koeficient αzv=9 až 13·10−4 K−1. Blokové schéma tohoto zapojení je znázorněno na obrázku 2.
Obrazek 2: Blokové schéma zdroje 200 V
Aby bylo zajištěno dostatečné galvanické oddělení zdroje, musí mít použitý transformátor elektrickou pevnost alespoň 10kV. Tomuto požadavku však nevyhovuje valná většina komerčně dodávaných transformátorů. Proto jsem přistoupil k výrobě vlastního transformátoru. Základem byla dvojitá toroidní tlumivka1 s indukčností 1mH. Jedná se o tlumivku s dostatečně masivní kostřičkou se zalitým feromagnetickým jádrem. Vinutí jsou zároveň oddělena plastovou přepážkou.
Tato konstrukce umožnila upravit tlumivku na transformátor s primárním vinutím s indukčností 1mH se 16 závity a se sekundárním vinutím s 250 závity. Po zalití středu silikonovým tmelem2 byla provedena zkouška elektrické pevnosti celého zařízení připojením primární a sekundární části přístroje na rozdílný potenciál 10kV po dobu jedné minuty. Proud, který protékal mezi primární a sekundární částí, byl ≪ 1µ A.
Výsledný zdroj se ukázal jako stabilní s proudovým odběrem ≈ 70mA.
Označení Hodnota Označení Hodnota C1 10u IC1 TDA7052 C2 330p L1, L2 1mH / 16z, 250z C3 680n L3 330uH C4-C9 2u2/350V LED1 3mm, zelená C10 22n/400V R1, R2 1K D1-D4 BA159 R3 22K D5 BZY200 R4 10M
Tabluka 1: Seznam součástek použitých ve zdroji 200V pro obrazový zesilovač.
Obrazek 3: Fotografie zdroje 200 V pro obrazový zesilovač.
Obrazek 4: Schéma zdroje 200V pro obrazový zesilovač.Regulovatelný zdroj 500 až 1000 V
Také na regulovatelný zdroj je kladen poměrně tvrdý požadavek na galvanické oddělení, proto jsem při konstrukci galvanicky oddělil napájecí napětí a řídící napětí. Obě napětí byla po galvanickém oddělení použita pro měnič se zpětnou vazbou. Zpětná vazba tak nemusela být galvanicky oddělena, což je konstrukčně složitější. Na galvanické oddělení napájecího napětí bylo použito stejného zapojení jako pro měnič u zdroje 200V. Pouze sekundární vinutí bylo navinuto tak, aby výstupní napětí měniče bylo přibližně 6V. Blokové schéma zdroje je na obrázku 5.
Obrazek 5: Blokové schéma regulovatelného zdroje 500 až 1000V.Pro galvanické oddělení řídícího napětí byl zvolen převod analogové úrovně napětí na signál pulzně šířkové modulace (PWM). Signál byl přiveden na optočelen a na straně měniče pak využit jako napěťový regulátor. Také u tohoto typu součástek není snadné zakoupit komerčně vyráběný optočlen s dostatečným galvanickým oddělením. Osvědčilo se zalití optočlenu CNX82, jehož dokumentace [6] uvádí elektrickou pevnost 5300V, do již zmíněného silikonového tmelu. Vzhledem ke zvolené konstrukci řídícího zdroje pro obrazový zesilovač je úroveň regulačního napětí vztažena vůči analogové zemi. Aby nebylo nutné spojit digitální a analogovou zem, využívá převodník regulačního napětí na signál PWM vlastní napájecí napětí odebírané z analogové části.
Po zalití transformátoru a optočlenu silikonem bylo zařízení testováno přiložením napětí 10kV mezi primární a sekundární část po dobu jedné minuty. Naměřený proud byl opět ≪ 1µ A.
Základem měniče je oscilátor s transformátorovou vazbou popsaný například v knize od Dolečka [7]. Jedná se o oscilátor tvořený paralelním spojením vinutí transformátoru a kondenzátoru. Oscilace jsou buzeny tranzistorem, který je řízen pomocným vinutím. Snížením bázového proudu pomocí dalšího tranzistoru můžeme regulovat amplitudu oscilátoru a zavést tak zpětnou vazbu. Regulační signál pro tranzistor vytváří operační zesilovač zapojený jako integrátor. Operační zesilovač porovnává napětí na výstupu zdroje a regulační napětí nastavované pomocí PWM signálu. Druhá část operačního zesilovače je použita jako monitor 1:199 pro sledování úrovně signálu bez zatížení výstupu. Použitý transformátor má indukčnost primárního vinutí 27µ H a převodní poměr 1:60.
Pomocí dvou odporových trimrů, z nichž jeden je zapojen přímo ve zpětné vazbě a druhý je zapojen v PWM převodníku, je možné zdroj nakalibrovat na požadované výstupní napětí.
Jak je vidět na obrázku 6, kde je zobrazena převodní závislost výstupního napětí na vstupním regulačním napětí, je výsledná převodní charakteristika zdroje lineární. Tím je splněn předpoklad Uout=100· Ureg. Při výstupním napětí 1000V je proud odebíraný zdrojem ≈100mA (z části napájené napětím 5V), při výstupním napětí 500V proud klesne na hodnotu ≈60mA. Odběr PWM převodníku řídícího napětí je v řádu jednotek miliampér.
Obrazek 6: Převodní charakteristika regulovatelného zdroje 500 až 1000V.Kalibrace výstupního napětí 1000V se provádí po připojení napětí 10V na svorku Ureg pomocí odporového trimru R18 zobrazeného ve schématu na obrázku 7. Poté je možné nakalibrovat po připojení napětí 5V na svorku Ureg výstupní napětí 500V pomocí odporového trimru R12. Ke kalibraci je možné použít monitorovací výstup, kde je výstupní napětí v poměru 1:199. Snažíme se tak pomocí trimrů nastavit napětí 5Va 2,5V.
Odporové trimry jsou blízko VN částí, při nastavování je nutné postupovat opatrně. Napětí na monitoru se měří vzhledem k vývodu GND! Během měření na monitoru nesmí být k ostatním výstupním svorkám nic připojeno!
Označení Hodnota Označení Hodnota C1 10u L1, L2 1mH/5mH C2 330p L3 100uH C3, C5, C18 100n LED1 3mm, zelená C4 2u2 OK1 CNY65 C6 470u/16V R1 470 C7 470u/35V R2, R3 1K C8, C17 1u R4, R5 22k C9 100n R6, R16, R17 10k C10 220n R7 1K C11—C13 10n/630V R8 680 C14 10n/3kV R9 4k7 C15 4u7 R10 470 C16 470n R11 100k D1, D2 1N4007 R12 1K TRIM D3—D5, D9 1N4148 R13 100K D5—D8 1N5819 R14 100K D10—D12 MUR1100 R15 220k F1 500mA R18 10k TRIM IC1 TDA7052 R19 15k IC2 LE50 R20—R22 2M7 IC3 TINY13-20PU T1 2SC5706 IC4 LT1009C T2 BC639 IC5 LM6482 TR1 Transformátor
Tabluka 2: Seznam součástek použitých v regulovatelném zdroji 500 až 1000V pro obrazový zesilovač. Program pro převod napětí na PWM
Obrazek 7: Schéma regulovatelného zdroje 500 až 1000V pro obrazový zesilovač.
Obrazek 8: Fotografie regulovatelného zdroje 500 až 1000V pro obrazový zesilovač.Zdroj -6 kV
Základem tohoto zdroje je měnič použitý v uvedeném regulovatelném zdroji3. U měniče není zapojena zpětná vazba, což umožňuje galvanické oddělení výstupu zdroje a vstupu. Abychom mohli měřit proud elektronů na luminoforovou vrstvičku, potřebujeme, aby výstupní napětí zdroje bylo vztaženo vzhledem k analogové zemi. To by v případě, že by zdroj nebyl galvanicky oddělen vyžadovalo propojení obou zemí.
V tomto zdroji jsem použil transformátor s větším poměrem vinutí 1:200 a indukčností primárního vinutí 65µ H. Napěťový násobič je konstruován tak, aby násobil napětí pětkrát. Jako vhodné napájecí napětí pro měnič s napěťovým násobičem se při testech ukázalo napětí přibližně 6,5V. Vzhledem k požadavku na napájení pomocí 5V obsahuje zapojení regulovatelný měnič napájecího napětí (DC-DC converter), jehož základem je integrovaný obvod LT1173, jež je zapojen dle dokumentace [8].
Měřením se potvrdilo, že výstupní napětí VN zdroje je stabilní ale závislé na napájecím napětí dodávaném měničem s obvodem LT1173. Na kolísání napájecího napětí však zdroj citlivý není. Tato koncepce umožňuje nastavení výstupního napětí pomocí změny hodnoty rezistoru ve zpětné vazbě obvodu LT1173. Při nastavování výstupního napětí můžeme použít kalibrovaného odporového děliče. Blokové schéma je znázorněno na obrázku 9.
Obrazek 9: Blokové schéma regulovatelného zdroje −6kV.
Všechny výše popsané zdroje byly úspěšně vyvinuty a otestovány. VN zdroje byly namontovány na aparaturu a jsou zde využívány. Na obrázku 10 pak můžeme vidět fotografii VN zdrojů při testování na aparatuře.
Obrazek 10: Fotografie VN zdrojů při testování na aparatuře.Výstupní napětí zdroje je možné nastavit pomocí odporového trimru R3. K regulaci je možné využít výstup monitoru, který je přiveden na kalibrovaný dělič4 R6–R41. Celkový odpor děliče je 339503kΩ, odpor kombinace odporů R6 a R7 je 33,9536kΩ, což představuje dělič 1:9 999. Napětí na monitoru se měří vzhledem k vývodu GND! Během měření na monitoru nesmí být k ostatním výstupním svorkám nic připojeno!
Použitý transformátor TR1 má indukčnost primárního vinutí 65µ H a převodní poměr 1:200.
Označení Hodnota Označení Hodnota C1 220u/16V L1,L2 100uH C2-C4 47u/25V LED1 3mm, zelená C5 1u R1 330R C6 100n R2 56R C7 47n R3 TRIM C8 10n R4 4K7 C9-C13 10n/3KV R5 150K C14 15n/10KV R6 33K D1 1N4007 R7 TRIM 2K D2 1N4518 R8-R41 34x10M D3 1N4148 T1 2SC5706 D4-D8 DD1000 TR1 Transformátor IC1 LT1173-5
Tabluka 3: Seznam součástek použitých ve zdroji −6kV pro obrazový zesilovač.
Obrazek 11: Fotografie zdroje −6kV pro obrazový zesilovač.
Obrazek 12: Schéma zdroje −6kV pro obrazový zesilovač.Reference
[1] Image Intensifiers, datasheet, Hamamatsu Photonics K.K., Electron Tube Division, Japan, rev. Apr. 2008. http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/II_TII0004E02.pdf, 15. 3. 2012.
[2] Pechal S.: Pětimístný voltmetr pro PC, Praktická elektronika Amatérské radio, Roč. 18(62), č. 1, pp. 12–15, 2013.
[3] ZY11 – ZY200 Silicon Power Zener Diode, datasheet, Diodes Incorporated™, DS21406 Rev. E-3, 2013. http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/70/373744_DS.pdf, 16. 11. 2012.
[4] Katalog EZK, Elektrické součástky, stavebnice a moduly, katalog, Elektronika Zdeněk Krčmář, 2007. http://www.ezk.cz/katalog_ezk_2007.zip 3. 2. 2012.
[5] Silicone Sealant, Safety Data Sheet, Kontakt chemie, CRC Industries Europe bvba. http://www.gme.cz/dokumentace/742/742-010/dsh.742-010.1.pdf 2. 3. 2013 .
[6] 6-Pin Phototransistor Optocouplers, datasheet, Fairchild Semiconductor Corporation, 12/06/2000. http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/50884/FAIRCHILD/CNX82.html, 2. 3. 2013.
[7] Doleček J.: Moderní učebnice elektroniky 6. díl - Kmitočtové filtry, generátory signálů a převodníky dat, BEN - technická literatura, Praha 2009.
[8] LT1173, Micropower DC/DC Converter Adjustable and Fixed 5V, 12V, datasheet, Linear Technology Corporation, 1994. http://www.linear.com/product/LT1173 4. 2. 2013.
- 1
- 2
- 3
- 4
