Высоковольтный источник для дозиметра

Автор: poff, add-sp@meta.ua
Опубликовано 10.12.2013
Создано при помощи КотоРед.

Данная лабораторная работа была навеяна событиями на Фукусиме, разными слухами, скукой и временным отсутсвием работы, а так-же желанием зарисоваться, перед теми кто понимает, прикольным девайсом со зловещими менюхами. А если серьезно, то ставились следующие задачи:
1. Научиться изготавливать прочные корпуса, не типовые, а любой формы, для своих задач;
2. Отработать схемное решение реализующее включение/выключение устройства без использования фиксируемых кнопок, с минимальным энергоротребелением в спящем режиме, зарядка от USB и прочие ништяки;
3. Освоить протокол общения с LCD-индикатором.
4. Собрать экономичный высоковольтный блок для питания счетчика Гейгера-Мюллера типа СБМ-20.
5. Что-бы все вышеперечисленное работало совместно и по-честному.

Спешки нету. Пока-что реализованы пункты 1,2,3. Ничего необычного,выглядит все вот так. Корпус еще не отполирован и не окрашен.

Схем не привожу, поскольку все совместно еще не проверялось.

Теперь о главном.

Анализируя множество схем высоковольтных источников для питания счетчиков обнаружил, что часть из них затрапезные, изготовлены на базе компонентов прошлого века. Неоторые, современные, сдержат большое, по моему неоправданное, количество компонентов, иногда редких, итд. К тому-же все схемы потребляли не маленький ток.
К счастью нашел в интеренте вот такую ветку https://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=48:8024.
В результате собственных небольших исследований изготовил целых два устройства, которые могут представлять интерес для котосообщества. К тому-же оба устройства собираются на одинаковой печатной плате с испльзованием одного и того-же трансформатора и одно может превратиться в другое и наоборот. Ниже представлены схемы обоих устройств.

Схема №1 представляет собой стабильный регулируемый источник напряжения в диапазоне 350-450В расчитанный для работы совместно со счетчиком типа СБМ-20. Отличительной особенностью данного источника является:

- низкий ток потребления - окло 1mA для 400В;
- высокая точность удержания напряжения не зависящая от интенсивности излучения;
- полностью электронная регулировка, с запоминанием изменений в энергонезависимой памяти;
- небольшие размеры трансформатора и, сравнительно, небольшое количество витков.

Принцип действия устройства следующий:
Если на управляющий вход (РВ1) подать логическую 1, устройство выходит из режима глубокого сна (Power-down) и начинает работу.
Контроллер формирует с помощью ключа одиночный импульс длительностью около 1мкс. После этого, с помощью АЦП контроллера, производится измерение напряжения на делителе R4-R8 - для 400В оно должно быть около 3В. Если напряжение на делителе меньше, то опять формируетя импульс и снова производися измерение. Как только напряжение достигнет необходимого уровня, контроллер замедляет скорость измерений, переходит в режим "ADC Noise Reduction" и просыпается только по окончании АЦ-преобразований, чтобы сравнить результат и опять уснуть если все нормально. Собранное устройство выглядит следующим образом.

Процессор предлагается программировать сразу на плате, путем подпайки соответствующих проводников от программатора. Для этого на плате в нужных местах специально сделаны широкие площадки.
При первом включении EEPROM контроллера пуста и устройство работать не будет. Для запуска устройства, необходимо нажать и удерхивать кнопку + и подать напряжение питания. При данной процедуре в EEPROM запишется значение 89(hex) что соответствует напряжению +3В на выходе делителя при 400В на выходе умножителя и при моих параметрах трансформатора. Выходное напряжение необходимо мерять до резистора R9. Если оно не соответствует требуемому, то кратковременным нажатием кнопок +/- его можно изменять с шагом, приблизительно, в 1-1,5В. После того, как нужное напряжение выставлено, необходимо нажать и удерживать любую из кнопок +/- в течении 4-х секунд - новое значение сохраниться в енергонезависимой памяти. Также можно увеличить точность удержания выходного напряжеия. Мною был испробован резистивный делитель с соотношением 60МОм/470КОм (коэфициент деления 133), который подключался ко всему умножителю. Схема работала, но потребляемый ток возрос до 2,5мА.

Схема №2 является модернизированным продолжение схемы 1 и представляет законченое устройство, которое формирует полноценный импульс с логоческим уровнем, длительностью около 20мкс. какждый раз при срабатывании счетчика СБМ-20. Потребляемый ток лежит в пределах от 10мкА,при тсутствии частиц, и до 300мкА кратковременно, при регистрации чатицы.
Принцип действия устройства следующий:
Если на управляющий вход (РВ4) подать логическую 1, устройство выходит из режима глубокого сна (Power-down) и начинает работу.
Контроллер формирует с помощью ключа 20 импульсов длительностью по 1мкс для первичной накачки емкостей умножителя до напряжения 390-410В. После накачки контроллер уходит в режим глубокого сна (Power-down). Просыпается устройство в двух случаях:
Случай 1 - каждые 0,5сек возникает прерывание от WDT, контроллер просыпается, формирует 1 подкачивающий импульс и снова засыпает.
Случай 2 - От счетчика СБМ-20 поступает импульс, который вызывает прерывание. Контроллер просыпается, формирует с помощью ключа 20 импульсов длительностью по 1мкс для восстановления утраченного зараяда, формирует на выходном выводе РВ2 импульс для счетного ли индикаторного устройства (можно даже светодиода), и опять засыпает. Не смотря на нестабильность высокого напряжения на счетчике СБМ-20 схема нормально реагирует на частицы, сравнительно с эталонным дозиметром.

Как уже говорилось выше, устройства собираются на одинаковой печатной плате, отличия только в расположении элементов и прошивке контроллера. Все номиналы указаны на схеме. Вместо кнопок я использовал перемычку подпаянную к земле, свободным концом я тыкал куда надо, иммитируя работу кнопок. Трансформатор мотается на кольце 2000НН, размером 10х6х3. Обмотка на кольце содержит 107 витков провода диаметром 0,13мм. с отводом от 7-го витка. Было намотано 2 трансформатора.

У 1-го трансформатора 7 витков до отвода мотались проводом 0,13 сложенным в трое, следующие 100 витков мотались одиночным проводом.
У 2-го трансформатора все моталось одиночным проводом 0,13. Больших различий в работе обоих трансформаторов замечено не было.

ВНИМАНИЕ!!! При сборке схемы №2 у транзистора Q2 необходимо загнуть ноги в противоположную сторону и припаять его, как-бы к верху ногами.

Помимо готовых HEX-файлов я выкладываю исходники, чтобы вы сами смогогли править, если чего..Да и новичкам для общего развития не помешает. Также в архиве два варианта расположения элементов на плате. В устройстве на фото есть небольшие отличия от принципиалных схем, поскольку это макет. В файлах печатных плат все по чесному, ошибок нет, проверено живьем. Буду рад если мои исследования кому-то пригодяться. Остальное по даному проекту выложу попозже, когда все склею.

Файлы:
Архив RAR

Все вопросы в Форум.