En un
artículo anterior, mostré un poco en mi trabajo un radiómetro de centelleo casero. El dispositivo ha interesado al público y, en relación con esto, sale este artículo que describe el radiómetro desde el interior.
Qué es y por qué
La gran mayoría de los dosímetros y radiómetros de bolsillo son instrumentos basados en un contador Geiger. Este tipo de detector tiene sus ventajas, las principales son la simplicidad y el bajo costo, pero también una serie de desventajas. En primer lugar, esta es una muy baja eficiencia del registro de rayos gamma y una falta total de información sobre su energía. Un contador Geiger captura solo un rayo gamma de varios cientos, mientras que un detector de centelleo de baja energía proporciona casi el 100% de eficiencia. Como resultado, con un fondo natural con las mismas dimensiones de los detectores, cuando el contador Geiger da solo 10-15 pulsos por minuto, el centelleador da el mismo número de pulsos, pero
por segundo . Por lo tanto, para tener al menos una idea de la tasa de dosis, debemos pasar al menos un minuto en un conjunto de pulsos con un contador Geiger, y con un centelleador podemos recibir información sobre la situación de radiación cada segundo. Entonces, el detector de centelleo nos da, en primer lugar, la velocidad de reacción a fuentes débiles de radiactividad.
Además, el detector de centelleo tiene la propiedad de proporcionalidad. Cuanto mayor es la energía de las partículas, mayor es la amplitud del pulso en la salida del detector. ¿Para qué es esto? Primero, así es como obtenemos información sobre cuál es la fuente de radiación. Cada isótopo radiactivo tiene su propia energía característica de radiación gamma (o un conjunto de energías). El método de espectrometría gamma se basa en esto. En este dispositivo, la energía absorbida promedio por cantidad se mostrará en la pantalla (aún no se ha hecho).
En segundo lugar, si simplemente contamos los impulsos sin tener en cuenta la energía, obtenemos algo desagradable llamado "un movimiento con rigidez". Supongamos que calibramos nuestro radiómetro cesio-137. Y luego estaban en un lugar infectado con americio-241. La energía del cesio-137 cuántico es 667 keV, América - 59 keV, es decir, más de un orden de magnitud menor. Entonces, con el mismo número de partículas atrapadas por el detector (y, por lo tanto, con las mismas lecturas del dispositivo), la dosis absorbida será más de un orden de magnitud menor. Es decir, las medidas serán erróneas. Y para que el radiómetro mida la dosis correctamente a diferentes energías (es decir, para ser un
dosímetro ), se debe tener en cuenta la energía de cada cuanto registrado.
Los radiómetros-dosímetros portátiles de centelleo han estado en el mercado durante mucho tiempo. Pero en su mayor parte, estos son dispositivos muy caros para uso profesional. Sé de un solo dispositivo, orientado al uso doméstico y de aficionados: este es Atom Fast fabricado por KB Radar. El resto, dispositivos Polimaster, varias compañías extranjeras, son muy caros.
En este dispositivo, quería obtener lo siguiente:
- Trabajo autónomo sin referencia a un teléfono inteligente u otro dispositivo con su propia pantalla (a diferencia de Atom Fast);
- Intenta hacer una compensación de poder;
- Registro automático de mediciones en medios extraíbles, en perspectiva con referencia cartográfica;
- Apariencia cultural, no particularmente dando origen casero a todo tipo de diferentes sabuesos y vigilantes.
Como resultado, se obtuvo el dispositivo descrito. Todavía no está terminado, todavía hay suficiente trabajo, especialmente con el software.
Funciones principales
El radiómetro funciona en uno de dos modos: búsqueda y medición. En el modo de búsqueda, las lecturas del dispositivo se actualizan cada segundo, mientras que además de las lecturas en forma digital, se muestran en un gráfico. En el modo de búsqueda, no se presta atención a los errores; en este modo, el dispositivo es principalmente un indicador. La pantalla muestra: tasa de dosis actual, tasa de conteo en pulsos por segundo (CPS), así como la tasa de dosis promediada en el último minuto y la dosis integral acumulada después de encender el dispositivo o después de un reinicio. Por el contrario, en el modo de medición, el operador establece el tiempo de medición (presionando el botón "Enter" para comenzar y luego finalizar la medición), y el error calculado se muestra en la pantalla junto con el valor medido, y se muestra un mini-registro de los últimos en su "sótano" medidas Además, en el modo de medición, se hizo el primer intento de tener en cuenta la energía de los cuantos y compensar el "golpe con rigidez". El modo de medición está en construcción profunda y aún no está en la versión de firmware dada.
Independientemente del modo, el segundo segundo ciclo de mediciones continúa, y los resultados se guardan en la RAM. En particular, debido a esto, al cambiar al modo de búsqueda, el gráfico muestra las lecturas que se realizaron durante la permanencia del dispositivo en el modo de medición, así como al ingresar al menú, etc. Independientemente del modo, la alarma por exceder los umbrales también funciona.
Hay tres umbrales en este último. El primero y el segundo tradicionales se configuran a través del menú a solicitud del operador y cuando se activan por los resultados del siguiente segundo ciclo de conteo, suena una señal de sonido. Además de ellos, también hay un umbral adaptativo. Se establece automáticamente en un nivel promedio por minuto, estableciendo uno, dos o tres sigma (puede seleccionar en la configuración) de él. Si se produce una operación en este umbral en el siguiente ciclo, el valor del ciclo anterior se toma para el siguiente ciclo, de modo que con un aumento lento pero constante de la radiación, se logra una alarma estable. Posteriormente, se implementará un registro de alarmas, pero hasta ahora no lo es.
Todavía no se ha implementado para guardar los resultados de la medición en una tarjeta microSD, cuyo conector está montado en la placa del radiómetro. También proporciona la conexión de un módulo GPS, cuyo uso también es una cuestión del futuro.
El cambio de modos y el cambio rápido de algunos ajustes se realiza a través de las "teclas de acceso rápido", el resto de las operaciones, utilizando el menú. Entrar al menú, como ya se mencionó, no detiene el proceso de medición.
Plano general del dispositivo
El radiómetro está montado en una caja estándar Chip-and-Dip Gainta G1389G de 122x77x25 mm. En el panel superior hay una pantalla LCD en color de 3.5 "con una resolución de 480x320 píxeles. La pantalla utiliza el módulo HMI Nextion NX4832T035, que se diferencia de las pantallas convencionales por su propio microcontrolador, que contiene un programa listo para mostrar elementos de interfaz, pero solo necesitamos enviar comandos para mostrarlos, eliminarlos o cambiarlos, por ejemplo, cambiar uno u otro dígito, dibujar otro punto en el gráfico o cambiar el color de una u otra inscripción. Debajo de la pantalla hay un teclado de cinco botones. Queda espacio para el receptor GNSS, y un detector de centelleo se encuentra en el extremo superior.
Los números rojos indican: 1 - módulo de pantalla, 2 - teclado, 3 - detector, 4 - placa analógica, 6 - placa del sistema.
El circuito electrónico del dispositivo (sin contar la pantalla y el receptor de navegación, así como el teclado) se ensambla en dos placas de circuito impreso. En el primero, la parte analógica del dispositivo se ensambla, en el segundo, todo lo demás: un microcontrolador con una correa, un circuito de alimentación y su conmutación, carga de la batería y una fuente de alto voltaje para el detector.
Detector
Un cristal de centelleo activado con talio de yoduro de cesio se usa como detector en el radiómetro. Este cristal tiene la propiedad de la radioluminiscencia: las partículas cargadas y los fotones de alta energía (rayos X y gama gamma) excitan un resplandor y la luz se emite en forma de un centelleo de luz corto, de aproximadamente un microsegundo. Este flash es demasiado débil para ser visto a simple vista o detectado de la manera habitual. Las fotocélulas, los fotodiodos y los fotoresistores son demasiado insensibles para esto. Para evaluar la escala del desastre, citaré las siguientes cifras.
Un rayo gamma con una energía de 1 MeV, completamente absorbido en un cristal CsI (Tl), genera aproximadamente 40,000 fotones de luz verde. Tratemos de atrapar esta luz con un fotodiodo. Supongamos que todos se suben a un fotodiodo (de hecho, esto no es realista y es bueno si solo la mitad lo hace). Y digamos que tenemos un fotodiodo ideal, con una salida cuántica del 100%. Esto significa que cada uno de los fotones creará un par de electrones en la estructura del fotodiodo. Y por el momento tenemos 40,000 fotoelectrones. Y este pulso dura, como sabemos, 1 μs. Entonces, en un segundo tendremos 4 ∙ 10
10 fotoelectrones. ¡La carga de electrones es 1.6 ∙ 10
-19 C, y la carga de 4 ∙ 10
10 fotoelectrones es 6.4 ∙ 10
-9 C, es decir, la intensidad actual que causará el destello de centelleo en nuestro fotodiodo es solo de unos pocos nanoamperios! Y si recordamos que no todos los fotones también entran en el fotodiodo, y su rendimiento cuántico no es del 100% ... Y además, el megaelectrón-voltio es la energía de una radiación gamma bastante dura, y sería bueno ver energías mucho más bajas. En general, los fotodiodos prácticamente no son adecuados para nosotros aquí. Más bien, son adecuados, pero con gran dificultad.
Por lo general, se usaron multiplicadores fotoelectrónicos (y ahora se usan) para capturar pulsos de luz tan débiles. En ellos, cada fotoelectrón eliminado del fotocatodo se multiplica en el sistema de dinodo, dando una ganancia de millones de veces, y el pulso actual en su ánodo ya no es nano, sino miliamperios, y registrar ese pulso ya no es difícil. Pero los PMT son un cilindro de vidrio frágil de tamaño sólido, estos son kilovoltios de potencia, que además requieren una alta estabilidad. En general, está mal representado en un dispositivo de bolsillo.
Afortunadamente, los fotodetectores de semiconductores ahora están disponibles y pueden competir en sensibilidad con los PMT. ¿Quién dijo fotodiodos de avalancha? Sí, son casi ellos. Solo los diodos de avalancha, aunque tienen amplificación interna de la fotocorriente debido a la multiplicación de avalanchas de portadores, tienen una serie de problemas tecnológicos que no permiten hacer un área sensible con un diámetro de al menos unos pocos milímetros. Además, el diodo de avalancha clásico tiene un coeficiente de amplificación de avalancha sin trucos complejos de solo 10-200, que es minúsculo en comparación con la característica de amplificación de un millón de veces de un PMT. Todas estas desventajas del fotodiodo de avalancha se eliminan en el recientemente aparecido en el mercado Si-PMT o SiPM. Esencialmente son una matriz de muchos fotodiodos de avalancha que operan en el modo de ruptura previa, en el que un solo fotón es capaz de provocar el desarrollo de la ruptura de avalancha. Este modo es similar al funcionamiento del contador Geiger. Cada una de las celdas tiene su propio esquema de supresión, por lo que el colapso de avalancha cesa inmediatamente y la celda vuelve a estar lista para registrar un nuevo fotón. Todas las celdas (con sus esquemas de enfriamiento) están conectadas en paralelo en un cristal Si-PMT, y los pulsos de corriente que fluyen a través de ellos se suman, de modo que la corriente promedio es proporcional a la iluminación del cristal. Y es muy simple usar tal PMT de silicio, es suficiente aplicarle una polarización inversa, aproximadamente 28-29 V a través de una resistencia de varios kiloohmios, de la cual se toma la señal. No se necesita nada más: ni una fuente de energía de kilovoltios, ni un divisor para dinodes. Y el Si-PMT en sí es un pequeño cuadrado de silicio que mide 3x3 o 6x6 mm. Por cierto, si elimina la polarización inversa o la baja a unos pocos voltios, funciona como un fotodiodo normal.
Por lo tanto, nuestro detector utiliza Si-PMT y un cristal CsI (Tl), entre los cuales se aplica una capa de lubricante óptico para eliminar el espacio de aire entre el cristal y la ventana del fotodetector. Y encima del cristal y Si-PMT están cubiertos con muchas capas de una delgada película fluoroplástica, conocida como cinta FUM. Este recubrimiento tiene una reflectancia difusa muy alta. El detector está cubierto con cinta de aluminio en la parte superior, lo que brinda protección contra la luz externa y el sellado: el cristal de yoduro de cesio es extremadamente soluble en agua y el menor rastro de humedad que ingresa al detector lo destruiría. Afortunadamente, a diferencia de su "pariente", el yoduro de sodio, CsI prácticamente no tiene la propiedad de higroscopicidad, es decir, no atrae la humedad del aire. Los cristales de yoduro de sodio deben procesarse solo en un gas inerte absolutamente seco y colocarse en recipientes tan sellados, como si fuera necesario crear un vacío ultra alto en ellos, y en el aire ordinario simplemente se separan ante nuestros ojos. Y viceversa, el yoduro de cesio en forma de cristales individuales puede tratarse fácilmente en el aire (por ejemplo, aserrado con una sierra para metales normal y lijado con una piel), evitando solo restos de agua líquida y recordando que el cristal contiene talio extremadamente tóxico. Sin embargo, debido a lo pequeño de su cantidad, la toxicidad aguda (¡pero no crónica!) Será determinada por el yodo y no por el talio.
No daré consejos sobre la fabricación propia del detector, ya que no lo
ocupé ( el desarrollador y fabricante
KBRadar me proporcionaron amablemente el detector terminado a cambio de algunos artefactos que son valiosos para los ingenieros electrónicos), solo daré sus parámetros. Ellos son: el tamaño del cristal es de 8x8x50 mm, y el Si-PMT MicroFC 30035 de la compañía irlandesa SensL (ahora es una división On Semi) como fotodetector. Se puede encontrar una variedad de consejos de fabricación en línea. Con un ligero aumento de tamaño, puede tomar un cristal CsI (Tl) o NaI (Tl) estándar en un paquete "nativo" de tamaños pequeños (10x40, 18x30 mm, etc.). Sin embargo, cuanto mayor sea el tamaño de la ventana de salida, peor funcionará el fotodetector con un tamaño de 3x3 mm, por lo que recomiendo encarecidamente tomar un MicroFC 60035 más grande (y mucho más caro) con el diámetro de la ventana de salida más grande. Por cierto, los análogos Broadcom de estos fotodetectores no son recomendado para usar. Además de la carcasa (WLCSP-16), que es completamente indigesta para la soldadura doméstica, también tienen un nivel de ruido casi más alto.
Los cristales de CsI (Tl) se procesaron como sigue. En todas las muestras, la superficie lateral estaba enmarañada. El rectificado de los extremos se realizó primero sobre papel de lija fino y luego sobre tela de seda. Para una mejor molienda, se usó óxido de cerio diluido en alcohol etílico. Al esmerilar la transparencia de vidrio se logró. Si fuera necesario reducir el cristal a espesores grandes, simplemente se cortó con un hilo sumergido en agua. Luego el procesamiento se llevó a cabo en la misma secuencia.
(Gorbunov V.I., Kuleshov V.K. Sobre la cuestión de elegir el tamaño óptimo de centelleadores para defectoscopía de productos // Izv. Tomsk Polytechnic Institute. 1965. V.138. P.42-48.)
Parte analógica
Su esquema se muestra en la figura anterior. Se compone de los siguientes nodos principales:
- Circuito de entrada;
- Comparador;
- Detector de pico.
El detector está conectado al conector de entrada XP1. El cátodo Si-PMT - al pin 3 (HV), el ánodo - al pin 1 (DET), y al pin 2 (GND) la pantalla metálica del detector está conectada - su envoltura está hecha de cinta adhesiva de aluminio.
El circuito de entrada consiste en la resistencia de carga del detector R2 y la resistencia limitadora de corriente R1, que tratará de proteger el detector en caso de problemas tales como el suministro accidental de un voltaje de polarización inversa demasiado alto o el suministro incorrecto de un voltaje de polaridad inversa, si el detector está conectado incorrectamente. Junto con la capacitancia de un PMT de silicio (aproximadamente 900 pF), forman pulsos de voltaje con un tiempo de subida de aproximadamente 1 μs y un tiempo de caída de aproximadamente 15 μs. Antes de aplicar a la entrada del comparador, la señal se pasa a través de un condensador de 470 pF, que desacopla el circuito por corriente continua y, junto con la resistencia de entrada del divisor R3R5R6, acorta el pulso a 2-3 μs.
Se usó un microcircuito LMV7239 como comparador, combinando un bajo consumo de energía con una velocidad suficientemente alta (<100 ns) a bajos voltajes de entrada diferencial. El divisor de voltaje R3R5R6 junto con el circuito integrador R4C3 forma un voltaje de umbral "flotante", haciendo que el comparador sea algo insensible a la corriente oscura del detector y cambie su propia corriente de entrada con la temperatura. La sensibilidad del comparador se controla mediante la selección de la resistencia R5 en el rango de varias decenas de ohmios. A la salida del comparador se forma un pulso rectangular de polaridad negativa. El borde posterior de este pulso puede sacudirse ligeramente debido al ruido del detector, pero un intento de deshacerse de este rebote mediante la introducción de histéresis ha llevado a una disminución de la sensibilidad y, en general, a peores resultados. Este pulso activa el detector de pico y se alimenta a la parte digital, donde genera una interrupción del microcontrolador.
El disparo único en el temporizador integrado DA2 (LMC555CM, de hecho, un temporizador 555 convencional, solo en la versión CMOS) genera un pulso (polaridad positiva) de 10 μs de duración (establecido por la cadena de temporización R7C6) en el borde de salida del pulso en la salida del comparador. Este pulso se invierte usando DD1 (un único inversor TinyLogic en el paquete SOT23-5) y se aplica a la tecla DD2, que acorta el capacitor del detector de pico C12 en ausencia de pulsos de entrada. En el momento de la llegada del pulso, el cortocircuito es eliminado por los 10 μs indicados.
El detector de pico se construye de acuerdo con el circuito clásico no inversor.
Las desventajas de este esquema son bien conocidas, pero en esta realización, surge una cosa interesante. El hecho es que, en anticipación de un pulso, el bucle de retroalimentación de DA2.1 se rompe y el amplificador operacional en el momento de la llegada del pulso de entrada debe estar en una condición de sobrecarga, cuya salida lleva mucho tiempo y el estado del amplificador antes del pulso no está determinado en absoluto (a partir del cual todos desventajas de los detectores de picos de este tipo). Por otro lado, el voltaje en la entrada no inversora en el momento anterior está cerca de cero, y el condensador está en cortocircuito, de modo que el voltaje en la entrada inversora también es cero. En el momento de la llegada del pulso, la salida del amplificador operacional en este momento está en modo de cortocircuito y los circuitos de protección que cubren el amplificador operacional con un circuito de retroalimentación interna que limita la corriente de salida. Debido a esto, la etapa de salida del amplificador ya no está en modo de limitación,pero resulta forzado a modo lineal, del cual ya sale fácil y rápidamente. Como resultado, un detector de picos de este tipo funciona mucho más rápido que si se reiniciara al final del pulso haciendo un cortocircuito en el capacitor C12.Una condición para el funcionamiento normal de este circuito es la ausencia de un componente constante en la señal del detector, que inmediatamente pone el amplificador operacional en modo de sobrecarga, y una corriente significativa fluirá a través del diodo y un condensador en cortocircuito (limitado, sin embargo, por el circuito de retroalimentación incorporado mencionado, para que nada se queme). Por lo tanto, la entrada y aquí está el condensador de aislamiento C9. La resistencia R8 proporciona la descarga de este condensador si se carga repentinamente (de lo contrario, no tiene dónde descargar, la impedancia de entrada de DA2 se acerca al teraom). En su ausencia, se observan trucos divertidos cuando el circuito funciona normalmente durante un tiempo, y luego se detiene repentinamente y restaura el trabajo después de un tiempo.Los parámetros del condensador del detector de pico generalmente dependen directamente de qué tan bien funcionará. Por lo general, colocan una película no polar, a menudo un fluoroplástico, ya que se necesita baja absorción con baja fuga. Aquí, los requisitos para ello se mitigan por el hecho de que se acorta constantemente en ausencia de un pulso (que suprime el efecto de absorción) y por el hecho de que el tiempo de almacenamiento de carga es de solo 10 μs, por lo tanto, un condensador cerámico de alta calidad de tamaño 1206, necesariamente con un dieléctrico de tipo NP0, es bastante aplicable aquí.Un búfer con una alta resistencia de entrada se ensambla en el segundo amplificador operacional del microcircuito DA2, lo que permite eliminar el voltaje del condensador del detector de pico sin descargarlo, cuya amplificación está dada por las resistencias R9 y R10.Este circuito, cuando se recibe un pulso del detector en la entrada, genera un pulso de nivel cero en la salida TRIG con una duración de 2-4 μs y un pulso cercano al rectangular con una duración de 10 μs con un nivel proporcional a la amplitud del pulso recibido del detector en la salida SP. Para la mayoría de estos 10 μs, el nivel de voltaje permanece constante, lo que permite medirlo varias veces utilizando el ADC incorporado del microcontrolador, y la señal TRIG primero debe "despertar" el MC e iniciar el controlador de interrupciones en el que se realiza esta medición (junto con el conteo de pulsos) implementado.Para el funcionamiento, el circuito requiere dos voltajes de alimentación: 3.3 - 5 V para el funcionamiento del circuito y un voltaje "alto" de 28-29 V para polarizar el detector. El consumo de corriente es de aproximadamente 2.5 mA. Según el circuito de "alto voltaje", el consumo de corriente depende de la carga del detector y en niveles de radiación de fondo es de varios microamperios. Se ensambla en una placa de circuito impreso con un tamaño de 64x22 mm mediante montaje en superficie.Después del ensamblaje, todo debería funcionar de inmediato, pero al verificar, debe recordar que la salida TRIG es una salida de comparación de muy alta velocidad y es capaz de generar interferencias potentes. Debido a ellos, cuando se conecta (por ejemplo, a un osciloscopio) con un conductor largo sin blindaje, todo se excitará. Por la misma razón, en la opción de placa que desarrollé, hay una activación de esta señal a la señal TRIG en forma de "timbre" de alta frecuencia. Al ensamblar el dispositivo terminado, la placa debe estar conectada a la placa del sistema con un paquete de longitud mínima en el que las líneas TRIG y SP están blindadas por separado, por ejemplo, usando tela adhesiva de níquel conectada a un cable común.Placa base
Los siguientes nodos principales se encuentran en él:- Fuentes de alimentación y su circuito de conmutación, incluido el circuito de carga de la batería;
- El microcontrolador y todo lo que necesita para su trabajo;
- Circuitos auxiliares para teclado, pantalla, tarjeta SD, etc.
El esquema de poder (me disculpo de inmediato por no llevar los esquemas adicionales a los estándares y tomado directamente de Eagle) se muestra en la figura a continuación.
El dispositivo funciona con una batería de iones de litio de celda única conectada al conector X1. Utilicé una batería de polímero de litio "Robiton" a 2.3 Ah *, en principio, cualquier batería de teléfonos inteligentes, etc. funcionará. a una capacidad similar. En DA1, se construye un cargador para él, que funciona desde un puerto USB. Aquí, sin ninguna característica, todo en la hoja de datos en el LTC4054-4.2. La corriente de carga se puede aumentar de 350 a 700 mA atrayendo la menor según el circuito de salida de la resistencia R4 al cable común utilizando el puerto MK. Esto es necesario para no exceder los 500 mA permitidos desde el puerto USB y al mismo tiempo permitir que la batería se cargue más rápido si el dispositivo está conectado a un adaptador de red. Usando DA2, el MK descubre que la batería está agotada y apaga el dispositivo, y el divisor R5R6C3 le permite medir el voltaje en él (enrollado en una de las entradas analógicas del MK).La línea CHRG de DA1 le permite al MK controlar el estado del cargador de acuerdo con un algoritmo complicado: cuando no hay carga, tiene cero, aparece una unidad en el proceso de carga que se atrae fácilmente a cero, y cuando está completamente cargada, deja de ser atraída y sigue siendo unidad incluso con una carga de varios kilogramos. En lugar de DA1, además del costoso LTC4054-4.2 original, también es aplicable su clon de ST - STC4054. Advierto contra el uso del LTC4054 chino con Aliexpress: o no funcionan de ninguna manera, o no funcionan como deberían, matando la batería y creando una amenaza de explosión. Fue por esto que me negué a usar el TP4056 "popular": el original no se ha producido durante mucho tiempo y es imposible obtenerlo, pero los clones no tienen precarga, luego la distribución de voltaje es de 4.2 V, casi un voltio, luego la protección térmica se desarraiga ... En general ,La única copia que normalmente funciona de este microcircuito que tengo es en una pequeña bufanda para cargar litio que una vez compré. Pero es una pena: tiene una indicación más simple de los modos, y la corriente de carga máxima es mayor, y el enfriamiento a través del SO-8 con el abdomen es mejor que a través de los terminales SOT-23-5.El circuito VT1VD1R7 desconecta la carga de la batería y la conecta a la alimentación desde el puerto USB cuando aparece voltaje, para no interferir con DA1 para mantener adecuadamente el modo de carga y detectar su finalización.Luego vienen los convertidores para obtener los voltajes de suministro correctos. El microcircuito DA3 eleva el voltaje de la batería a 5 V, la pantalla es alimentada por ellos, lo que aumenta el convertidor para obtener 28 V para el detector y, a través del estabilizador lineal, una placa analógica. MK puede pagar a todos estos consumidores estableciendo cero en la línea POWER_ON. La pantalla queda en blanco por separado con el interruptor DA6.Para obtener un alto voltaje, se ensambla un convertidor elevador en el DA5. Se ha seleccionado la versión de mayor voltaje del convertidor CC-CC LM2731. Inicialmente, se suponía que debía usar el MT3608 chino, que es mucho más económico en este circuito, pero mostró una confiabilidad muy baja con un voltaje de salida de 28-29 V (de hecho, según la hoja de datos, su voltaje de salida máximo permitido es de 28 V, por lo que no es sorprendente). Al configurar esta sección del circuito, debe tenerse en cuenta que cuando se rompe el brazo inferior del divisor (R12R13), el voltaje de salida salta a 50-60 V, noqueando el condensador C20, que es peligroso con una lesión en el ojo (¡explotan muy bien!). Y si R11 se acorta accidentalmente, la entrada FB (pin 3 de DA5) se quemará con el mismo efecto (además, tendrá que cambiar el chip).En este sentido, se debe prestar mucha atención a la calidad de la resistencia de sintonización y la instalación correcta. Se necesita un filtro de salida para suprimir la ondulación en la salida de esta conversión. El convertidor está cerrado por una pantalla de estaño, soldado alrededor de los bordes a un vertedero de tierra en el tablero.En lugar de DA3, como lo ha demostrado la práctica, con la corrección de la placa, puede instalar un interruptor similar a DA6 (en consecuencia, no necesita un estrangulador y un diodo, así como dos resistencias R9 y R10). Esto hará que el dispositivo sea algo más económico. Luego, el estabilizador DA4 debe instalarse no a 3.3 V, sino a 3.0 para que la fuente de alimentación analógica se estabilice en todo el rango de descarga de la batería.El convertidor DA7 funciona todo el tiempo, incluso cuando el dispositivo está apagado, proporcionando un MK de 3,3 V. En reposo, consume solo unas pocas decenas de μA, por lo que el dispositivo apagado casi no descarga una batería de 2,3 Ah. Desafortunadamente, el STM32L151 no tiene una entrada separada para alimentar el RTC, por lo que tuve que tomar esa decisión (o tendría que complicar el cambio).
Y este es el resto de los circuitos de la placa del sistema.
El corazón del sistema es MK STM32L151CBT6A (a diferencia del análogo sin índice A, tiene el doble de RAM - 32 kB). Casi todos los 48 de sus hallazgos estuvieron involucrados. Las excepciones fueron PA9 y PA10, también son RxD y TxD del primer USART, por si acaso les hice contactos, que son fáciles de soldar en el futuro. Una de las características aquí es un sistema un poco complicado para determinar el estado de la salida del CHRG DA1 con la inclusión de un suspensor de PB14, cuando necesita determinar si la batería se está cargando o si ya se ha cargado, y el tweeter está conectado en fase a través del inversor DD2. Mi error se muestra en el diagrama: cuando el MK se cambia al modo EN ESPERA, la entrada de este inversor está suspendida en el aire, lo que conduce a un consumo adicional significativo e incluso a la generación. Aquí debe tirar de esta entrada al suelo a través de una resistencia de 100 kilogramos. Debe prestar atención a la calidad de los resonadores de cuarzo, especialmente ZQ1. Con el reloj de cuarzo estándar de 12 pF, el reloj del controlador no funcionará normalmente, tendrá que buscar un cuarzo escaso con una capacidad de carga de 7 pF. Para ZQ2, MK es más leal, pero con el primer cuarzo chino que apareció, aquí puede detectar una falta de inicio o trabajar en la frecuencia incorrecta. Desafortunadamente, la línea STM32Lxx (es ella) es muy exigente con la calidad del cuarzo.
El teclado está conectado de una manera bastante estándar: las líneas de puerto son arrastradas por las resistencias externas R17-R21 a la alimentación y presionadas al suelo con botones. En la placa del teclado para suprimir la vibración, las cadenas RC se sueldan en paralelo con los botones. Cuando presiona el botón On usando el inversor DD3, se genera una señal de alto nivel, que se alimenta a la entrada WKUP y activa el MK si está en el estado STANDBY. Para evitar un encendido accidental por interferencia, se instala la cadena R22C23. Las líneas del teclado están conectadas a líneas de puerto consecutivas, lo que le permite leerlo en un solo comando de lectura de puerto.
Una tarjeta microSD está conectada en modo SPI debido a la ausencia de un controlador SDIO en este MK. El puerto USB se conecta de la manera más simple a través de dos resistencias en las líneas DP y DM. Los STM32 MK en sí mismos son bastante "roble" en términos de estática, y no habrá otras comunicaciones externas (excepto el firmware SWD) para el radiómetro, por lo que no puede hacer una protección de puerto seria contra sobretensiones.
El circuito de alimentación de MK se toma de una hoja de datos y no tiene ninguna característica. Cuando me ajusté al inductor L6, agregué secuencialmente una resistencia de 100 ohmios, esto redujo en gran medida las fluctuaciones de voltaje en el VDDA. La capacitancia de C30 se puede aumentar a 1 μF soldando en paralelo a él (en los mismos sitios) otro capacitor en 0.01 μF.
Cuando se aplica energía, la fuente de 3.3 V comienza a funcionar inmediatamente, generando energía para el MK. Otras fuentes de energía están apagadas. Después de iniciar el MC e inicializar los periféricos, eleva la línea POWER_ON (puerto PA15), inicia la fuente de 5 V y suministra energía a la parte analógica y a la fuente de alto voltaje. Para encender la pantalla, debe elevar la línea DISP_ON (PA8), de manera similar, para encender el módulo de navegación por satélite, la línea GPS_EN (PA1) está elevada, pero a diferencia de la pantalla, no hay un interruptor de alimentación especial para ello, se usa la entrada de control de potencia del receptor (debería ser). La pantalla se apaga cuando el dispositivo está funcionando con solo quitarle la alimentación.
Los pulsos de conteo (TRIG) del bloque analógico se envían a la línea PB0, lo que provoca una interrupción en el flanco descendente. Los pulsos que transportan información sobre la energía de las partículas (SP) se alimentan al canal 21 del ADC. La duración del "estante" de este pulso, durante el cual el nivel permanece sin cambios, es de casi 10 μs, lo que le permite realizar varias conversiones de ADC después de que el MC "despierta" y entra en la interrupción. La resistencia R34 elimina el "timbre".
La placa base tiene un tamaño de 64x80 mm y está diseñada para instalar la mayoría de las resistencias y condensadores del tamaño 0603. La mayoría de los elementos se instalan en un lado, excepto tres condensadores en el circuito de alimentación del MK y dos resistencias que forman el divisor de voltaje de la batería para medirlo.
Consejos de montaje y puesta en marcha
La placa analógica comienza a funcionar de inmediato si se ensambla sin errores. En la versión inicial, no había elementos R8 y C9 en el tablero, sin ellos el circuito funcionaba perfectamente desde el generador, pero la amplitud de pulso en la salida SP era aleatoria e independiente de la amplitud de pulso en la entrada. La introducción de estos elementos corrigió la situación.
Si la parte analógica del dispositivo está excitada, solo hay una lucha con esto: proteger la línea TRIG y minimizar la longitud del cable de conexión. La conexión al detector también debe ser más corta y blindada.
R5 debe seleccionarse mediante el paso confiable de pulsos dados por el detector con el fármaco americio-241 en ausencia de una reacción de comparación al ruido oscuro del Si-PMT a la temperatura máxima de operación.
La placa analógica debe lavarse a fondo del más mínimo rastro de flujo, especialmente en el área del detector de picos, y debe secarse bien y luego calentarse a 150 ° C. La resistencia de aislamiento incluso en gigabytes empeorará bruscamente su trabajo y lo hará inestable.
Comience a construir la placa del sistema a partir de fuentes de alimentación. Primero, recolecte una fuente de 3.3 V y asegúrese de que esté funcionando. Luego, una fuente de 5 V (sin olvidar conectar POWER_ON temporalmente con el bus + 3.3 V), y luego una de alto voltaje. Antes de encenderlo por primera vez, ajuste R13 a la posición superior en el diagrama y no suelde C20 hasta que se ajuste el voltaje. Establezca el voltaje en 28 V en la fuente de alto voltaje. Asegúrese de que el cargador funciona correctamente monitoreando el voltaje de la batería durante la carga. Después de verificar el rendimiento y el voltaje correcto en todos los buses de alimentación, puede soldar el MK y todos los detalles relacionados con él. Para verificar el MK, es aconsejable escribir y mostrarle un parpadeo. No olvides flashear y mostrar.
El proceso de calibración se describirá en el próximo número.
* * *
Esta es solo la primera parte del artículo. El segundo describirá la parte del software y el procedimiento de calibración. Mientras tanto, para aquellos que no pueden esperar,
folletos .
Los archivos Eagle con diagramas de circuitos y diseños de PCB, así como la versión estable actual del firmware y la pantalla MK,
se pueden descargar desde Google Drive en este enlace. Solo el modo de búsqueda funciona en este firmware y el modelo actual en lugar del menú. Todavía no estoy listo para diseñar un firmware más funcional.
Tenga en cuenta: las designaciones posicionales en el circuito de la placa analógica en la figura en el artículo y en el proyecto Eagle no coinciden, tampoco hay elementos R8 y C9 (según el diagrama del artículo) que instalé con un bisturí en una placa ya terminada.
El cableado de las placas está diseñado para su fabricación en fábrica, para LUT, etc. Tendrá que ser reciclado (duele muchas vías). Sí, tengo algunas tablas preparadas. Si alguien lo necesita, escriba un acuerdo personal.